CN104237820A - 一种单扫描获取磁共振二维j-分解谱的方法 - Google Patents

Abstract

本发明了提供了一种单扫描获取磁共振二维J-分解谱的方法。通在将磁化矢量激发到XY平面之后，重复执行“采样+180度脉冲”的模块。这样只需一次激发就可以采集到二维J-分解谱所需的数据。为了在谱图直接维F2获得更好的分辨率，可对原始数据沿直接维F2进行线性预测，让信号衰减完全。与传统方法相比，此方法极大地缩短了实验的时间；与前人的空间编码方法相比，所需实验时间相当，但此方法可以提供更高的信噪比和分辨率，且序列简单，操作方便；与一维谱相比，同样实验时间相当，但此方法可提供更精细的J耦合裂峰信息。这种简单、高效的方法将会在代谢物批量检测、有机化学反应检测和活体检测中发挥重要作用。

Description

一种单扫描获取磁共振二维J-分解谱的方法

技术领域

本发明涉及一种获取磁共振二维J-分解谱的方法，尤其是涉及一种单扫描获得二维磁共振J分解谱的方法。

背景技术

二维J-分解谱是磁共振波谱中最常用的二维谱之一，它可以将化学位移和J耦合信息分离到二维谱的两个维度上，从而可以更好地分析物质的结构信息。二维J-分解谱的常规采样方式(W.P.Aue,J.Karhan and R.R.Ernst,Homonuclear broad band decoupling and two dimensional J-resolved NMRSpectroscopy,The Journal of Chemical Physics,1976,64,4226.)是在间接维J耦合演化的基础上，采集多张一维谱。对得到的数据进行二维离散傅里叶变换，就可以得到一张二维J-分解谱。为了间接维能获得较好的分辨率，间接维的点数，即采样次数就要相应增加。由于传统方法相邻两次采样之间要经历一个磁化矢量纵向弛豫的时间，这样整张二维谱的采样时间就会很长，通常为几到几十分钟。为了缩短二维谱的采样时间，以色列的Frydman小组提出了一种空间编码的方法(A.Tal and L.Frydman,Single-scanmultidimensional magnetic resonance,Progress in Nuclear MagneticResonance Spectroscopy,2010,57,241.)。这种方法可以将二维谱甚至三维谱的数据在一次扫描中采集完，采样时间可以缩短至几百毫秒。这种方法已被成功应用于二维J-分解谱的采集(P.Giraudeau and S.Akoka,A newdetection scheme for ultrafast 2D J-resolved spectroscopy,Journal ofMagnetic Resonance,2007,186,352.)。在极大地缩短了多维谱采样时间的同时，这种方法也存在许多缺陷，如脉冲序列复杂，实验难度大，对硬件的要求高，分辨率差，信噪比低等。

发明内容

本发明所要解决的主要技术问题在于在磁共振仪器上提供一种单扫描获取二维J-分解谱的方法。该方法可以缩短二维J-分解谱的采样时间至一秒以内。与空间编码方法相比，该方法在实验操作、信噪比和分辨率等方面存在很大优势。

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种单扫描获取磁共振二维J-分解谱的方法，主要包括以下步骤：

1)确定待测样品的90度和180度脉冲宽度；

2)使用所测得的所述90度脉冲将样品的磁化矢量由Z方向旋转到XY平面，并重复执行“采样+所述180度脉冲”的采样模块2*N次；其中N是J-分解谱间接维的点数；

3)将所述采样模块奇数或偶数次执行采样获得的数据重新排列成一个N*N2的二维数据矩阵；其中N2为所述单个采样模块中采样的点数；

4)对所述二维数据矩阵进行二维离散傅里叶变换，即可获得一张二维J-分解谱；

所述采样模块中，采样的时间Ta由间接维F1的谱宽SW1决定：Ta＝1/(2*SW1)；

所述采样点数N2则由直接维F2的谱宽SW2和间接维F1的谱宽SW1共同决定：N2＝SW2/(2*SW1)。

在一较佳实施例中：在进行所述二维离散傅里叶变换前，对所述二维数据矩阵沿直接维F2进行线性预测，使信号沿直接维F2衰减完全。

相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：

本发明提供了一种单扫描获取二维J-分解谱的方法。与传统二维J-分解谱方法相比，此方法极大地缩短了实验的时间；与空间编码方法相比，所需实验时间相当，但此方法可提供更高的信噪比和分辨率，且序列简单，操作方便；与一维谱相比，同样实验时间相当，但此方法可提供更精细的J耦合裂峰信息。这种简单、高效的方法将会在代谢物批量检测、有机化学反应检测和活体检测中发挥重要作用。

附图说明

图1中：

a为传统二维J-分解谱的采样序列；

b为一种常用空间编码J-分解谱采样序列；

c为本发明提供单扫描J-分解谱采样序列。

图2为纯3-溴丙酸乙酯的二维J-分解谱，其中：

a为单扫描J-分解谱采样序列采样获得的原始数据经二维离散傅里叶变换得到的谱图；

b为单扫描J-分解谱采样序列采样获得的原始数据先沿F2维进行线性预测，再进行二维离散傅里叶变换得到的谱图；

c为传统二维J-分解谱的采样序列采样得到的谱图；

d为常用空间编码J-分解谱采样序列采样得到的谱图。

图3为3-溴丙酸乙酯、吡啶和二氢呋喃以体积比1:1:1配成的混合样品的谱图，其中：

a为传统一维谱；

b为传统二维J-分解谱；

c为单扫描J-分解谱采样序列获得的二维J-分解谱，其直接维F2有进行线性预测；

d为吡啶的一维谱放大图与其单扫描J-分解谱F1维投影图的对比。

具体实施方式

下文结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

为了获得一张二维J-分解谱，需要在间接维J耦合演化的基础上采集多张一维谱。传统方法使用的脉冲序列图如图1a所示：激发信号一次，采集一张一维谱；两次采样之间要经历一个磁化矢量纵向弛豫的时间，通常为几秒，这样整张二维谱的采样时间通常要几到几十分钟。

对于一个只有AX自旋系统，即由I和S两个自旋核构成的液体样品。Ω_I和Ω_S表示I核和S核的化学位移；J_IS表示I核和S核之间的耦合常数；SW1和SW2代表间接维F1和直接维F2的谱宽，N和N2代表间接维F1和直接维F2的点数；t1由0变化到2*N*Ta，增量是2*Ta即1/SW1；t2由0变换到Ta，增量是1/SW2；I核信号的演化过程如下：

首先一个90度脉冲将磁化矢量由Z方向旋转到XY平面，

$I_z\stackrel{{90}_x}{\→}-I_y\⇔-\frac{1}{2i}(I^{+}-I^{-})---\left(1\right)$

接着采样一次，可获得直接维F2的化学位移和J耦合演化信息。因为只有负一阶信号I^-可检测，保留可检测信号结果如下：

$\stackrel{\mathrm{Ta}}{\→}{I}^{-}{e}^{i{\mathrm{\Ω}}_{I}t2}{e}^{i2\mathrm{\πJ}{S}_{z}t2}---\left(2\right)$

180度脉冲可以重聚化学位移的作用，经过2次“采样+180度脉冲”作用后，信号如下：

重复“采样+180度脉冲”2*N次，可获得间接维J耦合的演化信息

对信号沿间接维F1和直接维F2作二维傅里叶变换，即可获得一张二维J分解谱。

实施例一

本实施例使用配备三维梯度场的瓦里安Varian 500MHz磁共振仪器，样品为纯3-溴丙酸乙酯。使用的脉冲序列有传统二维J-分解谱的采样序列，如图1a；一种常用空间编码J-分解谱采样序列，如图1b；以及本发明提供单扫描J-分解谱采样序列，如图1c。

一种单扫描获取磁共振二维J-分解谱的方法，主要包括以下步骤：

1)确定待测样品的90度和180度脉冲宽度；

2)使用所测得的所述90度脉冲将样品的磁化矢量由Z方向旋转到XY平面，并重复执行“采样+所述180度脉冲”的采样模块2*N次；其中N是J-分解谱间接维的点数；

3)将所述采样模块奇数或偶数次执行采样获得的数据重新排列成一个N*N2的二维数据矩阵；其中N2为所述采样模块的采样点数；

4)对所述二维数据矩阵进行二维离散傅里叶变换，即可获得一张二维J-分解谱；

所述采样模块中，采样的时间Ta由间接维F1的谱宽SW1决定：Ta＝1/(2*SW1)；

所述采样点数N2则由直接维F2的谱宽SW2和间接维F1的谱宽SW1共同决定：N2＝SW2/(2*SW1)。

分别测量样品的90度和180度硬脉冲的宽度。确定样品二维J-分解谱F1维和F2维所需的谱宽分别为40Hz和2400Hz。设置单次采样时间Ta＝12.5ms，采样点数N2＝30，间接维F1点数N＝30，整个序列的执行时间约为750ms。远远小于图1a中的常用空间编码J-分解谱采样序列的执行时间，对比图1b中的常用空间编码J-分解谱采样序列，本发明的序列结构也大大简化了。

进一步参考图2a、图2b可以看出，单扫描J-分解谱采样序列采样获得的数据沿间接维F2线性预测之后，间接维F2的分辨率可以得到很大的提高。传统方法需要10分钟采样获得谱图，如图2c；常用空间编码J-分解谱采样序列和单扫描J-分解谱采样序列只需不到一秒钟就可以获得，如图2d和图2b。从图2d和图2b的间接维F2投影图可以看出，本发明提供的单扫描J-分解谱采样序列可以比常用空间编码J-分解谱采样序列提供更高的信噪比和分辨率。

实施例2

本实施例使用配备三维梯度场的瓦里安Varian 500MHz磁共振仪器，样品为3-溴丙酸乙酯、吡啶和二氢呋喃以体积比1:1:1配成的混合样品

分别测量样品的90度和180度硬脉冲的宽度。确定样品的二维J-分解谱间接维F1和直接维F2所需的谱宽分别为50Hz和5000Hz。对于单扫描J-分解谱采样序列，设置单次采样时间Ta＝10ms，采样点数N2＝50，间接维F1点数N＝50，整个序列的执行时间约为1s。

参考图3b、图3c可以看出，单扫描J-分解谱采样序列获得的结果与传统方法相比，间接维F1的J耦合裂峰信息基本一致，直接维F2的分辨率相当。扫描J-分解谱采样序列所需的实验时间与传统一维谱相当，但参考图3d可以看出，与一维谱相比，单扫描J-分解谱采样序列可以提供更精确的J耦合裂峰信息。

综上所述，本发明提供了一种单扫描获取二维J-分解谱的方法。与传统二维J-分解谱方法相比，此方法极大地缩短了实验的时间；与空间编码J-分解谱方法相比，所需实验时间相当，但此方法可提供更高的信噪比和分辨率，且序列简单，操作方便；与一维谱相比，同样实验时间相当，但此方法可提供更精细的J耦合裂峰信息。这种简单、高效的方法将会在代谢物批量检测、有机化学反应检测和活体检测中发挥重要作用。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能依此限定本发明的实施范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (2)

1.一种单扫描获取磁共振二维J-分解谱的方法，主要包括以下步骤：

1)确定待测样品的90度和180度脉冲宽度；

2)使用所测得的所述90度脉冲将样品的磁化矢量由Z方向旋转到XY平面，并重复执行“采样+所述180度脉冲”的采样模块2*N次；其中N是J-分解谱间接维的点数；

3)将所述采样模块中奇数或偶数次执行采样获得的数据抽出重新排列成一个N*N2的二维数据矩阵；其中N2为所述单个采样模块中采样的点数；

4)对所述二维数据矩阵进行二维离散傅里叶变换，即可获得一张二维J-分解谱；

其特征在于：所述采样模块中，采样的时间Ta由间接维F1的谱宽SW1决定：Ta＝1/(2*SW1)；

所述采样点数N2则由直接维F2的谱宽SW2和间接维F1的谱宽SW1共同决定：N2＝SW2/(2*SW1)；

所述二维数据矩阵是一个N*N2的二维数据矩阵。

2.根据权利要求1所述的一种单扫描获取磁共振二维J-分解谱的方法，其特征在于，在进行所述二维离散傅里叶变换前，对所述二维数据矩阵沿直接维F2进行线性预测，使信号沿直接维F2衰减完全。