CN106645255B - 一种单体素定域一维纯化学位移核磁共振谱方法 - Google Patents
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Abstract
一种单体素定域一维纯化学位移核磁共振谱方法。将待测样品放入磁共振成像仪的检测腔中；通过调整样品在检测腔中的位置，确保感兴趣区域处在检测腔中心进行调谐、匀场、功率和频率校正；测量激发样品的π/2非选择性射频脉冲宽度，所测得的π/2非选择性射频脉冲能将磁化矢量从Z轴纵向方向翻转到XY横向平面；在成像仪上导入单体素定域一维纯化学位移谱脉冲序列，打开单体素定域一维纯化学位移谱脉冲序列的信号激发模块、单体素定域模块、纯化学位移演化模块；设置序列参数，执行数据采样；数据采集后，对采样数据进行数据后处理，包括二维傅里叶变换、谱图间接维投影及衰减多重信号分类算法，得高分辨率高信噪比单体素定域一维纯化学位移谱。
Description
技术领域
本发明涉及核磁共振(NMR，Nuclear Magnetic Resonance)波谱学检测方法，尤其是涉及能够有效简化谱图信息，有助于磁共振成像仪上生物组织复杂代谢物的无损检测的一种单体素定域一维纯化学位移核磁共振谱方法。
背景技术
核磁共振单体素定域谱是一种可以用来无损检测生物组织代谢物的波谱技术，在动物研究和临床辅助诊断方面具有重要的应用。磁共振单体素定域谱基本原理是利用频率选择性射频脉冲结合相应空间选层梯度场选择激发一个特定组织体素内的核磁共振信号，并利所选体素信号产生相应的核磁共振谱图。现有的单体素一维定域谱方法主要有两种，一种是基于自旋回波信号的点分解谱方法(Point-RESolved Spectroscopy,PRESS)，另一种是基于激励回波的受激回波采样谱方法(STimulated Echo Acquisition Mode,STEAM)。由于J偶合作用引起的谱峰裂分和核磁共振氢谱较窄的化学位移频率范围，这两种一维定域谱方法在实际应用中都存在谱峰拥挤的问题，导致无法对谱峰信号进行正确的归属。特别是对于含复杂代谢物的生物组织检测，这种谱峰拥挤的问题变得更为严重。
发明内容
本发明的目的在于提供能够有效简化谱图信息，有助于磁共振成像仪上生物组织复杂代谢物的无损检测的一种单体素定域一维纯化学位移核磁共振谱方法。
本发明包括以下步骤：
1)将待测样品放入磁共振成像仪的检测腔中；
2)通过调整样品在检测腔中的位置，确保感兴趣区域处在磁共振成像仪检测腔中心，然后进行调谐、匀场、功率和频率校正；
3)测量激发样品的π/2非选择性射频脉冲宽度，所测得的π/2非选择性射频脉冲能将磁化矢量从Z轴纵向方向翻转到XY横向平面；
4)在磁共振成像仪上导入单体素定域一维纯化学位移谱脉冲序列，打开单体素定域一维纯化学位移谱脉冲序列的信号激发模块、单体素定域模块、纯化学位移演化模块；
5)设置序列参数，执行数据采样；
6)数据采集完成后，对采样数据进行相应数据后处理，包括二维傅里叶变换、谱图间接维投影及衰减多重信号分类算法(Decay MUltiple SIgnal Classification,DMUSIC)，可得到一张高分辨率高信噪比单体素定域一维纯化学位移谱。
在步骤2)中，所述调谐、匀场、功率和频率校正均可由磁共振成像仪自带的功能模块自动完成。
在步骤4)中，所述单体素定域一维纯化学位移谱脉冲序列中信号激发模块由一个π/2非选择性射频脉冲构成，用于激发核磁共振信号。所述脉冲序列中单体素定域模块由三个π频率选择性射频脉冲和对应空间选层梯度构成。这三个π频率选择性射频脉冲结合对应空间选层梯度能够分别实现XYZ三个正交方向的空间选层，完成空间单个定域区域的选择。其中空间选层梯度强度取决于所选定域体素的大小和π选择性射频脉冲的激发宽度。所述脉冲序列中纯化学位移演化模块是两个频率扫描方向相反的扫频chirp脉冲和对应选层弱梯度构成。在间接维演化期t1内，这一模块能将信号的J偶合作用完全重聚而只保留化学位移作用。由此，沿着所得二维谱图间接维可得到纯化学位移谱信息。
在步骤5)中，所述序列参数包括信号激发模块中非选择性π/2射频脉冲脉宽，单体素定域模块中π选择性射频脉冲的激发宽度、空间定域体素大小，纯化学位移演化模块中chirp脉冲激发角度、chirp脉冲宽度、chirp脉冲扫频宽度、弱选层梯度G1及其作用时间；相应采样参数，直接维采样谱宽SW、直接维采样点数np、数据采样期t2、间接维谱宽SW1、间接维采样点数ni；所述数据采样的具体过程为：首先，信号激发模块的非选择性π/2射频脉冲激发磁化矢量由Z轴纵向方向翻转到XY横向平面；接着，单体素定域一维纯化学位移谱脉冲序列的单体素定域模块和纯化学位移演化模块分别对该横向磁化矢量进行演化；最终，在采样期t2进行采样信号。上述脉冲序列执行过程只是对一次间接维点数的采样，对于一个完整单体素定域一维纯化学位移谱实验需要对上述序列执行过程重复ni次。
在步骤6)中，所述相应数据后处理的过程如下：(a)对所采样数据进行二维傅里叶变换，得到一张二维频率谱；(b)沿着该二维频率的间接维进行累积投影，得到一张一维纯化学位移谱；(c)利用DMUSIC算法对所得一维纯化学位移谱进行相应处理。首先，DMUSIC算法根据上述投影得到的一维纯化学位移谱提取其频率、相位、幅度信息。然后根据所得信息重构出一张高分辨率高信噪比单体素定域一维纯化学位移谱。
本发明通过脉冲序列设计和相应的数据后处理技术提出了一种能够克服J偶合裂分而获得单体素定域一维纯化学位移谱的方法。该方法能够有效简化谱图信息，有助于进一步扩展核磁共振定域谱技术在复杂生物组织的无损检测应用。
附图说明
图1为本发明所提出的用于单体素定域一维纯化学位移谱的脉冲序列图。
图2为1mol/L的γ-氨基丁酸溶液和丙酸溶液套管样品的自旋回波成像图，以及所选择三个单体素定域大小和方位示意图。
图3为使用标准的点分解谱方法获得的选择γ‐氨基丁酸溶液体素的常规一维定域谱。
图4为使用本发明所提出方法获得的选择γ-氨基丁酸溶液体素的纯化学位移一维定域谱。
图5为使用标准的点分解谱方法获得的选择丙酸溶液体素的常规一维定域谱。
图6为使用本发明所提出方法获得的选择丙酸溶液体素的纯化学位移一维定域谱。
图7为使用标准的点分解谱方法获得的同时选择γ-氨基丁酸溶液和丙酸溶液体素的常规一维定域谱。
图8为使用本发明所提出方法获得的同时选择γ-氨基丁酸溶液和丙酸溶液体素的纯化学位移一维定域谱。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明做进一步说明：
本实施例所使用的仪器为配备XYZ三维梯度场的Varian 7T成像仪，样品为1mol/L的γ-氨基丁酸溶液和丙酸溶液套管样品。所使用的脉冲序列如图1所示。其操作步骤如下：
1)将待测样品放入磁共振成像仪的检测腔中；
2)通过调整样品在检测腔中的位置，确保感兴趣区域处在磁共振成像仪检测腔中心，然后进行调谐、匀场、功率和频率校正；
3)测量激发样品的π/2非选择性射频脉冲宽度，使用测得的π/2非选择性射频脉冲能将磁化矢量从Z轴纵向方向翻转到XY横向平面；
4)在Varian 7T磁共振成像仪上导入单体素定域一维纯化学位移谱脉冲序列(如图1所示)，打开这一脉冲序列的信号激发模块、单体素定域模块、纯化学位移演化模块。
5)设置脉冲序列参数及采样
具体对于本实施例所用样品，其实验参数设置如下：非选择性π/2射频脉冲脉宽为70μs；单体素定域模块中π选择性射频脉冲的激发宽度为2ms、空间定域体素大小分别为选取γ-氨基丁酸溶液的5×5×5mm3，选取丙酸溶液的5×5×5mm3以及同时选取这两种溶液的5×10×5mm3、空间间选层梯度强度G1,G2,G3由仪器根据上述所选定域体素大小和π选择性射频脉冲的激发宽度自动计算得到，而空间间选层梯度作用时间为6ms；纯化学位移演化模块中chirp脉冲激发角度α为15°、chirp脉冲宽度为30ms、chirp脉冲扫频宽度为10000Hz、弱选层梯度G4为0.8G/cm及其作用时间30ms；直接维采样谱宽SW为10000Hz、直接维采样点数np为3000、数据采样期t2为0.6s、间接维谱宽SW1为100Hz、间接维采样点数ni为32。实验累加32次，整个实验过程采样时间为16min。
6)数据后处理
数据采样完成后，进行相应的数据后处理，其过程如下：(a)对所采样数据进行二维傅里叶变换，得到一张二维频率谱；(b)沿着该二维频率的间接维进行累积投影，得到一张一维纯化学位移谱；(c)利用DMUSIC算法对所得一维纯化学位移谱进行相应处理。根据上述投影得到一维纯化学位移谱，DMUSIC算法首先提取各个谱图信号的频率、相位、幅度信息。然后根据所得信息重构出高分辨率高信噪比单体素定域一维纯化学位移谱。
综上所述，本实施例中步骤4)中所选择三个单体素定域大小和方位示意图如图2所示，其中γ-氨基丁酸溶液所选体素大小为5mm×5mm×5mm，丙酸溶液所选体素大小为5mm×5mm×5mm，两种溶液同时选择的体素大小为5mm×10mm×5mm。实验中选择上述不同的样品定域体素，可获得不同的谱图信息，可用于分别检测相应代谢物信息。图4、6和8分别为本发明所提出方法依据步骤4)中所选3个不同体素采样处理得到的单体素定域一维纯化学位移谱。从这三张谱图可以看出，选择特定的样品区域可以获得对应样品的高分辨率高信噪比纯化学位移谱信息。与标准点分解定域谱序列所得到的对应体素定域一维谱，如图3、5和7所示，本发明所提出的方法能够有效消除谱峰J偶合裂分效应，提高谱图分辨率和信噪比。
本发明是一种涉及核磁共振波谱检测的方法。本发明利用单体素定域模块和纯化学位移演化模块的结合实现一维核磁共振谱中J偶合作用重聚而仅保留纯化学位移信息，最终获得单体素定域一维纯化学位移谱。单体素定域模块是由三个π频率选择性射频脉冲和空间选层梯度构成。这一模块实现XYZ三个正交方向的空间选层，完成空间单个定域区域的选择。纯化学位移演化模块是由两个频率扫描方向相反的扫频chirp脉冲和对应选层弱梯度构成，能够重聚采样信号的J偶合作用而保留化学位移演化信息。最后通过特定数据后处理可得到一张高分辨率高信噪比单体素定域一维纯化学位移谱。基于简化的纯化学位移谱信息，本发明可用于磁共振成像仪上生物组织复杂代谢物的无损检测。
Claims (5)
1.一种单体素定域一维纯化学位移核磁共振谱方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将待测样品放入磁共振成像仪的检测腔中；
2)通过调整样品在检测腔中的位置，确保感兴趣区域处在磁共振成像仪检测腔中心，然后进行调谐、匀场、功率和频率校正；
3)测量激发样品的π/2非选择性射频脉冲宽度，所测得的π/2非选择性射频脉冲能将磁化矢量从Z轴纵向方向翻转到XY横向平面；
4)在磁共振成像仪上导入单体素定域一维纯化学位移谱脉冲序列，打开单体素定域一维纯化学位移谱脉冲序列的信号激发模块、单体素定域模块、纯化学位移演化模块；
所述单体素定域一维纯化学位移谱脉冲序列中信号激发模块由一个π/2非选择性射频脉冲构成，用于激发核磁共振信号；所述脉冲序列中单体素定域模块由三个π频率选择性射频脉冲和对应空间选层梯度构成；这三个π频率选择性射频脉冲结合对应空间选层梯度能够分别实现XYZ三个正交方向的空间选层，完成空间单个定域区域的选择，其中空间选层梯度强度取决于所选定域体素的大小和π选择性射频脉冲的激发宽度；所述脉冲序列中纯化学位移演化模块是两个频率扫描方向相反的扫频chirp脉冲和对应选层弱梯度构成，在间接维演化期t1内，这一模块能将信号的J偶合作用完全重聚而只保留化学位移作用，沿着所得二维谱图间接维得到纯化学位移谱信息；
5)设置序列参数，执行数据采样；
6)数据采集完成后，对采样数据进行相应数据后处理，包括二维傅里叶变换、谱图间接维投影及衰减多重信号分类算法，得到一张高分辨率高信噪比单体素定域一维纯化学位移谱。
2.如权利要求1所述一种单体素定域一维纯化学位移核磁共振谱方法，其特征在于在步骤2)中，所述调谐、匀场、功率和频率校正均由磁共振成像仪自带的功能模块自动完成。
3.如权利要求1所述一种单体素定域一维纯化学位移核磁共振谱方法，其特征在于在步骤5)中，所述序列参数包括信号激发模块中非选择性π/2射频脉冲脉宽，单体素定域模块中π选择性射频脉冲的激发宽度、空间定域体素大小，纯化学位移演化模块中chirp脉冲激发角度、chirp脉冲宽度、chirp脉冲扫频宽度、弱选层梯度G1及其作用时间；相应采样参数，直接维采样谱宽SW、直接维采样点数np、数据采样期t2、间接维谱宽SW1和间接维采样点数ni。
4.如权利要求1所述一种单体素定域一维纯化学位移核磁共振谱方法，其特征在于在步骤5)中，所述数据采样的具体过程为：
(1)信号激发模块的非选择性π/2射频脉冲激发磁化矢量由Z轴纵向方向翻转到XY横向平面；
(2)单体素定域一维纯化学位移谱脉冲序列的单体素定域模块和纯化学位移演化模块分别对该横向磁化矢量进行演化；
(3)在采样期t2进行采样信号，上述脉冲序列执行过程只是对一次间接维点数的采样，对于一个完整单体素定域一维纯化学位移谱实验需要对上述序列执行过程重复ni次。
5.如权利要求1所述一种单体素定域一维纯化学位移核磁共振谱方法，其特征在于在步骤6)中，所述相应数据后处理的过程如下：
(1)对所采样数据进行二维傅里叶变换，得到一张二维频率谱；
(2)沿着该二维频率的间接维进行累积投影，得到一张一维纯化学位移谱；
(3)利用DMUSIC算法对所得一维纯化学位移谱进行相应处理：首先，DMUSIC算法根据上述投影得到的一维纯化学位移谱提取其频率、相位和幅度信息；然后根据所得信息重构出一张高分辨率高信噪比单体素定域一维纯化学位移谱。
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