CN115290687A - 一种基于长寿命自旋态滤波的磁共振定域谱方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于长寿命自旋态滤波的磁共振定域谱方法，可用于检测复杂生物组织体系中的目标代谢物成分信息，其涉及磁共振波谱学检测领域。该方法将长寿命自旋态滤波模块与ISIS空间定域模块相结合，使其能够对完整生物组织样品进行体素定位并对该体系内的目标代谢物进行检测。首先使用绝热射频脉冲将目标代谢物激发为长寿命自旋态信号，通过绝热射频脉冲本身对于长寿命自旋态信号的保存功能以及零量子滤波模块对其余背景信号的抑制作用，二者共同作用选择性提取目标代谢物信号。本发明所提出的方法适用于强偶合与弱偶合所有可能的自旋体系，对于生物组织样品特定代谢物成分检测分析具有重要的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及磁共振波谱学检测领域，特别是指涉及一种基于长寿命自旋态滤波的磁共振定域谱方法。
背景技术
磁共振波谱技术是磁共振领域中的一项重要技术，它在疾病诊断、物质分子结构研究中发挥了不可或缺的作用，对代谢物的检测研究对于许多治疗诸多例如癌症、神经性病变等相关疾病具有极大的意义。磁共振波谱也特别适合于生物组织中内源性目标代谢物的跟踪检测。现阶段，无论是组分繁多的化学溶液样品乃至更为复杂的生物组织、活体样品的磁共振波谱都会出现在较窄的化学位移范围内出现谱峰极其拥挤、具有较多重叠信号以及目标信号被更强的信号严重覆盖的情况。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种基于长寿命自旋态滤波的磁共振定域谱方法，本发明所提出的方法适用于强偶合与弱偶合所有可能的自旋体系，对于生物组织样品特定代谢物成分检测分析具有重要的应用前景。
本发明采用如下技术方案：
一种基于长寿命自旋态滤波的磁共振定域谱方法，包括如下步骤：
1)首先在Varian 7T小动物成像仪内放置简单溶液样品，进行基本操作后，所述基本操作包括但不限于摆位、调谐、选择目标区域进行匀场，测量90°脉冲的时间宽度pw，采集样品的一维氢谱并保存谱图数据；所述一维氢谱用于提供样品的J偶合和化学位移信息；
2)在设备中导入脉冲序列，根据化学位移差和J偶合信息设置绝热脉冲频率中心tof、绝热脉冲功率p1pwr、绝热脉冲作用时间tausw、绝热脉冲作用后的化学位移演化期τ1、梯度场作用时间长度gtE、梯度场作用强度gzlvlE以及谱图中心tof1，采集并保存谱图的对应数据；
所述的长寿命自旋态滤波磁共振定域谱方法依次由ISIS空间定域模块、压水模块、绝热射频脉冲模块以及零量子滤波模块构成；其中ISIS定域模块已进行调整优化，绝热射频脉冲的强度受到幅度调制并且呈现缓慢递增的趋势，零量子滤波模块由两个90°硬脉冲和两个梯度场组成，其中两个梯度场的强度比为－1：2。
具体地，还包括：
长寿命自旋态滤波磁共振定域谱脉冲序列中，ISIS定域模块已进行参数调整与优化，筛选出符合当前仪器设备状态下的数值，长寿命自旋态激发模块使用改进后的绝热射频脉冲模块，完成信号保存与过滤，同时设计零量子滤波模块进行再次的信号过滤，并将无法观测的长寿命自旋态信号转化为可观测的磁化。
具体地，还包括：
在序列最后的零量子滤波模块，调整零量子滤波模块中用到的脉冲角度数，采用两个90°硬脉冲与两个时间相同，强度比为－1：2的梯度场。
具体地，还包括，利用序列制备的简单溶液样品中偶合质子对的长寿命自旋态信号，将数据进行保存，之后更换样品，调取简单样品中测试的数据并对复杂生物组织样品中的目标信号进行长寿命自旋态信号制备并保存数据，完成实验中的仪器操作部分。
具体地，还包括，采用一种谱图相减算法对实验中保存的谱图数据用MATLAB 软件做数据后处理，通过两次实验谱图的相位差进行谱图相减操作使得目标信号在谱图中得到增强且使背景信号被抑制。
所述数据后处理包括如下步骤：
a)实验阶段，依据化学位移以及J偶合信息调整频率偏移量，并在两个目标峰中心处左右两侧的位置均设置绝热脉冲中心；
b)实验过程中，分别在不同绝热脉冲中心的位置都进行谱图数据采集；
c)对于目标信号而言，具有相反的相位，而背景信号相位相同，将两次数据进行相减而得到最终数据。
相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：
(1)本发明提供的一种基于长寿命自旋态滤波的磁共振定域谱方法，通过 J偶合以及化学位移信号调控绝热射频脉冲来激发长寿命自旋态，使得目标体系从强偶合到弱偶合均可适用，没有使用较多的180°硬脉冲也较好避免了由于功率沉积带来的不良影响，较好的将目标自旋体系转化为长寿命自旋态信号。本发明提供的一种基于长寿命自旋态滤波的磁共振定域谱方法，通过序列最后的零量子滤波模块再次对于目标信号进行保留过滤以及对于无用的背景信号进行抑制，并且可通过数据后处理可获得效果更显著的一维谱图。利用该方法能够对完整生物组织样品进行体素定位，从复杂生物样品的谱图中可以针对性筛选某些特定信号，在生物医学领域具有极大的应用前景。
(2)本发明提供了一种基于长寿命自旋态滤波的磁共振定域谱方法，提出了一种全新的零量子滤波模块，使用了两个90°硬脉冲与两个强度比为－1：2 的梯度场，从而在过滤长寿命自旋态信号的同时进一步抑制了无用的背景信号。
附图说明
图1是脉冲序列图，其中黑色实心矩形表示90°硬脉冲，白色实心表示180°脉冲，灰色矩形表示梯度；
图2是针对整块离体猪脑组织样品选取的采集区域示意图，其中图(a)为采集区域示例一，图(b)为采集区域示例2；
图3是猪脑组织样品按图2所示选取的区域在7T小动物成像仪下进行长寿命自旋态滤波实验结果。图3(a)为所选区域的常规一维1H谱。图3(b)和图3(c) 是用本方法采集到的已过滤出GABA样品两组信号的长寿命自旋态滤波谱图。
具体实施方式
长寿命自旋态(Long－Lived State)是一种特殊的零量子态，它不受偶极－偶极相互作用，具有比纵向弛豫时间T1更长的存在时间。在磁共振领域中，J偶合常数是十分重要的参数之一，为解决上述问题，这里提出了一种脉冲序列方法，利用质子J偶合以及化学位移信息，通过绝热射频脉冲对目标核进行长寿命自旋态激发，使用全新的零量子滤波模块保存长寿命自旋态信号并抑制其它不需要的背景信号，最后再将其转化为可观测的磁化进行信号采集。
在脉冲序列的起始部分，加入了ISIS(Image Selected In vivo Spectroscopy)空间定域模块，ISIS采用选择性脉冲和梯度场对所选空间体进行定位，可以精确选出所需的区域形状并且与线圈拥有更好的结合度，这一处理使得该方法能够应用于磁共振成像设备中，进而做到针对特定生物组织样品乃至活体的目标代谢物检测。序列中所用到的压水模块主要通过对谱图中水峰所处的位置90°脉冲，使该处信号被散相从而达到抑制水峰的作用。由于该方法的优越性，可检测的物质也可以是生物体内含量极低的代谢物。这一方法无论是对于强偶合或是弱偶合体系都具有较好的效果，该方法未来对于生物医学、传感器甚至造影剂的研究都具有极大的意义，拓宽了相关技术在不同领域应用前景。
本实施例提出了一种基于长寿命自旋态滤波的磁共振定域谱方法，并以临床医学领域重要代谢物γ－氨基丁酸(GABA)为例进行实验验证，GABA是存在人类大脑中常见的一种氨基酸，通常情况下它的浓度只有1mmol/L左右，但却是神经系统中重要的抑制性神经递质。适当补充GABA能较好地缓解精神压力、调节情绪，改善睡眠，然而对于这样重要但浓度极低的物质，一直以来并没有足够出色的方法能够对其进行针对性检测。通过本方法，能够在整块离体猪脑组织中进行目标代谢物信号的提取，其步骤如下：
1)将浓度为1mol/L的GABA溶液样品放入仪器腔体内；
2)在7T小动物成像仪配套软件操作界面中执行摆位定域、调谐和匀场等基本操作，调入常规的一维1H谱序列，测量90°脉冲所需的时间宽度pw；
3)采集样品的一维氢谱以获取J偶合以及化学位移信息；
4)再创建新的工作区，导入本方法设计的脉冲序列，根据化学位移差和J 偶合信息设置绝热脉冲频率中心tof、绝热脉冲功率p1pwr、绝热脉冲作用时间 tausw、绝热脉冲作用后的化学位移演化期τ1、梯度场时间长度gtE、梯度场强度gzlvlE以及谱图中心tof1，采集并保存谱图的数据，作为先验知识为后续猪脑组织实验提供参数支持；
5)更换样品，将整块离体的猪脑组织放入仪器腔体内，进行摆位定位等实验基本操作，再利用步骤4)中保存的数据对其进行实验采样并保存数据；
6)将保存的谱图数据用MATLAB软件做数据后处理，采用谱图相减的方法对于目标信号进行放大并且对于无用的背景信号进一步抑制。其数据处理包括如下几步：(a)依据化学位移以及J偶合信息设置合适的频率偏移量，在两个目标峰中心频率的左右两侧位置均设置了合适的绝热脉冲中心。(b)在实验过程中，分别在不同绝热脉冲中心的位置都进行谱图数据采集。(c)对于单个信号而言，具有相反的相位；但结合两次数据后便具有相同的相位，因此可以将两次数据进行相减而得到最终数据。
所述的长寿命自旋态滤波磁共振定域谱方法依次由ISIS空间定域模块、压水模块、绝热射频脉冲模块以及零量子滤波模块构成。其中ISIS定域模块已进行调整优化，绝热射频脉冲的强度受到幅度调制并且呈现缓慢递增的趋势，零量子滤波模块由两个90°硬脉冲和两个梯度场组成，其中两个梯度场的强度比为－1：2。
述的长寿命自旋态滤波磁共振定域谱脉冲序列中，ISIS定域模块区别于传统ISIS模块已进行参数调整与优化，筛选出更适合当前仪器设备状态下的数值，长寿命自旋态激发模块使用了改进后的绝热射频脉冲，利用其本身特性完成了信号保存与过滤，同时重新设计了一种新的零量子滤波模块进行再次的信号过滤，并将无法观测的长寿命自旋态信号转化为可观测的磁化。
在序列最后的零量子滤波模块，调整了常见的该模块中用到的脉冲角度数，使用了两个90°硬脉冲与两个时间相同，强度比为－1：2的梯度场，从而在保留下长寿命自旋态信号的情况下进一步抑制了多余的背景信号。
利用上述序列制备了简单溶液样品中偶合质子对的长寿命自旋态信号后将数据进行保存并作为复杂样品的先验知识。之后更换样品，对复杂生物组织样品进行摆位等实验基本操作，调取简单样品中测试的数据并对复杂生物组织样品中的目标信号进行长寿命自旋态信号制备并保存数据，完成实验中的仪器操作部分。
本实施例是本发明所提出的一种基于长寿命自旋态滤波的磁共振定域谱方法，序列如图1所示。针对GABA样品两组强/弱偶合体系下的质子进行长寿命自旋态滤波，该序列设置的具体参数如下：(1)强偶合体系下：累加次数nt＝8、绝热脉冲功率p1pwr＝22dB、绝热脉冲作用时间tausw＝300ms、绝热脉冲作用后的等待时间τ1＝4ms、谱宽sw＝4000Hz、90°脉冲pw＝110μs、梯度场时间长度 gtE＝1.7ms、梯度场强度gzlvlE＝9.16G/cm、采样时间t1＝30s。(2)弱偶合体系下：累加次数nt＝8、绝热脉冲功率p1pwr＝22dB、绝热脉冲作用时间tausw＝300ms、绝热脉冲作用后的等待时间τ1＝2.0ms、谱宽sw＝4000Hz，90°脉冲pw＝110μs、梯度场时间长度gtE＝1.7ms、梯度场强度gzlvlE＝12.82G/cm、采样时间t2＝30s。零量子滤波模块中两个脉冲的角度为90°。以上参数是基于Varian 7T小型动物成像仪所设置的。
在本实施例中使用了1mol/L的GABA溶液和整块猪脑组织两种样品。如附图所示，图1是本方法使用的脉冲序列，图2是猪脑样品的采集信号区域。图3 是针对图2所选区域进行的长寿命自旋态滤波实验结果图，图3(a)表示所选区域内的常规一维1H谱，图中可看出在0.5ppm到7.0ppm之间包含了非常多不同物质的谱峰，无法进行谱峰归属。图3(b)和图3(c)是通过本方法获取的猪脑样品中GABA两组偶合质子峰的长寿命自旋态滤波谱(弱偶合体系为图3(b)、强偶合体系为图3(c))，与图3(a)对比后情况如下：1)弱偶合体系中，过滤掉了水峰和其他物质的谱峰，仅留下GABA物质在3.01ppm以及1.91ppm附近处的谱峰。 2)强偶合体系中，过滤掉了水峰和其他物质的杂峰，仅留下GABA物质在2.30ppm 以及1.91ppm附近处的谱峰。成功在复杂的生物组织样品磁共振谱图中对于目标信号进行针对性检测筛选。
综上所述的实施例中采用的猪脑组织样品为本发明的典型样品，采用其他带有偶合体系的样品得到的长寿命自旋态滤波谱仍然具有筛选出目标峰以及抑制背景信号的效果。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。
Claims (6)
1.一种基于长寿命自旋态滤波的磁共振定域谱方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)首先在Varian 7T小动物成像仪内放置简单溶液样品，进行基本操作后，所述基本操作包括但不限于摆位、调谐、选择目标区域进行匀场，测量90°脉冲的时间宽度pw，采集样品的一维氢谱并保存谱图数据；所述一维氢谱用于提供样品的J偶合和化学位移信息；
2)在设备中导入脉冲序列，根据化学位移差和J偶合信息设置绝热脉冲频率中心tof、绝热脉冲功率p1pwr、绝热脉冲作用时间tausw、绝热脉冲作用后的化学位移演化期τ1、梯度场作用时间长度gtE、梯度场作用强度gzlvlE以及谱图中心tof1，采集并保存谱图的对应数据；
所述的长寿命自旋态滤波磁共振定域谱方法依次由ISIS空间定域模块、压水模块、绝热射频脉冲模块以及零量子滤波模块构成；其中ISIS定域模块已进行调整优化，绝热射频脉冲的强度受到幅度调制并且呈现缓慢递增的趋势，零量子滤波模块由两个90°硬脉冲和两个梯度场组成，其中两个梯度场的强度比为－1：2。
2.根据权利要求1中所述的一种基于长寿命自旋态滤波的磁共振定域谱方法，其特征在于，还包括：
长寿命自旋态滤波磁共振定域谱脉冲序列中，ISIS定域模块已进行参数调整与优化，筛选出符合当前仪器设备状态下的数值，长寿命自旋态激发模块使用改进后的绝热射频脉冲模块，完成信号保存与过滤，同时设计零量子滤波模块进行再次的信号过滤，并将无法观测的长寿命自旋态信号转化为可观测的磁化。
3.根据权利要求2所述的一种基于长寿命自旋态滤波的磁共振定域谱方法，其特征在于，还包括：
在序列最后的零量子滤波模块，调整零量子滤波模块中用到的脉冲角度数，采用两个90°硬脉冲与两个时间相同，强度比为－1：2的梯度场。
4.根据权利要求3所述的一种基于长寿命自旋态滤波的磁共振定域谱方法，其特征在于：
利用序列制备的简单溶液样品中偶合质子对的长寿命自旋态信号，将数据进行保存，之后更换样品，调取简单样品中测试的数据并对复杂生物组织样品中的目标信号进行长寿命自旋态信号制备并保存数据，完成实验中的仪器操作部分。
5.根据权利要求4所述的一种基于长寿命自旋态滤波的磁共振定域谱方法，其特征在于：
采用一种谱图相减算法对实验中保存的谱图数据用MATLAB软件做数据后处理，通过两次实验谱图的相位差进行谱图相减操作使得目标信号在谱图中得到增强且使背景信号被抑制。
6.根据权利要求5所述的一种基于长寿命自旋态滤波的磁共振定域谱方法，其特征在于：所述数据后处理包括如下步骤：
a)实验阶段，依据化学位移以及J偶合信息调整频率偏移量，并在两个目标峰中心处左右两侧的位置均设置绝热脉冲中心；
b)实验过程中，分别在不同绝热脉冲中心的位置都进行谱图数据采集；
c)对于目标信号而言，具有相反的相位，而背景信号相位相同，将两次数据进行相减而得到最终数据。
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| CN202210831159.2A Active CN115290687B (zh) | 2022-07-15 | 2022-07-15 | 一种基于长寿命自旋态滤波的磁共振定域谱方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115290687B (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106645255A (zh) * | 2017-01-21 | 2017-05-10 | 厦门大学 | 一种单体素定域一维纯化学位移核磁共振谱方法 |
| CN107015181A (zh) * | 2017-04-07 | 2017-08-04 | 厦门大学 | 一种在不均匀磁场下测量质子纵向弛豫时间的方法 |
| CN108107391A (zh) * | 2017-12-18 | 2018-06-01 | 厦门大学 | 一种单体素定域一维高分辨同核去耦谱方法 |
| CN109142417A (zh) * | 2018-09-28 | 2019-01-04 | 厦门大学 | 一种核磁共振同核去偶一维相敏定域谱的检测方法 |
| US20190310210A1 (en) * | 2017-01-13 | 2019-10-10 | Xiamen University | An NMR multi-dimensional method for measuring coupling constants within several coupling networks |
-
2022
- 2022-07-15 CN CN202210831159.2A patent/CN115290687B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20190310210A1 (en) * | 2017-01-13 | 2019-10-10 | Xiamen University | An NMR multi-dimensional method for measuring coupling constants within several coupling networks |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 王小红;张钦塔;林雁勤;陈忠;: "二维核磁共振定域谱及其在活体中的应用", 波谱学杂志, no. 03, 5 September 2011 (2011-09-05) * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115290687B (zh) | 2024-07-05 |
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