專利名稱：一種核磁共振多維譜的偽峰抑制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于核磁共振多維譜分析領(lǐng)域，尤其涉及一種核磁共振多維譜的偽峰抑制方法，用于對化學(xué)結(jié)構(gòu)的核磁共振分析。
背景技術(shù)：
一、核磁共振技術(shù)簡介核自旋量子數(shù)不為零的原子核在磁場中會產(chǎn)生磁矩，當(dāng)這些磁矩的方向與靜磁場夾角不為零時，就會繞靜磁場的方向產(chǎn)生進動。核磁共振(NMR)就是利用射頻脈沖使靜磁場中的樣品的磁化矢量與靜磁場的方向偏離，并產(chǎn)生進動；磁化矢量進動時，其磁力線會切割樣品旁的檢測線圈，通過電磁感應(yīng)在線圈中產(chǎn)生電平振蕩，對電平振蕩進行采樣得到時域信號。對此時域信號作傅里葉變換，即可得到一維NMR譜圖。然而，當(dāng)樣品組分復(fù)雜、或者分子量較大時，一維NMR譜圖中有嚴(yán)重的譜峰重疊， 這將嚴(yán)重地影響對譜峰的歸屬和定量，為了解決一維譜中嚴(yán)重的譜峰重疊問題，出現(xiàn)了多維譜技術(shù)。以COSY實驗的脈沖序列為例。此脈沖序列中有兩個演化時間，、和、，分別稱為間接維和直接維演化時間。對于直接維演化時間、，其實就是樣品的磁化矢量在檢測線圈中進動的時間，因此，在直接維演化時間、內(nèi)，探頭可以對樣品進行直接采樣，這也是直接維的由來。現(xiàn)代NMR譜儀能夠一次在直接維掃描幾萬個數(shù)據(jù)點。但是探頭不能在間接維 、直接檢測信號，其途徑是在第一次采樣中，將、設(shè)定為τ ^，并采得信號s( τ…t2)；在第二次采樣中，將、設(shè)定為τ JAt1，并采得信號s( τ JAt1, t2)；在第η次采樣中，將、設(shè)定為τ JnAt1，并采得信號S(Tc^nAtpt2)，以此類推。因此，如果需要在間接維上采集η 個數(shù)據(jù)點，需要將實驗重復(fù)η次(在實際中，由于其它因素的存在，通常需要重復(fù)次數(shù)是η 的倍數(shù)。)；與此形成強烈對比的是，無論在直接維上的采集多少數(shù)據(jù)點，都是在一次實驗中完成的。因此，多維實驗耗時要遠遠大于一維實驗，并且實驗時間隨著維度的增加呈指數(shù)延長。一維NMR實驗采得的時域數(shù)據(jù)是一個數(shù)列，數(shù)列中的每個元素是不同時間的探頭檢測到的信號強度，因此，對一維實驗作數(shù)據(jù)處理，僅需要對此數(shù)列作一次傅里葉變換即可得到頻域譜圖。而二維NMR實驗采得的數(shù)據(jù)是一個二維數(shù)組(矩陣)，對其的處理步驟通常是先對矩陣中的每行(直接維)分別作傅里葉變換，然后再對矩陣中的每列(間接維)作傅里葉變換，才能得到二維NMR譜圖。對于三維實驗可以依次類推其實驗數(shù)據(jù)是個三維數(shù)組，需要沿三個維度各作一次傅里葉變換，共計三次傅里葉變換。二、發(fā)展快速多維核磁共振技術(shù)的需要及挑戰(zhàn)核磁共振波譜(NMR)作為一種譜學(xué)分析工具，在化學(xué)結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域有著重要應(yīng)用，尤其是對于難以獲結(jié)晶的蛋白質(zhì)樣品，核磁共振波譜(NMR)是最有力的結(jié)構(gòu)分析技術(shù)。 利用核磁共振波譜(NMR)解析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)需要完成多個三維/四維NMR實驗，然而隨著維度的增加，NMR實驗時間也急劇延長，三維實驗通常至少需要十幾小時，四維實驗更須耗時數(shù)天。冗長的多維NMR實驗時間，不僅使得蛋白質(zhì)NMR實驗必須耗費大量的譜儀機時，而且極大地提高了不穩(wěn)定蛋白質(zhì)樣品的實驗難度，因此嚴(yán)重限制了多維NMR技術(shù)的在蛋白質(zhì)研究中的應(yīng)用。為了縮短多維NMR實驗時間，出現(xiàn)了各種快速多維NMR技術(shù)，如Hadamard譜，單次掃描，投影重建(PR)，GFT，馳豫時間優(yōu)化，以及間接維非均勻稀疏采樣ID-NUS等。其中，Hadamard譜需要預(yù)先已知譜峰信號所在的大致位置；馳豫時間優(yōu)化方法需要選擇性照射致使適用范圍受限；單次掃描技術(shù)具有分辨率不高的缺陷，難以處理較為擁擠、復(fù)雜的譜圖；PR和GFT在間接維采樣空間沿放射線軌跡進行采樣，得到的譜圖偽峰較多較強。與ra及GFT類似，ID-NUS也是通過減少間接維采樣點數(shù)來提高實驗速度，可以將實驗時間縮短幾十倍，其間接維采樣點的分布能夠靈活采取各種優(yōu)化模式，以達到減少偽峰、提高譜圖質(zhì)量的效果。因而相較而言，ID-NUS適用于各類樣品、各種脈沖序列，在更寬的時域空間采樣能得到更高的分辨率，可以通過調(diào)整間接維采樣點數(shù)在采樣時間與譜圖質(zhì)量之間取得平衡等獨特優(yōu)勢。在間接維非均勻稀疏采樣ID-NUS的各種采樣模式中，隨機采樣是最具優(yōu)勢的一種技術(shù)。但是伴隨非均勻采樣而來的是在譜圖中出現(xiàn)的偽峰，隨機采樣譜圖中的偽峰形似隨機熱噪聲。目前對隨機采樣譜圖中的偽峰的抑制方法使用的是迭代計算方法，數(shù)據(jù)處理速度較慢，且譜圖中具有較多信號峰時難以有效處理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的技術(shù)存在的上述問題，在于提供了一種核磁共振多維譜的偽峰抑制方法，該方法數(shù)據(jù)處理速度快，對核磁共振譜圖中的偽峰具有較好的抑制效果，且當(dāng)核磁共振譜圖中具有較多信號峰時也能夠有效的處理。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種核磁共振多維譜的偽峰抑制方法，包括以下步驟步驟1、對磁化矢量進動時引起的電平振蕩進行直接維均勻采樣和間接維隨機采樣，得到時域數(shù)據(jù)，因此所得時域數(shù)據(jù)在直接維是均勻分布的，在間接維是不均勻分布的；步驟2、對步驟1中的時域數(shù)據(jù)進行直接維快速傅里葉變換處理得到頻域-時域混合數(shù)據(jù)，頻域-時域混合數(shù)據(jù)直接維已經(jīng)變換到頻域，但其間接維仍然是不均勻分布的時域數(shù)據(jù)，步驟3、對步驟2中得到的頻域-時域混合數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格傅里葉變換GFFT處理，得到偽峰抑制處理所需的核磁共振譜圖，由于在間接維上數(shù)據(jù)點是隨機分布的，因此不能直接對間接維作快速傅里葉變換，而是一次抽取每個間接維進行網(wǎng)格傅里葉變換處理；步驟4、對步驟2中得到的頻域-時域混合數(shù)據(jù)，在間接維上進行采樣點的隨機抽取，隨機抽取的采樣點組成N個隨機子集，其中N為大于等于3的正整數(shù)；步驟5、對步驟4中得到的N個隨機子集進行網(wǎng)格傅里葉變換處理，得到N個隨機子集核磁共振譜圖；步驟6、計算步驟5得到的N個隨機子集核磁共振譜圖中每點的譜峰強度與步驟 3中的核磁共振譜圖中相對應(yīng)點的譜峰強度的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差；如果該點為信號，則在N個核磁共振譜圖中強度不變，該點的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差很小，如果該點為噪聲狀偽峰，則在N個核磁共振譜圖中強度有較大變化，該點的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差也較大；
步驟7、根據(jù)步驟6得到N個隨機子集核磁共振譜圖中每點譜峰強度的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差，利用權(quán)重函數(shù)對步驟3得到的核磁共振譜圖進行權(quán)重校正，即將N個隨機子集核磁共振譜圖中每點譜峰強度的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差作為變量輸入權(quán)重函數(shù)中，所得結(jié)果再與步驟3得到的核磁共振譜圖中相應(yīng)的該點譜峰強度相乘，以此得到偽峰抑制后的核磁共振譜圖。如上所述的步驟1中隨機采樣具體的步驟為步驟1. 1、確定隨機采樣所需要的采樣時間點坐標(biāo)，這些采樣時間點隨機分布在由第一間接維和第二間接維構(gòu)成的二維平面上，其中在第一間接維和第二間接維上的最大值即為第一間接維和第二間接維上的最大間接維演化時間；步驟1. 2、根據(jù)步驟1. 1確定的采樣時間點坐標(biāo)對HNCO脈沖序列的間接維演化時間點坐標(biāo)修改；步驟1. 3、根據(jù)步驟1. 2修改的HNCO脈沖序列間接維演化時間點坐標(biāo)進行時域數(shù)
據(jù)采集。如上所述的步驟2中利用如下公式進行快速傅里葉變換處理
權(quán)利要求
1.一種核磁共振多維譜的偽峰抑制方法，其特征在于，包括以下步驟步驟1、對磁化矢量進動時引起的電平振蕩進行直接維均勻采樣和間接維隨機采樣，得到時域數(shù)據(jù)；步驟2、對步驟1中的時域數(shù)據(jù)進行直接維快速傅里葉變換處理得到頻域-時域混合數(shù)據(jù)；步驟3、對步驟2中得到的頻域-時域混合數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格傅里葉變換GFFT處理，得到偽峰抑制處理所需的核磁共振譜圖；步驟4、對步驟2中得到的頻域-時域混合數(shù)據(jù)，在間接維上進行采樣點的隨機抽取，隨機抽取的采樣點組成N個隨機子集，其中N為大于等于3的正整數(shù)；步驟5、對步驟4中得到的N個隨機子集進行網(wǎng)格傅里葉變換處理，得到N個隨機子集核磁共振譜圖；步驟6、計算步驟5得到的N個隨機子集核磁共振譜圖中每點的譜峰強度與步驟3中的核磁共振譜圖中相對應(yīng)點的譜峰強度的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差；步驟7、根據(jù)步驟6得到N個隨機子集核磁共振譜圖中每點譜峰強度的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差， 利用權(quán)重函數(shù)對步驟3得到的核磁共振譜圖進行權(quán)重校正，即將N個隨機子集核磁共振譜圖中每點譜峰強度的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差作為變量輸入權(quán)重函數(shù)中，所得結(jié)果再與步驟3得到的核磁共振譜圖中相應(yīng)的該點譜峰強度相乘，以此得到偽峰抑制后的核磁共振譜圖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種核磁共振多維譜的偽峰抑制方法，其特征在于所述的步驟1中隨機采樣具體的步驟為步驟1. 1、確定隨機采樣所需要的采樣時間點坐標(biāo)，這些采樣時間點隨機分布在由第一間接維和第二間接維構(gòu)成的二維平面上，其中在第一間接維和第二間接維上的最大值即為第一間接維和第二間接維上的最大間接維演化時間；步驟1. 2、根據(jù)步驟1. 1確定的采樣時間點坐標(biāo)對HNCO脈沖序列的間接維演化時間點坐標(biāo)修改；步驟1. 3、根據(jù)步驟1. 2修改的HNCO脈沖序列間接維演化時間點坐標(biāo)進行時域數(shù)據(jù)采集。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種核磁共振多維譜的偽峰抑制方法，其特征在于所述的步驟2中利用如下公式進行快速傅里葉變換處理
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種核磁共振多維譜的偽峰抑制方法，其特征在于所述的網(wǎng)格傅里葉變換分為兩步步驟3. 1 對步驟2所得頻域-時域混合數(shù)據(jù)，沿垂直于直接維的方向依次隨機抽取間接維采樣點，按如下公式進行網(wǎng)格重建至均勻正交網(wǎng)格的節(jié)點上 X
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種核磁共振多維譜的偽峰抑制方法，其特征在于所述的 步驟6中相對標(biāo)準(zhǔn)偏差的計算是基于公式
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種核磁共振多維譜的偽峰抑制方法，其特征在于所述的 步驟4中的N為大于或等于3的正整數(shù)，隨機子集內(nèi)采樣點數(shù)大于或等于步驟1中隨機采 樣的采樣點數(shù)的1/2，且小于或等于步驟1中隨機采樣的采樣點數(shù)的4/5。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種核磁共振多維譜的偽峰抑制方法，其特征在于所述的 權(quán)重函數(shù)為正態(tài)分布函數(shù)
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種核磁共振多維譜的偽峰抑制方法，其特征在于所述的 權(quán)重函數(shù)為Logistic函數(shù)
全文摘要
本發(fā)明公開了一種核磁共振多維譜的偽峰抑制方法，該方法首先進行直接維均勻采樣和間接維隨機采樣，得到時域數(shù)據(jù)；接著時域數(shù)據(jù)依次進行直接維快速傅里葉變換和網(wǎng)格傅里葉變換，得到偽峰校正前的核磁共振譜圖；然后對進行直接維快速傅里葉變換后的時域數(shù)據(jù)進行子集抽取，并進行網(wǎng)格傅里葉變換，得到子集核磁共振譜圖；最后將隨機子集核磁共振譜圖與偽峰校正前的核磁共振譜圖進行比較，得到偽峰校正前的核磁共振譜圖中每點譜峰強度的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差，并利用權(quán)重函數(shù)對偽峰校正前的核磁共振譜圖進行校正，得到偽峰抑制后的核磁共振譜圖。本發(fā)明的有益效果是1、數(shù)據(jù)處理速度快；2、有效地區(qū)別信號峰與偽峰，并對偽峰有顯著的抑制作用。
文檔編號G01R33/565GK102305918SQ20111013607
公開日2012年1月4日 申請日期2011年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月24日
發(fā)明者劉買利, 張許, 羅凡, 肖楠, 蔣先旺, 蔣濱 申請人:中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所