优化脉冲的开发及其在核磁共振波谱学中的应用

近年来核磁共振技术在复杂大分子体系中得到了越来越广泛的应用,传统脉冲的弊端逐步显现出来，如：激发带宽较窄，信号灵敏度偏低，对射频场不均匀性的容忍性较差等。随着核磁共振技术在生物和医学等领域的不断发展，如何针对以上问题开发和设计新型的优化脉冲，正成为核磁共振研究领域的主要挑战之一。本项目将致力于研究利用多参数的基于梯度的数值计算方法开发优化脉冲,这些参数包括脉冲的幅度、时间以及相位等。有别于传统的的单一参数梯度的数值计算方法,本项目研究的方法将极大地增强优化过程的灵活性和成功性，并可为核磁共振波谱学开发灵敏度高，对外界参数容错性强的优化脉冲。同时本项目也将研究相应的核磁共振中的理论应用和实验应用，为传统的脉冲序列寻找优化脉冲的解决方案。本项目的研究成果将有助于加强对复杂核自旋体系的理解和控制，并将为今后优化脉冲的广泛运用奠定基础。

本项目基于优化控制原理针对射频脉冲开展优化控制研究工作，取得了三个层面的研究成果。首先，在优化控制算法研究层面，利用梯度上升算法（GRAPE）优化方法，建立了通用性脉冲优化算法。主要特点包括：应用对象适用于任意自旋体系；初态和期望态可自由设定；可额外将射频场非均匀性、磁场非均匀性、以及射频脉冲的能量损耗纳入优化策略中等。该方法的应用，增加了磁共振脉冲优化的鲁棒性。第二，在算法的软件实现层面，项目集成了FID信号采集、频谱分析和图像重建方法，构建以优化脉冲设计为核心的磁共振仿真库，该软件库以C++语言实现。在该仿真库的基础上，可进行完整的磁共振实验仿真，即自旋系统建立、优化脉冲设计与施加、自由衰减信号（FID）采集、频谱分析和图像处理等功能。第三，在优化脉冲的应用层面，首先提出一种通用的协作脉冲（Cooperative Pulse）纯态制备方法，并成功应用于三量子纯态和四量子纯态的实验制备，制备效率可达理论上限值；其次提出一种实用的优化相位敏感反转恢复脉冲序列（POP-SIR），这种组织间磁共振成像对比度增强方法充分了利用了脉冲波形的灵活性和优化控制的柔性等优势，同时可避免使用昂贵的磁共振造影剂，在性能、成本方面均优于目前的磁共振成像对比度增强方法。项目经过3年的研究历程，已完成预期制定的各项目标，能够为优化脉冲在核磁共振相关领域的进一步应用提供科学有效的依据。