强磁场下基于时空编码的快速高分辨核磁共振定域谱新方法及其应用

Strong magnetic fields bring stronger signal to noise ratio (SNR) and better spectral separation, It and shortening of MRS sampling time both make nuclear magnetic resonance spectroscopy (MRS) more and more popular in biomedical field. However, biological tissue and live animal experience severer field inhomogeneity caused by susceptible variance under strong magnetic fields, causing difficulty in obtaining high quality spectra. This project will perform the following studies: (1) study the property of fast spatiotemporal encoding signal evolution, combine with intermolecular multiple quantum coherence signal immune to field inhomogeneity and with conventional single quantum with delicate design overcoming the effect caused by inhomogeneous field, build biological physical model and utilize computer simulation to devise fast pulse sequence suppressing the effect of field inhomogeneity; (2) optimize excitation and detection module and signal post processing technique, introduce spin lock technique and optimize gradient and echo time setting to increase SNR, and introduce strong water singnal suppression for better metabolite detection; (3) design the novel method for fast high resolution MRS of biological tissue and live animal under strong fields, and apply it to biological tissue, small specie, small animal and large animal. This project will lift the study level in MRS techniques in our country and promote application of high field technology in biomedicine field.

强磁场可以带来高灵敏度和好的谱峰分离。强磁场和核磁共振定域谱(MRS)采样时间的缩短，都将促进MRS在生物医学领域越来越广泛的应用。然而，生物组织和活体动物在强磁场中因磁化率差异引起的磁场不均匀更严重，从而难以获得高质量谱图。本项目拟开展如下研究：(1)研究高场下快速时空编码信号演化的特点，结合对不均匀磁场不敏感的分子间多量子相干和能克服不均匀磁场效应的常规单量子独特设计，建立生物物理模型并利用计算机模拟辅助发展快速抑制不均匀磁场效应的脉冲序列。(2)优化激发和检测模式及信号后处理，引入自旋锁定技术，优化梯度和回波时间设置以提高信噪比，引入水峰压制技术优化代谢物检测。(3)建立一套适用于强磁场下生物组织和活体动物的快速高分辨核磁共振定域谱新方法，并应用于生物组织、小生物、小动物和大动物的研究。本项目的实施将提升我国强磁场下核磁共振定域谱技术的研究水平，促进高场定域谱在生物医学领域的应用。

磁场强度的提高可以带来更高的灵敏度和更好的谱峰分离。但是，生物组织和活体动物在强磁场中因磁化率差异引起的磁场不均匀现象更严重，常规技术难以获得高质量谱图。在本项目支持下，研究分子间多量子相干信号的特点和在不均匀磁场下的特性，发展基于分子间多量子相干信号的快速核磁共振谱图采样方法，消除磁场不均匀性的影响，获取高分辨谱图。采集分子间双量子相干信号不需要旋转样品，避免了对于样品的破坏，保证了样品的完整性。优化信号激发和采样阶段，我们获得了老鼠组织、鱼卵和活蚯蚓的高分辨谱图。采用空间编码技术实时研究蚯蚓的运动状态，研究了蚯蚓从活到死整个过程中代谢物的变化，揭示这个过程中的代谢物变化。活体老鼠的定域谱因为受到组织磁化率变化的影响，利用常规技术获得的谱图线宽较大，信噪比较低。研究不均匀磁场下常规单子量信号演化特点，建立合适的物理模型，并在模型指导下设计神经网络抑制谱图增宽和噪声的影响，从而获得高分辨谱图，同时在代谢物量化方面做了有益的尝试。为了进一步提高谱图的分辨率，利用z滤波模块和叠加回波和反回波的方式实现纯吸收线型，以提高定域谱的分辨率。撰写了高分辨核磁共振谱图在生物组织、活体动物和代谢组学研究中应用的综述论文，介绍了分子间多量子相干技术和常规单量子技术用于克服不均匀磁场获取高分辨谱图的原理和应用。整理了近年来测量标量耦合常数的高分辨率方法。在深入研究核磁共振信号的理论基础上引入完美回波模块提高谱图的信噪比；设计深度学习模型，压制噪声提高信噪比；采用双选择性激发、操控自旋调制化学位移等技术，有效提高谱图分辨率，甚至也能克服磁场不均匀效应。发展了基于深度学习的非均匀采样重构技术，在实验中可以进行稀疏采样获得较高质量的谱图，从而极大缩短实验时间。项目的实施提升了我国在强磁场下核磁共振技术的研究水平，促进了强磁场在生物医学领域中的应用。