一种核磁共振波谱谱峰对齐及谱峰提取方法
【专利摘要】本发明公开了一种核磁共振波谱谱峰对齐及谱峰提取方法，读取各个核磁共振谱图；利用具有内标化合物的谱峰或者预定化合物的特征谱峰对各个核磁共振谱图进行初步校准；将预定选取的核磁共振谱图作为参考谱图并划分为若干个固定区间，在各个固定区间内对待校准的核磁共振谱图进行校准；将每个核磁共振谱图在各个固定区间内校正后谱图进行整合。本发明适用性广几乎适应于所有的核磁共振谱图数据处理；数据处理简单；算法更快。
【专利说明】一种核磁共振波谱谱峰对齐及谱峰提取方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种图像处理方法，尤其是涉及到一种自动谱峰对齐方法，几乎适用 于所有液体核磁共振波谱谱图位移校准，同时可以实现谱峰变量的快速提取。该方法适应 于对一组平行的核磁共振波谱数据进行数据挖掘和信息提取等。
【背景技术】
[0002] 理想情况下，核磁共振波谱仪采集到的波谱数据应该具有一致的化学位移以及稳 定的基线。在实际分析过程中，由于受到待测样品的pH值、离子浓度，以及在采样过程中 磁场的均一性和实验温度等客观因素的影响，谱峰经常会产生不可预测的漂移，而且很多 因素是不可克服的。因此，谱峰位移校准是核磁共振波谱数据处理的关键步骤。现已有一 些谱峰校准的方法，例如：相关优化解缠法（correlationoptimizedwarping，COW)、多尺 度谱峰对齐法（multi-scalepeakalignment，MSPA)、高斯平滑谱峰对齐算法（Gaussian smoothing，GPA)等，但这些算法的普适性有限，且操作复杂，不适用于一般研宄人员。因此， 我们研宄出一种简单高效的谱峰对齐算法，可以实现核磁共振波谱谱峰基线自动批量对齐 以及谱峰变量的快速提取等。
[0003] 另外，高通量数据分析已成为当代科技发展的必然趋势，因此对平行的核磁共振 波谱数据的变量提取也成为影响科研效率的关键性因素。在高通量核磁数据分析过程中， 常用的两种变量提取方法：分段积分法和目标性分析法。其中分段积分法就是把核磁谱图 分成若干等份，把每等分的积分面积作为统计分析变量，降低了大批样本分析对分析人员 的要求，简化了数据。但是该方法，牺牲了数据的分辨率，且不一定存在生物学意义。目标 性分析方法有效的解决了这个问题，该方法基于数据库比对，选择谱图内所有的目标化合 物作为分析变量，但是该方法需要分析工作者具有较强的核磁背景知识，且谱图分析过于 耗时！因此，在谱峰对齐的基础上挑选谱峰将会作为一个不错的选择。因此，该发明同时提 供一种快速谱峰识别及提取的方法。
[0004] 该方法在一定程度上为核磁数据批量快速分析，减少核磁结果分析的工作量及对 谱峰信号的深度挖掘和分析提供了有力的工具。
【发明内容】
[0005] 本发明针对现有技术存在的上述问题，提供了一种简单易懂，快速高效的谱峰对 齐方法，同时将核磁共振谱图所有谱峰进行集中提取，为后续统计学分析提供变量。该方法 虽然是基于Matlab软件进行开发的，但是对于使用者的编程能力没有要求。当然，若使用 者具有一定的编程能力，也可以对该方法进行深层次的挖掘。该发明几乎可以适用于所有 的批量核磁共振谱图，且校正结果优于已发表的方法，结果准确，且具有一定的拓展性。
[0006] 本发明主要是通过下述技术方案得以解决的：
[0007] -种核磁共振波谱谱峰对齐及谱峰提取方法，包括以下步骤：
[0008] 步骤1、读取各个核磁共振谱图；
[0009] 步骤2、利用具有内标化合物的谱峰或者预定化合物的特征谱峰对各个核磁共振 谱图进行初步校准；
[0010] 步骤3、将预定选取的核磁共振谱图作为参考谱图并划分为若干个固定区间，在各 个固定区间内对待校准的核磁共振谱图进行校准；
[0011] 步骤4、将每个核磁共振谱图在各个固定区间内校正后谱图进行整合。
[0012] 如上所述的步骤3包括以下步骤：
[0013] 步骤3. 1、选取预定的核磁共振谱图作为参考谱图，将参考谱图划分为若干个固定 区间，选定其中一个固定区间作为当前校准固定区间；
[0014] 步骤3. 2、求取当前校准固定区间内的谱峰最大值Ymax，同时确定谱峰最大值Ymax 所对应的化学位移，选取当前待校准的核磁共振谱图；
[0015] 步骤3.3、预定搜索区间[6^-八6'，6#+八6']，在当前待校准的核磁共振谱 图的搜索区间[SMf-AS'，Sraf+AS']内寻找谱峰的所有峰值Ypl，…，Ypn，确定当前待校 准的核磁共振谱图中与各个峰值相对应的化学位移，即Spl，…，Spn;pn为当前待校准的核 磁共振谱图在搜索区间的谱峰个数；
[0016] 步骤3. 4、保持当前待校准的核磁共振谱图的谱形不变，将当前待校准的核磁共振 谱图在搜索区间中的各个寻找到的峰值分别平移到化学位移S处，依次分别计算平移到 后的当前待校准的核磁共振谱图与参考谱图在当前校准固定区间内的相关系数Rpx，其 中px=pi?pn;
[0017] 步骤3. 5、寻找在当前校准固定区间内相关系数Rpx的最大的相关系数Rmax，与Rmax 相对应的谱峰的化学位移为Smaxl，然后平移当前待校准的核磁共振谱图Smaxl-SMf化学位 移，截取平移后的当前待校准的核磁共振谱图在当前校准固定区间内的全部谱峰信号；
[0018] 步骤3. 6、选取下一个待校准的核磁共振谱图的作为当前待校准的核磁共振谱图 并返回步骤3. 3直至所有的待校准的核磁共振谱图在当前校准固定区间内校准完毕；
[0019] 步骤3. 7、保存当前校准固定区间的所有核磁共振谱图；
[0020] 步骤3. 8、选取下一个固定区间作为当前校准固定区间并返回步骤3. 2,直至所有 固定区间校准完毕。
[0021] 如上所述的步骤3. 3中寻找谱峰的判断依据为：f(spn)>f(Spiri)，同时 f(Spn)>f(Spn+1)，化学位移6pn对应的即为谱峰，f(S 分别表示化 学位移Spn、Spn+1处的核磁共振波谱的信号强度。
[0022] 一种核磁共振波谱谱峰对齐及谱峰提取方法，还包括谱峰变量提取步骤：
[0023] 步骤5、确定噪声YnQise;
[0024] 步骤6、寻找参考谱图的谱峰的最高值Ymaxl，
[0025] 若Ymaxl>YMise，则谱峰的最高值Ymaxl作为谱峰变量，Smaxl为谱峰的最高值Ymaxl所 对应的化学位移，否则终止挑选谱峰变量，进入步骤9 ;
[0026] 步骤7 :寻找谱峰区间，在Smaxl前后寻找波谷，前/后波谷之间的区间即为谱峰变 量所对应的谱峰的区间[S maxlA' 3 maxlB];
[0027] 步骤8、将参考谱图在[S_1A，S_1B]内的数值去除，返回步骤6 ;
[0028] 步骤9 :挑选出参考谱图所有的谱峰变量后按照化学位移对谱峰变量进行排序， 若谱峰变量对应的谱峰的区间的绝对值大于预定值，则将对应的谱峰变量删除。
[0029] 如上所述的前/后波谷的搜索包括以下步骤：以化学位移Smaxl为中心向谱图两 侧搜索谱值变大的前拐点和后拐点，前拐点和后拐点即分别为前波谷和后波谷。
[0030] 本发明与现有技术相比，具有以下优点：
[0031] (1)适用性广：本方法对核磁共振谱图中的谱峰信号没有特殊要求，适应性更广， 几乎适应于所有的核磁共振谱图数据处理；
[0032] (2)原理简单易懂：本发明在不改变谱峰性质的情况下，只对谱峰进行简单漂移 处理，使用者不需要具有很强的核磁背景和编程能力。
[0033] (3)数据处理简单：处理结果直接导入Excel文件中，供研宄人员使用；
[0034] (4)可拓展性：该算法是基于matlab程序进行编译的，使用者若具有一定的编程 基础，即可以在此基础上对核磁共振谱图进行其他图形处理或数据分析。
[0035] (5)算法的优势更为明显：与现有算法相比，以文献报道（见图（1))的包括红、 白和桃红三种葡萄酒共40个样品的 1H-NMR谱图片断（化学位移0. 5-6. 0)，每张谱图8712 个数据点。针对于该组数据，三种文献报道方法所得到的平均相关系数为：COW(0. 98)， MSPA(0. 91)，GPA(0. 98)，该算法则将谱峰相关系数提高至0. 99。运行时间则由文献报道得 最快62秒提高到1秒左右。。具体数据分析在后面举例中，进行详细说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0036] 图1是本发明的流程图；
[0037] 图2是红、白和桃红三种葡萄酒中乳酸的核磁共振信号校准前（A)后（B)对比图；
[0038] 图3是红、白和桃红三种葡萄酒共40个样品的1H-NMR谱图片断用目前算法对齐 前后的相关谱图。（A):对齐前；(B):对齐后
【具体实施方式】
[0039] 下面通过实例，并结合附图，对本发明的操作，作进一步具体的说明。
[0040] 实施例1 :
[0041] 一种核磁共振波谱谱峰对齐及谱峰提取方法，包括以下步骤：
[0042] 谱峰校准：
[0043] 步骤1 :读取各个核磁共振谱图，优选经过相位校正和基线调整后的核磁共振谱 图；
[0044] 步骤2 :选取核磁共振谱图内标化合物（内标化合物为已知浓度和已知化学位移 的添加物）的化学位移8,对步骤1读取的批量谱图的化学位移进行初步校准。
[0045] 选取方法一般选择具有内标化合物的谱峰的化学位移作为基准Ss(例如 TMSP-Oppm或者Formate-8. 46ppm)。
[0046] 在没有内标化合物的时候，需要选取预定化合物的特征谱峰的化学位移作为初次 校准的基准Ss (例如大脑组织样品提取物中的NAA-2. 02ppm)。
[0047] 校准方法如下所述：(A):选择当前需校正的谱图在设定区间（Ss-AS? 6 s+A6 )的谱峰最大值Ymax=max(f: ( 8 )......( 5』)），( 6 )表示在6 4的谱峰强 度。确定谱峰最大值Y_所对应的化学位移为S_值，即S_=厂^_)。当前需校正的 谱图的新的化学位移即为Snew=S\ld为校正前谱图的化学位移。这样 所有的核磁共振谱图完成了初次校准。
[0048] 步骤3 :固定区域内谱峰校准。测试样品内的成分较为复杂，受外界环境的影响 具有不可预见性。因此，该方法中，实验者采取将预定的一个核磁共振谱图作为参考谱图， 并将参考谱图划分为若干个固定区间，在各个固定区间内对待校准的核磁共振谱图进行校 准；以谱峰相关系数R的大小对校准的效果进行评价。区间的划分原则以谱峰相关系数R 和基线调整结果为准。
[0049] 两个核磁共振谱图的相关系数R的计算方法如下所示：
【权利要求】
1. 一种核磁共振波谱谱峰对齐及谱峰提取方法，包括以下步骤： 步骤1、读取各个核磁共振谱图； 步骤2、利用具有内标化合物的谱峰或者预定化合物的特征谱峰对各个核磁共振谱图 进行初步校准； 步骤3、将预定选取的核磁共振谱图作为参考谱图并划分为若干个固定区间，在各个固 定区间内对待校准的核磁共振谱图进行校准； 步骤4、将每个核磁共振谱图在各个固定区间内校正后谱图进行整合。
2. 根据权利要求1所述的一种核磁共振波谱谱峰对齐及谱峰提取方法，其特征在于， 所述的步骤3包括以下步骤： 步骤3. 1、选取预定的核磁共振谱图作为参考谱图，将参考谱图划分为若干个固定区 间，选定其中一个固定区间作为当前校准固定区间； 步骤3. 2、求取当前校准固定区间内的谱峰最大值Y_，同时确定谱峰最大值Y_所对 应的化学位移SMf，选取当前待校准的核磁共振谱图； 步骤3.3、预定搜索区间[6@-八6'，6#+八6']，在当前待校准的核磁共振谱图的 搜索区间[SMf-A S '，SMf+A S ']内寻找谱峰的所有峰值YP1，…，Ypn，确定当前待校准的 核磁共振谱图中与各个峰值相对应的化学位移，即Spl，…，Spn;pn为当前待校准的核磁共 振谱图在搜索区间的谱峰个数； 步骤3. 4、保持当前待校准的核磁共振谱图的谱形不变，将当前待校准的核磁共振谱图 在搜索区间中的各个寻找到的峰值分别平移到化学位移处，依次分别计算平移到S 后的当前待校准的核磁共振谱图与参考谱图在当前校准固定区间内的相关系数Rpx，其中 px = pl ?pn ; 步骤3. 5、寻找在当前校准固定区间内相关系数Rpx的最大的相关系数R_，与R_相对 应的谱峰的化学位移为Smaxl，然后平移当前待校准的核磁共振谱图Smaxl-SMf化学位移， 截取平移后的当前待校准的核磁共振谱图在当前校准固定区间内的全部谱峰信号； 步骤3. 6、选取下一个待校准的核磁共振谱图的作为当前待校准的核磁共振谱图并返 回步骤3. 3直至所有的待校准的核磁共振谱图在当前校准固定区间内校准完毕； 步骤3. 7、保存当前校准固定区间的所有核磁共振谱图； 步骤3. 8、选取下一个固定区间作为当前校准固定区间并返回步骤3. 2,直至所有固定 区间校准完毕。
3. 根据权利要求2所述的一种核磁共振波谱谱峰对齐及谱峰提取方法，其特征在于， 所述的步骤3. 3中寻找谱峰的判断依据为：f ( S pn) >f ( S piri)，同时f ( S pn) >f ( S pn+1)，化学 位移Spn对应的即为谱峰，f(S 分别表示化学位移Spn、Spn+1 处的核磁共振波谱的信号强度。
4. 根据权利要求1所述的一种核磁共振波谱谱峰对齐及谱峰提取方法，其特征在于， 还包括谱峰变量提取步骤： 步骤5、确定噪声Ymise; 步骤6、寻找参考谱图的谱峰的最高值Ymaxl， 若Ymaxl>YMiS6，则谱峰的最高值Ymaxl作为谱峰变量，S ^为谱峰的最高值Y对应的 化学位移，否则终止挑选谱峰变量，进入步骤9 ; 步骤7 :寻找谱峰区间，在Smaxl前后寻找波谷，前/后波谷之间的区间即为谱峰变量所 对应的谱峰的区间[S maxlA' 3 maxlB]; 步骤8、将参考谱图在[S_1A，S_1B]内的数值去除，返回步骤6; 步骤9 :挑选出参考谱图所有的谱峰变量后按照化学位移对谱峰变量进行排序，若谱 峰变量对应的谱峰的区间的绝对值大于预定值，则将对应的谱峰变量删除。
5.根据权利要求4所述的一种核磁共振波谱谱峰对齐及谱峰提取方法，其特征在于， 所述的前/后波谷的搜索包括以下步骤：以化学位移Smaxl为中心向谱图两侧搜索谱值变 大的前拐点和后拐点，前拐点和后拐点即分别为前波谷和后波谷。
【文档编号】G01R33/54GK104458785SQ201410764523
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月12日 优先权日:2014年12月12日
【发明者】王杰, 程吉, 徐富强 申请人:中国科学院武汉物理与数学研究所