一种核磁共振谱采样截断伪峰的抑制方法与流程

本发明涉及核磁共振分析领域，具体涉及一种核磁共振谱采样截断伪峰的抑制方法，用于对化学结构的核磁共振分析。

背景技术：
一、核磁共振技术简介核自旋量子数不为零的原子核在磁场中会产生磁矩，当这些磁矩的方向与静磁场夹角不为零时，就会绕静磁场的方向产生进动。核磁共振(NuclearMagneticResonance,NMR)就是利用射频脉冲使静磁场中的样品的磁化矢量与静磁场的方向偏离，并产生进动；磁化矢量进动时，其磁力线会切割样品旁的检测线圈，通过电磁感应在线圈中产生电平振荡，对电平振荡进行采样得到时域信号。对此时域信号作傅里叶变换，即可得到一维NMR谱图。图1为单脉冲一维实验的脉冲序列图。然而，当样品组分复杂、或者分子量较大时，一维NMR谱图中有严重的谱峰重叠，这将严重地影响对谱峰的归属和定量，如图2为蛋白质ubiquitin的一维氢谱。为了解决一维谱中严重的谱峰重叠问题，出现了多维谱技术，如图3所示。以COSY实验的脉冲序列为例(图4)，此脉冲序列中有两个演化时间，t1和t2，分别称为间接维和直接维演化时间。对于直接维演化时间t2，其实就是样品的磁化矢量在检测线圈中进动的时间，因此，只有在直接维演化时间t2内，探头才可以对样品进行直接采样，这也是直接维的由来。若第一次检测时，t1取值τ0，并采得信号s(τ0，t2)；在第二次采样中，将t1设定为τ0+Δt1，并采得信号s(τ0+Δt1，t2)；在第n次采样中，将t1设定为τ0+nΔt1，并采得信号s(τ0+nΔt1，t2)，以此类推。因此，如果需要在间接维上采集n个数据点，需要将实验重复n次(在实际中，由于其它因素的存在，通常需要重复次数是n的倍数)。图3为蛋白质Ubiquitin的COSY谱图中的部分示意图。由于谱峰分布由一维扩展到二维，谱峰重叠现象得以解决，对谱峰的归属才得以实现。图4为COSY实验的脉冲序列。其中，t1和t2分别为间接维和直接维的演化时间。一维NMR实验采得的时域数据是一个数列，数列中的每个元素是不同时间的探头检测到的信号强度，因此，对一维实验作数据处理，仅需要对此数列作一次傅里叶变换即可得到频域谱图。而二维NMR实验采得的数据是一个二维数组(矩阵)，对其的处理步骤通常是先对矩阵中的每行(直接维)分别作傅里叶变换，然后再对矩阵中的每列(间接维)作傅里叶变换，才能得到二维NMR谱图。对于三维实验可以依次类推：其实验数据是个三维数组，需要沿三个维度各作一次傅里叶变换，共计三次傅里叶变换。二、核磁共振谱图中的采样截断伪峰在核磁共振谱图中，常常会出现采样截断伪峰。其产生的原因是：当采样结束时，信号还没衰减完毕，因此采样信号就相当于实际全部信号与一个矩形函数的乘积。当将采样信号傅立叶变换后，时域的矩形函数就会给信号峰带来一个振荡的卷积，使得谱图中出现振荡状的伪峰。图5为采样截断伪峰的由来示意图。当时域信号衰减完毕时结束采样(A)，则谱图正常(B)；当时域信号还未衰减完毕就结束采样(即采样截断，C)，则会在谱图中引入振荡状的伪峰(D)。一般而言，采样截断伪峰较多出现在多维谱的间接维，主要原因是为了节约实验时间，间接维的采样点通常被限制在较少数目，使得间接维采样时间不够，从而导致采样截断。三、目前对核磁共振谱图中采样截断伪峰的常规处理方法目前，核磁共振波谱学中一般利用窗函数来抑制采样截断伪峰。既然采样截断伪峰源于时域信号未衰减完毕，那么将一个衰减函数与采样信号相乘，强行使采样信号衰减完毕，那么自然就消除了采样截断伪峰。但是，窗函数方法也存在缺点，就是会导致谱峰增宽，降低谱图分辨率。如附图6所示，窗函数消除了伪峰，但展宽了信号峰，使得靠近的信号峰重叠在一起(图6C)，不利于识别。用于消除截断伪峰的常见窗函数，包括指数函数和余弦函数等。图6为截断采样数据的三种方法处理结果对比示意图。(A)完全采样所得的谱图；(B)对采样截断信号，经FFT所得的谱图，其中采样截断造成的伪峰很明显，左侧强信号峰旁的弱信号被伪峰掩盖；(C)，利用常规的窗函数方法，可消除截断伪峰，但是的谱峰变宽，相互靠近的信号会重叠在一起。(D)利用本问所提出的新方法(TASI)在消除截断伪峰的同时，避免了谱峰展宽带来的重叠。

技术实现要素：
本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提供一种核磁共振谱采样截断伪峰的抑制方法，该方法对核磁共振谱图中的采样截断伪峰具有较好的抑制效果，且避免了其它方法常导致的谱峰展宽。本发明的上述目的通过以下技术方案实现：以一维谱为例，对于多维谱，其处理步骤与此相同。步骤1：设定第一百分比阈值p和第二百分比阈值q，第一百分比阈值p的取值范围为95％～98％，第二百分比阈值q的取值范围为0.005％～0.015％。步骤2：获得的时域信号a，时域信号a的采样数据点点数为N1，对时域信号a进行填零处理，填零后的时域信号a的采样数据点点数为N2，然后对进填零后的时域信号a进行傅立叶变换后获得NMR谱图A。步骤3：求得NMR谱图A中最高信号峰的强度值I，以最高信号峰的强度值I与第一百分比阈值p的乘积pI为第一比较阈值，将NMR谱图A中所有强度值大于第一比较阈值的采样数据点对应的强度值分别减去第一比较阈值，并将NMR谱图A中所有强度值小于等于第一比较阈值的采样数据点对应的强度值设定为0，得到NMR谱图B；将NMR谱图A中所有强度值大于第一比较阈值的采样数据点对应的强度值设定为第一比较阈值，且NMR谱图A中所有强度值小于等于第一比较阈值的采样数据点对应的强度值不变，得到NMR谱图C。步骤4、将步骤2获得的NMR谱图A中最高信号峰的强度值I与第二百分比阈值q的乘积qI为第二比较阈值，若NMR谱图B中最高信号峰的强度值小于第二比较阈值，则进入步骤7；若NMR谱图B中最高信号峰的强度值大于等于第二比较阈值，则进入步骤5。步骤5：将NMR谱图B进行逆傅立叶变换得到时域信号b，并对时域信号b作截断处理，即将N2个采样数据点的时域信号b只保留前面的N1个采样数据点。步骤6：将时域信号a减去截断处理后的时域信号b获得新的时域信号a，将新的时域信号a作为步骤2中的时域信号a，循环迭代进入步骤2。步骤7：将各个循环迭代中获得的NMR谱图B，以及最后一次循环迭代中获得的NMR谱图C相叠加，即得到NMR谱图D。步骤8：对NMR谱图D作窗口平滑处理修正，得到最终NMR谱图E。即为NMR谱图D中每个数据点设定一个点数窗口，点数窗口一般为5～10个点，这个点数窗口中所有数据点的平均值，作为该数据点修正后的强度值。经此步骤，得到最终NMR谱图E。本发明是基于以下原理：采样截断伪峰，来源于不完全采样。令采样时样品磁化强度演化的时域信号为f(t)，则将其经傅立叶变换得到核磁共振谱图然而实际采样获得的时域信号是原始时域信号与采样函数的成绩s(t)f(t)，得到的核磁共振谱图则是与的卷积，这里是s(t)的傅立叶变换。当信号未衰减完毕即停止采样，即采样截断(或称为不完全采样)时，s(t)实际上是一个离散矩形函数，其傅立叶变换是sinc函数。正是与sinc函数的卷积，给谱图中引入了震荡状的伪峰。当对谱峰按某阈值，如0.95，作削峰处理后，由于峰尖远离震荡状截断伪峰所在的底部区域，因此被削掉的小峰不含截断伪峰，利用逆傅立叶变换(iFFT)将其变换到时域后，再经特意的截断处理，则相当于这部分时域信号与采样函数s(t)相乘，对应在频域里是小峰也在底部出现截断伪峰。在时域中，将截断后的小峰时域信号，从原始时域信号中减去，相当于在谱图中减去小峰的同时，也减去了小峰在截断伪峰中的贡献。以上步骤不断迭代重复，每次迭代中被从原谱图中移去的小峰，叠加在一起组成新的谱图，直至原谱图中谱峰高度被消减至噪声水平。经以上处理可有效消除截断伪峰。本发明相对于现有技术具有以下有益效果：1、对于多维实验，可以减少间接维采样点数，提高实验速度，同时能避免采样点数不足带来的采样截断伪峰，以及避免常规窗函数处理方法带来的谱峰展宽和重叠，提高谱图分...