基于低场核磁共振的预包装即食牛肉保质期预测模型研究

目的:开展预包装即食牛肉保质期快速、准确和无损的预测方法研究,对于保障产品货架期安全具有重要意义。方法:以预包装即食牛肉为分析对象,采集样品低场核磁H质子的T2弛豫时间,建立即食牛肉水分含量定量分析模型,结合样品感官接受性等建立预包装即食牛肉保质期预测模型。结果:预包装即食牛肉低场核磁谱图横向弛豫时间可较好地反映出随着贮存时间的延长航天即食牛肉的品质变化。建立了即食牛肉含水量预测模型,模型的预测误差小于4%;建模集相关系数(r)为0.9405,校正标准差(RMSECV)为34.5,相对分析误差(RPD)为3.1,对10个分别贮存一定时间但未参与建模的样本分别进行距离货架期终点的预测,预测结果与实测值的的相关性达0.99,预测结果的误差范围为0.7%~9.9%,RMSEP为13.6,预测模型的精确度满足货架期预测的精度要求。结论:低场核磁共振技术在预包装即食牛肉产品保质期预测方面具有应用潜力。

MRI梯度波形发生器研究进展

成像体素空间位置的准确编码对于磁共振成像(MRI)的空间定位至关重要.为了保证空间编码的准确性,获得高性能的梯度磁场是关键.梯度波形发生器是产生梯度磁场的核心部件,本文简要介绍了梯度波形发生器的工作原理和组成部分,总结了近二十年来基于不同设计方案设计的梯度波形发生器的研究进展,详细探讨了梯度波形预加重的实现方法,并对梯度波形发生器未来的研究和发展方向进行了展望.

不同耦合构型多自旋体系单重态制备效率研究

核自旋单重态是一种特殊的量子态,其存在寿命能远长于纵向弛豫时间(T1),能够被用于研究分子之间的慢扩散和慢运动等动力学过程.单重态的制备是其能成功应用的关键.目前文献中报道了多种制备单重态的方法,这些方法主要适用于孤立的两自旋体系,当单重态所涉及的核自旋受到其它自旋的耦合作用时,单重态的制备效率往往会降低.本文以三自旋体系为例,研究了不同耦合构型下单重态的制备效率受非单重态自旋耦合的影响,模拟结果表明当单重态自旋由弱耦合逐渐变为强耦合时,单重态的制备效率会在单重态自旋与非单重态自旋的耦合呈现对称性时保持一定的稳定性,此特性能够为复杂体系中选择合适的自旋制备单重态提供参考.我们利用N-乙酰-L-天门冬氨酸(NAA)分子的三个质子组成的自旋体系实验验证了以上结论,通过调节NAA分子的酸碱度,所选的三自旋体系能从弱耦合向强耦合转变,实验结果表明:当三自旋中单重态自旋处于强耦合时,单重态的制备效率明显高于弱耦合时的效率.

b值范围对6种体部扩散模型在前列腺应用的影响评估

论文研究了不同b值采集范围对6种体部扩散模型定量参数计算的影响.研究涉及扩散模型包含单指数模型(Mono)、扩散峰度成像(DKI)、体素内非相干运动模型(IVIM)、扩散拉伸指数模型(SEM)、分数微积分模型(FROC)和随机游走模型(CTRW),b值范围0~2500 s/mm^(2).通过扩散模型参数之间的相关性、t检验以及前列腺病灶良恶性鉴别能力三个维度,评估了不同b值采集范围对参数计算的影响.结果显示与参考采样方案相比,随着最大b值降低,所得同一扩散参数感兴趣区域(ROI)均值的差异逐渐增大,但相关性降低不明显,且前列腺病灶良恶性的鉴别能力也保持相似水平.基于实验结果,建议在临床实践中采用b值范围为0~1500s/mm^(2)的采集方案.这一方案在具备较高采集效率的同时,一半以上参数与参考采样方案结果的相关性不低于0.98,且良恶性鉴别能力指标曲线下面积(AUC)值的差别小于0.01.此外,不同扩散模型对于b值方案的敏感性存在差异,其中SEM和CTRW模型的参数受b值范围的影响相对较小.

二氧化硅颗粒堆积空隙中氢气分子的核磁共振谱学特征研究

本文研究了一系列不同尺寸二氧化硅小球堆积空隙中氢气分子的核磁共振信号特征,观察到氢气分子化学位移随着小球堆积空隙尺寸减小逐渐向高场变化的现象.结合变温氢谱、氢气自扩散系数测量及扫描电镜等实验结果,认为两个因素的共同作用是该现象产生的原因,即:1)抗磁性的二氧化硅小球所导致的磁场不均匀性分布随小球尺寸变化而变化;2)处在小球空隙内不同位置的氢气分子间存在快速交换.本文结果展示了氢气作为探针分子用于微纳空隙尺寸测量的可能性.

基于核自旋单重态的活体谷胱甘肽分子MRS信号选择

谷胱甘肽(GSH)是一种由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸聚合而成的三肽,是人体还原驱动力的主要来源,能维持人体内部氧化还原平衡.谷胱甘肽还与生物体内自由基淬灭、肿瘤治疗密切相关.利用活体磁共振波谱(MRS)监测生物体中谷胱甘肽的含量变化对于理解其生物学作用具有重要意义.由于生物体内环境复杂,活体组织的磁共振信号往往重叠严重,难以实现特定分子的选择性检测及定量.本文介绍了一种利用核自旋单重态选择性检测活体谷胱甘肽分子的方法,通过在谷胱甘肽中选择合适的自旋体系,将其制备为单重态,借助梯度脉冲消除其它分子的信号,进而实现谷胱甘肽信号的选择性检测.该方法在健康人体大脑中得到了实验验证,理论和实验结果表明,与文献中报道的其它方法相比,本文的方法具有检测效率高、选择性强的特点.

基于残留偶极耦合对西松烷二萜化合物sinulariol Z立体化学的研究

天然产物的立体化学研究,特别是柔性大环分子化合物的立体化学问题,一直是相关领域面临的巨大难题.西松烷二萜类化合物是一类典型的柔性大环分子化合物,采用耦合常数(Coupling constant)和NOE(Nuclear Overhauser effect)效应两种局部特性核磁共振参数来确定该类化合物立体构型是最常用的方法之一.残留偶极耦合(Residual dipolar coupling,RDC)和量子化学计算等方法的发展进一步丰富了解决立体化学问题的手段.其中,RDC作为一种非局部特性核磁共振参数,不仅被多次报道应用于蛋白质、核酸等生物分子的结构构建及功能研究,也逐渐被应用于许多天然产物分子的立体构型确定,在药物分子构型研究方面做出了突出贡献.目前,RDC在西松烷二萜类化合物的立体构型确定方面的研究报道较少.本文首次采用RDC参数探索西松烷二萜类化合物sinulariol Z的立体化学构型问题,并结合单晶X射线衍射法,对sinulariol Z的立体构型进行了再次确证,进一步验证了RDC参数在西松烷二萜类化合物立体化学研究中的可行性.

基于新一代脑磁图的语义视听单试次检测

为解码人脑在语义情境下的视听双模态与单模态中的响应差异,本研究设计了相关任务范式并应用新一代脑磁图(OPM-MEG)结合机器学习方法对采集信号从行为学响应、事件相关场(ERF)和单试次检测3个角度进行分析.结果显示单模态语义响应主要集中在枕叶,而双模态语义响应主要集中在顶叶.同时,双模态下的被试响应速率及单试次检测准确率显著高于单模态.此外,支持向量机(SVM)在4种机器学习模型中显示出了最佳分类效能,在被试内分类平均准确率可达75.16%,被试间平均准确率达80.56%.结果表明基于OPM-MEG结合机器学习为实现解码语义情境下的视听双模态与单模态响应差异提供了一条新的有效途径.

磁共振弹性成像及其在脑疾病中的应用

磁共振弹性成像(magnetic resonance elastography,MRE)是一种通过外界激励将剪切波动传递到所测量的软组织中,采用磁共振成像记录波动位移,并基于波动特征对软组织的力学参量进行估计的方法.脑组织的力学参量,尤其是粘弹参量与其生长、老化和疾病密切相关.本综述首先介绍MRE的理论原理以及软组织粘弹性的物理意义和表示方法,并以脑组织MRE为例说明MRE的技术方法及其扫描过程.其次,针对脑肿瘤和神经退行性疾病等典型的脑疾病,介绍MRE在临床研究中的应用,说明粘弹参量作为脑科学基础研究和疾病诊断的新生物标志物的意义.最后,对MRE在脑疾病和脑科学的应用相关研究热点开展了讨论.

一种用于磁共振波谱仪的主动匀场电源设计

高均匀度磁场是磁共振波谱仪获得高质量谱图以进行化学结构解析和动力学信息获取的重要保证,需要利用高性能匀场电源驱动匀场线圈产生补偿电磁场保证磁场均匀度.高精度、高稳定性匀场电源是提升磁共振波谱仪主动匀场性能、保持匀场效果的关键部件.本文针对磁共振波谱仪多通道主动匀场需求,开发设计了一款高精度、高稳定、多通道主动匀场电源系统.基于负反馈控制,设计带有输出状态监控的匀场电流驱动器(恒流源),搭配MCU控制平台和上位机软件完成软硬件之间控制指令和数据的闭环传输设计,实现数字化恒流输出控制.在R=2.84Ω,L=25.5µH匀场线圈负载下,满量程输出响应时间小于18.9µs,输出纹波峰峰值控制在30 mV,正负电流输出对称性良好,长时间工作最大输出偏差是4.8‰.该电源在采用0.5 T-Halbach构型磁体的磁共振波谱系统中完成匀场实验,驱动一阶匀场线圈完成24.48 ppm(10^(-6))到2.72 ppm的磁场均匀度优化.此工作有助于紧凑型磁共振波谱仪系统集成及主动匀场技术相关应用的开展.

基于卷积神经网络的重度抑郁症患者大脑年龄评估

大脑年龄已成为神经退行性疾病诊断和机理研究的重要分析对象.重度抑郁症是否会增加患者的大脑年龄,尚未得到一致的结论,且该方向的研究在中国人口内开展较少.本文使用从中国25家医院收集的REST-meta-MDD数据集,构建基于高分辨率T1-加权3D大脑结构磁共振图像的卷积神经网络模型,用于预测患者的大脑年龄,计算与实际年龄的差异.最终结果的平均绝对误差和相关系数为3.16和0.93,与健康组对比,重度抑郁症患者的平均大脑年龄增加了3.94年,进一步确认了重度抑郁症会加速大脑衰老,且患病程度与患者的性别、年龄和受教育程度相关.对比传统机器学习算法,该模型取得结果的平均绝对误差更小,相关系数更高.

高性能铷原子钟的高精度频率漂移补偿研究

铷原子钟可靠性高、体积小、功耗低,在导航、通信等领域被广泛使用.尤其对于导航卫星星载铷原子钟,发展至今具有了优异的稳定度性能,但其固有的频率漂移特性(约E-12~E-13/天)会恶化其长期性能,影响卫星自主守时能力.通过对高性能铷原子钟的频率数据进行充分分析,评估可能导致频率漂移的物理机制,提出一种高精度频率漂移补偿的方案并开展了实验验证.结果表明,在无外部驯服情况下60天内高性能铷原子钟的漂移率可保持E-15/天量级,天稳定度达到E-15量级(Allan偏差),极大提升铷原子钟的自主守时能力.

掌上型核磁共振控制台的设计与实现

常规的核磁共振仪器具有体积大,不易携带等缺点,限制了其在现场石油勘探、食品安全、环境污染、质检等领域的应用.为此,本文提出了一种掌上型核磁共振控制台设计方案,在一块可编程片上系统芯片Zynq-7000上,通过高级精简指令集计算机(Advanced RISC Machine,ARM)核构建、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)逻辑设计和控制程序设计,完成了整个掌上型核磁共振控制台的设计与实现.全部设计完成后,在课题组自研的0.5 T桌面式核磁共振系统上,进行了自由感应衰减(Free Induction Decay,FID)、自旋回波(Spin Echo,SE)和CPMG(Carr-Purcel1-Meiboom-Gill)几个基本脉冲序列的测试,验证了其整体架构设计的正确性和各个模块之间的协调性.设计的核磁共振控制台长10.6 cm,宽6.0 cm,高1.9 cm,在缩小体积的同时,还提高了脉冲序列的实时性和控制台的稳定性,为进一步研制便携式核磁共振仪器奠定了基础.

基于数值优化方法的Halbach磁体无源匀场方法研究

小型化的核磁共振谱仪由于其便携性的优势,成了当下核磁共振领域的研究热点.近年来,Halbach磁体在小型化核磁共振波谱仪领域得到了广泛应用.永磁体磁场的不均匀性对无源匀场方法提出了较高的要求.因此,本文基于机械可调的Halbach永磁体阵列结构进行了无源匀场研究.首先研制了由12个机械可调的磁块构成的Halbach磁体,并建立了磁块位置和磁场均匀性的最小二乘问题,随后利用了一种结合Levenberg-Marquardt法和拟牛顿法的优化算法,通过改变磁块的径向位置来优化磁场的均匀性.通过这种方法,成功将1.03 T的Halbach磁体中心区域(半径为2.5 mm)的均匀度从7391×10^(-6)提升到154.23×10^(-6).本文提出的匀场方法相对于传统的无源匀场方法更加灵活和简便,有望应用于核磁共振波谱仪和其他需要高磁场均匀度的仪器.

固体核磁共振样品制备系统的自主研制

近年来,国内多个科研单位引进了固体核磁共振波谱仪.由于目前固体核磁共振波谱仪还没有国产化,完全依赖进口,因此仪器及配套的样品制备系统价格昂贵.转子是魔角旋转核磁共振实验的关键耗材,其尺寸精密度要求极高,加工难度大.通过分析进口成品3.2mm固体核磁共振转子及其配套样品制备工具的特性和实际应用需求,改进转子各零部件之间的连接方式,优化转子的密封性,成功实现了固体核磁共振转子和配套样品制备工具箱的自主研制.测试结果表明,自主研制的转子能在12kHz转速下正常运行,满足常规固体核磁共振实验需求,且配套的样品制备工具箱操作简单,安全可靠.

基于小型化原子磁力计的零场NMR波谱仪搭建与测试

常规高场NMR波谱仪依托超导技术,其体积大、维护成本高,且存在样本磁化率不均匀导致的谱线展宽现象,零场或近零场NMR技术则可实现有效互补.本文自主搭建了一套基于小型原子磁力计的可移动零场NMR波谱仪,采用以多功能采集卡(National Instruments PCIe-6353)为核心的集成控制系统,仪器主磁场强度小于1nT,可实现高分辨率的J-耦合谱采集.为实现对自旋体系的有效操控,利用样品绝热初态的单脉冲激发实现对三轴脉冲线圈的精确标定.在此基础上,使用改进的组合脉冲序列实现了在^(13)C-^(1)H异核体系下的单自旋选择性操控,验证了零场NMR波谱仪的有效性.

Y分子筛结构特性与催化性能的固体核磁共振研究进展

作为一类在石油炼制与化工领域应用极其广泛的工业催化剂,Y分子筛的活性中心结构及酸性特征(酸类型、酸强度、酸浓度、酸分布和空间邻近性等)与其催化性能(反应活性、选择性和稳定性等)密切相关。准确描述活性中心结构、酸性特征及催化反应微观机理是建立其结构特性与催化性能之间内在关联的必要前提,也是实现Y分子筛催化效能进一步提升的关键所在。主要综述了近年来固体核磁共振(NMR)技术在Y分子筛局域精细结构的表征、酸性特征的定性与定量分析及催化反应机理等方面的研究进展,并对其发展方向进行了展望。

基于DCE-MRI图像TIC分析法的类风湿关节滑膜炎定量评估

目的:为了提高对评估类风湿性关节炎(RA)的诊断敏感性,对滑膜血管翳尤其是炎性血管翳的形状及数量进行量化评估和可视化呈现,为临床指导用药提供可靠依据。方法:对18例经临床病理确诊的RA患者行手腕关节DCE-MRI检查,统一对第4个时相的增强图像进行感兴趣区域(ROI)勾画。采用Spearman相关性分析评价该病例的时间强度曲线(TIC)参数[早期增强率(MSI)、强化幅值差(MSD)、达峰时间、拟合曲线尾部切线斜率]之间的相关性并确定其独立特征。使用独立特征定义4型曲线(Ⅰ型,缓升型;Ⅱ型,速升速降型;Ⅲ型,速升平台型;Ⅳ型,速升缓升型),并计算出ROI内每个类型TIC所占容积,再与RAMRIS评分结果进行比较确定相关性最强的TIC,基于该曲线特征进行滑膜炎的定量分级和二维多切片彩色编码显示。结果:MSI与MSD存在显著的正相关,Ⅱ型区域容积与RAMRIS评分具有极好的相关性(r=0.812),即动态增强MRI图像中,TIC为速升速降型区域符合滑膜炎性血管翳类型。结论:TIC分析法方便医生精准地进行炎性血管翳的定量分析,为RA患者疾病严重程度的诊断及用药治疗前后对比提供重要临床信息。

达罗他胺中间体合成中杂质的发现和结构表征

达罗他胺是治疗前列腺癌的重要药物,在进行其合成工艺研究时,在第一步Suzuki偶联和第二步水解脱保护反应中,发现并纯化得到3个杂质A、B和C,其中杂质A和B来自第一步反应,杂质C来自第二步反应.通过高分辨质谱(HRMS)、核磁共振氢谱(^(1)HNMR)和核磁共振碳谱(^(13)CNMR)表征方法,确定了杂质A和B的结构,分别为初始反应原料化合物2的脱硼酸频哪醇酯产物和初始反应原料化合物1的双偶联产物;借助HRMS、^(1)HNMR、^(13)CNMR、^(1)H-^(1)HCOSY、^(1)H-^(13)CHSQC、^(1)H-^(13)CHMBC和^(1)H-^(1)HNOESY方法确定了中间体化合物3和杂质C的准确结构,对其形成机理和规避方法也进行了讨论分析.

高速魔角旋转下基于组合π脉冲的射频驱动重耦同核双量子固体NMR相关实验研究

该文提出了一种改进固体核磁共振(NMR)实验中射频驱动重耦(RFDR)序列的方法。以组合π脉冲替代传统的单一矩形π脉冲作为RFDR序列的基本构成单元,并选择若干个适用于高速魔角旋转条件的组合π脉冲,在RFDR双量子实验中进行全面研究,通过数值模拟分析了影响RFDR双量子实验性能的两个关键因素——共振偏置和射频场不均匀性,并根据模拟结果确定了性能最优的组合π脉冲。结合六氟硅酸钠和L-组氨酸的一维和二维^(19)F或1H固体NMR实验,验证了在高速魔角旋转条件下选择适当的组合π脉冲的RFDR序列的优势。该方法不仅能确保较高的同核双量子激发效率,还能提高激发带宽,并且对射频场不均匀性更加不敏感。稳定高效的RFDR同核双量子相关实验为采用固体NMR分析强自旋耦合体系的核间相互作用提供了重要的技术支持。