核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance,NMR）波谱作为一种重要的检测技术,可以高效无损伤地为物质成分分析和分子结构解析等提供化学位移、J偶合常数、谱峰裂分及谱峰裂分积分面积等相关谱学信息。核磁共振波谱技术中氢核的化学位移频率范围一般在0～10 ppm,并且氢核谱峰往往包含J偶合裂分,因此当实验检测样品的物质含量较为丰富时,氢谱常常会发生谱峰拥挤甚至重叠,所以无法获得正确谱图信息。除此之外,谱线增宽也会致使谱图信息丢失。故而如何消除谱图拥挤和磁场不均匀增宽的干扰而得到高分辨谱图成为了 NMR领域科研人员持之以恒钻研探讨的课题之一。纯化学位移波谱技术能够有效消除J偶合裂分效应而保留单峰化学位移的信息,谱图具有更高的分辨率。分子间多量子相干（iMQC）技术,因其独特的信号性质致其能够对磁场的变化免疫,故而可在不均匀磁场下恢复出高分辨波谱信息。本文的研究工作基于能消除谱峰拥挤的纯化学位移技术和能消除磁场不均匀的iMQC技术,通过设计新的脉冲序列来开展相应的高分辨NMR波谱技术研究,并探讨其在实际方面的应用,主要内容包括:一、首先简单回顾了NMR现象的发展历程,然后介绍了几种常见的磁共振定域波谱技术,如 PRESS（Point-RESolved Spectroscopy）、STEAM（STimulated Echo Acquisition Mode）及 ISIS（Image Selected In vivo Spectroscopy）,对其优劣性及适用性进行简要分析;接着介绍了纯化学位移概念及相关技术发展并列举了几种主要的技术,如PSYCHE和ZS。最后对分子间多量子相干及其相关技术应用做出分析和总结。二、通过将ISIS定域模块技术与PSYCHE纯化学位移技术进行相互结合,我们提出一种基于纯化学位移的磁共振定域波谱技术,即ISIS-PSYCHE方法,可获得一维相敏纯化学位移定域谱。我们将该方法应用于7.0 T小动物MRI成像仪用简单化学样品和脑代谢物溶液样品来探讨该方法的定域效果;并通过猪脑和葡萄果肉生物组织样品验证该实验方法在实际样品组织中定域和去偶方面的应用。该纯化学位移定域谱方法在实现精准定位选择体素的同时,保留了纯化学位移单个谱峰信息,免于多重峰的拥堵干扰。三、基于分子间双量子相干（iDQC）信号演化模块、J调制采样模块以及延时采样技术的结合,我们提出了快速高分辨二维J分解谱的方法,其基于iDQC信号演化可以从不均匀场中获取高分辨谱图,同时J调制采样模块以及延时采样技术的结合能够保证该方法快速实现信号采样。通过理论推导来证实该方法的可行性,并在非均匀磁场下用化学样品和非均相葡萄果肉样品进行实验检测。与常规二维J分解谱方法相比,该方法可快速在非均匀磁场环境下恢复高分辨率核磁共振信息。

核磁共振（Nuclearmagneticresonance,NMR）方法作为一种有效的物质检测与分析手段,由于其无损检测等特性,得到了快速的发展和广泛的应用。弛豫时间与化学位移、自旋-自旋偶合（JHH）等参数的结合使用,使核磁共振方法在结构解析、成分分析以及分子动力学研究中具有其他检测方法无法比拟的优势。无论对于核磁共振波谱方法,还是核磁共振成像方法来说,纵向弛豫（T1）和横向弛豫（T2）都是很重要的基本参数,能为核磁共振分子动力学研究提供有效信息。在一般情况下,商业核磁共振仪器中常规的T1和T2弛豫测量分别采用的是反转恢复（Inversion Recovery,IR）和自旋回波（Carr-Purcell Meiboom-Gill,CPMG）脉冲序列。这两种脉冲序列都基于常规一维核磁共振1H谱,通过测量信号强度随反转恢复延迟（IR实验）或总自旋回波延迟（CPMG实验）变化而产生的变化,拟合出相应的指数方程,从而计算出T1或T2弛豫时间。对于谱峰分辨率较好的简单样品来说,在弛豫测量实验中可以通过对化学位移维上所有谱峰进行归属并跟踪它们的强度变化来得到结果。然而,对于复杂样品而言,其所包含的大量组分及其一维1H谱所包含的大量复杂J偶合裂分,往往导致谱峰拥挤,从而阻碍弛豫的精确测量。此外,尽管IR实验的反转恢复延迟和CPMG实验的总自旋回波延迟期间均不受磁场不均匀的影响,但在采样期间,不均匀磁场会引起谱线增宽,从而进一步影响弛豫精确测量。本篇论文提出了基于实时纯化学位移技术的核磁共振T1和T2弛豫测量方法,分别命名为“实时ZS-IR”和“实时ZS-CPMG”。得益于ZS纯化学位移技术,新方法能够消除J偶合裂分,简化谱图,从而克服谱峰拥挤的问题,同时新方法还能消除沿静磁场方向磁场不均匀的影响。不仅如此,由于采用了实时纯化学位移采样模式,新方法具有与常规IR和CPMG弛豫实验相同的采样效率。为了验证新方法的有效性,首先进行了理论分析,随后分别以溴代正丁烷为简单化学溶液,以奎宁为复杂样品,以阿奇霉素为真实样品,进行了实验,进一步验证了该T1和T2弛豫测量方法从拥挤且展宽的核磁共振谱峰中获取精确弛豫信息的能力。理论和实验结果均可证明,实时ZS-IR和实时ZS-CPMG方法可作为常规IR和CPMG弛豫测量方法应用于复杂样品体系或非理想磁场条件下的有力补充。

核磁共振波谱（Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy,NMR Spectroscopy）作为一种重要的检测分析手段,以其高效无损等优势为物质研究中分子结构解析和扩散弛豫动力学分析提供重要的检测信息,因此在化学、生物和材料等领域有着广泛应用。然而,由于一维氢谱（1H谱）本身较窄的化学位移分布范围（仅约10 ppm左右）以及J偶合引起的谱峰裂分,往往在复杂样品检测中会出现谱峰拥挤甚至重叠的现象,从而无法对谱图进行准确的信号归属,特别是阻碍了物质动力学分析所需扩散和弛豫信息的检测。因此,如何解决NMR检测谱图中谱峰拥挤的问题实现高分辨扩散弛豫信息的检测,对于物质动力学分析等方面应用具有重要意义。目前在克服谱峰拥挤提高谱图分辨的研究方面,除了通过硬件上提高磁场强度来实现频谱范围的扩展,主要还有序列设计上通过高维谱图技术来实现分散复杂信号。本文主要从脉冲序列设计和数据处理方法角度出发,基于纯化学位移信号简化谱图的特性,将纯化学位移技术与扩散弛豫演化机制进行有机结合,设计并开发一套基于纯化学位移的高分辨扩散排序谱和弛豫波谱技术,主要内容包括:一、回顾核磁共振的基本原理以及发展历史,对于纯化学位移波谱技术、扩散排序谱和横向弛豫测量这三种核磁共振方法进行了基本原理及方法的阐述,并对其来源和缺陷做简单分析。二、将纯化学位移技术应用于扩散排序谱,提出一种基于纯化学位移的高分辨扩散排序谱方法。首先从理论上分析了所提出方法的可行性,并将其应用于不同实际样品的扩散排序谱检测,最后与传统扩散排序谱方法的结果进行对比,证明我们所提出的方法能够应用于复杂混合物样品中获得高分辨扩散排序检测并实现复杂成分的分离。同时这一方法还能够抑制化学交换作用,有助于扩散系数的准确测量。三、将纯化学位移技术引入核磁共振弛豫检测中,提出了一种基于纯化学位移的高分辨横向弛豫测量方法。从理论推导中分析了这一方法的可行性,通过简单化学样品、复杂化学样品以及实际药物的实验测量,证明了所提出方法能够克服复杂样品检测中谱图拥挤的问题,实现准确的横向弛豫测量信息测量。同时这一方法还能一定程度上克服传统横向弛豫测量中高射频功率沉积的问题。

磁共振波谱是研究物质化学成分与分子结构的重要手段之一,在化学、生物和医学等领域有着广泛应用。分子自扩散反应分子的可游动性,磁共振扩散排序谱利用此性质通过结合扩散维和频率维,根据不同分子的扩散系数不同,可以在不破坏原有混合物的结构下对混合物进行组分分离。为了提高谱图的分辨率和减少谱峰重叠,扩散维还可以与传统二维谱结合形成三维扩散谱。但是,高维谱的采样时间随着维度的增加而指数增长,这限制了高维谱在生物化学等诸多领域的应用。降低采样时间的一种典型方法是在间接维采集部分磁共振信号。例如高维扩散谱,其间接维平面的两个维度分别是时间维和指数衰减维,时间维信号是多个一阶复指数信号的叠加,可由傅里叶变换反演至频谱,而指数衰减维信号则由实验设置的扩散梯度产生,可以建模为二阶指数信号的叠加,其可由拉普拉斯逆变换反演至扩散系数的分布。对高维扩散谱欠采样就是要对混合时间维-指数衰减维形成的间接维平面进行欠采样。由于平面上的每个点同时包含频率和扩散信息,在此平面欠采样会造成两个维度的信号同时丢失,这为信号重建提出了挑战。当前前沿方法是约束谱的稀疏性来重建扩散谱,但该方法每个扩散谱的点在重建中是孤立的,未利用扩散谱本身的物理性质（即同种物质的扩散系数相同,不同物质扩散系数基本不同）,容易造成重建谱及扩散系数误差。因此,开发高保真的扩散谱重建方法很有必要,这也是本文的研究内容。本文的主要研究工作包括:（1）利用同种物质扩散系数相同,假设反演的扩散谱具有低秩特性,提出一种基于谱平面低秩和稀疏的扩散谱欠采样重建模型及其数值算法。实验结果表明所提方法能够重建扩散系数更准确的扩散谱,谱中伪峰及噪声更少,且反演的扩散系数具有更好的一致性。（2）提出一种基于低秩Hankel矩阵的混合时间维-指数衰减维信号重建方法并利用交替方向求解。该方法约束了时间维的时域信号转Hankel矩阵的低秩特性与指数衰减信号维经拉普拉斯逆变换后的稀疏性。实验结果表明,所提方法重建误差更小,且与全采样的谱峰强度相关性更高。本文所提方法均以磁共振扩散谱作为应用实例,但这些方法也可以推广到采样信号能够建模为混合时间维-指数衰减维信号的其他磁共振谱,例如混合时间维和弛豫延迟维的磁共振信号。此外,所提方法在重建计算时间和更加符合物理特性的重建模型方面可以进一步优化。