本發(fā)明涉及磁共振領(lǐng)域，具體涉及一種基于動(dòng)態(tài)核極化多核同時(shí)增強(qiáng)的并行磁共振方法。這種方法主要用于提高磁共振信號(hào)靈敏度，適用于生物、化學(xué)分子以及蛋白等材料的磁共振波譜與成像研究。

背景技術(shù)：
由于能夠極大的增強(qiáng)NMR信號(hào)靈敏度，基于電子-核極化轉(zhuǎn)移的動(dòng)態(tài)核極化(DNP)技術(shù)已經(jīng)成為一種非常重要且常用的方法。在介電固體DNP研究方面，研究者發(fā)現(xiàn)固體增強(qiáng)效應(yīng)，熱混合效應(yīng)，交叉效應(yīng)。然而固體DNP是通過(guò)激發(fā)禁阻躍遷使得核的布居數(shù)發(fā)生改變，即固體DNP的增強(qiáng)是依賴與原子核的共振頻率。與介電固體中固定的順磁中心(自由基)不同，金屬和液體中順磁中心是運(yùn)動(dòng)的。液體DNP機(jī)理只有一種，即Overhauser效應(yīng)，其是利用未成對(duì)電子與核自旋之間的弛豫耦合，使得核自旋的布居數(shù)發(fā)生改變。但是，現(xiàn)在對(duì)于大部分的液體生物組織的研究都是采用溶融型的DNP，即先在低溫(一般是在1.2K)將待測(cè)樣品高度極化，然后快速的溶解極化樣品再轉(zhuǎn)移到探測(cè)物質(zhì)內(nèi)。這種方式一方面要求樣品溫度較低，另一方面要求溶解后樣品的弛豫時(shí)間比較長(zhǎng)，而實(shí)際的大部分生物樣品很難達(dá)到要求。所以，發(fā)展一種在常溫下直接在位極化增強(qiáng)雜核靈敏度的方法非常重要。并行采集能夠在一次測(cè)試中得到多核的相關(guān)信息，可分別得到結(jié)構(gòu)信息與代謝信息。在固體DNP中由于極化增強(qiáng)與核的共振頻率相關(guān)，只能選擇EPR線寬比核自旋拉莫頻率大得多的核進(jìn)行同時(shí)增強(qiáng)采集，其增強(qiáng)受自由種類，濃度以及核自旋約束。由于Overhauser效應(yīng)的是通過(guò)弛豫機(jī)制傳遞，其最大特點(diǎn)就是極化的轉(zhuǎn)移不依賴與原子核的種類，即不同的原子核在電子飽和后都可能達(dá)到靈敏度的增強(qiáng)。由此，我們可以在液體中實(shí)現(xiàn)不同原子核的同時(shí)采樣，獲得不同原子核之間的相互關(guān)系，得到二維或者多維譜圖以及實(shí)現(xiàn)多核的同時(shí)成像。例如，同時(shí)對(duì)生物體內(nèi)的Na和K成像，可以分析細(xì)胞的代謝狀態(tài)以及功能作用，得到結(jié)構(gòu)圖像與代謝圖像。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問(wèn)題，提供了一種基于動(dòng)態(tài)核極化多核同時(shí)增強(qiáng)的并行磁共振方法。可以在液態(tài)環(huán)境下，利用動(dòng)態(tài)核極化技術(shù)獲得多核靈敏度同時(shí)增強(qiáng)信號(hào)，從而得到不同原子核之間以及原子核與電子之間的直接或者間接相互關(guān)系，得到不同原子核的二維或者多維相關(guān)譜圖，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)不同原子核的同時(shí)增強(qiáng)圖像，進(jìn)行生物分子的快速結(jié)構(gòu)分析、代謝分析研究。為了實(shí)現(xiàn)上述的目的，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案：一種基于動(dòng)態(tài)核極化多核同時(shí)增強(qiáng)的并行磁共振方法，包括以下步驟：步驟1，將電子與核自旋不為0的多種原子核組成的電子-核自旋系統(tǒng)置于強(qiáng)度為B0的磁場(chǎng)中，系統(tǒng)產(chǎn)生能級(jí)分裂；步驟2，用頻率ω等于或者接近于電子拉莫頻率ωe的微波照射電子-核自旋系統(tǒng)，使得電子順磁共振達(dá)到飽和；在熱弛豫的作用下，電子與多種原子核發(fā)生翻轉(zhuǎn)，使得電子-核自旋系統(tǒng)中多種原子核的極化得到增強(qiáng)；步驟3，停止微波照射之后，在不同通道的射頻發(fā)射機(jī)針對(duì)電子-核自旋系統(tǒng)中多種不同的原子核施加核磁共振脈沖，發(fā)射機(jī)發(fā)射的射頻頻率分別為電子-核自旋系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)原子核在B0場(chǎng)下的共振頻率；步驟4，在各個(gè)通道上的射頻接收機(jī)分別采集對(duì)應(yīng)的多種原子核的增強(qiáng)信號(hào)；步驟5，各個(gè)通道采集到的多種原子核的增強(qiáng)信號(hào)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行傅里葉變換和/或圖像重建獲得增強(qiáng)譜圖或者圖像。如上所述的步驟2中的微波為連續(xù)波或者脈沖波。如上所述的步驟3中的核磁共振脈沖為典型的核磁共振脈沖序列。通過(guò)所述的典型的核磁共振脈沖序列進(jìn)行采集得到的多種原子核的增強(qiáng)信號(hào)獲得多種不同原子核的增強(qiáng)譜圖和/或增強(qiáng)圖像。如典型的90°序列脈沖可以得到不同原子核的增強(qiáng)譜圖，典型的自旋回波序列脈沖可以得不同原子核的增強(qiáng)圖像。在液態(tài)環(huán)境下，首先用微波輻照含有自由基的樣品，使電子發(fā)生共振并達(dá)到飽和狀態(tài)，于是有關(guān)電子能級(jí)上的布居數(shù)達(dá)到相等，從而破壞了核自旋能級(jí)上的布居數(shù)的平衡分布。通過(guò)熱弛豫建立新的平衡，這時(shí)核自旋關(guān)聯(lián)能級(jí)上的布居數(shù)差增加很多，核極化增強(qiáng)γe/γn倍，核磁共振譜線的強(qiáng)度也相應(yīng)地增強(qiáng)γe/γn倍。與固體DNP效應(yīng)不同，在液體中由于電子飽和布居數(shù)的影響不針對(duì)任何一種原子核，而不同原子核與電子之間都存在熱弛豫效應(yīng)，所以可以得到不同原子核的同時(shí)增強(qiáng)信號(hào)。原子核與電子的弛豫機(jī)制主要包括標(biāo)量耦合與偶極耦合。而不同原子核與電子的相互作用機(jī)制不同，通過(guò)不同的弛豫機(jī)制，能夠?qū)崿F(xiàn)不同原子核的同時(shí)增強(qiáng)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、在飽和電子的情況下，可以同時(shí)獲得多種原子核的信號(hào)增強(qiáng)。2、可以同時(shí)獲得不同原子核與電子的相互關(guān)系以及原子核之間的相互關(guān)系。3、單次飽和電子的情況下，可以同時(shí)獲得不同原子核的增強(qiáng)圖像。4、單次飽和電子的情況下，可以獲得不同原子核的二維以及多維譜圖。附圖說(shuō)明圖1為電子與核自旋購(gòu)車(chē)的電子-核自旋系統(tǒng)的典型四能級(jí)結(jié)構(gòu)圖。圖2-1和圖2-2為最簡(jiǎn)單的兩個(gè)多核同時(shí)增強(qiáng)脈沖序列，其中圖2-1為90°序列脈沖，圖2-2為自旋回波序列脈沖。在圖2-1中，使用微波p0將電子飽和以后，分別在不同的通道上(CH1，CH2…CHn)使用了相同的90°序列脈沖(p1，p2…pn)，不同通道對(duì)應(yīng)不同種類的原子核，90°序列脈沖(p1，p2…pn)的射頻頻率對(duì)應(yīng)于不同通道上原子核的共振頻率。在圖2-2中，使用微波p0將電子飽和以后，分別在不同的通道上(CH1，CH2…CHn)使用了自旋回波序列脈沖(p1，p2…pn及p1'，p2'…pn')，不同通道對(duì)應(yīng)不同種類的原子核，自旋回波序列脈沖(p1，p2…pn及p1'，p2'…pn')的射頻頻率對(duì)應(yīng)于不同通道上原子核的共振頻率，p1，p2…pn及p1'，p2'…pn'分別對(duì)應(yīng)90°脈沖和180°脈沖，Gs、Gp、Gr分別是為實(shí)現(xiàn)核磁共振成像施加的梯度脈沖編碼。d0、d1…dn為脈沖序列的相應(yīng)延時(shí)。圖3為本發(fā)明可以使用的增強(qiáng)核磁共振信號(hào)的動(dòng)態(tài)核極化(DNP)系統(tǒng)示意圖。其中：100-服務(wù)計(jì)算機(jī)，101-采樣計(jì)算機(jī)，102-主控板與梯度通道，103-射頻發(fā)射機(jī)1通道，104-射頻發(fā)射機(jī)2通道，105-微波發(fā)射機(jī)通道，106-接收機(jī)通道，107-多共振探頭，108-磁體系統(tǒng)，109-網(wǎng)絡(luò)，110-PCIe總線。具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)描述。一種基于動(dòng)態(tài)核極化多核靈敏度同時(shí)增強(qiáng)的并行磁共振方法，主要包括以下步驟：步驟1，電子與核自旋不為0的核組成的電子-核自旋系統(tǒng)，當(dāng)電子-核自旋系統(tǒng)處于強(qiáng)度為B0的磁場(chǎng)中，電子-核自旋系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生能級(jí)分裂(如圖1所示為電子與核自旋為1/2的核組成的電子-核自旋系統(tǒng)分裂成的典型四能級(jí)系統(tǒng)的分布圖，四個(gè)能級(jí)分別為1，2，3，4，)。在這些能級(jí)之間由于弛豫的作用，粒子數(shù)會(huì)發(fā)生變化，但最終這些能級(jí)會(huì)處于熱平衡狀態(tài)，即低能級(jí)上的粒子數(shù)將略大于高能級(jí)上的粒子數(shù)(如圖1中低能級(jí)4、2上的粒子數(shù)將略大于高能級(jí)3、1上的粒子數(shù))，這一點(diǎn)由Boltzman分布所決定。不同的原子核與電子組成的電子-核自旋系統(tǒng)能級(jí)的分裂類似，只是能級(jí)之間的能量差會(huì)因?yàn)樵雍说淖孕l率不同而不同(如圖1中不同1/2的原子核產(chǎn)生的能級(jí)分裂會(huì)導(dǎo)致能級(jí)1和能級(jí)3之間，能級(jí)2和能級(jí)4之間的能量差隨著核自旋頻率ωn不同而不同)。步驟2，用頻率ω等于或者接近于電子拉莫頻率ωe的微波照射電子-核自旋系統(tǒng)，如圖2-1的p0波形以及圖2-2的p0波形，電子Zeeman能級(jí)間吸收躍遷，發(fā)生電子順磁共振，保持微波照射并使得電子順磁共振達(dá)到飽和，這樣使得電子-核自旋系統(tǒng)中相關(guān)能級(jí)的布居數(shù)相等(如圖1中使得電子-核自旋系統(tǒng)的1能級(jí)上的布居數(shù)與2能級(jí)的布居數(shù)相等，3能級(jí)上的布居數(shù)與4能級(jí)的布居數(shù)相等)。在熱弛豫的作用下，電子與核發(fā)生翻轉(zhuǎn)，由于零量子的作用較強(qiáng)，電子-核自旋系統(tǒng)的一些能級(jí)會(huì)很快服從熱平衡時(shí)的Boltzman分布，使得核自旋相關(guān)的能級(jí)之間的布居數(shù)之差都會(huì)變得很大(如使得圖1正九品模糊能級(jí)1和4上的布居數(shù)會(huì)很快服從熱平衡時(shí)的Boltzman分布，使得能級(jí)1和能級(jí)3之間，能級(jí)2和能級(jí)4之間的布居數(shù)之差都會(huì)變得很大)，這樣電子-核自旋系統(tǒng)的極化就得到很大的增強(qiáng)。飽和電子的方式，可以采用微波為連續(xù)波的方式，也可以采用微波為脈沖波的方式對(duì)電子自旋進(jìn)行操控，使得電子-核自旋系統(tǒng)的相關(guān)能級(jí)的布居數(shù)相等。步驟3，在停止微波照射之后電子-核自旋系統(tǒng)的極化度得到增強(qiáng)之后，分別在不同的通道的射頻發(fā)射機(jī)(如圖2中CH1，CH2…CHn)針對(duì)電子-核自旋系統(tǒng)中不同的原子核施加核磁共振脈沖，激發(fā)核磁共振信號(hào)，不同通道的射頻發(fā)射機(jī)的發(fā)射頻率分別為B0磁場(chǎng)下不同原子核的共振頻率(如圖2中脈沖p1，p2，…pn中的載波頻率)。步驟4中的核磁共振脈沖可以為90°序列脈沖，如圖2-1(b)～(d)(p1，p2，…pn)波形；步驟4中的核磁共振脈沖還可以為自旋回波序列脈沖，如圖2-2(b)～(d)波形(p1，p2…pn及p1'，p2'…pn')，圖2-2中的Gs、Gp、Gr分別是為實(shí)現(xiàn)核磁共振成像施加的梯度脈沖編碼。d0、d1…dn為脈沖序列的相應(yīng)延時(shí)。步驟4，激發(fā)核磁共振信號(hào)以后，在各個(gè)通道上的射頻接收機(jī)(如圖2-1和圖2-2中CH1，CH2…CHn)分別采集對(duì)應(yīng)的原子核的增強(qiáng)信號(hào)(如圖2-1和圖2-2中sampling)，各通道的采樣開(kāi)始時(shí)間點(diǎn)可以為同一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，也可以為不同的時(shí)間點(diǎn)，采樣時(shí)間長(zhǎng)度可以相同也可以不同(如圖2-1和圖2-2中為在同一個(gè)時(shí)間點(diǎn)采樣，且采集時(shí)間相同)。步驟5，各個(gè)通道采集到的原子核的增強(qiáng)信號(hào)通過(guò)在服務(wù)計(jì)算機(jī)上(圖3中的100)進(jìn)行傅里葉變換或者圖像重建等數(shù)據(jù)處理方式可以增強(qiáng)譜圖或者圖像。如利用90°序列脈沖進(jìn)行采集得到的原子核的增強(qiáng)信號(hào)可以同時(shí)獲得不同原子核的增強(qiáng)譜圖，利用自旋回波序列脈沖進(jìn)行采集的原子核的增強(qiáng)信號(hào)可以獲得不同原子核的增強(qiáng)圖像，獲得具有不同意義的多原子核同時(shí)成像地的圖像。也可以使用其它脈沖序列得到相關(guān)的二維或者多維譜圖，探究不同原子核與電子的相互關(guān)系以及原子核之間的相互關(guān)系。根據(jù)上述本發(fā)明方法，已射頻兩個(gè)通道為例，對(duì)于本發(fā)明所使用的一種基于動(dòng)態(tài)核極化多核同時(shí)增強(qiáng)的并行磁共振裝置進(jìn)行詳細(xì)的描述：圖3為典型的動(dòng)態(tài)核極化譜儀，整個(gè)系統(tǒng)的控制部分由一臺(tái)服務(wù)計(jì)算機(jī)100承擔(dān)，服務(wù)計(jì)算機(jī)100通過(guò)網(wǎng)絡(luò)109與采樣計(jì)算機(jī)101相連，采樣計(jì)算機(jī)101在通過(guò)其PCIe110總線與各個(gè)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，包括主控板與梯度通道102，射頻發(fā)射機(jī)1通道103，射頻發(fā)射機(jī)2通道104，微波發(fā)射機(jī)通道105，接收機(jī)通道106。射頻發(fā)射機(jī)1通道103和射頻發(fā)射機(jī)2通道104主要產(chǎn)生兩種不同射頻頻率的射頻脈沖(核磁共振脈沖)用于激發(fā)核磁共振，射頻發(fā)射機(jī)通道可以是多個(gè)，并且具有幅度、相位、頻率可任意調(diào)節(jié)的功能。主控板與梯度通道102負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的啟動(dòng)與同步，同時(shí)精確控制梯度的輸出與調(diào)整。微波發(fā)射機(jī)通道105主要產(chǎn)生幅度、相位、頻率可調(diào)節(jié)的微波脈沖用于激發(fā)電子自旋共振。接收機(jī)通道106主要用于接收兩組不同頻率的核磁共振信號(hào)，并進(jìn)行放大、采樣、下變頻等處理。多共振探頭107主要是實(shí)現(xiàn)核磁共振與電子順磁共振的激發(fā)以及信號(hào)的采集，磁體系統(tǒng)108為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定均勻的靜態(tài)磁場(chǎng)。本文中所描述的具體實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明精神作舉例說(shuō)明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)所描述的具體實(shí)施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替代，但并不會(huì)偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書(shū)所定義的范圍。