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基于改进非线性拟合的核磁共振T2谱多指数反演
  • ISSN号:1000-3290
  • 期刊名称:《物理学报》
  • 时间:0
  • 分类:O643.1[理学—物理化学;理学—化学]
  • 作者机构:[1](波谱与原子分子物理国家重点实验室,中国科学院生物磁共振分析重点实验室,武汉磁共振中心(中国科学院武汉物理与数学研究所),武汉430071, [2]中国科学院大学,北京100049
  • 相关基金:国家重点基础研究发展计划(批准号:2013CB910200); 国家自然科学基金(批准号:11405264)资助的课题
中文摘要:

核磁共振T2谱多指数反演算法是开展复杂体系样品核磁共振(NMR)弛豫研究最重要的数学工具.常用的T2谱多指数反演算法一般都是事先给出弛豫时间T2分布的布点,然后转化为线性拟合问题进行求解.在求解的T2谱较为分散的时候,反演得到的T2谱精确度不高,分辨率较低.非线性拟合是解决这个问题的有效办法.本文针对分散T2谱反演利用非线性拟合时遇到的初值依赖及运算复杂问题,利用线性回归最小二乘方法,改进了其中的带非负约束非线性优化模型,将搜索的反演参数从T2,f减少为T2,加快了收敛速度,减少了对初值的依赖,提高了反演精度,使算法更加稳健.通过用改进的Levenberg-Marquardt算法和差分进化算法进行计算机模拟反演及实验数据反演,验证了改进方法在核磁共振T2谱反演中的有效性.

英文摘要:

Multi-exponential inversion algorithm of nuclear magnetic resonance(NMR)T2 spectrum is an important mathematical tool for the NMR relaxation study of complicated samples.The popular algorithm usually obtains the T2 spectrum by linear fitting under the prescribed distribution of T2.When the T2 spectrum is dispersed,such a procedure is inaccurate because of the lack of adaptive prescription and the limit of linear method.Nonlinear fitting method does not fix the T2 distribution,and it provides the positions and the weights of T2 simultaneously via the nonlinear fitting of multi-exponential function.In this case,the problem of multi-exponential inversion is transformed into a nonlinear optimization problem with non-negative constraints.The optimization objective function is the residual sum of squares(or residual sum of squares with regularization).The nonlinear optimization problem can usually be solved by Levenberg-Marquardt algorithm and evolutionary algorithm.But the results of Levenberg-Marquardt algorithm are dependent on initial values,and the calculation of evolutionary algorithm is complicated.We provide an optimal model for the nonlinear fitting in the inversion of dispersed T2 spectrum based on the linear regression and least-squares.The key idea is that the optimal weights of T2 can be calculated by least square when the positions of T2 are fixed,although the positions of T2 are adjusted adaptively.So we can relate the positions to weights appropriately to improve the popular nonlinear fitting algorithms.Such an improvement can reduce the searching inversion parameters,speed up its convergence and reduce the dependence on initial value.Incorporating it into the Levenberg-Marquardt algorithm or evolutionary algorithm can improve the inversion accuracy and make the algorithm more robust.The validity of our improvement is demonstrated by the inversions of simulation data and practical NMR data by combining LevenbergMarquardt algorithm and differential evolution algorithm with our improvement.The inv

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期刊信息
  • 《物理学报》
  • 北大核心期刊(2011版)
  • 主管单位:中国科学院
  • 主办单位:中国物理学会 中国科学院物理研究所
  • 主编:欧阳钟灿
  • 地址:北京603信箱(中国科学院物理研究所)
  • 邮编:100190
  • 邮箱:apsoffice@iphy.ac.cn
  • 电话:010-82649026
  • 国际标准刊号:ISSN:1000-3290
  • 国内统一刊号:ISSN:11-1958/O4
  • 邮发代号:2-425
  • 获奖情况:
  • 1999年首届国家期刊奖,2000年中科院优秀期刊特等奖,2001年科技期刊最高方阵队双高期刊居中国期刊第12位
  • 国内外数据库收录:
  • 美国化学文摘(网络版),荷兰文摘与引文数据库,美国工程索引,美国科学引文索引(扩展库),英国科学文摘数据库,日本日本科学技术振兴机构数据库,中国中国科技核心期刊,中国北大核心期刊(2004版),中国北大核心期刊(2008版),中国北大核心期刊(2011版),中国北大核心期刊(2014版),中国北大核心期刊(2000版)
  • 被引量:49876