基于轻量级深度神经网络的核磁共振波谱降噪

詹昊霖 房启元 刘佳伟 史晓琦 陈心语 黄玉清 陈忠

引用本文: 詹昊霖, 房启元, 刘佳伟, 史晓琦, 陈心语, 黄玉清, 陈忠. 基于轻量级深度神经网络的核磁共振波谱降噪[J]. 物理化学学报, 2025, 41(2): 231004. doi: 10.3866/PKU.WHXB202310045 shu
Citation:  Haolin Zhan, Qiyuan Fang, Jiawei Liu, Xiaoqi Shi, Xinyu Chen, Yuqing Huang, Zhong Chen. Noise Reduction of Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy Using Lightweight Deep Neural Network[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2025, 41(2): 231004. doi: 10.3866/PKU.WHXB202310045 shu

基于轻量级深度神经网络的核磁共振波谱降噪

    通讯作者: 詹昊霖, hlzhan@hfut.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 22204038

摘要: 核磁共振(NMR)波谱是一种用于探测分子结构和提供定量分析的稳健的非侵入性表征技术。然而,进一步的NMR应用通常受到低灵敏度性能的限制,尤其是对于异核实验。在此,我们提出了一种轻量级的深度学习协议,用于高质量、可靠和快速的NMR波谱降噪。该深度学习(DL)协议具有轻量级的网络优势和快速的计算效率,有效地抑制噪声和伪峰信号,并恢复几乎完全淹没在严重噪声中的目标弱峰,从而实现了可观的信噪比提升。此外,它仅使用物理驱动的仿真NMR数据学习,在频域中实现令人满意的波谱去噪,并允许区分真实信号和噪声伪影。此外,训练的轻量级网络模型通用于一维和多维NMR波谱,并适用于不同的化学样品。因此,本研究呈现的深度学习方法在化学、生物学、材料和生命科学等领域具有应用潜力。

English

    1. [1]

      Theillet, F. X. Chem. Rev. 2022, 122 (10), 9497. doi: 10.1021/acs.chemrev.1c00937

    2. [2]

      Chen, K.; Zornes, A.; Nguyen, V.; Wang, B.; Gan, Z. H.; Crossley, S. P.; White, J. L. J. Am. Chem. Soc. 2022, 144 (37), 16916. doi: 10.1021/jacs.2c05332

    3. [3]

      Xin, J. X.; Wei, D. X.; Ren, Y.; Wang, J. L.; Yang, G.; Zhang, H.; Li, J.; Fu, C.; Yao, Y. F. Magn. Reson. Med. 2022, 89 (5), 1728. doi: 10.1002/mrm.29562

    4. [4]

      Zhan, H. L.; Ji, L. F.; Cao, S. H.; Feng, Y.; Jiang, Y. X.; Huang, Y. Q.; Sun, S. G.; Chen, Z. Chin. J. Catal. 2023, 53, 171. doi: 10.1016/S1872-2067(23)64526-7

    5. [5]

      Zhan, H. L.; Gao, C. Y.; Huang, C. D.; Lin, X. Q.; Huang, Y. Q.; Chen, Z. Anal. Chim. Acta 2023, 1277, 341682. doi: 10.1016/j.aca.2023.341682

    6. [6]

      Zhan, H. L.; Hao, M. Y.; Feng, Y.; Cao, S. H.; Ni, Z. K.; Huang, Y. Q.; Chen, Z. J. Phys. Chem. Lett. 2021, 12 (3), 1073. doi: 10.1021/acs.jpclett.0c03549

    7. [7]

      徐君, 邓风. 物理化学学报, 2020, 36 (4), 1912074. doi: 10.3866/PKU.WHXB201912074Xu, J.; Deng, F. Acta Phys. -Chim. Sin. 2020, 36 (4), 1912074. doi: 10.3866/PKU.WHXB201912074

    8. [8]

      胡荣, 韦丽云, 鲜靖林, 房光钰, 吴植傲, 樊淼, 郭家越, 李青翔, 刘凯思, 姜会钰, 等. 物理化学学报, 2023, 39 (9), 2212025. doi: 10.3866/PKU.WHXB202212025Hu, R.; Wei, L. Y.; Xian, J. L.; Fang, G. Y.; Wu, Z. A.; Fan, M.; Guo, J. Y.; Li, Q. X.; Liu, K. S.; Jiang, H. Y.; et al. Acta Phys. -Chim. Sin. 2023, 39 (9), 2212025. doi: 10.3866/PKU.WHXB202212025

    9. [9]

      何展军, 黄敏, 林铁军, 钟良枢. 物理化学学报, 2023, 39 (9), 2212060. doi: 10.3866/PKU.WHXB202212060He, Z. J.; Huang, M.; Lin, T. J.; Zhong, L. S. Acta Phys. -Chim. Sin. 2023, 39 (9), 2212060. doi: 10.3866/PKU.WHXB202212060

    10. [10]

      Gan, Z. H.; Hung, I.; Wang, X. L.; Paulino, J.; Wu, G.; Litvak, I. M.; Gor'kov, P. L.; Brey, W. W.; Lendi, P.; Schiano, J. L.; et al. J. Magn. Reson. 2017, 284, 125. doi: 10.1016/j.jmr.2017.08.007

    11. [11]

      Chen, K. Z.; Horstmeier, S.; Nguyen, V. T.; Wang, B.; Crossley, S. P.; Pham, T.; Gan, Z. H.; Hung, I.; White, J. L. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142 (16), 7514. doi: 10.1021/jacs.0c00590

    12. [12]

      Kovacs, H.; Moskau, D.; Spraul, M. Prog. Nucl. Magn. Reson. Spectrosc. 2005, 46 (2–3), 131. doi: 10.1016/j.pnmrs.2005.03.001

    13. [13]

      Zhang, R. C.; Mroue, K. H.; Ramamoorthy, A. J. Magn. Reson. 2016, 266, 59. doi: 10.1016/j.jmr.2016.03.006

    14. [14]

      Zhou, Y.; van Zijl, P. C. M.; Xu, X.; Xu, J. D.; Li, Y. G.; Chen, L.; Yadav, N. N. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2020, 117 (6), 3144. doi: 10.1073/pnas.1909921117

    15. [15]

      Sonnefeld, A.; Razanahoera, A.; Pelupessy, P.; Bodenhausen, G.; Sheberstov, K. Sci. Adv. 2022, 8, eade2113. doi: 10.1126/sciadv.ade2113

    16. [16]

      庞振峰, 管晗曦, 高李娜, 曹伟成, 尹竟琳, 孔学谦. 物理化学学报, 2020, 36 (4), 1906018. doi: 10.3866/PKU.WHXB201906018Pang, Z. F.; Xi, G. H.; Gao, L.; Cao, W. C.; Yin, J. L.; Kong, X. Q. Acta Phys. -Chim. Sin. 2020, 36 (4), 1906018. doi: 10.3866/PKU.WHXB201906018

    17. [17]

      Elliott, S. J.; Stern, Q.; Ceillier, M.; El Darai, T.; Cousin, S. F.; Cala, O.; Jannin, S. Prog. Nucl. Magn. Reson. Spectrosc. 2021, 126–127, 59. doi: 10.1016/j.pnmrs.2021.04.002

    18. [18]

      Kharbanda, Y.; Urbańczyk, M.; Zhivonitko, V. V.; Mailhiot, S.; Kettunen, M. I.; Telkki, V.-V. Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61 (28), e202203957. doi: 10.1002/anie.202203957

    19. [19]

      Jaroszewicz, M. J.; Liu, M.; Kim, J.; Zhang, G.; Kim, Y.; Hilty, C.; Frydman, L. Nat. Commun. 2022, 13 (1), 833. doi: 10.1038/s41467-022-28304-w

    20. [20]

      Szekely, O.; Olsen, G. L.; Novakovic, M.; Rosenzweig, R.; Frydman, L. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142 (20), 9267. doi: 10.1021/jacs.0c00807

    21. [21]

      Marshall, H.; Stewart, N. J.; Chan, H. F.; Rao, M.; Norquay, G.; Wild, J. M. Prog. Nucl. Magn. Reson. Spectrosc. 2021, 122, 42. doi: 10.1016/j.pnmrs.2020.11.002

    22. [22]

      Li, H. D.; Zhao, X. C.; Wang, Y. J.; Lou, X.; Chen, S. Z.; Deng, H.; Shi, L.; Xie, J. S.; Tang, D. Z.; Zhao, J. P.; et al. Sci. Adv. 2021, 7 (1), eabc8180. doi: 10.1126/sciadv.abc8180

    23. [23]

      Green, R. A.; Adams, R. W.; Duckett, S. B.; Mewis, R. E.; Williamson, D. C.; Green, G. G. Prog. Nucl. Magn. Reson. Spectrosc. 2012, 67, 1. doi: 10.1016/j.pnmrs.2012.03.001

    24. [24]

      Eills, J.; Cavallari, E.; Carrera, C.; Budker, D.; Aime, S.; Reineri, F. J. Am. Chem. Soc. 2019, 141 (51), 20209. doi: 10.1021/jacs.9b10094

    25. [25]

      Barskiy, D. A.; Knecht, S.; Yurkovskaya, A. V.; Ivanov, K. L. Prog. Nucl. Magn. Reson. Spectrosc. 2019, 114–115, 33. doi: 10.1016/j.pnmrs.2019.05.005

    26. [26]

      Koprivica, D.; Martinho, R. P.; Novakovic, M.; Jaroszewicz, M. J.; Frydman, L. J. Magn. Reson. 2022, 338, 107187. doi: 10.1016/j.jmr.2022.107187

    27. [27]

      Qiu, T. Y.; Liao, W. J.; Huang, Y. H.; Wu, J. Y.; Guo, D.; Liu, D. B.; Wang, X.; Cai, J.-F.; Hu, B. W.; Qu, X. B. IEEE Trans. Instrum. Meas. 2021, 70, 1. doi: 10.1109/tim.2021.3109743

    28. [28]

      Jiang, B.; Luo, F.; Ding, Y. M.; Sun, P.; Zhang, X.; Jiang, L. G.; Li, C.; Mao, X. A.; Yang, D. W.; Tang, C.; et al. Anal. Chem. 2013, 85 (4), 2523. doi: 10.1021/ac303726p

    29. [29]

      Kusaka, Y.; Hasegawa, T.; Kaji, H. J. Phys. Chem. A 2019, 123 (47), 10333. doi: 10.1021/acs.jpca.9b04437

    30. [30]

      Froeling, M.; Prompers, J. J.; Klomp, D. W. J.; van der Velden, T. A. Magn. Reson. Med. 2021, 85 (6), 2992. doi: 10.1002/mrm.28654

    31. [31]

      LeCun, Y.; Bengio, Y.; Hinton, G. Nature 2015, 521 (7553), 436. doi: 10.1038/nature14539

    32. [32]

      Manu, V. S.; Olivieri, C.; Veglia, G. Nat. Commun. 2023, 14 (1), 4144. doi: 10.1038/s41467-023-39581-4

    33. [33]

      Wang, W. L.; Ma, L. H.; Maletic-Savatic, M.; Liu, Z. D. NMRQNet: a deep learning approach for automatic identification and quantification of metabolites using Nuclear Magnetic Resonance (NMR) in human plasma samples. bioRxiv [Preprint], 2023. Available Online: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/36909516 (accessed on Mar 2, 2023).

    34. [34]

      Qu, X. B.; Huang, Y. H.; Lu, H. F.; Qiu, T. Y.; Guo, D.; Agback, T.; Orekhov, V.; Chen, Z. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59 (26), 10297. doi: 10.1002/anie.201908162

    35. [35]

      Zheng, X. X.; Yang, Z. X.; Yang, C.; Shi, X. Q.; Luo, Y.; Luo, J.; Zeng, Q.; Lin, Y. Q.; Chen, Z. J. Phys. Chem. Lett. 2022, 13 (9), 2101. doi: 10.1021/acs.jpclett.2c00100

    36. [36]

      Karunanithy, G.; Hansen, D. F. J. Biomol. NMR 2021, 75 (4–5), 179. doi: 10.1007/s10858-021-00366-w

    37. [37]

      Karunanithy, G.; Mackenzie, H. W.; Hansen, D. F. J. Am. Chem. Soc. 2021, 143 (41), 16935. doi: 10.1021/jacs.1c04010

    38. [38]

      Chen, B.; Wu, L. B.; Cui, X. H.; Lin, E. P.; Cao, S. H.; Zhan, H. L.; Huang, Y. Q.; Yang, Y.; Chen, Z. Anal. Chem. 2023, 95 (31), 11596. doi: 10.1021/acs.analchem.3c00537

    39. [39]

      Lee, H. H.; Kim, H. Magn. Reson. Med. 2019, 82 (1), 33. doi: 10.1002/mrm.27727

    40. [40]

      Chen, D. C.; Hu, W. Q.; Liu, H. T.; Zhou, Y. R.; Qiu, T. Y.; Huang, Y. H.; Wang, Z.; Lin, M. J.; Lin, L. J.; Wu, Z. G.; et al. IEEE T. Comput. Imag. 2023, 9, 448. doi: 10.1109/tci.2023.3267623

    41. [41]

      Wu, K.; Luo, J.; Zeng, Q.; Dong, X.; Chen, J. Y.; Zhan, C. Q.; Chen, Z.; Lin, Y. Q. Anal. Chem. 2021, 93 (3), 1377. doi: 10.1021/acs.analchem.0c03087

    42. [42]

      Ronneberger, O.; Fischer, P.; Brox, T. U-Net: Convolutional networks for biomedical image segmentation. In Medical Image Computing and Computer-Assisted InterventionMICCAI 2015, 18th International Conference, Munich, Germany, Oct. 5–9, 2015; Navab, N., Hornegger, J., Wells, W. M., Frangi, A. F., Eds.; Springer Nature: Berlin, Germany, 2015; pp. 234–241.

    43. [43]

      Stoller, D.; Ewert, S.; Dixon, S. A multi-scale neural network for end-to-end audio source separation. arxiv [Preprint], 2018. Available Online: https://arxiv.org/abs/1806.03185 (accessed on Jun 8, 2018).

    44. [44]

      Macartney, C.; Weyde, T. Improved speech enhancement with the Wave-U-Net. arXiv[Preprint], 2018. Available Online: https://arxiv.org/abs/1811.11307 (accessed on Nov 27, 2018).

    45. [45]

      Gao, J.; Liang, E.; Ma, R. S.; Li, F. D.; Liu, Y. X.; Liu, J.; Jiang, L.; Li, C. G.; Dai, H. M.; Wu, J. H.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56 (42), 12982. doi: 10.1002/anie.201707114

    46. [46]

      Rethage, D.; Pons, J.; Serra, X. A Wavenet for speech denoising. In ICASSP 2018–2018 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP), Calgary, AB, Canada, Apr. 15–20, 2018; IEEE: New York, US, 2018; pp. 5069–5073.

    47. [47]

      Zangger, K. Prog. Nucl. Magn. Reson. Spectrosc. 2015, 86–87, 1. doi: 10.1016/j.pnmrs.2015.02.002

    48. [48]

      Zhan, H. L.; Huang, Y. Q.; Chen, Z. J. Phys. Chem. Lett. 2019, 10 (23), 7356. doi: 10.1021/acs.jpclett.9b03092

    49. [49]

      Zhan, H. L.; Hao, M. Y.; Lin, E. P.; Zheng, Z. Y.; Huang, C. D.; Cai, S. H.; Cao, S. H.; Huang, Y. Q.; Chen, Z. Anal. Chem. 2023, 95 (2), 1002. doi: 10.1021/acs.analchem.2c03678

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  3
  • 文章访问数:  179
  • HTML全文浏览量:  31
文章相关
  • 发布日期:  2025-02-15
  • 收稿日期:  2023-10-30
  • 接受日期:  2023-12-19
  • 修回日期:  2023-12-18
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章