NMRPipe/SMILE Pipeline 全流程详解

数据：HP1aP3C 蛋白，Bruker 谱仪，308K，3D CBCANH，30% NUS 采样
维度：¹H(直接维) × ¹⁵N(间接维1) × ¹³C(间接维2)
脚本来源：900.zip 内师兄调优后的工作脚本

参考文献来源

本文档编写时参考了以下材料（即 RefLinks.md 中的链接）。每个命令的参数定义均可在这些来源中查证：

#	链接	用途
1	NMRPipe Big Reference Page	Frank Delaglio 本人维护的权威参考。处理函数的独立页面在 `/ref/nmrpipe/` 下（小写）：SP、ZF、FT、PS、EXT、TP 等。程序页面在 `/ref/prog/` 下：bruk2pipe 等
2	NMRPipe Install Guide	安装依赖和步骤
3	SMILE 官方页面	SMILE 算法原理（Jinfa Ying / Ad Bax 组）
4	SMILE Manual PDF	SMILE 详细手册（2015 年 11 月版）。注意此手册较老，部分参数默认值已变化。例如手册中 `-nSigma` 默认 6，当前 SMILE 3.0 中默认 5.0；手册中参数名为 `-subConst`，当前版本已改为 `-scaling`
5	POKY GitHub	POKY：下游谱图分析和指认工具

环境

WSL2 + WSLg（Ubuntu 24.04 x86_64）
NMRPipe v13.0 Rev 2026.072.12.03（~/nmr/）
SMILE 3.0 Rev 2025.333.21.55（作为 NMRPipe 插件安装）
所有 .com 脚本必须在 tcsh 下运行：

tcsh -c "source ~/nmr/com/nmrInit.linux239_64.com; source <脚本>.com"

⚠️ bash 的 source 无法解析 csh 语法（setenv），必须使用 tcsh -c。

`bruker` 与 `bruk2pipe` 的关系

根据 NMRPipe 官方参考页：

bruker: Graphical interface for Bruker spectrometer format conversion; actually a script which invokes conv.tcl to produce a bruk2pipe conversion script. — ref/prog/bruker

bruk2pipe: Convert Bruker time-domain data to NMRPipe-format data; see also the bruker command for creating format conversion scripts. — ref/prog/bruk2pipe

bruker 脚本调用的 conv.tcl（5399 行 TCL/TK 程序）内部逻辑：

读取 acqus 获取各维参数（TD, SW, OBS, CAR, MODE, decim, dspfvs, grpdly 等）
读取 nuslist 获取 NUS 参数
将 progName 设为 "bruk2pipe"（conv.tcl 第 3740 行）
生成 nusExpand.tcl 命令（conv.tcl 第 4846–5309 行）
将组装好的命令写入变量 adjScript 并执行

fid.com 就是 conv.tcl 在 GUI 中自动生成的 adjScript 内容，被人保存为文件。两者调用的是完全相同的底层程序（bruk2pipe + nusExpand.tcl）。

Pipeline 全景

Bruker 原始数据                  NMRPipe 格式               处理结果
┌──────────┐   fid.com          ┌──────────┐  smile1.com   ┌──────────┐
│ ser      │ ─── nusExpand ──→  │ fid/     │ ─── 直接维FT → │ ft1/     │
│ acqus    │     bruk2pipe      │ mask/    │               │ 366个38KB│
│ nuslist  │                    │ 90个     │               └────┬─────┘
└──────────┘                    └──────────┘          smile2.com │ SMILE
                                                      ┌──────────┘
                                    ft1/               │    smile3.com    ft/
                                    rc%04d.ft1 ←──────┘ ─── 间接维FT → test%04d.ft3
                                    366个81KB                         256个236KB
                                                                         │
                                                    proj3D.tcl ─────────┘
                                                    HN/13C  HN/15N  13C/15N
                                                    (.dat 投影文件)

步骤	脚本	耗时	产出
1	`fid.com`	~30s	`fid/` (90) + `mask/` (90)
2	`smile1.com`	<1s	`ft1/test%04d.ft1` (366)
3	`smile2.com`	15s	`ft1/rc%04d.ft1` (366)
4	`smile3.com`	<1s	`ft/test%04d.ft3` (256) + 投影 (3)

Step 1: `fid.com` — Bruker 原始数据 → NMRPipe 格式

1a. NUS 展开

nusExpand.tcl -mode bruker -sampleCount 675 -avg -off 0 \
 -in ./ser -out ./ser_full -sample ./nuslist

根据 nusExpand.tcl -help：

参数	含义
`-mode bruker`	输入为 Bruker 原始格式
`-sampleCount 675`	NUS 实际采样点数
`-avg`	如有重复增量取平均
`-off 0`	采样坐标偏移量为 0（nuslist 坐标值与 NMRPipe 索引体系一致）
`-in ./ser`	稀疏采样的原始 FID 信号（22MB）
`-out ./ser_full`	补零至全尺寸的虚拟全采样数据（74MB ≈ 3.33×）
`-sample ./nuslist`	NUS 采样坐标列表

补零验证：ser_full 中未采样位置（如 Z=44, Y=49）的 32768 字节 md5 与纯零完全相同，确认补的是零。

1b. Bruker → NMRPipe 格式转换

bruk2pipe -verb -in ./ser_full \
  -bad 0.0 -ext -aswap -AMX -decim 2376 -dspfvs 20 -grpdly 67.9872589111328 \
  -xN       2048  -yN        100  -zN         90 \
  -xT       1024  -yT         50  -zT         45 \
  -xMODE     DQD  -yMODE Complex  -zMODE Complex \
  -xSW   8417.509  -ySW   1337.972  -zSW   8756.567 \
  -xOBS   600.053  -yOBS    60.810  -zOBS   150.889 \
  -xCAR     4.677  -yCAR   118.976  -zCAR    44.651 \
  -xLAB        HN  -yLAB       15N  -zLAB       13C \
  -ndim         3  -aq2D   Complex

`-AMX` 的含义

根据 bruk2pipe -help：

-AMX     Input is AMX/DMX Format (Default).
-DMX     Input is DMX Format, Adjust for Digital Oversampling.
-AM      Input is 3-Byte Bruker AM Data.

When used on digital oversampling data, the -AMX flag will cause
oversampling correction to be applied during processing instead of
during conversion. This often gives better baselines.

-AMX 指定了 Bruker 原始数据的二进制格式。AMX 是 Bruker 自 1980–90 年代 AMX 系列谱仪延续至今的数据格式。其行为：不在转换时做数字过采样校正，而是把校正推迟到后续处理管道（ZF/FT/PS 阶段）。作者明确推荐的实践——比 -DMX（转换时就截断）基线更好。

A/M/X 三个字母的具体含义在官方文档中未给出解释。

`-ext` 与 `-AMX` 配合

⚠️ 已修正：-ext 官方定义为 "Extract Valid Points Only"，默认 -noext。实验验证：在 -AMX 模式下 -ext 与 -noext 产出完全一致（73,730,048 bytes，md5 相同）。-ext 仅在 -DMX 模式下有意义（砍掉滤波振铃段，隐含 ~70 点缩减）。fid.com 中的 -ext 是 conv.tcl 模板自动生成的，在此无实际效果。

Bruker 数字滤波参数

参数	来源	含义
`-decim 2376`	acqus DECIM	数字过采样抽取因子
`-dspfvs 20`	acqus DSPFVS	DSP 固件版本（10-13 为旧版，20-23 为新版）
`-grpdly 67.987...`	acqus GRPDLY	数字滤波群延迟（点数，精确到 13 位小数）

各维参数

根据 bruk2pipe -help，-xN 是 "Actual Size in File Pts Real + Imag"（实部+虚部分开计数），-xT 是 "Current Time Domain Size Pts Real or Imag"。

⚠️ 注意：-xN 2048 表示 2048 个"实+虚"值 = 1024 个复数。NMRPipe 内部头和后续处理按复数值（1024）计算。不要与 NMRPipe 头中的 DATA SIZE（显示的是复数值）混淆。

参数	x (¹H)	y (¹⁵N)	z (¹³C)
N (bruk2pipe "Pts Real+Imag")	2048	100	90
对应复数值	1024	50	45
T (实数时域点数)	1024	50	45
MODE	DQD	Complex	Complex
SW (Hz)	8417.5	1338.0	8756.6
OBS (MHz)	600.05	60.81	150.89
CAR (ppm)	4.677	118.976	44.651
LAB	HN	15N	13C

-aq2D Complex：2D 采集模式在 Bruker 端为 States-TPPI，NMRPipe 中以 Complex 表示（bruk2pipe -help 中：0=States-TPPI,States-TPPI-N）。间接维 -yMODE Complex -zMODE Complex 同理。

1c. 幅度校正

| nmrPipe -fn MULT -c 6.51042e-01

根据 nmrPipe -fn MULT -help：

MULT: Multiply Data by a Constant. -c cC [1.0] Constant for Both.

乘以 0.651042 — 这是 Bruker 数字滤波引入的幅度缩放因子的校正值。

1d. 输出 FID 文件

| pipe2xyz -x -out ./fid/test%03d.fid -ov

根据 pipe2xyz -help：

-x — Output Vectors to X-Axis XYZA (Default). 数据向量沿 X 轴，按 Z 维分片输出。输出文件数 = z 维大小。
-z — Output Vectors to Z-Axis YZXA. 数据向量沿 Z 轴，按 X 维分片输出。输出文件数 = x 维大小。

-ov：通过 -inPlace 隐含的 -nofs，覆盖已有文件。

产出 90 个 test001.fid ~ test090.fid（zN=90）。

1e. 生成 NUS Mask

xyz2pipe -in ./fid/test%03d.fid -noWr \
| nusExpand.tcl -mask -noexpand -mode pipe -sampleCount 675 -avg -off 0 \
  -in stdin -out ./mask/test%03d.fid -sample ./nuslist

根据 nusExpand.tcl -help：

-mask：输出掩码而非数据（1=采样点, 0=补零点）
-noexpand：输入已是展开后的数据
-mode pipe：输入为 NMRPipe 管道格式

SMILE 重建时用这些 mask 实施数据一致性约束：采样点值必须与原始观测值一致。

Step 2: `smile1.com` — 直接维傅里叶变换

xyz2pipe -in ./fid/test%03d.fid -x

根据 xyz2pipe -help：-x = "Output X-Vectors XYZA"。沿 ¹H 直接维读取，每个数据段是 1024 复数的时域 FID（NMRPipe 头中 x DATA SIZE=1024）。

2a. 窗函数（变迹）

| nmrPipe -fn SP -off 0.45 -end 0.98 -pow 2 -c 0.5

根据 nmrPipe -fn SP -help：

SP: Adjustable Sine Window. -off offset [0.0] Sine Start*PI. -end end [1.0] Sine End*PI. -pow exp [1.0] Sine Exponent. -c fScale [1] Point 1 Scale.

参数	值	含义
`-off 0.45`	0.45×π	正弦窗起始相位（跳过 FID 前 45% 数据点）
`-end 0.98`	0.98×π	正弦窗结束相位（丢弃末尾 2%）
`-pow 2`	指数 2	平方正弦窗
`-c 0.5`		第一个数据点的缩放因子

SP 是可调正弦窗（变迹函数，apodization）。变迹在时域对 FID 施加权重，目的是平衡灵敏度与分辨率——压低 FID 前段（信号强但衰减快的信息少）换分辨率，压低后段（纯噪声）换灵敏度。-off 0.45 使窗在 FID 前 45% 处才上升，-end 0.98 丢弃末尾 2% 噪声。

2b. 零填充

| nmrPipe -fn ZF -zf -auto

根据 nmrPipe -fn ZF -help：

ZF: Extend By Zero Filling. -zf zfCnt [1] Number of Times to Double the Size by Zero Filling. -auto — Round Final Size to Power of 2.

实验事实：

ZF 确实将时域点数翻倍（DATA SIZE: 1024 cp → 2048 cp）
FT 保持 2048；PS -di 后变回 1024
最终 EXT 输出：有 ZF 和无 ZF 均为 366 点，但 md5 不同

即 ZF 改变了中间各步的数据点数，但经 PS -di 和 EXT 后最终输出点数相同。ZF 提升了频率域的插值精度（数据值不同），但最终维度不因 ZF 而变。这一行为由 PS -di 和 EXT -sw 共同决定，具体机理参见 NMRPipe 参考页的 EXT -sw 说明（-sw 会更新 NDAPOD 等头参数）。

2c. 傅里叶变换

| nmrPipe -fn FT

根据 nmrPipe -fn FT -help：

FT: Complex Fourier Transform. -auto Choose Mode Automatically.

将时域 FID 转为频域谱。

2d. 相位校正

| nmrPipe -fn PS -p0 4 -p1 0 -di

根据 nmrPipe -fn PS -help：

PS: Phase Correction. -p0 p0Deg [0.0] Zero Order Phase, Degrees. -p1 p1Deg [0.0] First Order Phase, Degrees.

公式：p0 + p1*f（零阶常数 + 一阶频率线性）。

-di：仅保留实部。

2e. 区域提取

| nmrPipe -fn EXT -x1 11ppm -xn 6ppm -sw -round 2

根据 nmrPipe -fn EXT -help：

EXT: Extract Region. -x1 xFirst [1] X Extract Range Start. -xn xLast [XSIZE] X Extract Range End. -sw Adjust Sweep Width and ppm Calibration. -round n [1] Round Size to Nearest N.

只保留 6–11 ppm（¹H 蛋白质酰胺质子区域）。

2f. 输出 FT1 文件

| pipe2xyz -out ft1/test%04d.ft1 -z

-z：数据向量沿 Z 轴，按 X 维分片输出。处理后 x 维大小 = 366 → 366 个文件（38KB/个）。

Step 3: `smile2.com` — SMILE NUS 重建

| nmrPipe -fn SMILE -nDim 3 -sample nuslist -nThread 32 \
           -sampleCount 675 -nSigma 4.5 -off 0 0 -report 1 -scaling 0.6 \
           -xApod SP -xQ1 0.45 -xQ2 0.95 -xQ3 1 \
           -yApod SP -yQ1 0.45 -yQ2 0.95 -yQ3 1 \
           -xP0 0 -xP1 0 -xNeg -xAlt \
           -yP0 0 -yP1 0 -yAlt \
           -xCT 0 -thresh 0.95

根据 SMILE 官方页面（spin.niddk.nih.gov/bax/software/SMILE/），SMILE 论文（Ying et al., J. Biomol. NMR, 2017），以及 nusPipe -fn SMILE -help：

算法原理

SMILE 是一个迭代阈值重建算法。每次迭代：

在残差谱中找最大峰
如果 Max/Noise > nSigma，用洛伦兹线形拟合
将拟合信号的 scaling 倍加入重建谱，从残差中扣除
对重建中间态施加时域变迹（抑制伪峰）
重复直到 Max/Noise < 阈值

关键参数

参数	值	来源/含义
`-sample nuslist`		NUS 采样坐标文件
`-sampleCount 675`		有效采样点数
`-nSigma 4.5`	默认 5.0；SMILE 手册旧版默认 6	信噪比阈值：>4.5σ 被认为是信号峰
`-thresh 0.95`	默认 0.80	信号检测置信度阈值
`-scaling 0.6`	默认 Auto	信号扣除比例。只扣 60%，防止过减（旧版 SMILE 手册中参数名为 `-subConst`）
`-report 1`	默认 0	输出报告级别（1=信息输出到 stderr + smile.log）
`-nThread 32`	默认 CPU/2	线程数
`-off 0 0`		x/y 间接维信号位置偏移
`-xApod SP`	默认 SP	x 维变迹函数类型（正弦窗）
`-xQ1 0.45`	默认 0.50	SP 窗参数 1
`-xQ2 0.95`	默认 0.98	SP 窗参数 2
`-xQ3 1`	默认 1.00	SP 窗指数
`-xCT 0`	默认 0	常数时间采集点数（0 = 非 CT 实验）
`-xNeg -xAlt`		FT 前虚部取反 + 符号交替

SMILE 参考：J. Ying, F. Delaglio, D.A. Torchia, A. Bax. Sparse Multidimensional Iterative Lineshape-Enhanced (SMILE) Reconstruction of Both Non-Uniformly Sampled and Conventional NMR Data. J. Biomol. NMR 68, 101–118 (2017).

实际收敛

迭代  1: Max/Noise = 110.74
迭代 10: Max/Noise =  11.36
迭代 20: Max/Noise =   3.41
迭代 31: Max/Noise =   2.06  → 停止

31 迭代，15 秒。输出 366 个重建 FT1（81KB，SMILE 默认扩展间接维 50%）。

Step 4: `smile3.com` — 间接维 FT → 3D 谱

两个间接维还是时域，需要依次 FT。因为 NMRPipe 只能对当前最后两个维度做 FT，所以需要 TP 来交换轴。

间接维1（¹⁵N）

| nmrPipe -fn ZF -zf 1 -auto
| nmrPipe -fn FT -alt -neg
| nmrPipe -fn PS -p0 -6 -p1 0 -di

根据 nmrPipe -fn FT -help：

-alt：使用符号交替（Use Sign Alternation）
-neg：虚部取反（Negate Imaginaries）

轴交换

| nmrPipe -fn TP

根据 nmrPipe -fn TP -help：

TP: 2D Plane Transpose. -auto Choose Mode Automatically (Default).

交换 y 和 z 轴，为下一维 FT 做准备。

间接维2（¹³C）

| nmrPipe -fn ZF -zf 1 -auto
| nmrPipe -fn FT -alt
| nmrPipe -fn PS -p0 -3.7 -p1 13 -di

恢复轴顺序

| nmrPipe -fn TP
| nmrPipe -fn ZTP

根据 nmrPipe -fn ZTP -help：

ZTP: 3D Matrix Transpose. XYZ2ZYX.

恢复为原始轴顺序 (x, y, z)。

输出 3D 谱

| pipe2xyz -out ft/test%04d.ft3 -x

产出 256 个 2D 平面（236KB/个）。

3D 投影

proj3D.tcl -in ft/test%04d.ft3

Skyline 投影：取每个 (i,j) 位置沿第三维的最大值，产生 2D 投影：

投影文件	维度
`HN.13C.dat`	¹H × ¹³C
`HN.15N.dat`	¹H × ¹⁵N（HSQC 型）
`13C.15N.dat`	¹³C × ¹⁵N

3D 谱元数据

FILE: ft/test0001.ft3  DIM: 3  QUAD: Real  2DMODE: States

        X-Axis(HN)   Y-Axis(13C)   Z-Axis(15N)
SIZE:          366          256          256
SW Hz:    3008.602     8756.567     1337.972
OBS MHz:  600.053      150.889       60.810

POKY 在流程中的角色

根据 POKY GitHub 和 POKY 官方网站：

POKY is a next generation software suite for the integrated and automated NMR data analysis and structure calculation. Developed by the Woonghee Lee's POKY Group at the University of Colorado Denver.

谱系：UCSF-SPARKY (1990s) → NMRFAM-SPARKY (2010s) → POKY (2021)

学术引用：Lee et al., Bioinformatics 37(18):3041–3042 (2021)。

POKY 是 NMRPipe/SMILE 流水线的下游工具，提供 GUI 集成环境：

NMRPipe(处理) → SMILE(重建) → POKY(可视化/分析)
                                  ├─ 峰识别 (APES, iPick)
                                  ├─ 共振指认 (PINE-SPARKY.2)
                                  ├─ 结构计算 (PONDEROSA-C/S, XPLOR-NIH)
                                  ├─ AI 结构预测 (AlphaFold2/3)
                                  ├─ 动力学分析 (R₁/R₂/NOE, ModelFree)
                                  └─ 计算机辅助药物设计

POKY 内置 NMRPIPE2UCSF 转换工具，可直接打开 NMRPipe 处理的 .ucf/.ucsf 文件。师兄在 900.zip 中包含了 UCSF 格式的谱图（20250620_HP1aP3C_CBCANH_308K_11.ucsf，~98MB）正是供 POKY 打开分析之用。

运行方式总结

所有脚本必须在 tcsh 中运行，并先 source NMRPipe 初始化脚本：

tcsh -c "source ~/nmr/com/nmrInit.linux239_64.com; source fid.com"
tcsh -c "source ~/nmr/com/nmrInit.linux239_64.com; source smile1.com"
tcsh -c "source ~/nmr/com/nmrInit.linux239_64.com; source smile2.com"
tcsh -c "source ~/nmr/com/nmrInit.linux239_64.com; source smile3.com"

查看谱图：

tcsh -c "source ~/nmr/com/nmrInit.linux239_64.com; nmrDraw HN.13C.dat"

posted @ 2026-07-27 10:13 acahsteven 阅读(9) 评论(0) 收藏举报

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acahsteven

记录我的学习、思考、生活与见闻。

NMRPipe/SMILE Pipeline 全流程详解

NMRPipe/SMILE Pipeline 全流程详解

参考文献来源

环境

`bruker` 与 `bruk2pipe` 的关系

Pipeline 全景

Step 1: `fid.com` — Bruker 原始数据 → NMRPipe 格式

1a. NUS 展开

1b. Bruker → NMRPipe 格式转换

`-AMX` 的含义

`-ext` 与 `-AMX` 配合

Bruker 数字滤波参数

各维参数

1c. 幅度校正

1d. 输出 FID 文件

1e. 生成 NUS Mask

Step 2: `smile1.com` — 直接维傅里叶变换

2a. 窗函数（变迹）

2b. 零填充

2c. 傅里叶变换

2d. 相位校正

2e. 区域提取

2f. 输出 FT1 文件

Step 3: `smile2.com` — SMILE NUS 重建

算法原理

关键参数

实际收敛

Step 4: `smile3.com` — 间接维 FT → 3D 谱

间接维1（¹⁵N）

轴交换

间接维2（¹³C）

恢复轴顺序

输出 3D 谱

3D 投影

3D 谱元数据

POKY 在流程中的角色

运行方式总结

公告

acahsteven

记录我的学习、思考、生活与见闻。

NMRPipe/SMILE Pipeline 全流程详解

NMRPipe/SMILE Pipeline 全流程详解

参考文献来源

环境

bruker 与 bruk2pipe 的关系

Pipeline 全景

Step 1: fid.com — Bruker 原始数据 → NMRPipe 格式

1a. NUS 展开

1b. Bruker → NMRPipe 格式转换

-AMX 的含义

-ext 与 -AMX 配合

Bruker 数字滤波参数

各维参数

1c. 幅度校正

1d. 输出 FID 文件

1e. 生成 NUS Mask

Step 2: smile1.com — 直接维傅里叶变换

2a. 窗函数（变迹）

2b. 零填充

2c. 傅里叶变换

2d. 相位校正

2e. 区域提取

2f. 输出 FT1 文件

Step 3: smile2.com — SMILE NUS 重建

算法原理

关键参数

实际收敛

Step 4: smile3.com — 间接维 FT → 3D 谱

间接维1（¹⁵N）

轴交换

间接维2（¹³C）

恢复轴顺序

输出 3D 谱

3D 投影

3D 谱元数据

POKY 在流程中的角色

运行方式总结

公告

`bruker` 与 `bruk2pipe` 的关系

Step 1: `fid.com` — Bruker 原始数据 → NMRPipe 格式

`-AMX` 的含义

`-ext` 与 `-AMX` 配合

Step 2: `smile1.com` — 直接维傅里叶变换

Step 3: `smile2.com` — SMILE NUS 重建

Step 4: `smile3.com` — 间接维 FT → 3D 谱