專利名稱：一種臺式核磁共振小譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及核磁共振儀器，具體的講是涉及一種臺式核磁共振小譜儀。
背景技術(shù)：
核磁共振小譜儀在物質(zhì)含量的快速測定和產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)控等方面發(fā)揮重要的作用。近年來，隨著技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，其應(yīng)用的深度與廣度在不斷拓展。目前核磁共振小譜儀比較成熟的應(yīng)用例子有油籽中的含油量、油脂和巧克力中固態(tài)脂肪含量、種子的含水量、牙膏的含氟量、石蠟的含油量、碳?xì)浠旌衔镏械臍浜康鹊目焖贉y定，以及油田測井的巖心分析等等。
目前常規(guī)的核磁共振小譜儀主要由磁體系統(tǒng)(包括磁體恒溫系統(tǒng)和勻場系統(tǒng))，探頭以及核磁共振譜儀控制臺三部分組成。儀器的核心部分是譜儀控制臺，它主要由計(jì)算機(jī)、射頻頻率源、發(fā)射通道和接收通道等部分組成。頻率源產(chǎn)生的射頻信號經(jīng)過發(fā)射通道放大之后，進(jìn)入探頭的發(fā)射線圈以激發(fā)被測樣品。激發(fā)的過程非常短暫(數(shù)μs至數(shù)十μs)，被激發(fā)后的樣品將產(chǎn)生核磁共振信號，通過探頭中的接收線圈接收，然后進(jìn)入接收通道放大，最后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)卡采集進(jìn)計(jì)算機(jī)。常規(guī)的譜儀控制臺部分采用主從式的結(jié)構(gòu)，一般由兩臺計(jì)算機(jī)組成。主計(jì)算機(jī)主要用于接受用戶輸入命令、數(shù)據(jù)處理及顯示等操作，從計(jì)算機(jī)即控制計(jì)算機(jī)用于控制硬件工作，主計(jì)算機(jī)和從計(jì)算機(jī)之間通過網(wǎng)線連接進(jìn)行通信。其結(jié)構(gòu)框圖如

圖1所示。這種結(jié)構(gòu)雖然功能較強(qiáng)，但是由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致儀器成本過高，阻礙了小譜儀的推廣應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是根據(jù)上述產(chǎn)品的不足之處，提供了一種臺式核磁共振小譜儀，它由單臺計(jì)算機(jī)完成從對譜儀的實(shí)時(shí)控制到數(shù)據(jù)處理及顯示的所有任務(wù)，改變了常規(guī)譜儀系統(tǒng)中的主從式結(jié)構(gòu)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案
本發(fā)明主要由磁體系統(tǒng)、探頭和核磁共振譜儀控制臺三部分組成，其中核磁共振譜儀控制臺采用一體化的設(shè)計(jì)方案，即使用單臺計(jì)算機(jī)完成從對譜儀的實(shí)時(shí)控制到數(shù)據(jù)處理及顯示的所有任務(wù)，改變了常規(guī)譜儀系統(tǒng)中的主從式結(jié)構(gòu)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
本發(fā)明的譜儀控制臺主要由單臺計(jì)算機(jī)、射頻頻率源、發(fā)射通道和接收通道組成，其中頻率源產(chǎn)生的射頻信號經(jīng)過發(fā)射通道放大之后，進(jìn)入探頭的發(fā)射線圈以激發(fā)被測樣品，被激發(fā)后的樣品將產(chǎn)生核磁共振信號，通過探頭中的接收線圈接收，然后進(jìn)入接收通道放大，并經(jīng)采集進(jìn)入計(jì)算機(jī)。
單臺計(jì)算機(jī)采用了基于PC機(jī)的軟件化的脈沖序列發(fā)生器，射頻頻率源采用的是數(shù)字化頻率源DDS。
發(fā)射通道是由數(shù)字化頻率源DDS和射頻功率放大器構(gòu)成，其中數(shù)字化頻率源DDS發(fā)出射頻信號以后，通過射頻功率放大器放大，直接去激發(fā)探頭中的樣品。
接收通道由數(shù)字化頻率源DDS、高速數(shù)據(jù)采集ADC卡、前置放大器、相敏檢波器、音頻放大器構(gòu)成，探頭的接收線圈中感應(yīng)到的微弱信號首先經(jīng)過前置放大器放大，然后經(jīng)過相敏檢波器檢波，再通過音頻放大器放大以后直接由ADC卡采集進(jìn)計(jì)算機(jī)。接收通道部分采用了數(shù)字正交檢波技術(shù)，只需單路采樣，通過軟件進(jìn)行數(shù)字正交檢波處理，得到雙路正交信號。
發(fā)射通道的射頻激發(fā)信號和接收通道的參考信號共用一個(gè)頻率源DDS。
所有數(shù)字化部件均采用PCI接口與計(jì)算機(jī)通信。
本發(fā)明的磁體系統(tǒng)主要由一個(gè)永久磁體和恒溫電路組成，由于永久磁體的場強(qiáng)會隨溫度的變化而變化，因此需要對磁體進(jìn)行恒溫，保證測量時(shí)的精度，小譜儀的探頭采用了單線圈的探測電路，磁體系統(tǒng)和探頭部分的結(jié)構(gòu)一般比較固定，與常規(guī)譜儀相比沒有太大變化。
在圖2中，除了磁體和探頭部分外，剩下的部件全部屬于譜儀控制臺部分。整個(gè)譜儀控制臺包括數(shù)字部分和模擬部分，其中的數(shù)字部分是以計(jì)算機(jī)為中心的，在一臺個(gè)人計(jì)算機(jī)上插有一塊數(shù)字直接頻率合成DDS卡和一塊高速數(shù)據(jù)采集ADC卡，DDS卡和ADC卡都采用PCI接口與計(jì)算機(jī)通信，DDS卡采用了直接頻率合成技術(shù)，可通過計(jì)算機(jī)任意設(shè)置其幅度、頻率和相位，ADC卡采用了高速采集芯片，最高采樣速度可達(dá)10MHz，I/O(輸入和輸出)控制口直接集成在DDS卡上，共有8位I/O控制線，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場合需要任意規(guī)定I/O控制線的用途；模擬部分主要包括射頻功率放大器、前置放大器、相敏檢波以及音頻放大器，其中在射頻放大器上集成有射頻開關(guān)，射頻開關(guān)由I/O口控制。
與常規(guī)譜儀控制臺相比，本發(fā)明在三個(gè)方面做了簡化。第一，采用了基于PC機(jī)的軟件化脈沖序列發(fā)生器，節(jié)省了硬件成本，軟件化的脈沖序列發(fā)生器在實(shí)現(xiàn)每個(gè)脈沖序列時(shí)主要采用匯編語言編寫；第二，利用DDS技術(shù)相位、頻率和幅度的可控性，將發(fā)射通道和接收通道的頻率源合二為一；第三，接收通道采用了數(shù)字正交檢波技術(shù)，將常規(guī)的兩路正交檢波和采樣簡化為單路。
本發(fā)明的軟件系統(tǒng)除了實(shí)現(xiàn)了上述基于PC機(jī)的脈沖序列發(fā)生器和數(shù)字正交檢波處理外，還包括常規(guī)的譜處理，主要包括快速傅立葉變換、相位校正、基線校正、峰值提取、定標(biāo)以及T1、T2擬合等處理，同時(shí)針對小譜儀的主要應(yīng)用場合，軟件中還針對含量分析進(jìn)行了專門的應(yīng)用開發(fā)，主要開發(fā)了兩種類型的含量分析，一種是絕對含量分析，另一種是相對含量分析。絕對含量分析主要是測試樣品中油(或水)的含量，每次測量以前需要用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行定標(biāo)；相對含量分析主要是測試同一樣品中具有不同T2的成分的含量，比如在同一樣品中既含有油又含有水(油和水的T2時(shí)間不一樣)，可通過相對含量分析分別得出油和水的含量。同時(shí)考慮到用戶可能根據(jù)需要進(jìn)行二次開發(fā)，還為用戶開發(fā)預(yù)留了接口，這個(gè)接口主要是通過把參數(shù)和FID數(shù)據(jù)保存在文本文件中，當(dāng)用戶需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行特殊處理時(shí)，可直接從文本文件中讀取數(shù)據(jù)，然后根據(jù)實(shí)際應(yīng)用再進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。
本發(fā)明具有下列優(yōu)點(diǎn)整個(gè)小譜儀系統(tǒng)采用了一體化設(shè)計(jì)，在不降低系統(tǒng)性能指標(biāo)和功能的前提下，大大簡化了譜儀結(jié)構(gòu)，具有很高的性價(jià)比。
1、采用了一體化的譜儀控制臺，與常規(guī)主從式結(jié)構(gòu)的譜儀控制臺相比，大大簡化了譜儀結(jié)構(gòu)，減小了譜儀體積，降低了譜儀成本，為小譜儀的推廣應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件。
2、發(fā)射通道的頻率源部分采用了數(shù)字直接頻率合成技術(shù)DDS，它具有極高的頻率分辨率，極短的切換時(shí)間，以及數(shù)字調(diào)制功能。因此可通過計(jì)算機(jī)快速地切換DDS的幅度、頻率和相位，為一體化設(shè)計(jì)提供了技術(shù)基礎(chǔ)，增強(qiáng)了小譜儀的功能。
3、接收部分采用了數(shù)字正交檢波技術(shù)，只需進(jìn)行單路檢測，節(jié)省了硬件成本。同時(shí)與傳統(tǒng)的模擬正交檢波相比，數(shù)字正交檢波技術(shù)可完全消除采用模擬正交檢波技術(shù)時(shí)由于兩路信號不完全正交而產(chǎn)生的鏡像峰，提高了譜儀性能。
4、所有數(shù)字化部件都采用PCI(Peripheral ComponentInterconnect)接口，可以方便地與目前主流PC機(jī)或工控機(jī)連接。
5、為用戶開發(fā)預(yù)留了接口，用戶可從文件中讀取數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理。
附圖概述附圖1為常規(guī)譜儀結(jié)構(gòu)框圖；附圖2為本發(fā)明結(jié)構(gòu)框圖；附圖3為數(shù)字正交檢波模式原理圖；具體技術(shù)方案以下結(jié)合附圖通過實(shí)例對本發(fā)明特征及其它相關(guān)特征作進(jìn)一步詳細(xì)說明，以便于同行業(yè)技術(shù)人員的理解如圖2-3所示，小譜儀的具體工作流程是在執(zhí)行脈沖序列時(shí)，基于PC機(jī)的脈沖序列發(fā)生器根據(jù)核磁共振實(shí)驗(yàn)的要求執(zhí)行相應(yīng)的脈沖序列代碼，直接去控制DDS卡、AD卡和IO控制口等數(shù)字化部件。首先通過計(jì)算機(jī)設(shè)置DDS的激發(fā)頻率、幅度和相位，產(chǎn)生激發(fā)射頻信號；然后通過DDS卡上的I/O控制口去控制射頻開關(guān)，使得頻率源DDS上發(fā)出的射頻信號通過射頻開關(guān)產(chǎn)生指定寬度的射頻脈沖；射頻脈沖經(jīng)過射頻功率放大器放大以后直接進(jìn)入探頭中的射頻發(fā)射線圈，樣品被發(fā)射線圈的射頻脈沖激發(fā)以后，探頭中的接收線圈將感應(yīng)到FID(自由感應(yīng)衰減)信號；FID信號首先經(jīng)過前置放大器，然后進(jìn)入相敏檢波器，此時(shí)DDS發(fā)出的射頻信號的頻率被切換到參考頻率上，因此，檢波器輸出的是音頻信號，經(jīng)過音頻放大器放大以后，直接由單路ADC采集進(jìn)計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)中通過軟件完成數(shù)字正交檢波處理，把單路FID信號變成雙路正交信號。
探頭采用了常規(guī)的單線圈結(jié)構(gòu)，其發(fā)射線圈和接收線圈共用，通過發(fā)射/接收開關(guān)(T/R Switch)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
數(shù)字化頻率源DDS卡采用了PCI接口，PCI接口芯片采用的是PLX9052芯片，DDS器件采用了Analog Devices公司的AD9854，在Local端，使用了8位數(shù)據(jù)總線，數(shù)據(jù)總線直接引到DDS器件中，可編程邏輯器件對地址線和一些控制線進(jìn)行譯碼后直接控制DDS器件。使用時(shí)只需要通過計(jì)算機(jī)設(shè)置DDS芯片的相應(yīng)的寄存器值，即可輸出相應(yīng)的波形。AD采樣卡也采用了PCI接口，在采樣前可預(yù)先設(shè)置采樣點(diǎn)數(shù)和采樣頻率，為了保證實(shí)時(shí)性，在采樣期間，AD采樣卡是不受計(jì)算機(jī)干預(yù)的，AD芯片采集進(jìn)的數(shù)據(jù)直接存入AD卡的SRAM中。采樣結(jié)束以后，直接通過PCI總線讀取SRAM中的數(shù)據(jù)。
數(shù)字正交檢波的原理如圖3所示在執(zhí)行脈沖序列時(shí)，首先把DDS的頻率設(shè)置為樣品的激發(fā)頻率，在采樣時(shí)再把DDS的頻率切換到參考頻率(激發(fā)頻率和參考頻率一般差幾KHz到幾十KHz左右)。AD卡采樣的信號是參考信號和FID信號檢波放大以后的信號，當(dāng)AD卡把信號采集進(jìn)計(jì)算機(jī)以后，由軟件對其進(jìn)行數(shù)字正交檢波處理，把單路信號變成雙路正交信號。數(shù)字正交檢波處理的算法主要包括兩部分移譜和濾波。
基于PC機(jī)的脈沖序列發(fā)生器原理是產(chǎn)生脈沖序列需要一組事件和對應(yīng)的延時(shí)，脈沖序列發(fā)生器就是根據(jù)事件控制字產(chǎn)生相應(yīng)的電平來控制譜儀相關(guān)部件的工作狀態(tài)并保持指定的延時(shí)。因此，用PC機(jī)來產(chǎn)生任意的脈沖序列是比較簡單的，因?yàn)榭刂齐娖娇梢杂蒊/O端口輸出，而脈沖序列的延時(shí)是通過軟件循環(huán)指令來實(shí)現(xiàn)的。例如，因?yàn)橐粋€(gè)LOOP指令一般為5個(gè)CPU時(shí)鐘周期，所以根據(jù)下式將所需要的延時(shí)換算成LOOP指令的循環(huán)次數(shù)即可n=D×fcpu5]]>其中D為所需的延時(shí)，單位是μs。fcpu為CPU的時(shí)鐘頻率，單位是MHz。根據(jù)上式可用下面的匯編語言產(chǎn)生一個(gè)正脈沖MOV EBX，IOAddress//設(shè)置IO端口地址(采用內(nèi)存映射)MOV ECX，n//設(shè)定循環(huán)次數(shù)MOV [EBX]， EventHigh//輸出高電平@DelayLOOP @Delay //脈沖寬度
MOV [EBX]， EventLow//輸出低電平要實(shí)現(xiàn)基于PC機(jī)的脈沖序列發(fā)生器，必須要保證脈沖序列代碼執(zhí)行的實(shí)時(shí)性，因此需要在脈沖序列代碼執(zhí)行前關(guān)閉中斷，保證脈沖序列執(zhí)行期間的實(shí)時(shí)性。在采樣期間及磁化矢量恢復(fù)期間，一般要開啟中斷，恢復(fù)到操作系統(tǒng)的正常狀態(tài)。在Windows 98操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)起來比較方便，只要脈沖序列代碼執(zhí)行前加一條CLI關(guān)中斷指令，在采樣期間及磁化矢量恢復(fù)期間，用STI指令重新開啟中斷；而在Windows XP中，它的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)機(jī)制不同于Windows 98，在Windows XP中不能執(zhí)行CLI、STI等特權(quán)指令。在Windows XP中要保證脈沖序列代碼執(zhí)行的實(shí)時(shí)性需要在脈沖序列代碼執(zhí)行前通過驅(qū)動程序把中斷優(yōu)先級設(shè)為最高，在脈沖序列代碼執(zhí)行完后再通過驅(qū)動程序把中斷優(yōu)先級恢復(fù)到原來的狀態(tài)。采用以上方法，軟件化的脈沖序列發(fā)生器的短期穩(wěn)定度可達(dá)10-7，長期穩(wěn)定度在10-6。
權(quán)利要求
1.一種臺式核磁共振小譜儀主要由磁體系統(tǒng)、探頭和核磁共振譜儀控制臺三部分組成，其特征在于所述的譜儀控制臺主要由單臺計(jì)算機(jī)、射頻頻率源、發(fā)射通道和接收通道組成，其中頻率源產(chǎn)生的射頻信號經(jīng)過發(fā)射通道放大之后，進(jìn)入探頭的發(fā)射線圈以激發(fā)被測樣品，被激發(fā)后的樣品將產(chǎn)生核磁共振信號，通過探頭中的接收線圈接收，然后進(jìn)入接收通道放大，并經(jīng)采集進(jìn)入計(jì)算機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種臺式核磁共振小譜儀，其特征在于所述的射頻頻率源采用的是數(shù)字化頻率源DDS。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種臺式核磁共振小譜儀，其特征在于所述的發(fā)射通道是由數(shù)字化頻率源DDS和射頻功率放大器構(gòu)成，其中數(shù)字化頻率源DDS發(fā)出射頻信號以后，通過射頻功率放大器放大，直接去激發(fā)探頭中的樣品。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種臺式核磁共振小譜儀，其特征在于所述的接收通道由數(shù)字化頻率源DDS、高速數(shù)據(jù)采集ADC卡、前置放大器、相敏檢波器、音頻放大器構(gòu)成，探頭的接收線圈中感應(yīng)到的微弱信號首先經(jīng)過前置放大器放大，然后經(jīng)過相敏檢波器檢波，再通過音頻放大器放大以后直接由ADC卡采集進(jìn)計(jì)算機(jī)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種臺式核磁共振小譜儀，其特征在于發(fā)射通道的射頻激發(fā)信號和接收通道的參考信號共用一個(gè)頻率源DDS。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種臺式核磁共振小譜儀，其特征在于所述的單臺計(jì)算機(jī)采用了基于PC機(jī)的軟件化的脈沖序列發(fā)生器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種臺式核磁共振小譜儀，其特征在于接收通道部分采用了數(shù)字正交檢波技術(shù)，只需單路采樣，通過軟件進(jìn)行數(shù)字正交檢波處理，得到雙路正交信號。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種臺式核磁共振小譜儀，其特征在于所有數(shù)字化部件均采用PCI接口與計(jì)算機(jī)通信。
全文摘要
本發(fā)明涉及核磁共振儀器，具體的講是涉及一種臺式核磁共振小譜儀，該譜儀主要由磁體系統(tǒng)(包括磁體恒溫系統(tǒng)和勻場系統(tǒng))、探頭和核磁共振譜儀控制臺三部分組成，其中核磁共振譜儀控制臺采用一體化的設(shè)計(jì)方案，即使用單臺計(jì)算機(jī)完成從對譜儀的實(shí)時(shí)控制到數(shù)據(jù)處理及顯示的所有任務(wù)，改變了常規(guī)譜儀系統(tǒng)中的主從式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，成本低，功能和性能均有較大提高。
文檔編號G01N24/00GK1529153SQ0315122
公開日2004年9月15日 申請日期2003年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月28日
發(fā)明者沈杰, 蔣瑜, 李鯁穎, 沈 杰 申請人:華東師范大學(xué)