CN101839869B - 连续波核磁共振系统频率自动锁定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及核磁共振领域，尤其是连续波核磁共振频率自动锁定方法，其方法包括以下步骤：步骤A)、设定初始射频场的频率，然后开始采集核磁共振信号帧；步骤B)、当采集到的核磁共振信号达到一帧时开始对数据进行峰值检测；如信号帧中检测到双峰信号，则开始搜索双峰信号的两个峰值坐标，否则步进增加或减小射频场频率，继续采集下一帧核磁共振信号；步骤C)、根据搜索到的双峰信号峰值坐标的分布情况来判断核磁共振信号是否等距分布，是则锁定频率；否则继续增加或减小射频场频率，然后重新开始采集下一帧核磁共振信号以进行双峰信号检测及峰值距离分布判断的步骤。本发明通过自动调节频率取代传统的人工手动调节判断，测量精度高。

Description

连续波核磁共振系统频率自动锁定方法

技术领域

本发明涉及核磁共振领域，尤其是连续波核磁共振系统频率自动锁定方法。

背景技术

连续波核磁共振技术广泛引用于无损检测领域，尤其对含H1物质(油、水和蛋白质)的检测精度非常高。同时连续波核磁共振的装置较其他核磁共振技术实现简单，有利于设备的低成本化。把待测样品放入连续波核磁共振装置的样品管中，利用共振信号大小与样品含H1量成正比的关系，可以测量计算出样品中H1物质的质量以及百分比。这在现实中有很大意义，例如，可以快速测量菜籽、棉籽的含油量，对育种优化和采购加工都有很强指导作用。

连续波核磁共振通过恒定的射频场作用于核系统，检测核对频率的信号变化。连续波核磁共振系统中会有周期性慢变化(数十赫兹)的磁场，频率共振时，周期性的磁场会使检测核在恒定的射频场中周期性的发生共振，因此我们也能够观察到周期性的共振信号。每套连续波核磁共振系统都会有一定的频率覆盖范围，射频场落到该覆盖范围就能够激发核磁共振，如图1所示。为了得到稳定的可观察、等距分布的共振信号，我们需要调节射频场，使其等于频率覆盖的中间值，如图2所示，我们也称此时的射频场频率为共振频率。

连续波核磁共振技术虽然应用前景十分广泛，但核磁共振设备实用化过程要解决很多实际困难，例如：连续波核磁共振系统的共振频率会随温度变化，每次实验前必须对射频场频率进行调节，使其始终等于系统共振频率，这样测试结果才能够得以保证，因此在温度变化较大的工作环境中，这种调节操作需要频繁进行，人为疏忽没有进行频率调节而进行测试的话，会给测试带来很大的误差，甚至使测试毫无意义。

传统的频率调节是人工手动进行的，调节完成的判断依据也是肉眼观测周期性核磁共振信号的重合度。这种过程会引入很多人为误差，也是导致连续波核磁共振技术测量产生较大误差的一个重要原因。

发明内容

本发明的目的是为了克服传统方法存在的缺陷，提供一种快速、准确性高的连续波核磁共振系统频率自动锁定方法。

本发明解决以上技术问题而采用的技术方案是：连续波核磁共振系统频率自动锁定方法，其不同之处在于：其方法包括以下步骤：

步骤A)、设定初始射频场的频率，然后开始采集核磁共振信号帧；

步骤B)、当采集到的核磁共振信号达到一帧时开始对数据进行峰值检测；如信号帧中检测到双峰信号，则开始搜索双峰信号的两个峰值坐标，否则步进增加或减小射频场频率，继续采集下一帧核磁共振信号；

步骤C)、根据搜索到的双峰信号峰值坐标的分布情况来判断核磁共振信号是否等距分布，是则锁定射频场频率；否则继续增加或减小射频场频率，然后重新开始采集下一帧核磁共振信号以进行双峰信号检测及峰值距离分布判断的步骤。

本发明连续波核磁共振系统频率自动锁定方法通过自动调节频率取代传统的人工手动调节判断，对于连续波核磁共振系统，使用方便度极大提高，由于无需人工介入，测量精度也得到很好保证。

附图说明

图1为连续波核磁共振系统共振信号关系图。

图2为连续波核磁共振系统共振信号锁定时的关系图。

图3为连续波核磁共振频率装置图。

图4为连续波核磁共振频率自动锁定算法流程图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明实施方式。

连续波核磁共振系统频率自动锁定方法，其不同之处在于：其方法包括以下步骤：

步骤1)、设定初始射频场的频率；

步骤2)、设定初始射频场的频率后开始对核磁共振信号进行实时数模转换采集；

步骤3)、当采集到的核磁共振信号达到一帧的时候开始对数据进行峰值检测，一帧信号的时间长度是根据图1中扫场信号的一个周期确定，也就是一个三角波周期，通常是数十毫秒。当射频场频率落入扫场频率范围，这一帧数据中会包含两个共振信号；但算法一般会首先从较低的频率开始，也就是小于扫场频率范围的某个值，让射频场以该数值输出，这时候采集到的信号是底噪，无峰值，由于此时射频场频率在扫场频率之外，核磁共振信号数据帧是没有共振信号的，波形中只有底噪，无峰值，信号帧中检测不到双峰信号，则转向执行步骤4)；如在信号帧中可以检测到双峰信号，也就是射频场频率已经落入扫场频率范围，采集到的共振信号如图1所，则转向执行步骤5)；

步骤4)、步进增加或减小射频场频率，然后转向步骤2)继续采集下一帧核磁共振信号，对采集到的下一帧核磁共振信号数据进行双峰信号检测直至在信号帧中可以检测到双峰信号或者双峰信号已经满足等距分布准则；

步骤5)、如信号帧中检测到双峰信号，则开始搜索双峰信号的两个峰值坐标；

步骤6)、对搜索到的双峰信号的两个峰值坐标进行分析，判断双峰信号是否按等距准则分布；如双峰信号满足等距分布则转向步骤7)，如双峰信号不满足等距分布则转向步骤4)；

步骤7)、锁定射频场频率；

共振信号双峰检测是算法中的重要环节。双峰检测顾名思义就是找两个峰值，对于我们定义的帧结构，双峰出现是有规律的，出现双峰时，两个峰会分别处于数据前半帧和后半帧。对于峰值的判断我们按照一个简单可行高效的原则：在一段数据中高于某个能量门限的最大值就是峰值。因此对于每一帧数据，我们首先会在前半帧和后半帧分别找一个能量最大值的点，接着用这两个最大值与门限比较，当这两个最大值都高于门限时，我们就认为出现了双峰，否则至少其中一个是噪声。通常我们把高于底噪能量10dB作为门限，底噪的能量是每台设备固有参数，是可以预先测定的。

共振信号等距分布，也就是任意一个峰和与它相邻的前后两个峰之间的距离相等，如图2所示，以P2n对应的峰为例，就是P1n+1对应峰与P2n对应峰之间距离等于P2n对应峰与P1n对应峰之间的距离。这时射频场频率也会等于扫场频率范围的中值；更具体，本发明是通过对共振双峰信号的当前帧数据进行分析，找出双峰的相对时间坐标(相对于帧的起始)，例如P1n和P2n，判断条件2*P1n≈P2n-P1n是否满足，如果满足条件则射频场频率调整成功结束，否则继续增加射频场频率，对下一帧数据进行运算。公式中采用的是“≈”判断，实际系统中也是不可能达到完全相等的。在算法中我们根据系统的需要设定约等于结束门限，通常考虑锁频算法的速度和设备要求的频率调整精度，小于或等于2us是一个比较合适的值。

步骤1)中的初始射频场频率设定可以是较低频率，对应步骤4)中调整频率的趋势是不断增加。类似的，步骤1)中的初始射频场频率也可以设置为较高频率，对应步骤4)中调整频率趋势则是不断减少。

连续核磁共振系统频率自动锁定的装置以中央处理器为核心，对其它各个功能模块进行控制，为自动锁频算法提供了灵活稳定的硬件平台。

本发明的装置如图3所示由以下几个部分构成：中央处理器2、数控频率发生器3、振荡器4、检测器5、放大器6、数模转换器7、扫场频率功率控制器8、显示屏9、样品管10和磁体1构成。该装置各个模块功能如下：

(1)中央处理器负责频率自动锁定的算法运行、射频场频率的控制以及显示屏的控制；

(2)数控频率发生器是根据中央处理器发送过来的数字量的频率转化为模拟的频率输出，它是射频场频率的产生模块；

(3)振荡器以射频场频率进行边缘振荡，当射频场的频率与样品的共振频率一致的时候，振荡器的Q值会发生变化，检测这个值的变化就得到核磁共振信号；

(4)放大器是对弱小的核磁共振信号进行模拟放大，以满足后面的模数转换的输入幅值条件；

(5)扫场频率功率控制器，该模块是功率模块，它产生固定的低频(数十赫兹)三角波扫场信号，如图3产生Is，由此驱动磁体中的线圈产生交变的磁场B；

(6)显示屏是把共振信号显示出来，提供使用者判断当前频率的锁定状态以及所产生的共振信号大小；

(7)磁体是产生核磁信号的基础条件，该磁体是采用恒定磁场叠加交变磁场来提供核磁共振的产生条件。如图3所示，磁体1为样品管10提供均匀的磁场工作区间，同时进行磁屏蔽，防止外界电磁干扰。

以上实施例只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作较多的限制，凡是依据对本发明的技术本质作简单修改或等同的变化和修饰，均仍属本发明保护的范围。

Claims (1)

1.连续波核磁共振系统频率自动锁定方法，其特征在于：其方法包括以下步骤：

步骤A)、设定初始射频场的频率，然后开始采集核磁共振信号帧；

步骤B)、当采集到的核磁共振信号达到一帧时开始对数据进行峰值检测；如信号帧中检测到双峰信号，则开始搜索双峰信号的两个峰值坐标，否则步进增加或减小射频场频率，继续采集下一帧核磁共振信号；

步骤C)、根据搜索到的双峰信号峰值坐标的分布情况来判断核磁共振信号是否等距分布，所述核磁共振信号等距分布即任意一个峰和与它相邻的前后两个峰之间的距离相等，是则锁定射频场频率；否则继续增加或减小射频场频率，然后重新开始采集下一帧核磁共振信号以进行双峰信号检测及峰值距离分布判断的步骤。

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