CN104620123A - 小型化分子询问和数据系统 - Google Patents

Abstract

一种用于分析产生于所述样本的信号的系统，其中该系统包括至少一个磁强计，其中该磁强计能够检测由样本产生的磁场。该磁强计被放置接近于样本，且被小型化(例如具有每边小于6cm)。噪声产生组件被配置为均匀地围绕样本和磁强计产生噪声，其中产生的噪声能够引起在样本中的随机共振以放大样本的特征信号。至少一个屏蔽结构电磁屏蔽样本以及第一磁强计以避免来自外部的电磁辐射。

Description

小型化分子询问和数据系统

相关申请

本申请要求2012年7月11日提交的名称为“MINIATURIZEDMOLECULAR INTERROGATION AND DATA SYSTEM”的美国临时专利申请号为61/670,566的优先权，其被完整地合并于此。

背景技术

磁强计在各种应用中被用来测量磁场的方向和强度。这些设备被包括在从汽车到手机的任何东西中，检测磁场强度和方向中的变化，作为传感器，如金属探测器、刹车系统和指南针。大规模磁强计可以被用在医学领域用于核磁共振(NMR)，从中机器诸如磁共振成像(MRI)机器被开发。在医疗和科学领域，诸如在NMR光谱分析仪内，磁强计的灵敏度是非常重要的，因为样本的磁场的大小是超低的且难以检测，由于高信噪比(SNR)比率。凭借某些设备，如MRI，高弛豫造影剂被利用以用于检测磁场的变化。

近期提供高灵敏度的磁强计可以采用超导量子干涉器(SQUID)。SQUID具有极低的噪声水平的矢量磁强计。因此，SQUID在测量非常小的磁场方向分量以确定磁场强度中是非常有用的。

近期，另一便携式磁强计已经被开发出来。小型化、基于原子的磁传感器提供了比SQUID更高的灵敏度。这种小型化的设备包括具有气体中的铷原子的容器和低功率红外(IR)激光和光纤，其用于检测记录磁场强度的光信号。来自红外线(IR)激光的光经由光纤被定向至含有铷原子的容器。原子吸收光，吸收的光量随着磁场的增加而增加。这是因为，原子吸收一个光子并随着磁场中的增加进入更高的能态(能级)。光检测器接着检测射出的光量，检测到的光的减少对应于磁场强度中的增加。IR光是已知的能在特定态激发铷原子。因此，所施加的磁场可以被用于确定对应于所施加的引起原子进入更高态的磁场的频率。一示例的原子磁强计是无自旋交换弛豫(SERF)磁强计。

使用这些高度灵敏的传感器的许多应用是可能的。例如，该传感器被用于测量人的心脏和大脑的活动。S.Knappe等人的，用于生物磁应用的具有超导量子干涉器的微制造原子磁强计的交叉验证，应用物理快报97，133703(2010)。然而，许多其它应用是可能的。

附图说明

图1示出了依据本发明的一实施方式形成的分子电磁信号检测设备实施方式的等距视图。

图2是图1中示出的法拉第氏罩和它的内部的放大详细图。

图3是图1和2中示出的衰减管之一的放大截面图。

图4是图2中示出的法拉第氏罩及其内部的截面图。

图5示出一替代的电磁辐射检测系统的示意图。

图6示出了在上述附图中的检测系统中包括的处理单元的示意图。

图7示出图6中可选的处理单元的图。

图8示出了由本发明的系统执行信号检测和处理的流程图。

图9示出了本发明的方面的直方图频谱图方法中的高级数据流程图。

图10示出了用于产生频谱图直方图算法的流程图。

图11示出了识别最佳时域信号的步骤的流程图。

图12示出了根据第三实施方式识别最佳时域信号的步骤的流程图。

图13示出了在一典型的转导实验中的转导仪器的布局。

图13A-13F示出了与噪声线圈一起使用的各种线圈对准的示意图。

图14示出了用于典型的转导实验中的转导线圈和容器。

图15A示出了含有40％的除草剂化合物(15A)的样本的时域信号的部分。

图15B示出了来自15A中的样本的自相关时域信号的FFT，在70.9-dBm(15B)的噪声水平被记录。

图15C-D示出了来自15A中的样本的自相关时域信号的FFT，在74.8-dBm(15C和15D)的噪声水平被记录。

图15E示出了来自15A中的样本的自相关时域信号的FFT，在78.3-dBm(15E)的噪声水平被记录。

图15F示出了用于图15中的样本的自相关得分相对于噪声设置的图。

图16示出了用于从应用到生物学系统中的样本创建信号的过程的框图。

图17示出了用于将由本发明系统的样本创建的信号产生的电磁波应用于患者的合适的系统的框图。

图18示出了用于修改一个或多个起始波形的信号处理程序的流程图。

图19A-19D示出了使用图形用户界面(GUI)的频谱图的修改。

图20示出了通过检测系统和处理单元分配产生和处理的信号的替代方案的框图。

图21示出了用于图20的分配系统的转导器接收器/收发器的框图。

图22示出了用于图20的系统内的亥姆霍兹型感应线圈。

图23示出了用于转导的样品的可植入线圈。

图24示出了小型原子基于磁强计的分子询问和数据系统(MIDS)的图。

图25示出了用于与图24的小型MIDS系统一起使用的另外的组件的框图。

图26示出了用于绕轴旋转和伸缩噪声线圈的线圈对准系统的示意图。

图27示出了用于分子询问的光学磁强计流动装置的图。

在本文中提供的标题仅处于方便，并不必然影响所要求保护的发明的范围或含义。

具体实施方式

接下来详细描述的是小型化检测器，其通过记录由在屏蔽环境中的样本或化合物所产生的信号来检测非常低的振幅的信号以产生时域信号，同时在某一水平将高斯白噪声刺激注入到记录设备，以增强发现由化合物产生的低频随机事件的能力。在共同拥有的美国临时申请60/593,006和60/591,549中，下面会进一步指出，转导信号是效应化合物的实际化合物时域信号。

通过将靶系统暴露于特征性效应物-分子信号来实现效应物-分子功能，而不需要效应剂的实际存在，这种可能性有许多有趣的应用。通过将生物体暴露于药物特异性信号，可以替代通过使用药物治疗生物体，能实现同样的作用。在纳米制造领域，现在可以通过将表征多化合价效应物分子的信号引入该组装系统来催化和促进自组装模式，该效应物分子能够促进需要的自组装模式。

通过使用高度灵敏的，但小型化磁强计用于检测由生物样本产生的低水平频率的设备和方法将在之后详细说明。用于检测、处理以及显示感兴趣的样本的低频电磁辐射或信号的系统和方法在一个实施例中被提供，已知的均匀的白噪声或高斯噪声信号被引入到样本中。噪声被配置以允许从样本发出的电磁辐射能够充分被信号检测系统检测到。检测到的信号集被集中处理以确保可重复性和统计相关性。得到的辐射图或频谱能够作为特定结果被显示、存储和/或识别。

本发明的另外的实施方式描述了与转导系统一起使用的信号以及相应的产生这种信号的方法，转导系统用于产生化合物特定的电磁波，其可以作用于被放置于波场中的靶系统。其它实施方式涉及生成和分配此类信号。

本发明的各种实施例将于下文叙述。以下的叙述提供特定细节，有助于完整地了解这些实例，并藉以实施。然而，本领域技术人员将会了解到，本发明可在没有这诸多细节的情况下实施。同样地，本领域技术人员也将了解到，本发明可包含许多其他未在此处详述的明显特征。此外，一些众所周知的结构或功能可能未在下文中详细显示或描述，以避免与相关叙述产生不必要的混淆。

下文所使用的术语将以其最广泛合理的方式来诠释，即使此术语是用于本发明的特定实施例的详细说明中。事实上，在下文中，甚至可能以这种方式来强调某些用词；然而，意图以任何限制的方式来诠释的任何术语都会明显且特定地界定于本节具体实施方式中。

本申请组织如下，第一，提供了一些定义。第二，本发明人的较早的基于SQUID的系统被描述以部分提供基本信号采集的理解。第三，讨论了产生一优化的时域信号的方法，并用于形成转导信号。第四，某些转导设备和协议被提供。最后，该小型化检测器的小型化分子询问和数据系统被详细的描述。本领域相关普通技术人员将认识到，基于SQUID系统的方面，用于产生通知信号的方面，以及转导设备和协议的方面都独立地或共同应用到小型化检测器以提供本发明的进一步实施方式以允许信号采集且被小型化检测器使用。

1、定义

下面的术语具有以下定义，除非另有说明。这样的定义，虽然简短，将帮助那些本领域相关技术人员能够基于本文所提供的详细描述更充分地理解本发明的各方面。这样的定义将作为一个整体(包括权利要求书)而不是简单地通过如此的定义被本发明的描述所定义。

“磁屏蔽”指的是由于屏蔽材料的磁导率减少、阻挡或防止了磁通量通过的屏蔽。

“电磁屏蔽”指的是例如标准法拉第电磁屏蔽，或其他方法减少电磁辐射的通过。

“时域信号”或“时序信号”指的是具有随时间改变的瞬态信号特性的信号。

“样本源辐射”是指从样本的分子运动产生的磁通量或电磁通量辐射，例如分子偶极子在磁场中的旋转。由于样本源辐射是在注入的磁场刺激的条件下产生，因此“样本源辐射”也指“叠加在注入的磁场刺激上的样本源辐射”。

“刺激磁场”或“磁场刺激”是指通过向围绕样本的电磁线圈注入(施加)许多电磁信号中的一个而产生的磁场，该电磁信号可能包括：(i)白噪声，该白噪声在被计算为在样本上产生0到1G(高斯)之间的选定磁场的电压水平下注入；(ii)DC偏移，该DC偏移在被计算为在样本上产生0到1G之间的选定磁场的电压水平下注入；以及(iii)在低频范围上扫描，该扫描在至少约0-1kHz之间的范围上接连地注入，并且注入电压被计算为在样本上产生0到1G之间的选定磁场。已知注入线圈中的绕组的形状和数量、应用于线圈的电压以及注入线圈与样本之间的距离，使用已知的电磁关系可以容易地计算在样本上产生的磁场。

“选定的刺激磁场条件”是指施加白噪声或DC偏移信号的选定电压，或所施加的扫描刺激磁场的选定的扫描范围、扫描频率和电压。

“白噪声”指随机噪声或具有同时的多个频率的信号，例如白的随机噪声或确定性噪声。白噪声和其他噪声的若干变化可能被用在本发明的实施方式中。例如，“高斯白噪声”是具有高斯功率分布的白噪声。“稳态高斯白噪声”是不具有可预计的未来成分的随机高斯白噪声。“非随机噪声”(Structured noise)是可能包含对数特性的白噪声，该对数特性将能量从频谱的一个区域转移到另一个区域，或者该“非随机噪声”可以是被设计为当振幅保持恒定时提供随机时间元素。与不具有可预计的未来成分的真正的随机噪声相比较，这两种噪声代表粉色和均匀噪声。“均匀噪声”是指具有矩形分布而不是高斯分布的白噪声。

“频域谱”是指时域信号的傅里叶频率图。

“频谱成分”是指在时域信号内能够以频率、振幅和/或相域的形式被测量的单个或重复的性质。频谱成分通常指在频域中存在的信号。

“法拉第氏罩”是指电磁屏蔽配置，该电磁屏蔽配置为不需要的电磁辐射提供到地的电通道，从而使电磁环境无噪声。

2、用于产生和处理时域信号的设备

本发明的实施方式提供了一种用于检测没有外界干扰的极低域值分子电磁信号的方法和设备。还提供了那些采用易被各种信号记录和处理仪器使用的格式的信号的输出。因此，本发明的实施方式直接提供了一种用于低域值分子电磁信号的可重复检测和记录的设备和方法。磁屏蔽的法拉第氏罩屏蔽了样本材料和来自外部电磁信号的检测设备。在磁屏蔽的法拉第氏罩里，线圈注入均匀的噪声或白噪声，非铁的托盘固定住样本，以及梯度计检测低域值分子电磁信号。该设备还包括超导量子干涉器(“SQUID”)和前置放大器。

通过放置样本在磁屏蔽的法拉第氏罩里接近噪声线圈和梯度计来使用该设备。白噪声被穿过噪声线圈注入并且被调整直至分子电磁信号通过随机共振而增强。增强的分子电磁信号，被来自法拉第氏罩的外界干扰和噪声线圈产生的场所屏蔽，然后被梯度计和SQUID检测和测量。该信号随后被放大且发送至任何适当的记录或测量仪器。

图1-5提供了在前面的段落中描述的设备的各种视图。示出的设备提供了本发明的一实施方式，虽然另外的实施方式也可以在本发明的范围内被描述和考虑。

参见图1，幅度可调的白噪声发生器80在磁屏蔽罩40的外部，并通过电缆82经由滤波器90电连接到亥姆霍兹变压器60(未示出)。亥姆霍兹线圈，或变压器60被示出且进一步参考图2被描述。该白噪声发生器80能够产生近似均匀的噪声，跨频谱范围从0到100千赫。所示实施方式中，滤波器90滤除50千赫以上的噪声，但使用其他频率范围。白噪声发生器80也通过接插线164电连接到双踪示波器160的另一个输入端。

通量锁定环140通过高电平输出电路142进一步把从SQUID 120接收的信号放大并输出到iMC-303SQUID控制器150。该SQUID会参考图2在以下段落被进一步描述。该通量锁定环140还通过CC-60型号的6米光纤复合连接缆绳144与SQUID控制器150相连接。该光纤连接缆绳144和SQUID控制器150由Tristan Technologies公司制造。该控制器150被安装到磁屏蔽罩40的外部。该光纤连接缆绳144将控制信号从SQUID控制器150传送到通量锁定环140，进一步减少要被测量的信号受到电磁干扰的可能性。对于本领域技术人员来说，显而易见的是，也可以使用其它通量锁定环、连接缆绳和SQUID控制器。

SQUID控制器150还包括高分辨率模拟-数字转换器152，用于输出数字化信号的标准GP-IB总线154，和用于输出模拟信号的BNC连接器156。在所示实施方式中，该BNC连接器穿过接插线162被连接至双踪示波器160。

现在参考图2，示出了如在图1所示的屏蔽结构10内的元件的截面图。该屏蔽结构10从外至内包括了：磁屏蔽的导电丝罩16以及提供电磁屏蔽的内部导电丝罩18和20。另一个实施方式中，外部磁屏蔽罩16是用带有一层镍铝合金涂层的固体铝制板材形成的，而电磁屏蔽罩由两个内壁结构形成，每个内壁都是固体铝制成的。

如图2所示，屏蔽结构，其可以是法拉第氏罩10，在顶部开口，还包括了侧面开口12和14。该法拉第氏罩10还包括了三个铜网罩16、18和20，依次叠套。铜网罩16、18和20的每个罩之间都通过非传导性屏障(未示出)与其他罩电绝缘。

侧面开口12和14还包括渐细管22和24，在防止罩的内部受外部干扰源影响的同时也提供了进入法拉第氏罩10内部的通路。参见图3，渐细管24由三个铜网管26、28和30构成，依次叠套。外部铜网罩16、18和20分别和铜网管26、28和30之一电连接。渐细管24还用盖32盖在其上，盖进一步包括孔34。渐细管22也类似地由铜网管26、28和30构成，但不包括盖32。

法拉第氏罩10内部安装了一低密度非铁样本托盘50。样本托盘50的安装使其可以通过渐细管22和侧面开口12从法拉第氏罩10中取出。三个支杆52连接到样本托盘50上，每个支杆的长度都大于法拉第氏罩10的中心纵轴到渐细管22的外边缘的距离。该三个支杆52与渐细管22的内部曲线相适配，由此可以通过将支杆保持在渐细管内，把样本托盘50设置在法拉第氏罩10的中心。在图示的实施方式中，样本托盘50和支杆52用玻璃纤维环氧树脂制成。对于本领域技术人员很清楚的是样本托盘50和支杆52也能用其他非铁材料制成，并且托盘也可用其他方法，如使用单根支杆安装在法拉第氏罩10内。

安装在法拉第氏罩10之内、样本托盘50之上的是一个低温杜瓦瓶100。所示实施方式中，该杜瓦瓶100适配在法拉第氏罩10的顶部开口内，采用Tristan Technologies有限公司生产的Model BMD-6液氦杜瓦瓶。该杜瓦瓶100用玻璃纤维环氧树脂复合材料制成。一个视场很小的梯度计110安装在杜瓦瓶100内，使得其视场内包含了样本托盘50。所示实施方式中，梯度计110是一个一阶轴向检测线圈，标定直径是1厘米，公差为2％，并用超导体制成。除了平面梯度计，梯度计可以使用任何形式的梯度计。该梯度计110被连接到一低温直流超导量子干涉器(“SQUID”)120的输入线圈。所示实施方式中，该SQUID采用TristanTechnologies有限公司生产的Model LSQ/20LTS直流SQUID。本领域技术人员应能理解可以使用高温或交流SQUID。另一个实施例中，SQUID 120包含了一噪声抑制线圈124。当测量磁场时，梯度计110和SQUID 120的结合使用的灵敏度是5微特斯拉/√赫兹。

SQUID 120的输出端连接到Tristan Technologies有限公司生产的Model SP低温缆绳130。低温缆绳130能够承受杜瓦瓶100内外的温度，并把信号从SQUID 120送入通量锁定环140，其被安装在法拉第氏罩10和杜瓦瓶100的外部。所示实施方式中的通量锁定环140是TristanTechnologies有限公司生产的iFL-301-L通量锁定环。

仍然参考图2，当样本托盘被完全置入法拉第氏罩10内时，二元亥姆霍兹变压器60被安装在样本托盘50的任一边。所示实施方式中，亥姆霍兹变压器60的线圈绕组62和64被设计为工作在从直流到50千赫的范围内，中心频率是25千赫，自谐频率是8.8兆赫。所示实施方式中，线圈绕组62和64一般是矩形，且大约8英寸高，4英寸宽。也可使用其他形状的亥姆霍兹线圈，但要求其形状和大小能够使得梯度计110和样本托盘50能够位于亥姆霍兹线圈产生的场内。线圈绕组62和64分别安装在两个低密度非铁框架66和68上。框架66和68通过铰链互相连接，通过支脚70支撑。框架66和68可滑动地附着在支脚70上，使得框架能够相对于杜瓦瓶100的下部做垂直运动。框架的运动能够调整亥姆霍兹变压器60的线圈绕组62和64，来改变梯度计110接收到的白噪声的幅度。支脚70被搁置或被用环氧树脂粘合在法拉第氏罩10的底部之上。所示实施方式中，框架66和68以及支脚70用玻璃纤维环氧树脂制成。也可以采用将变压器或线圈设置在样本托盘50周围的其他布置。

现在参考图3，缆绳82通过孔34穿过了侧面开口12、渐细管24以及盖32。缆绳82是同轴缆绳，还包含了双绞铜导线84，分别被内外磁屏蔽罩86和88所包围。其他实施方式中，导线可以是任何非磁导电材料，如银或金。内外磁屏蔽罩86和88截止到盖32，而双绞线84跨越了图1中从盖的末端到亥姆霍兹变压器60的剩余距离。内部磁屏蔽罩86经过盖32电连接到法拉第氏罩16，而图1中的外部磁屏蔽罩电连接到磁屏蔽罩40。

现在参见图4，示出了法拉第氏罩以及其内部的截面图。其显示了相对于杜瓦瓶100和法拉第氏罩10的亥姆霍兹变压器60的绕组62。

参考图1-4，示例性实施方式现在被描述。要测量的物质200的样本放在样本托盘50上，而样本托盘放在法拉第氏罩10之内。在第一实施方式中，白噪声发生器80被用于通过亥姆霍兹变压器60注入白噪声。该噪声信号在梯度计110内生成一感应电压。然后检测出梯度计110中的感应电压，并由SQUID 120进行放大，然后再由通量锁定环140放大SQUID 120的输出，并送往SQUID控制器150，再送往双踪示波器160。双踪示波器160也被用于显示白噪声发生器80生成的信号。

如图2所示，可通过改变白噪声发生器80的输出并且旋转样本200周围的亥姆霍兹变压器60，来调整白噪声信号。亥姆霍兹变压器60绕着框架66和68的铰接轴的旋转能够改变它相对于梯度计110的相位。依赖于所期望的相位调整，框架66和68的铰接使得在环绕样本托盘50旋转大约30到40度时，绕组62和64仍保持互相平行。为了改变亥姆霍兹变压器60产生的场相对于梯度计110的信号相位，铰接允许绕组62和64不平行时最多旋转大约60度。

典型相位调整还包括了不平行定位，尽管也在特定场合推荐其他定位方向，例如需要容纳不规则形状的样本200。施加并调整噪声直到噪声达到超过所检测的分子电磁辐射30到35分贝。在这个噪声水平时，噪声通过已知的随机共振现象而具有分子电磁信号的特性。当示波器踪迹反映了梯度计110检测到的信号与直接反映了白噪声发生器80的信号的踪迹不同时，可以观察到随机现象。另一个实施方式中，可以用任何商业上使用的仪器来记录或处理信号。

另一个实施方式中，检测出分子电磁信号的方法还包括通过SQUID 120的噪声抑制线圈124，在亥姆霍兹变压器60处注入与原噪声信号偏移180度相位的噪声。当示波器踪迹反映的梯度计110检测到的信号变得不随机时，就能观测到所需的随机现象。

不考虑如何注入和调整噪声，频谱峰值增加时，通过观察也能确定出随机现象。观测到的频谱峰值是示波器160上的线绘图或者数值，或者使用其他已知的测量设备。

现在参考图5，显示了上述附图中的分子电磁辐射检测和处理系统的替代性的实施方式。系统700包括耦合到处理单元704的检测单元702。尽管图示中处理单元704在检测单元702的外部，但处理单元至少有一部分位于检测单元之内。

检测单元702，图5中示出了它的截面图，包括了多个互相叠套或同心的组件。样本室或法拉第氏罩706叠套在金属罩708之内。每个样本室706和金属罩708可用铝材料制成。样本室706可保持在真空内，并把温度控制在预设温度。金属罩708的功能是一个低通滤波器。

样本室706和金属罩708之间，并且环绕着样本室706的是一系列平行加热线圈或元件710。靠近加热元件710和样本室706有一个或多个温度传感器711。例如可以在样本室706外部的不同位置处设置四个温度传感器。加热元件710以及温度传感器711被配置为用于将样本室706内部维持在一个特定的温度上。

屏蔽罩712环绕着金属罩708。屏蔽罩712用于对样本室706提供额外的磁场屏蔽或隔离。屏蔽罩712可由导线或其他磁屏蔽材料制成。当由样本室706和/或金属罩708提供了足够的屏蔽时，屏蔽罩712是可选的。

环绕着屏蔽罩712是一个具有G10绝缘的致冷层716。致冷剂可以是液态的氦。致冷层716(也称为低温杜瓦瓶)的工作温度是开氏温度4度。环绕着致冷层716是一个外部屏蔽罩718。外部屏蔽罩718由镍合金制成，用作一个磁屏蔽罩。检测单元702提供的磁屏蔽总量沿笛卡尔坐标系的三个正交平面约为-100dB，-100dB，以及-120dB。

上述不同元件之间通过空气隙或非传导性屏障(未示出)互相电隔离。应理解为了便于描述，图中未示出各个元件的相互尺寸。

样本支架720可以手动地或机械地放置在样本室706内。样本支架720可以降低、升高、或从样本室706的顶部取出。样本支架720包含的材料不会引入涡电流，而且产生很少或不产生固有分子旋转。例如样本支架720可用高品质玻璃或耐热玻璃制成。

检测单元702用于处理固态、液态、或气态样本。检测单元702中可使用不同的样本支架。例如可根据样本的大小使用较大的样本支架。又比如如果样本对于空气起反应，可将样本支架密封或在样本周围形成气密密封。另一个例子中，如果样本是气态，不需要样本支架720就可以将样本引入样本室706。对于这种样本，样本室706保持真空。样本室706顶部的真空密封721目的是保持真空和/或容纳样本支架720。

感应线圈722和感应线圈724，也称作检测线圈，分别放在样本支架720的上部和下部。感应线圈722和724的线圈绕组工作在从直流(DC)到大约50千赫(kHz)的范围内，中心频率为25kHz，自谐振频率是8.8MHz。感应线圈722和724是二阶微分形式，能够被配置为获得大约100％的耦合度。在一实施方式中，线圈722和724的形状基本为矩形，用G10紧固件固定。线圈722和724起到二阶微分梯度计的作用。

屏蔽罩712和金属罩708之间竖直放置了亥姆霍兹线圈726和728，如在此解释的。线圈726和728中的每一个都可以独立地升高或降低。线圈726和728也称为白噪声或高斯噪声发生线圈，处于室温或环境温度中。线圈726，728产生的噪声大约是0.1高斯。

可以通过重新定位样本支架720相对于线圈722、724的位置，或重新定位线圈726、728之一或两个相对于样本支架720的位置，来改变样本发出的辐射和线圈722、724之间的耦合度。

处理单元704电耦合到线圈722、724、726和728。处理单元704确定出通过线圈726、728注入样本的白噪声或高斯噪声。处理单元104也接收线圈722、724处从样本的混合了注入高斯噪声的电磁辐射的感应电压。

参见图6，使用了本发明的处理单元包括了一个能够插进并取出样本842的样本托盘840，法拉第氏罩844以及亥姆霍兹线圈746。SQUID/梯度计检测器组件848被置于低温杜瓦瓶850内。通量锁定环852被耦合在SQUID/梯度计检测器组件848和SQUID控制器854之间。SQUID控制器854可以是Tristan公司生产的Model iMC-303iMAG多通道控制器。

模拟噪声发生器856向锁相环858提供了一噪声信号(如上所注)。锁相环的x轴输出被送往亥姆霍兹线圈846，并且可以被衰减例如20dB。锁相环的y轴输出由信号分配器860进行分离。锁相环的y轴输出的一部分输入到SQUID的噪声抵消线圈，它具有梯度计的一个单独输入。y轴信号的另外一部分送入示波器862，如类似Tektronix TDS 3000b(例如，model 3032b)的具有傅里叶功能的模拟/数字示波器。即锁相环的x轴输出驱动亥姆霍兹线圈，而反相形式的y轴输出被分离输出到SQUID和示波器。因此，锁相环的功能是一个信号变换器。示波器踪迹用于监测模拟噪声信号，例如用来确定是否获得了足够产生非平稳频谱成分的噪声水平。耦合到控制器854的模拟磁带记录仪或记录装置864能够记录从该装置输出的信号，最好是宽带(例如50kHz)记录仪。PC控制器866可以是基于PC的MS Windows，例如通过RS 232端口，与控制器854相接口。

在图7中示出了处理单元的另一个实施方式的框图。双相锁定放大器202被配置为用于把第一信号(例如“x”或噪声信号)送往线圈726、728，而把第二信号(例如“y”或噪声抵消信号)送往超导量子干涉器(SQUID)206的噪声抵消线圈。放大器202不需要外部参考就可锁定，它可以是一个Perkins Elmer model 7265DSP锁定放大器。该放大器工作在“虚拟模式”，其中它锁定在初始参考频率，然后除去参考频率使其能够自由移动并锁定在“噪声”上。

模拟噪声发生器200被电耦合到放大器202。发生器200通过放大器202在线圈726、728处产生或感应一模拟高斯白噪声。例如发生器200是General Radio制造的model 1380。

阻抗变换器204在SQUID 206和放大器202之间电耦合。阻抗变换器204用于提供SQUID 206和放大器202之间的阻抗匹配。

SQUID 206的噪声抵消特性可以被打开或取消。当噪声抵消特性打开时，SQUID 206能够抵消检测到的辐射中注入的噪声成分或使其归零。为了提供噪声抵消，送入线圈726、728的第一信号是比所检测的分子电磁辐射高20dB或35dB的噪声信号。在这种水平下，注入的噪声具有通过随机共振所具有的分子电磁信号特性。送往SQUID 206的第二信号是噪声抵消信号，是第一信号的反相，且幅度足够使SQUID输出端的噪声归零(例如相对于第一信号的相位相差180度)。

SQUID 206是一个低温直流元件SQUID。例如，SQUID 206是Tristan Technologies有限公司制造的model LSQ/20LTS直流SQUID。另外也可以使用高温或交流SQUID。线圈722、724(例如梯度计)和SQUID 206(统一称为SQUID/梯度计检测器组件)结合起来产生的磁场的测量灵敏度大约为5微特斯拉/√赫兹。线圈722、724的感应电压被检测出并由SQUID 206放大。SQUID 206的输出是电压大约在0.2-0.8微伏的范围内。

SQUID 206的输出是SQUID控制器208的输入。SQUID控制器208被配置为用于控制SQUID 206的工作状态，以及检测到的信号的其他条件。例如SQUID控制器208可以是一个Tristan Technologies有限公司生产的iMC-303iMAG多通道SQUID控制器。

SQUID控制器208的输出被输入到放大器210。放大器210被配置为用于提供一个范围在0-100dB内的增益。当噪声抵消节点在SQUID206处打开时，增益大约是20dB。当SQUID 206不提供噪声抵消时的增益大约是50dB。

放大信号被输入到记录仪或存储装置212。该记录仪212被配置为用于把模拟放大信号转换成数字信号并将其存储。在一实施方式中，记录仪212每赫兹存储8600个数据点，并且能处理2.4Mbits/sec。例如，记录仪可以用索尼数字音频磁带(DAT)记录仪。使用DAT记录仪，原始信号或数据集可以发送至第三方用于所需的显示或特定处理。

低通滤波器214对记录仪212的数字数据集进行滤波。低通滤波器214是一个模拟滤波器，可以是一个巴特沃思滤波器。截止频率大约是50kHz。

接下来带通滤波器216对滤波后的数据集再次滤波。带通滤波器216被配置为是一个带宽在DC到50kHz之间的数字滤波器。带通滤波器216可以被调整用于不同的带宽。

带通滤波器216的输出被输入到傅里叶变换处理器218。傅里叶变换处理器218被配置为用于把时域中的数据集转换成频域中的数据集。傅里叶变换处理器218执行的变换类型是快速傅里叶变换(FFT)。

傅里叶变换后的数据集被输入到相关和比较处理器220。记录仪212的输出也是该处理器220的输入。处理器220被配置为用于把先前记录的数据集和数据集进行相关运算，确定阈值，并执行噪声抵消(当SQUID 206不提供噪声抵消时)。处理器220的输出是表示样本的分子低频电磁辐射频谱的最终数据集。

用户接口(UI)222，例如图形用户接口(GUI)，至少被连接到滤波器216和处理器220用于指定信号处理参数。滤波器216、处理器218，以及处理器220可以用硬件、软件或固件来实现。例如滤波器216和处理器218可用一个或多个半导体芯片来实现。处理器220可以用软件在计算设备中实现。

放大器工作在“虚拟模式”，并锁定在初始参考频率，然后除去参考频率使其能够自由移动并锁定在“噪声”上。模拟噪声发生器(General Radio制造的真实模拟噪声发生器)对亥姆霍兹和噪声抵消线圈分别需要20dB和45dB的衰减。

亥姆霍兹线圈有一个有效点，大约1立方英寸，余量为百分之一。另一个替代性实施方式中，亥姆霍兹线圈可以垂直移动，还可以(相对于垂直方向)旋转移动，并从伸展方向以扇形移开。在一实施方式中，SQUID、梯度计，以及驱动变换器(控制器)的值分别是1.8，1.5和0.3微亨。亥姆霍兹线圈在有效点的灵敏度是每安培0.5高斯。

随机响应大约需要10到15微伏。通过注入噪声，系统提升了SQUID装置的灵敏度。没有噪声时，SQUID装置的灵敏度大约是5毫微微特斯拉。系统能够通过注入噪声以及使用随机共振响应把灵敏度提升25到35dB，这大约增加了1500％。

从系统接收和记录信号之后，计算机例如主计算机，超计算机或高性能计算机进行预处理和后处理，例如预处理中执行SystatSoftware ofRichmond CA的Autosignal软件产品，同时用Flexpro软件产品进行后处理。Flexpro是Dewetron公司提供的数据(统计)分析软件。在Autosignal和Flexpro产品中也可使用下列公式或选项。

图8中示出了系统100实现的信号检测和处理的流程图。当需要样本时，至少执行四个信号检测或数据运行：无样本时t1时刻的第一数据运行，有样本时t2时刻的第二数据运行，有样本时t3时刻的第三数据运行，以及无样本时t4时刻的第四数据运行。从不止一次数据运行中执行和获取数据集增加了最终(例如修正后的)数据集的精确度。在这四次数据运行中，系统100的参数和条件保持恒定(例如，温度、增益量、线圈位置、噪声信号等等)。

在方框300，适当的样本(或如果它是第一或第四数据运行，没有样本)，放置在系统100里。所给样本，在没有注入噪声的情况下，在振幅等于或小于大约0.001微特斯拉时发出DC-50kHz范围内的电磁辐射。为了捕获这些低辐射，在方框301注入白高斯噪声。

在方框302，线圈722、724检测表示样本辐射和注入噪声的感应电压。感应电压包括作为数据运行持续时间的时间的函数的连串的电压流值(振幅和相位)。数据运行可持续2-20分钟并且因此，与数据运行对应的数据集包括2-20分钟的作为时间的函数的电压值。

在方框304，当感应电压正在被检测时注入的噪声消除了。当SQUID 206的噪声消除特征关闭时此方框被省略。

在方框306，数据集的电压值放大达20-50dB，这取决于噪声消除是否在方框304发生。在方框308，放大的数据集经历模拟-数字(A/D)转换并且存储在记录仪212中。数字数据集可包括数百万的数据行。

将获得的数据集存储之后，在方框310处执行检验，确定对样本是否至少进行了四次数据运行(例如至少获得了四个数据集)。如果对于给定样本获得了四个数据集，则在方框312处实现低通滤波。否则将下一次数据运行初始化(回到方框300)。

对数字数据集进行低通滤波(方框312)和带通滤波(方框314)之后，数据集在傅里叶变换方框316处转换到频域。

然后在方框318中，相似的数据集在每个数据点处互相进行相关运算。例如，和第一数据运行相对应的第一数据集(例如，基线或环境噪声数据运行)与和第四数据运行相对应的第四数据集(例如，另一次噪声数据运行)互相进行相关运算。如果第一数据集在给定频率处的幅度值和第四数据集在该给定频率处的幅度值相等，则对于该频率的相关数或值等于1.0。另外，相关值的范围可以设置在0-100之间。这种相关运算或比较也用于第二和第三数据运行(例如，样本数据运行)。因为获取的数据集被储存，可在其余的数据运行结束之后的时间再处理这些数据集。

当SQUID 206没有噪声抵消特性时，那么预定的阈值水平被应用于每个相关的数据集以消除统计上无关的相关值。可以使用许多种阈值，取决于数据运行的长度(数据运行越长，获取的数据的准确性越高)和样本实际辐射谱与其它类型样本的可能相似性。除阈值水平之外，相关性被平均。阈值和平均相关性的使用导致注入的噪声成分在所得到的相关数据集中变得很小。

如果SQUID 206具有噪声抵消特性，就不必使用阈值和平均相关值了。

一旦两个样本数据集已经被定义成相关的样本数据集并且两个噪声数据集已经被定义成相关的噪声数据集，那么相关的噪声数据集被从相关的样本数据集减去。得到的数据集是最终的数据集(例如，代表样本辐射谱的数据集)(方框320)。

因为每赫兹具有8600数据点以及最终的数据集能够具有DC-50kHz频率范围内的数据点，最终的数据集可包括数百百万行的数据。每一行的数据可包括频率、振幅、相位和相关值。

3.产生最优时域信号的方法

已经发现在对于给定样本获得的低频时域信号中，样本相关的频谱特征可通过记录在噪声水平范围上的样本的时域信号而实现最优化。在信号记录期间，该范围可以提供被注入样本的噪声上的功率增益。记录的信号随后被处理以显示频谱信号特征。选择具有最优频谱特征得分的时域信号，如下详述的。最优或接近最优的时域信号的选择是有用的，因为已经发现，并且根据本发明，用最优时域信号转导化学或生物学系统可产生比用非最优时域信号给出更强和更加可预测的响应。换句话说，当靶系统被样本信号转导时，选择最优(或接近最优)时域信号有益于获得可靠、可检测的样本效应。

一般而言，在其上典型地记录时域信号的注入噪声水平的范围是在约0到1伏特之间，典型地，或可选择地，注入的噪声优选超过要检测的所寻找的分子电磁辐射约30到35分贝之间，例如，在70-80-dbm范围内。被记录的样本数量，即在其上时域信号被记录的噪声水平的区间的数量可以从10-100或更多变化。变化是典型的且在足够小的区间上发生，以便于识别最优信号。例如，噪声发生器的功率增益水平可在5020mV区间上变化。如将要在下面看见的，当信号的频谱特征得分相对于注入噪声水平绘图时，当噪声水平增幅适当小时，图片显示在几个不同噪声水平上延伸的波峰。

本发明考虑了用于计算所记录的时域信号的频谱特征得分的三种不同方法。这些方法包括(1)直方图箱方法，(2)产生自相关信号的FFT，和(3)将FFT平均，以及这些方法中的每一个在下面都将详细叙述。

即使没有具体描述，也会明白每一种方法可以以手动模式实施，其中用户评估频谱特征得分所基于的频谱，为下一次记录进行噪声水平调整，并测定当达到峰值得分时，或它可以以自动化的或半自动化的方式执行，其中噪声水平的连续增长和/或频谱特征得分的评估，由驱动计算机的程序执行。

A.产生频谱信息的直方图方法

图9是在产生频谱信息的直方图方法中的高级数据流程图。从SQUID获取的数据(框2002)或存储的数据(框2004)被当作16bitWAV数据保存(框2006)，并被转换成双精度浮点数据(框2008)。转换后的数据可被保存(框2010)或显示为原始波形(框2012)。转换后的数据随后传送到下述参考图10的并由框2014标记的傅立叶分析表明的算法。直方图可显示在2016。可选择地，以及将在下面描述，转换后的数据可传送到两个附加算法中的一个。

参考图10，直方图算法的总流程图采用离散采样的时域信号并使用傅立叶分析将其转换成频域频谱，以便进一步分析。时域信号从ADC(模拟/数字转换器)获取，并存储在2102指示的缓存器中。样本长是SampleDuration秒，并以每秒SampleRate个样本进行采样，因而提供SampleCount(SampleDuration*SampleRate)个样本。如Nyquist定义的，可从信号恢复的FrquencyRange被定义为SampleRate的一半。因而，如果时序信号以每秒10000样本被采样，FrquencyRange为0Hz到5kHz。可使用的一种傅立叶算法是基数2的实数快速傅立叶变换(RFFT)，它具有可选择的2直到2¹⁶的功率频域分辨率(FFTSize)。只要FrquencyRange维持在8kHz或以下，选择8192个FFTSize，从而提供足够的分辨率以使每赫兹至少具有一频谱箱(spectrumbin)。SampleDuration应该足够长以便SampleCount＞(2*)FFTSize*10以确保可靠的结果。

因为FFT只能在某个时间作用于FFTSize个样本上，程序必须在样本上连续地执行FFT，并将结果一起平均以得到最终频谱。如果选择对于每个FFT略过FFTSize个样本，那么会引起1/FFTSize^0.5的统计误差。然而，如果选择由一半FFTSize覆盖FFT输入，那么这种误差将被减少到1/(0.81*2*FFTSize)^0.5。这使误差从0.0110485435减少至0.0086805556。一般而言，关于误差和相关分析的附加信息参见Bendat&Piersol的“Engineering Applications of Correlation and SpectralAnalysis”，1993。

在所给窗口上执行FFT之前，数据锥度滤波器可应用于避免由于采样混叠导致的频谱遗漏。该滤波器可选自作为举例的Rectangular(没有滤波器)，Hamming，Hanning，Bartlett，Blackman和Blackman/Harris之中。

在示例性方法中，以及如在框2104中所示的，我们已经选择8192用于变量FFTSize，它是我们一次操作的时域样本数量，也是FFT输出的离散频率数量。注意FFTSize＝8192是分辨率，或者是在由采样率指定的范围内的箱数。变量n，指示执行了多少离散RFFT’s(实数FFT’s)，其通过将SampleCount除以FFTSize*2，FFT箱数，来设定。为了进行产生切合实际的结果的算法，数n应该至少为10到20(尽管其它值是可能的)，其中更多可能优选拾取较弱信号。这意味着对于给定的SampleRate和FFTSize，SampleDuration必须足够长。计数器m，它从0数到n，被初始化为0，并且如框2104所示的。

程序首先确立了三个缓存器：用于FFTSize直方图箱的缓存器2108，其将在每个箱频率累积计数；用于在每个箱频率的平均功率的缓存器2110，以及含有每个m的FFTSize个拷贝样本的缓存器2112。

程序初始化直方图和阵列(框2113)，且在2114将波形数据的FFTSize个样本复制入缓存器2112，并对该波形数据执行RFFT(框2115)。FFT被归一化，使得最高振幅是1(框2116)，且从归一化信号确定所有FFTSize个箱的平均功率(框2117)。对于每个箱频率，在这个频率的来自FFT的归一化值被添加到缓存器2108的每个箱(框2118)。

在框2119中程序随后察看在每个箱频率的功率，相对于从上面计算的平均功率。如果功率在平均功率的特定因数小正数(epsilon)(在0和1之间)内，那么它被计数并且相应的箱在16在直方图缓存器中增加。否则它被丢弃。

注意进行比较的平均功率仅用于此FFT实例。增强的，即使较慢的算法可能采用两条途径通过数据并在设定直方图水平之前计算所有时间的平均值。与小正数的比较帮助表示对频率箱足够显著的功率值。或者在扩展的方面，采取小正数的方程式帮助回答这个问题，“在这个频率在这个时间有信号吗？”如果答案是有，它可能导致两种情况中的一种：(1)仅这一次陷入这个箱的平稳噪声，或者(2)实数低水平周期信号，它近乎每次发生。因而，直方图计数将清除噪声冲击，并且提高低水平信号冲击。因此，平均和小正数因数允许选择被认为显著的最小功率水平。

计数器m在框2120增值，并且上述过程被重复用于每个WAV数据的n集合直到m等于n(框2121)。在每个循环，在2118，每个箱的平均功率被添加到相关联的箱，并且当满足在2114的功率振幅条件时，每个直方图箱增加一。

当已经考虑过数据的所有n个周期时，每个箱里的平均功率通过将在每个箱中的总累积平均功率除以n来确定，显示周期的总数(框2122)和结果(框2123)。除了结构噪声存在的地方，例如，DC＝0或在60Hz的倍数，每个箱的平均功率将是一些相对较低的数值。

在该方法中的相关设置是噪声增益和小正数数值。该值决定了将被用于区分平均值上的事件的功率值。在值为1处，由于功率不可能高于平均功率，因此没有事件被检测到。当小正数趋近0时，事实上每个值被放在箱中。在0和1之间，典型地在给出占结构化噪声总箱计数约20-50％的箱计数的值处，小正数具有最大“频谱特征”，这意味着随机共振事件将能够从纯噪声中最大受益。

因此，可以在噪声输入上系统地增加功率增益，例如在0和1V之间50mV的增量，和在每个功率设置，调整小正数直到观测到具有明确定义的峰值的直方图。例如在被处理样本表现为20秒的时间区间处，用于每一不同功率和小正数的全部处理时间将约为25秒。当观测到明确定义的信号时，可重新定义功率设置或小正数或其两者，直到产生最优直方图，这意味着产生了具有最大可分辨峰值数量的直方图。

在该算法中，在低频由于噪声的全面出现(如环境噪声)，许多箱将被充填，与之相关的直方图表现为低频。从而，系统可以简单地忽略低于给定频率(例如低于1kHz)的箱，但是在更高的频率仍然表现出足够的箱值，以确定样本间独有的信号签名(signal signature)。

任选地，由于小正数变量的目的是适应在每个周期确定的不同平均功率水平，因此程序自身能够采用预先定义的使平均功率水平与小正数的最优值相关的函数来自动调整小正数。

类似地，在每一功率设置中，程序能够比较峰高，并自动调整噪声功率设置，直到在直方图中可观测到最优峰高或特征。

虽然小正数值对于所有频率可以是固定值，但其也可通过采用频率相关值(frequency-dependent value)来考虑，以调整用于可在低频，例如DC-1，000，观测到的更高值的平均能量。频率相关小正数因数可通过例如对大量低频FFT区域求平均，并确定小正数值来确定，该小正数值可调整平均值至与在更高频率观测到的那些可比较的值。

B.自相关信号的FFT

在第二个用于确定频谱特征得分的常规方法中，在选定噪声记录的时域信号是自相关的，采用自相关信号的快速傅立叶变换(FFT)来生成频谱特征图，即，在该频率域中的信号图。然后使用FFT对在选定频率范围内，例如DC-1kHz或DC-8kHz，高于平均噪声水平的频谱信号数量评分。

图11是根据该第二个实施方式，在对记录的时域信号评分时，执行步骤的流程图。时域信号如上所述被采样、数字化和滤波(框402)，其在噪声水平上的增益设置为初始水平，如在404。典型的样本化合物时域信号，是自相关的，在408，并采用标准FFT算法生成该自相关函数的FFT，如在410。

采用FFT图，在412，通过计数统计学上大于在自相关FFT中观测到的平均噪声的谱峰数量对该图评分，且得分在414被计算。通过步骤416和406，重复该过程，直至记录了峰值得分，即直到随着噪声增益增加，给定信号得分开始下降。在418记录下峰值得分，且程序或用户从422处的时域信号文档中选择对应于峰值得分的信号(框420)。

如上，该实施方式可以以手动方式实施，其中用户手动调整噪声设定增量，手动分析(计数峰值)FFT频谱图，并采用峰值得分识别一个或更多最优时域信号。任选地，该步骤的一个或更多方面可以自动实施。

C.平均FFT

在另一个确定谱峰值得分的实施方式中，在每个噪声增益处平均多个如10-20个时域信号的FFT，以生成谱峰图，并如上计算得分。

图12是根据该第三实施方式在对记录的时域信号评分中，执行的步骤的流程图。时域信号如上被采样、数字化和滤波(框424)，其在噪声水平上的增益设置为初始水平，如在426。然后在每一噪声增益处，在428，程序生成一系列时域信号的FFT，并且这些图在430被平均化。采用平均后的FFT图，通过计数统计学上大于在平均后的FFT中观测到的平均噪声的谱峰的数量进行评分，如在432、434。通过436和437的逻辑，重复该操作，直到记录下峰值得分，即直到随着噪声增益增加，给定信号得分开始下降。在438记录峰值得分，并且程序或用户从442处的时域信号文档中选择对应于峰值得分的信号(框440)。

如上，该方法可以以手动、半自动或全自动模式实施。

4.形成转换信号

用于各种治疗用途的信号，或用于使用以其他方式影响生物学系统的信号，可以直接从处理过的时域信号生成。信号也可以通过构建具有特定标识的峰值频率的信号而形成。例如，该系统可以利用“信号-活性关系”，其中分子信号的特征，例如，化合物的特征峰值的频率，是与实际的化合物的化学活性，类似于用于传统的药物设计中的结构-活性关系。在一般应用中，在以下的一个例子中，下面的方法中信号-活性关系被用于药物筛选。

首先，具有期望活性的一种或多种化合物被识别，例如，能够产生在生物学系统中的所希望的反应的化合物。系统记录了用于这些化合物中的一个的时序信号，且波形被处理或以其他方式最优化，以识别该化合物的低频峰值。(在这种情况下，“低频”指的是峰值处于或低于10千赫兹)。该步骤被重复用于每组结构上相关的化合物中的每一个。在结构上相关的化合物包括那些具有活性的(产生所希望的反应)，以及一些是对于测试的生物反应无活性的。将两组化合物的频谱分量进行比较，以识别那些唯一地与化合物活性相关的频谱分量。例如，通过来自三个有活性和二个无活性的化合物的形式分析，可识别在活性化合物中发现的信号中的那些峰值，而不是在非活性的化合物中，其中的一些被推定提供所需的生物学反应。

类似地，该系统可以记录和优化任何未知化合物。然后人们可以用与已知化合物相关的信号分析所得的波形，以查看未知化合物是否显示与期望的活性相关联的结构特征，且缺少与非活性分量相关联的分量以帮助识别活性化合物。从信号-结构关系推导出的规则比从结构-活性关系推导出的规则更方便且更能够被预测，因为活性与相对较小数目的峰值频率有关，而非大量的结构变化。因此，对于在药物设计的使用，人们可以采用某些峰值频率的存在或不存在来用改进的药代动力学或靶活性引导药物的合成。例如，如果较差的药代动力学性质或不希望的副作用可能与某些峰值频率有关，则新化合物将会被建议缺少或减少在这些频率的振幅。其结果是，本发明的系统大大简化了制定有用药物设计规则的任务，由于规则可以是基于相对小的数目的峰值频率。

代表大量化合物的频谱峰值频率的大型数据库将允许人们结合信号特征以“合成”几乎任何药物或所需的药物组合财产。通过此数据库与化学化合物数据库相结合，人们可以生成显示所需峰值-频率集合的化学结构。这种方法将类似于当前计算机辅助的用来产生对所需新化合物的化合物合成的化学-合成项目。

该系统可以采用多种信号处理技术，如本文所述。例如，来自两个或多个结构上相关的化合物的信号可与来自结构上相关、但非活性的或不需要的化合物的一个或多个信号进行比较，以仅识别在信号之间所需的频率分量。得到的信号可因此被构造仅包括所需的峰值。然后通过生成时域信号，该时间域信号可用于治疗目的。

当然，也可以从一单一化合物的经处理的频域信号产生时域信号。例如，人们可获得所需样本的频域信号，并产生经处理的、所需的信号。从处理后的信号可以用已知的技术产生时域信号，然后可将其用于治疗或其它用作模拟到该化合物本身的用途。

图15A显示了典型的样本化合物时域信号。在该情况下的除草剂甘胺酸磷酸盐(RoundupR)。在这里显示的片段是在时间区间14.08-14.16秒上被采用。然后采用标准自相关算法对时域信号进行自相关，并采用标准FFT算法生成该自相关函数的FFT。

通过采用FFT图，例如图15B-15E中所示的，通过计数统计学上大于在自相关FFT中观测到的平均噪声的谱峰数量对该图评分。重复该过程，直至记录了峰值得分，即直到随着噪声增益增加，给定信号得分开始下降。记录下峰值得分，且程序或用户从时域信号文档中选择对应于峰值得分的信号。

在图15B-15E中的一系列自相关FFT曲线阐明了该方法包括的信号分析。在70.9-dbm(图15B)噪声水平，观测到极少高于背景噪声的峰值(最高尖峰表示60周期噪声)。在74.8-dbm最优噪声水平(图15C和15D)，其在相同噪声水平表示不同的记录，通过DC-8kHz频率范围观测到大量统计学上高于平均噪声的峰值。这些峰值中的一些在78.3-dbm的更高噪声增益处不显著或者已经消失(图15E)。

当这些信号的频谱特征得分作为噪声设置的函数绘制出来时，如图15F所示，在约75-dbm的噪声设置处观测到峰值得分。从该图中，选择与峰值得分对应的时域信号。

5.转导设备和协议

本部分将描述一种仪器和方法用于对具有根据本发明的内容形成的样本进行转导，并总结演示各种生物学系统的响应至本发明的时域信号的实验。这些实验中所使用的信号为根据上述方法形成的优化时域信号，表明本发明的信号能够在各种生物学系统中产生各种特定化合物响应的能力。

图13示出了根据本发明的利用制剂特异性信号对样本进行转导的仪器的布局图。所述特定布局容纳有5种不同的样本，包括处于转换线圈中且暴露于电磁信号之下的三种样本444、446和448、用作对照的样本450、以及用作化学诱导对照的样本452。图13中的系统可以用于进行试验，如果该系统被用来给患者实施治疗，则某些元件是可以被省略的，例如448、450、452等等。

通过向样本“播放”最优制剂特异性信号来实现由制剂特异性信号所进行的转导，所述信号被刻录在CD上，并且在刻录好的CD 454上通过前置放大器456和音频放大器458进行播放。如图所示，该信号通过单独的信道而被提供给电磁线圈444和446。在一种实施方式中，使用索尼的CDP CE375型CD播放器。该播放器的信道1连接到Adcom公司的GFP 750型前置放大器的CD输入端1，信道2连接到Adcom公司的GFP 750型前置放大器的CD输入端2。CD被刻录成从每个信道播放相同的信号。可选择地，所述CD可被刻录成从每个信道播放不同的信号。样本448下的线圈主要被用来产生白噪声场，以对实验进行控制。例如，GR模拟噪声发生器为所述线圈提供白高斯噪声源。可选择地，所述线圈可被用来通过另一冠状放大器播放任何提前录制的转导信号。

图14示出了样本(例如为图13中的样本444、446和448中的任意一者)转导仪器466。该仪器包括容有电磁铁470的腔室468、以及用于监测腔室内的状况(例如，温度)的各种探测器。所述电磁铁位于基座474上，并且通常包括环形铁磁芯和导线绕组。

在一种实施方式中，所述线圈由美国Magnetics公司设计和生产，以使各线圈具有统一的性能。每个线圈包括416匝#N08规格(awg)的瓷漆包矩形铜电磁线，该线圈具有大约2″的空心。在10伏特RMS(有效值)、10安培RMS、11赫兹、而且温度提升不超过15摄氏度的情况下，每个线圈可以在中心产生大约1500高斯。

在操作过程中，样本，例如人类患者或患者的身体的一部分，被置于线圈中心之间。因此，例如，线圈可以位于支架床的相对两端、床的相对两侧、或者患者头部的相对两侧。然后使用图13所示的信号发生仪器激活所述线圈，在预定的治疗时间，例如，1至数小时。

图16示出了在本发明的系统中创建和施加信号的过程的一个示例。在框3102，该系统接收并记录来自一个或多个样本的时域信号，以上述方式进行。在框3104，系统生成频域信号，然后处理该信号以将不需要的分量从所需要的频率分量分离。在框3106，经处理的频域信号被转换回时域信号。该时域信号随后可被应用到生物学系统，以生成所需的结果，在框3108。

参考图18，用于修改波形的方法3000开始于框3302，其中用户获得一起始波形。例如，使用标准的用户界面技术的用户，选择并检索来自数据存储的所需的波形。可替代地，用户可以得到在样本的“活(live)”询问期间的信号。

在框3304，用户可以将开始波形与另一波形组合，如果需要的话，在框3306，用户检索另一波形。当然，如果需要的话，用户可以简单地修改起始波形。

在框3308中，用户使用任何的各种技术修改起始波形。图19C示出了一示例，其中用户可以简单地采用标准的用户界面技术，诸如用鼠标来操纵指针3404并衰减(或放大)如显示在显示装置上的起始波形中的一个或多个频率峰值。例如，用户可以简单地点击显示的波形的一部分的峰值3402，并使用鼠标拖动峰值向下衰减其幅度，如图19D所示。

许多其它技术也可被采用。用户可以简单地选择波形的一部分，剪切或复制，然后将其粘贴到起始波形。例如，参照图19A，用户可以将光标移动到波形的一部分的周围，以选择波形的该部分(示为虚线框3406所示)。一旦被选择，用户可以从多个菜单选项中的一个进行选择，如从波形中剪切该部分。或者，一旦选择，用户可以修改该部分的波形，例如通过用平整线替换它、让它衰减、放大它，或者执行各种其它的信号处理技术。

该系统可以采用波形库，其波形能够根据需要由用户插入或采用。用户可以选择信号的一部分并使其过滤掉所有的峰值，从而消除在波形中的噪声或不需要的频率分量。例如，图19B示出了可以存储在库中的波形或滤波器信号3408的示例。通过将信号3408施加到图19A的波形中，该系统提供了所得到的、处理过的波形，如图19C所示。

在框3308，该系统可以采用各种数学方法来修改起始波形。例如，起始波形可以通过使用多种在框3306检索的具有一个或多个波形的数学方法组合起来，这种数学运算包括：对作为其它波形的线性或非线性函数的起始波形进行加、减、乘、卷积、互相关、缩放。

在框3310中，程序3300查询用户关于是否需要对起始波形进行多个修改。如果需要，则程序循环回到框3304，通过3308再次执行。如果不是，则在框3312中，用户可以存储所得到的波形。然后所存储的波形可以被用于将来对其它起始波形进行修改、用于治疗效果或各种其他原因，在此被描述。

下面是另外的技术的一些例子，以整形波形或按时间序列的波形集合。

无源滤波器：简单的电子滤波器是基于对电阻器、电感器和电容器(或相同的逻辑或编程表示)的组合。这些滤波器可以被用来在记录之前、在处理之前，或在转导之前整形波形。各种现有的软件包或程序允许用户模拟响应的电子滤波器。这种软件程序可以方便地在本发明中被采用以过滤频域波形，通过使用这种电子滤波器的软件建模版本。

有源滤波器：硬件或软件滤波器也可以通过使用组件和放大器的组合以创建有源滤波器来实现。这样可具有高Q值，并实现共振，而无需使用电感器。如同无源滤波器，软件应用或程序的存在用于模拟有源滤波器的响应，并且这种程序可以在此被用来修改波形，通过使用一个或多个有源滤波器的模型。本发明的系统可以采用类似的现有软件程序与滤波器一起使用来实现，处理和整形会在下面被描述。

数字滤波器：数字滤波器是一种电子滤波器(通常为线性)，在离散的时间，即通常是通过数字电子计算实现的。数字滤波器通常是有限脉冲响应(FIR)或无限脉冲响应(IIR)，虽然也有其它的，如被称为截断无限脉冲响应(TIIR)滤波器的混合类滤波器，其显示有限脉冲响应，尽管其是由无限脉冲响应组件制成的。

数字信号处理：数字信号处理(例如，作为计算机程序执行)可以模拟，例如，具有一个抽头延迟线的梳状滤波器。该程序从代表该信号的数字值串中选择数字，在一模拟抽头延迟线的梳状的间隔。这些数字是由常数相乘，并加在一起，形成了滤波器的输出。数字信号处理(DSP)允许多个通带或多个带隙，基本上只允许选定的频率集合，使其到达输出级。

波形整形：存在许多公知的方法用于波形整形，通过改变其上升时间、维持时间，和衰减时间，或以其它方式改变来自、或成为正弦波的信号，通过使用全波整流器或或脉冲宽度调制(作为例子)。

本文所述的所有仪器可以被缩放，以生产更大或更小尺寸或强度的用于各种应用的系统。例如，如果系统将被用于治疗人类患者，接着针对患者的具有用于生成电磁波的线圈的系统可能被创建。在一实例中，具有嵌入在其中的圆形或方形亥姆霍兹线圈的床将接收由处理过的频域信号所产生的时域信号。接着患者将接收得到的电磁波以引起所需的生物效应，或者其会通过例如摄取生成该信号的化合物而被提供。

一种用于对患者的电磁波的更有针对性的应用的系统当然是可能的。例如，一个或多个线圈可在一小装置(如头盔，或手持棒)内被提供。该输出装置接收由所需的频域信号所产生的时域信号，如上所述。所得的电磁波可以通过输出装置被引导到患者身体的特定部位，以在病人的局部部分中产生所需的效果。

图17示出这样的信号输出装置的示例。数据库3202存储来自一种或多种化合物或样本的信号。可替换地，该信号可以是如上所述的未处理的频率或时域信号。计算机3204检索信号(或多个信号)，并把它提供给信号发生器3206。例如，计算机检索从处理过的且由特定的化合物创建的频域信号产生的所需的时域信号。接着计算机提供的时域信号至信号发生器3206以简单地放大信号。可替换地，计算机可以检索由该信号发生器转换成时域信号的经处理的频域信号。来自信号发生器3206的信号输出可以被信号修改器3208修改。该信号修改器可以执行另外的放大、滤波，等等。在替代的实施方式中，计算机3204执行必要的信号生成修改，从而分离用于信号发生器3206的电路以及信号修改器3208可被省略。可替换地，信号发生器3206或信号修改3208可以被除去。

信号输出装置3210接收信号，并应用到患者3212。如以上所提到的，该信号输出装置可以具有嵌入在患者床中的一个或多个线圈，以输出电磁波。可替换地，信号输出装置3210可以是一个小的、手持式装置、可穿戴装置(如一件含有线圈的服装)等等。

检测器702获得来自样本200的信号，并且该信号由处理单元704处理，以产生一数字文件1501，诸如一个.wav文件。该文件随后可被存储在存储介质1502上并分配或传送到远程计算机或其他装置。上述任意的存储介质都可以被用于传输信号或数据文件。

本发明的方面可由计算机可执行指令来实现，如通过通用计算机，例如，服务器计算机、无线装置或个人计算机执行的程序。那些本领域技术人员将理解，本发明可以与其他的通信、数据处理，或者计算机系统配置一起实施，包括：因特网设备、手持式装置(包括个人数字助理(PDA))、可穿戴计算机、蜂窝或移动电话的所有手段、多处理器系统、基于微处理器或可编程的消费电子产品、机顶盒、网络PC、小型计算机、大型计算机等。事实上，术语“计算机”、“计算装置”，和类似的术语通常在本文中可互换使用，并且是指任何上述的装置和系统，以及任何数据处理器。

发明的各方面可以在专用计算机或数据处理器中被具体化，其通过具体被编程、被配置或构造以执行一个或多个在此被详细描述的计算机可执行指令。本发明的方面也可以在分布式计算环境中被实施，在该环境中任务或模块由远程处理设备执行，其通过通信网络被连接的，诸如局域网(LAN)、广域网(WAN)、或者进行互联网。在分布式计算环境中，程序模块可以被定位在本地和远程存储器存储装置中。

本发明的方面，如数据文件，可以被存储或分布在计算机可读介质上，包括磁或光学可读的计算机光盘、硬连线或预编程的芯片(例如，EEPROM的半导体芯片)、纳米技术存储器、生物存储器，或其他数据存储介质。的确，基于发明的方面，计算机实施的指令、数据结构、屏幕显示、波/信号文件和其它数据可以被分布在因特网或其它网络上(包括无线网络)、在传播介质的传播信号上(例如，电磁波、声波等)经过一段时间，或者它们可以被提供在任何模拟或数字网络上(分组交换、电路交换，或其他方式)。

可替代地，在信号采集、处理和传输系统1500内的发射器1504要么通过适当的缆绳或硬线，要么通过无线发送文件到网络1506(例如，因特网)。该文件然后可以通过有线或无线通信被发送到计算机1512。

该文件可以经由网络向远程位置传送，例如传送至转导器接收器1508。例如，卫星网络1510可被用于将文件传送到转导器接收器1508

转导器接收器1508可以是用于接收该文件的标准的接收器，并包括一转导器，用于转导文件作为将被施加的电磁信号。在一个实施方式中，植入的转导器接收器被植入患者，身体或结构。其中转导器接收器的接收器组件1508是无线接收器，接着该转导器/接收器可以无线地经由网络(或卫星)接收该文件。在替代的实施方式中，蜂窝电话或移动装置1514从网络接收该文件，并通过任何已知的无线协议将它中继到转导器接收器，包括短距离无线协议，例如蓝牙，任何的IEEE802.1 1协议等等。

转导器收发器1516，类似于转导器接收器1508，具有传感器1518。因此，该转导器收发器1516，不仅可以类似地接收所传送的文件1501并转导，或将其应用到生物学系统，而且还从传感器1518获得数据，并且将数据传送回系统1500(例如，经由网络)。

根据图21中，转导器接收器1508和转导器收发器1516的一示例被提供，它包括动力源1530，用于提供电源给装置。接收器收发器1532有线或无线地接收文件1501，然后通过转导器1534可将其转导或应用到对象或样本。文件可以由放大器1536被放大和/或被处理器1538处理。存储器1540可以存储文件，或存储来自一个或多个任选的传感器1518所获得的数据。

图22和23显示了适用于本发明的转导线圈。图22中的转导器494是长螺线管，例如长达数英尺。螺线管内的磁场平行于螺线管轴线，并在螺线管内恒定，在螺线管外趋于零(在接近无限长的螺线管内)。该有限长的线圈只有在其中心附近才具有充分均匀的磁场。因此，通过将样本或对象放置于线圈的中央，当用数据文件1501或MIDS信号为线圈供能时，在样本上可以形成基本均匀的磁场。

通过向螺线管上增加额外匝数，例如在图22内的螺线管496上增加额外的匝数500，可增加线圈末端的额外磁场强度，以补偿在其末端的线圈磁场下降。

以任一个或其他的额外的实施方式，转导线圈可以是一个小的可植入的铁磁线圈，诸如血管支架线圈能够通过附连到线圈的相对端的电极接收转导信号，或者通过可植入的系统(如系统1508，1516)，或通过远程感应系统接收转导信号，其中电磁铁被置于靠近身体表面，靠着病人的胸部，并且信号被感应地传送到植入的线圈。

如上所述，系统利用在随机共振试验中得到的声音文件作为输入，并输出频率、振幅，和成分的正弦曲线(content sinusoid)的相位。系统可采用软件程序，称为“寻峰器(peakfinder)”，其依次采用其它软件包，例如Octave和Pd，前述两种都是开放源代码的(open-source)和目前得到支持的软件平台。

另外，可使用两个环境变量：第一，PF_TMP，其指定临时目录；第二，PF_BASE，其指定寻峰器(peakfinder)文件夹的位置。如果没有PF_BASE，peakfinder.sh脚本会试图根据自身调用推定它(假定其作为绝对路径名被调用)。输入文件为立体声声音文件，采用44100的标准采样率。文件格式可以是“wav”、“au”或“aiff”，为16、24或32比特样本帧。输出文件为指定一个正弦曲线的ASCII文件。例如：

595	100.095749	0.095624	-0.091218	-0.028693
					1487	250.155258	0.100177	0.040727	0.091524

在图表中，第一字段是以基本分析频率为单位的频率，解释见下，第二字段是以赫兹为单位的频率，第三是输入声音文件本身单位中正弦曲线的峰值，第四和第五是正弦曲线的余弦和正弦分量的振幅，复数振幅的实数和虚数部分。当然，该值可由实分量和虚分量推出。第一字段没有物理意义，其用于调试目的。

在白噪声中用于确定单一正弦曲线振幅和频率的技术是极大似然(ML)方法，其已被扩展为多重正弦曲线。该方法假定正弦曲线数量预先已知。找到非预定的正弦曲线数量的问题在数学上很难处理，但可以通过假定所讨论的正弦曲线在频率上充分独立的方式来处理。此外，需要一种方法来区分正弦曲线的存在和不存在。

通过研究白噪声中的单一正弦曲线开始以下分析，并发展到分析多重正弦曲线和非白(如粉色)噪声问题。给定以下所测量的信号：

x[n]，n＝0，...，N

该(离散时间)非归一化傅立叶变换定义为：

$\mathrm{FT}\left\{x\right[n\left]\right\}\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{-2\mathrm{\πink}/N}x\left[n\right]$

其中k是以该分析的基础频率为单位的频率；每样本2π/N弧度。k不必是整数；在实际操作中k的额外数值可根据需要用零-填充(zero-padding)信号填充。在假定存在单一正弦曲线时，其最可能频率由下式给出：

k＝argmax|FT{x[n]}(k)|

换句话说，最佳估计值就是简单的k值，其能够使傅立叶变换量最大。

然后，系统确定该k的估计值是否对应一个真实的正弦曲线或仅为随机波动。为此，需要分析无效假设以确定x[n]是否仅含白噪声，例如具有平均值0和RMS振幅σ。在每一个点k的傅立叶变换都是N个独立随机变量的和，每一个等于样本x[n]的单位量复数倍，因此傅立叶变换每一点的平均数仍然为0，标准偏差为如果独立噪声样本的修减(tail behavior)能够被良好反映(例如对于高斯噪声或均衡噪声)，得到的随机变量FT{x[n]}(k)对采用的N值(在10⁶量级上)，将非常接近高斯噪声。因此超出约的可能性极小。

另一方面，具有峰值振幅a和频率k(通常以2π/N为单位)的实数值正弦曲线具有aN/2的傅立叶变换量。为得到的量，我们只需要a至少为

该方法用零填充记录的声音文件(介于2和4的因数之间，取决于两个指数中的下一个(next power of two))，然后报告超过振幅阈值的峰值。峰值定义为与其周围相比，相对于给定k值具有更大量，并具有至少20个临近k值的量值的一半(约为20π/NHz，或1/3Hz频带，对一分钟的样本)。

如果存在几个正弦曲线，如果所提供的它们的频率彼此相差大于20π/N，上述方法应该可以分别分辨出它们；在计算出的傅立叶变换上，每个正弦曲线的影响在远离谱峰以k频率为单位的振幅上下降了2/3πk。

为补偿非白噪声信号，需要估算测量信号的频谱包络。噪声可假定为是在每一狭窄频率范围内(如上的20π/N)的局部白噪声，并根据该选定的频率范围逐渐改变σ值。另外一个问题是要确定注入的噪声样本能否从试验的测量的输出中减去。在这种情况下，通过简单与上述两者相关的可测量传递函数，即使是非线性的，也可使用该传递函数的估计从所测的信号中移除大量噪声。其也可提高方法的灵敏度。

如从以上描述中可以看到的，该系统使用户可以创建可用于治疗疾病的波形，或者在生物学系统中诱发反应。可以得到由两种或更多化合物生成的波形或谱系。然后这两个信号可以被合并以形成单一信号，该合并的信号具有上述两个单一信号的特性。例如如果该两个源信号涉及两种具有不同治疗特性的不同化合物，那么其结果是，得到的合并信号会具有该两种化合物合并的治疗特性。然后可对该合并信号操作，从而移除已发现与生物学系统中副作用或负反应有关的不需要的频率分量。

任选地，如果该两种化合物在生物学系统中产生类似应答，那么可以比较从上述化合物生成的两种信号，以识别与产生生物学作用相关的共有频率分量。随后可以生成只包含与生物学作用有关的那些频率分量的第三信号。从而，例如，可以比较某些缓解疼痛药物的信号，来识别其共有频率组分，随后生成用于传输、存储或应用在生物学系统中的最终信号。事实上，该系统允许构建出新的信号，其不直接基于从一种或多种化合物生成的信号。相反，该系统允许生成只在需要的频率具有峰值的信号，在该频率处这种峰值具有在生物学系统中需要的结果。因此，这种合成信号与已经存在的化合物无关。

6.小型化分子询问数据系统

小型化分子询问数据系统(MIDS)可以提供在前面的章节中讨论的基于SQUID的生物检测系统的一种替代方法。这种MIDS包括一种或多种原子磁强计，其显示出提高的灵敏度来测量例如，从生物样本生成的超低水平的磁场的变化。此外，利用原子磁强计或检测器，允许一个无线圈和基于室温的系统，而凭借SQUID，冷却是通过液氦或氮所必需的。但是，原子检测器，需要小磁场以便进行操作。相应地，上面讨论的屏蔽设备内的应用将提供具有小到没有外部磁场的环境，从而允许这样的操作。

图24示出了与生物样本一起使用的小型原子基于磁强计的MIDS检测设备2400。所示的该装置2400可以是类似的屏蔽结构的俯视图，如上面描述的图1所示，且屏蔽2402是类似于在上面描述的系统中使用的室温屏蔽。该屏蔽2402与通过使用梯度计获得的衰减结合使用。光缆2416和2410经由衰减管进入通过屏蔽(例如，在图2-4中的元件22和24)，它被切成特定的长度，以提供特定的频率至原子磁强计。缆绳的长度是依赖于衰减管宽度也依赖于被衰减的频率。屏蔽2402、衰减管和其他元件形成屏蔽结构，其包围原子磁强计、样本和亥姆霍兹线圈。该屏蔽2402外壳包括在所有面(包括顶部和底部)上具有一层Mu金属的法拉第氏罩。屏蔽外壳形成一容器，它可以是圆形的或球形的，其可提供更大的衰减，尽管其他形状也是当然可能的。如前面提到的，该检测器只能操作小的磁场，从而具有高的灵敏度水平。材料的厚度和/或层的数量，在该屏蔽内可基于MIDS装置的特定应用来调整。例如，用于产生具有较低水平的磁场的样本，改进的衰减可能是必要的，以检测在那些水平的信号。

在一个实施方式中，样本2404可以从屏蔽外壳的顶部下降，在两个小型化磁强计或检测器2406和2408之间或至少邻近于两者。可替代地，系统可被建立，以允许水平进入(例如，上面的图2所示)，或以任何其他方式进行配置。(术语“检测器”和“磁强计”通常可互换地使用)。重要的是，在样本和第一检测器2406之间的间隔以及第一检测器2406和第二检测器2408之间的间隔可以基于样本和该系统将被使用的特定应用被选择以调整或优化该系统。例如，具有外径为2cm的检测器允许具有3.2厘米间距的一阶微分梯度计。样本的磁场将被紧密地耦合到至少一个检测器。被连接在一起并以特定距离相互分离的两个磁强计可形成梯度计。该两个磁强计相反运行，并且如果感测相同的精确场，应相互抵消(例如，如果不存在场)。在实践中，磁强计中的一个被紧密耦合到目标源(样本)，而另一个是松耦合到目标源。然而，这两种磁强计也同样感测背景环境。当目标磁强计的输出与背景磁强计的反相输出相加时，背景被取消了，只留下目标源(信号)被检测到。

虽然检测器2406和2408不是线圈，用于区分检测器和线圈之间的比例将大致相同。梯度计线圈的直径和线圈之间的距离被调节或计算，以优化信噪比比例。这些被称为梯度计基线计算，且取决于每个线圈元件的半径和面积(例如，参见Baseline Distance Optimization for SQUIDGradiometers，Alexander Garachtchenko，Applied Materials，Santa Clara CA，USA；Andrei Matlashov，Robert H.Kraus，Jr.，Los Alamos National Laboratory，Los AlamosNM，USA)。对于圆形线圈的典型区分距离为半径的1.6倍(对于两个相同的线圈元件)。当“环境元件”直径增大距离增加。

一对亥姆霍兹线圈2420和2422注入噪声到系统中，如上所述。该系统采用随机共振提升亚阈值信号至可检测水平。线圈对(线圈2420和2422)被用来产生随机噪声，，以达到在注入的噪声和亚阈值弱信号之间产生随机共振的目的。以噪声和信号之和这样的方式提高弱信号分量高于检测阈值，以允许那些信号通过搞灵敏度的磁强计被检测到。改变的场的梯度特性影响在溶液中点电荷可能在靶分子周围被干扰的情况，并且在个别梯度计线圈元件中也影响电流的产生。改变场特性影响源场是如何产生的，同时也改变了梯度计的噪声消除动态。这两个参数同时对检测到的信号的信噪比具有影响。例如，如果噪声不充分地被梯度计衰减，低电平信号超过一必要的阈值可能不会被检测到。

白噪声也可以被应用，通过使用亥姆霍兹线圈对2420、2422，以产生一噪声场均匀地同时耦合到梯度计的两个磁强计元件。白噪声可以被用于产生随机共振，提升亚阈值信号至可检测的水平。该随机产物在第一磁强计中将是最明显的，从而当注入的噪声在梯度计内被消除时允许信噪比的进一步改善。

检测器2406和2408的每一个包括相应的光缆2410，引导红外激光进入含有铷气体原子的蒸汽腔。每个腔可包括光扩散器2412，和耦合到光纤输出缆绳2416的光传感器2414。这样的单个磁强计检测器的一个例子在美国专利申请2011/0031969 A1中被描述为室温分子磁场检测器，原子磁强计和感应磁场方法；Kitching等人，被转让给NIST。该检测器使用激光来加热材料蒸汽，其动态在磁场的存在中改变。相同地，或者第二激光，被用来观察在吸收或光散射中的不同，由于磁场改变蒸汽云的动态。也可以使用单独的蒸汽加热器，而不是使用激光加热。另一个示例是高带宽光磁强计，由Ricardo Jiménez-Martinez，W.Clark Griffith，Svenja Knappe，John Kitching，and Mark Prouty在the Optical Society of America B|OPTICAL PHYSICS Vol.29，Iss.12-Dec.1，2012第3398-3403页(Editor：Henry vanDriel，JOSA B，Vol.29，Issue 12，pp.3398-3403(2012))中被描述。

一般而言，生物学系统的高能动力学允许通过电荷的移动对磁环境的扰动，如麦克斯韦所描述的。例如，蛋白质动力学不仅推动与铰接事件相关的点电荷的运动，而且也推动电荷沿充电通路的传送。随着电荷运动观察磁扰动的能力可以是被测物质的诊断。

该系统使用两个小型的磁强计，其可能是具有用于噪声降低的一阶或二阶微分的配置。一阶梯度计是两个检测器，其测量靶源检测器2406(靠近样本)和相邻的检测器2408(即，相邻其他检测器)的反相背景信号之间的差值。如果额外的一组检测器被添加，其测量第二靶源检测器2426和第二相邻检测器2428的反相背景信号之间的差值的二级读数，使得读数二次迭代。再次，为了使结果被用作一级和二级，磁强计、梯度计(例如，磁强计组)和样本之间的间隔是相等的，在二阶系统中，样本信号变化，例如，从靶源检测器检测到的信号更准确。因此，作为一种替代的配置，系统可包括二阶微分梯度计，以提供更大地衰减。该第二微分梯度计包括另外两个磁强计或检测器2426和2428，其被定向到样本的另一侧，与原始对呈镜像(以虚线示意性地示出)。

在光吸收或来自每个磁强计的散射中的改变由光敏传感器测量，其输出与被检测到的光子的数量相关联的电压。在一阶或二阶微分配置中的每个磁强计检测在同一时刻的环境，并且每个磁强计的输出与其它是同相的。

为了实现降噪，一磁强计被紧密耦合至(通过磁场)测量中的材料(检测器2406)，而第二磁强计被放置与样本(检测器2408)有一定距离。由于第一磁强计被更紧密地耦合到该样本，任何与样本相关的磁场将产生相较于耦合到第二磁强计的较大的耦合到它的感应。然而，每个磁强计将具有到在背景环境中的场的相等的耦合。

第二磁强计(检测器2408)的输出电压的相位可以被电反相，使得第二磁强计与第一磁强计(检测器2406)的相位是180度异相的。两个电压输出然后被求和，有效地抵消任何电压，其是作为环境噪声的产物。剩余的电压与样本相关且被存储为时序数据用于将来的处理。

参考图25，是具有激光发射器2502以将光提供给检测器2406和2408的系统的示例。噪声发生器2504，诸如通用无线模型1381随机噪声发生器，提供了可控制的噪声至以亥姆霍兹线圈2420和2422，以磁场的形式注入噪声进入屏蔽系统。第一光至电压转换器2506接收来自第一检测器2406的输出，而第二光至电压转换器2508接收来自第二检测器2408的输出。来自转换器的输出由电压求和器2510相加，其输出接着被存储作为如上述的时序(如框2512所示)。所获取的数据可通过使用各种信号分析技术被存储和处理，包括频谱相关、小波分析、本征分析以及更多，且是在研究中的材料的诊断。

一般来说，熵可以被用来间接地确定检测到的信号和线圈对准的信噪比中的变化。各种数学解决方案可以实时地或在后处理被应用以确定在检测器输出的熵。用于测量信号的熵的典型方法是观察信号能量如何分布在带宽。相比于纯粹随机事件，偏离高斯分布的能量被认为具有较低的熵。

多种频谱算法在确定熵时是有用的，包括频谱自相关、傅立叶分析、小波分析，以及本征分析。噪声线圈对的定位调整是直到熵的最大负偏差在检测器的输出处被观察到时完成。如果分析的执行是实时地，调整可以被快速完成并且可以是自动的。

调整可相对于噪声线圈。图13A到图13F示出各种线圈安排或几何形状的示例，以产生在系统中的不同响应。位置可调的线圈允许线圈从亥姆霍兹配置移动至其他构象。每个线圈可以独立地重新定位如在本申请人的其他专利和专利申请中指出的，以产生具有不同梯度和向量的场。

图26示出了用于调节线圈2602的系统2600的示例。线圈2602可以是亥姆霍兹线圈、本文所讨论的其他线圈，甚至是检测器2406和2408。伸缩臂2604被放置在基座或框架2606和万向或球接头2608之间。伸缩臂2604可以包括伺服电机或其它机电调整(未示出)以沿一轴可调节地移动臂。接头2608允许线圈2602被旋转。再来另一电机可被用于围绕接头机电移动线圈。

图27在一实施方式中示出了剃度计的光学磁强计流动配置，该剃度计由两个原子磁强计制成并由光流管分离。在此配置中，在每个磁强计内的气体室，或腔3106和3108，均匀地光泵浦样本。该泵可以是耦合到光流管的寄生泵，其在每个磁强计之间延伸。通过寄生泵3102将样本在磁强计3106和3108之间泵送，用于在指定的时间间隔，在其上从位于各气体腔内的光检测器的测量被采取，类似于参照图24所描述的。磁强计3106和3108的腔可以被紧密地间隔开，以便为最佳耦合到流管3104和样本。新样本可以在每次时间间隔过去后被泵送。此外，步进电机，其未示出，可移动磁强计3106和3108离管更近或更远。

尽管没有示出，该系统可包括一移相器，适当的放大等。该系统可以采用DC偏移，具有注入的噪声。

许多替代方案是当然可能的。例如，数个检测器可以被布置在一个平面上，例如交叉布置。管或端口可以在检测器的中心被提供，通过这样该样本可以被运输。因此，材料可流过管，并被检测器检测，从而允许样本的更高速率的检测流。

在另一种替代方案中，检测器可被放置在X，Y和Z轴，从而形成检测器的三维阵列。样本可以被放置在检测器的中心，且沿X，Y和Z轴作了检测。该替代方案允许样本在三个维度被分析，从而样本的几何形状或模型，在分子水平上，可能被检测到。

上述实施方式的优点是，检测器在室温下是有效的，并且因此样本可以在一段时间内被测量，其中现有的样本通常将经受极冷环境，且不可能在很长的时间内承受这样的寒冷。现有的系统需要加热器，其可在这里被避免。许多系统的其他的优势和优点当然是那些普通技术人员可识别的。

结论

关于系统的各个方面的进一步的细节可在共同拥有的美国专利号6,724,188，6,995,558，6,952,652，7,081,747，7,412,340和7,575,934中找到，其每一个在此以引入的方式并入其全部内容。

除非上下文清楚地要求，否则整个说明书和权利要求中，词语“包括”，“包含”等将被解释为包含的意思，而不是排他或穷举的含义；也就是说，“包括但不限于”的意思。单词“耦合”，如通常在此所使用的，是指两个或多个元件可以被直接连接、或通过一个或多个中间元件的方式被连接。另外，单词“本文中”、“以上”、“以下”和类似含义的词，当在此申请中的应用，应是指本申请作为一个整体而不是此申请的任何特定部分。只要上下文允许，在上述详细描述中使用单数或复数还可以分别包括与复数或单数。关于两个或更多个项目列表的词语“或”，该单词覆盖了所有单词的以下解释：任何该列表中的项目、所有的在列表中的项目，以及在列表中的项目的任意组合。

上面对本发明的各种实施方式进行的详细描述并非用于穷举本发明、或者将本发明限制为上述所公开的特定形式。虽然上面出于示例性的目的描述了本发明的各种特定实施方式和实施例，但是相关领域的技术人员可以理解，各种等价修改也是在本发明的范围内的。例如，虽然以给定的顺序展现了各种处理或者模块，但是可选实施方式可以执行具有不同步骤顺序的流程、或者采用具有不同模块顺序的系统，而且某些处理步骤或者模块可以被删除、移动、添加、细分、合并和/或修改。每个这些处理步骤或者模块都可以以各种不同的方式实施。此外，虽然处理步骤或者模块有时被示为是顺序执行的，然而这些处理步骤或者模块还可以并行执行、或者在不同的时间执行。

在此所提供的本发明的教导可应用于许多其它的系统，而并非必须是上述系统。上述各种实施方式的元件和行为可以被合并，以提供更进一步的实施方式。

所有的上述专利、申请以及其它参考文献(包括所附提交文件中所列举的所有文献)均作为参考而结合于此。必要时，可以对本发明的各个方面进行修改，以使用上述各种参考文献中的系统、功能和理念，从而提供本发明更进一步的实施方式。

可以根据上述具体描述，对本发明进行上述和其它的改变。虽然上述细节描述包含了本发明的各种实施方式，并且描述了所预期的最佳模式，然而不管上述内容在字面上看起来多么的详细，本发明还是可以以多种方式进行实施的。信号处理系统的各种细节可以在其具体实施过程进行相当多的变化，但依旧处于在此所公开的本发明的范围内。综上所述，在描述本发明的某些特征或者方面时所使用的特定专用术语并非用于表示该专用术语在此被重新定义，并受到本发明与该专用术语相关联的任何具体的特性、特征或者方面的限制。总的来说，下述权利要求中所使用的术语不应被理解成用于将本发明限制为说明书中所公开的具体实施方式，除非上述具体说明部分对这样的术语给出了明确的定义。因此，本发明的实际范围不仅包括所公开的各种实施方式，而且还包括在权利要求的范围内实现或者实施本发明的各种等价方式。

Claims (22)

1.一种用于分析由样本产生的分子信号的设备，所述设备包括：

(a)被配置为支持所述样本的信号源支架；

(b)两个或多个小型化磁强计，其包括充满气体原子的蒸汽室，

其中所述磁强计能够检测由所述样本产生的磁场，

其中第一磁强计邻近于第二磁强计放置，以及

其中至少一个磁强计接近于所述信号源支架和所述样品；

(c)线圈，其被配置为均匀地产生围绕所述样本和所述磁强计的噪声，其中所产生的所述噪声能够引起在所述样本中的随机共振以放大所述样本的特征信号；

(d)至少一个磁屏蔽，用于电磁屏蔽所述信号源和所述磁强计以避免来自外部的电磁辐射；以及

(e)在所述磁屏蔽中的至少一个开口，能够接收两个或多个光缆，

其中所述两个或多个小型化磁强计的每一个都被耦合至一个或多个缆绳，

其中至少一个缆绳被用于发送光/辐射至所述磁强计，以及

其中至少一个缆绳能够接收来自所述磁强计的光/辐射。

2.根据权利要求1所述的设备，还包括覆盖所述磁屏蔽的一层Mu金属合金。

3.根据权利要求1所述的设备，还包括在所述磁屏蔽内的第二开口，其能够接收被配置为递送电流至所述线圈的电缆。

4.根据权利要求1所述的设备，其中所述磁强计被配置在一阶微分配置中，在所述一阶微分配置中的所述第一磁强计接近于所述样本，以及所述第二磁强计邻近于在一阶微分配置中的所述第一磁强计。

5.根据权利要求1所述的设备，其中所述磁强计被配置在二阶微分配置中，在所述二阶微分配置中的第一组磁强计均等地被放置在所述样本的不同侧，每组具有接近于所述样本的第一磁强计以及邻近于所述第一磁强计的第二磁强计。

6.根据权利要求1所述的设备，还包括衰减管，其被耦合到至少一侧开口且在所述磁屏蔽之外，其中所述衰减管是电耦合到所述磁屏蔽。

7.根据权利要求1所述的设备，其中每个所述磁强计被耦合到能够接收来自光检测器的光辐射输出的光缆。

8.根据权利要求1所述的设备，其中所述线圈是亥姆霍兹线圈，并且其中所述线圈被耦合到可移动的框架。

9.根据权利要求1所述的设备，其中所述信号源支架是管，并且其中所述设备还包括蠕动泵以移动多个样本通过所述管且经过所述两个或多个小型化磁强计。

10.一种用于分析由样本产生的信号的系统，所述系统包括：

至少一个第一磁强计，

其中所述第一磁强计能够检测由样本产生的磁场，

其中所述第一磁强计接近于样本被放置；以及

其中所述第一磁强计具有每边小于6cm的大小；

噪声产生组件，其被配置为均匀地产生围绕所述样本和所述第一磁强计的噪声，

其中所产生的所述噪声能够引起在所述样本中的随机共振以放大所述样本的特征信号；以及

至少一个屏蔽结构，用于电磁屏蔽所述样本和所述第一磁强计，以避免来自外部的电磁辐射。

11.根据权利要求10所述的系统，进一步包括：

在所述磁屏蔽中的至少一个开口，其能够接收缆绳，

其中所述第一磁强计被耦合至所述缆绳，

其中至少一个缆绳被用于发送光/辐射至所述磁强计，以及

其中至少一个缆绳能够接收来自所述磁强计的光/辐射，以及

其中所述缆绳中的至少一个具有长度以衰减在接收的信号中的不需要的频率。

12.根据权利要求10所述的系统，还包括覆盖所述屏蔽结构的一层Mu金属合金。

13.根据权利要求10所述的系统，还包括在所述屏蔽结构内的开口，其能够接收被配置为递送电流至所述线圈的电缆。

14.根据权利要求10所述的系统，其中多个磁强计被配置在一阶微分配置中，在所述一阶微分配置中的所述第一磁强计接近于所述样本，以及第二磁强计邻近于在一阶微分配置中的所述第一磁强计。

15.根据权利要求10所述的系统，其中多个磁强计被配置在二阶微分配置中，在所述二阶微分配置中的第一组磁强计均等地被放置在所述样本的不同侧，每组具有接近于所述样本的第一磁强计以及邻近于所述第一磁强计的第二磁强计。

16.根据权利要求10所述的系统，还包括衰减管，其被耦合到至少一侧开口且在所述屏蔽结构之外，其中所述衰减管是电耦合到所述屏蔽结构。

17.根据权利要求10所述的系统，其中所述第一磁强计包括充满气体原子的蒸汽室，且被耦合到能够接收来自光检测器的光辐射输出的光缆。

18.根据权利要求10所述的系统，其中所述噪声产生组件包括亥姆霍兹线圈，并且其中所述线圈被耦合到可移动的框架。

19.一种分析化学或生化制剂在对该制剂应答的系统上产生作用的方法，包括：

在屏蔽结构内提供样本且所述样本接近于至少一个磁强计；

将含有所述制剂的样本放置于既具有磁屏蔽又具有电磁屏蔽的容器中，其中所述样本作为分子信号的信号源；

在噪声振幅足以生成随机共振时，在不存在来自另一信号源的另一信号的情况下将噪声注入所述样本，其中所述噪声具有在多个频率上大体均匀的振幅；

检测来自所述样本的输出辐射并记录在不存在另一生成的信号的情况下由叠加在注入的噪声上的样本源辐射组成的电磁时域信号，其中所述信号通过至少一个室温、小型化磁强计被获得；以及

如果所述样本源辐射不足以将所述注入的噪声区分出，则在所选的噪声水平范围内的多个噪声水平的每一个处重复所述注入和检测，直到所述叠加的信号呈现由所述信号源通过随机共振所产生的所述信号的特征；

识别表示所述时域信号的主要特征的频率；

通过以下步骤合成应答-产生信号：

从所述样品的所识别的频率中选择至少一个频率；或

结合从两个或多个制剂样本的所识别的频率中选择的频率；以及

通过在电磁转导器的电磁或磁场内放置所述制剂-应答的系统，以及通过所述转导器在一信号振幅应用所述合成的信号且经过一段足以在所述制剂-应答系统中产生制剂-特定作用的时间，暴露所述制剂-应答系统至所述合成的应答-产生信号。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述合成的应答-产生信号是下列的结合：

一个或多个制剂样本的所识别的频率，其表示所述样本的化学或生物作用；或

从一个或多个制剂样本的所识别的频率中选择的频率，其表示每个制剂样本的化学或生物作用的一些方面。

21.根据权利要求19所述的方法，其中所述分析由以下之一实现：

(i)生成直方图，对于DC至8kHz范围内的所选频率范围上的每个事件箱f，所述直方图示出了每箱中的事件计数的数量，其中f是用于对所述时域信号采样的样本率，将与高过给定阈值的箱的数量相关的得分分配给所述直方图，并且根据所述得分选择时域信号；

(ii)使所述时域信号自相关，在DC至8kHz范围内的所选频率范围上，生成所述自相关信号的FFT(快速傅里叶变换)，将与高过平均噪声值的峰值的数量相关的得分分配给所述FFT信号，并且根据所述得分选择时域信号；以及

(iii)计算在DC和8kHz之间的所选频率范围内的多个所定义的时间周期的每一个上的所述时域信号的一系列傅立叶谱，对所述傅立叶谱求平均；将与高过平均噪声值的峰值的数量相关的得分分配给所述被平均的FFT信号，并且根据所述得分选择时域信号。

22.根据权利要求19所述方法，其中所述电磁铁转导器包括一个或两个的在所述暴露之前被植入到生物学系统中的可植入的线圈以及手持式移动装置，其中信号通过有线或无线通信到达所述转导器，以及其中无线信号被直接发送或通过卫星发送。