CN109900731B - 一种核磁共振信号强度温度修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种核磁共振信号强度温度修正方法，包括改进的适用于变温操作的硬件，基于核磁共振理论和核磁共振探测线圈技术特点的理论模型以及用于标定硬件参数的实验方法。它提供了最可靠的的核磁信号与温度之间的相关性模型，同时给出了计算这个模型中各个参数的方法，在计算得到这些参数之后，便可以利用此模型直接计算核磁信号的修正结果，从而提供温度修正的效率。

Description

一种核磁共振信号强度温度修正方法

技术领域

本发明涉及一种核磁共振信号强度温度修正的方法，属核磁共振技术领域。

背景技术

作为一种工艺和品质控制的技术手段，核磁共振技术在包括食品、农业材料、岩石物理学等众多工业领域内的应用都非常广泛。在很多领域的核磁测试中，经常会遇到需要对样品进行温度控制的测试，如固体脂肪含量测试，橡胶交联密度测试、岩土未冻水含量测试和核磁共振低温孔隙结构测试等。在这些测试中都需要测试样品在不同温度下的某些物理性质，并且也有一些可靠的温度修正方法用于这些测试，例如固体脂肪含量的测试中会利用一种标准样品来计算不同温度下样品核磁信号之比，然后再用此比例关系来修正温度对核磁信号强度的影响，这种方法较为可靠，已经形成了国际标准；未冻水含量测试中经常通过对同一样品在不同温度下的信号强度进行多项式拟合来得到一个近似的信号强度与温度之间的函数关系，然后将测试结果代入此函数进行温度修正。这两种方法都需要对每次测试通过实验来进行温度修正。其它类型测试中也有各自的温度修正方法，不过这些温度修正方法并没有普遍的适用性，大多只适合温度点较少的实验中，对于某些温度点较多的核磁共振实验(如利用监控相变实现孔隙结构测试的核磁共振低温孔隙分析法)，固体脂肪含量测试及未冻水含量测试的温度修正方法都会极大地延长测试时间，影响实验效率。

因此，在不影响温度修正准确性的基础上，如何找到一种模型简单可靠又高效的温度修正方法来处理相关实验数据，成为该领域研究的难点。

发明内容

本发明为了解决现有技术存在的问题，提供一套理论完善、算法简单的核磁共振信号温度修正方法，以达到提高温度修正效率的目的。

根据核磁共振的原理和技术特点，温度对核磁共振信号强度的影响主要表现在两个方面：温度对样品的宏观磁化强度的影响和温度对核磁共振信号探测装置的影响。本发明将依据这两个影响因素的作用机理，从理论模型及硬件改进上着手解决核磁共振信号温度修正的问题。

1.温度对样品的宏观磁化强度的影响

根据核磁共振技术的原理，样品在磁场中被磁化后，其宏观磁化强度其实来自于原子核自旋在磁场中能级分裂后不同能级上的粒子数分布。

质子的两个自旋态在外加磁场的作用下会发生分裂，这称为赛曼效应。假设赛曼能级分裂大小为ΔE，则两个能级粒子数占据的关系为

这里N_l表示较低能级的占据数，N_h表示较高能级的占据数，如果总粒子数为N＝N_l+N_h，于是

而净磁化强度为

在一般实验条件下可认为ΔE<<kBT，净磁化强度近似为

温度越低，两个能级上的粒子数差越大，净磁化强度越大，温度越高则净磁化强度越小。净磁化强度与温度及主磁场的关系简化为

M₀∝B₀/T (1)

这里M₀为净磁化强度，T为温度，B₀为主磁场强度。实际上固体脂肪含量正是利用了这种反比关系来进行计算。

2.温度对核磁信号探测装置的影响。

如图1所示，核磁共振信号探测装置的核心部件是由电感元件1和电容元件2所构成的核磁共振探头线圈，其中电感元件1被缠绕在线圈骨架3上。核磁共振探头线圈在进行核磁共振实验时用于发射及接收电磁信号。按照核磁共振设备的技术特点，核磁共振信号的探测装置必须与被测样品紧密安放，这样在测试时，样品的变温环境势必会影响到探头线圈的性能。所以，基于变温操作的实验需要，线圈必须设计成具有很强的变温适应性，在整个测试过程中尽可能让更多的电子元件保持基本性能一致。

本发明希望可以找到一种简单可靠的模型，所以需要首先在硬件做相应的改进，以减少受到温度影响的硬件参数，从而简化修正模型。

首先我们只将必要的电子元件放置于控温区，并做好保温，然后将其它电子元件放置于远离控温区的地方，即非控温区，从而保护这部分元件不受温度的影响。对于核磁共振测试，需要紧密包裹样品的是电感元件1，电容元件2并没有位置上的需求。所以首先我们可以将电容元件2配置在离电感元件1较远的非控温区，并对电感元件1装上保温层4，从而首先保证电容元件2的性能尽可能少受或不受影响，并保证核磁共振信号在变温测试时的可靠性。

对于电感元件1，它的品质因子会受到温度的影响。一个电感元件的品质因子(简称Q)是它处于某一特定频率时，它的电感和电阻之间的比例，这个比例是用来量度电感元件的有效程度。品质因子越高，电感元件的表现越接近理想电感元件的表现。核磁共振信号的强度与品质因子成正比。电感元件的品质因子Q的表达式为

Q＝(ω₀L)/R (2)

这里ω₀是自旋共振频率，L和R分别是探头的电感和电阻。核磁共振信号强度部分依赖于质量因子Q。

电感的性质由电感元件1的几何形状决定，用于支撑线圈的骨架材料的热膨胀使得线圈尺寸发生改变，从而导致线圈的几何形状发生改变。另外，线圈本身也会有一定的热胀冷缩，不过这种改变非常微小，常用材料铜的热膨胀系数只有16.5×10^-6，银的热膨胀系数只有19.5×10^-6，所以温度对线圈的影响主要体现在对线圈支撑骨架的影响。

为防止变温时线圈骨架的这种变化，我们设计制作了用于支撑电感元件1的专用骨架，其材料为低膨胀系数的陶瓷材料，这样在变温时，即使电感元件1所用的导线有一定程度上的收缩或膨胀，但这种收缩或膨胀全部被限制在低膨胀系数的骨架上，所以电感元件1的整体形状不会有明显变化，所以可以保证其性能稳定。

在保证线圈品质因子Q的电感参数不受温度影响之后，对品质因子Q影响最大的是线圈电阻，由于电阻总是存在的，所以这个影响因素是无法从硬件上消除的，在一定的温度范围内，线圈电阻与温度的普适关系为

R∝α+T×β (3)

这里α和β为电阻经验参数。

根据式(3)核磁信号强度与温度之间的关系为

公式(1)给出了样品宏观磁化强度随温度的变化规律，公式(4)给出了线圈接收到的信号强度随温度的变化规律。尽管公式并没有给出信号强度与温度之间具体的函数关系，但它准确提供了不同温度下同一样品信号强度的比例关系：

所以根据公式(5)可以将任意两个温度点上的信号强度进行互相转换，这样我们可以选择一个标准温度，再根据这个比例关系，将所有温度的信号强度转换到其在标准温度下的信号强度值，从而完成温度修正。

公式(5)中除了温度参数外，还有线圈的电阻相关参数α和β。由于不同仪器的线圈材质的不同，我们很难找到合适的参数α和β，而且即使对于同一线圈，其相关参数也可能会随着线圈的使用程度有所变化，再者，不同的温度范围α和β可能也不尽相同。不过，在一定温度范围内物理性质稳定的样品，电阻相关参数α和β是相对稳定的。所以，必须要有一个可以测量参数α和β的方法。

对于在一定温度范围内物理性质稳定的样品，其核磁信号强度会随着温度的变化而变化，在进行温度修正后，每个温度点的修正后的信号强度应近似相等，所以可以根据此样品在每个温度点的信号强度，找到能够使得每个温度点修正后信号最接近的参数α和β，其一般实验过程为：

1)确定需要的温度范围后，找到一种在此温度范围内物理化学性质稳定的物质作为温度修正标准样品，这种物质必须适用于核磁分析，它可以是水、油或其它有机溶剂；

2)在所需的温度范围内，至少选择5个温度点进行测试，记录温度和核磁信号强度；

3)根据公式(5)通过最小二乘法拟合计算得到电阻相关参数α和β的值。

在正式的样品测试中，利用计算得到的参数α、β和公式(5)，直接计算进行温度修正。修正所用公式为

这里SI_TK-修正前为样品在温度为T_K时的原始采集信号强度，SI_TK-修正后为SI_TK-修正前换算成T₀温度下的信号强度。

上述这套理论完善、算法简单的核磁共振信号温度修正方法，包括改进的适用于变温操作的硬件，基于核磁共振理论和核磁共振探测线圈技术特点的理论模型以及用于标定硬件参数的实验方法，可以让温度修正的过程变得简单高效。

本发明的目的是通过以下措施实现的：

一种核磁共振信号强度温度修正方法，包括以下几个步骤：

1)选择用于进行温度修正的温度修正标样；

2)将核磁共振信号探测装置分为控温区和非控温区；

3)在电感元件外部包上保温层，并放置在控温区；

4)将温度修正标样放进电感元件的线圈骨架内部；

5)测量温度修正标样在不同温度点的温度和核磁信号强度；

6)根据公式(5)，推导线圈的电阻相关系数α和β，式中T₁、T₂代表温度，SI₁、SI₂分别代表温度点为T₁、T₂时的线圈核磁信号强度；

7)根据实际需要测试的样品，选定一个标准温度T₀；

8)测量7)中样品在不同温度点的信号强度；

9)根据公式(6)，将不同温度下的样品信号强度转换成在该标准温度T₀下的样品信号强度，从而完成温度修正，式中T₀、T_K代表温度，SI_TK-修正前为样品在温度为T_K时的原始采集信号强度，SI_TK-修正后为SI_TK-修正前换算成T₀温度下的样品信号强度。

所述温度修正标样为液态的化学试剂，指水、油或其他有机溶剂。

所述线圈骨架为陶瓷骨架。

所述样品温度点的数量不少于5个。

本发明未说明的技术特征采用成熟的现有技术进行配套。

本发明相比现有技术具有如下优点：

1、本发明不需要像在固体脂肪含量测试标准那样在每次测试中都引入参考用标准样品，也不需要根据不同实验拟合不同的多项式函数来计算样品的实际信号强度。

2、本发明提供了最可靠的核磁信号与温度之间的相关性模型，同时给出了计算这个模型中各个参数的方法，在计算得到这些参数之后，便可以利用此模型直接计算核磁信号的修正结果。

3、本发明的算法非常简单，可以很容易的加入到相关的核磁共振专用软件中。

附图说明

图1是本发明的核磁共振信号探测装置示意图。

图1中：1-电感元件；2-电容元件；3-线圈骨架；4-保温层。

具体实施方式

实施例1：

本实施例为核磁共振低温孔隙分析测试中的核磁信号温度修正。

核磁共振低温孔隙分析测试的样品控温范围一般在-35℃～5℃，所以需要选择在这个温度范围内保持液态的化学试剂来作为温度修正的标样，可选并易得的试剂有酒精、正辛烷或异戊烷等。

测试开始前，首先将试剂装载密闭的容器中，然后把封装好的温度修正标样放入探头线圈中。分别在-40℃、-30℃、-20℃、-10℃、0℃、10℃测试样品信号。可得到如下数据

温度(℃)	绝对温度(K)	信号
			-40	233.15	D1
-30	243.15	D2
			-20	253.15	D3
-10	263.15	D4
			0	273.15	D5
10	283.15	D6

公式(5)中所用的温度参数的单位为绝对温度，所以首先把摄氏温度转换为绝对温度，然后再根据公式(5)计算任意两个温度点上信号的关系，比如对于-30℃和-10℃的数据，我们可以得到

D2×243.15×(α+243.15×β)＝D4×263.15×(α+263.15×β)

任意两个温度点上的信号值均有相似的关系。然后根据这个等式可以拟合计算能得到线圈的两个电阻相关的经验参数α和β。

计算得到经验参数α和β之后，在实际测试的样品的信号进行温度修正时，首先选择一个标准温度，然后将所有温度下的样品信号都修正到标准温度的信号。例如，在普通的核磁共振低温孔隙测试中，我们可以选择0℃为标准温度，其它温度下的修正方法为

这里D_{K_修正前}是在温度T_K时原始的采样信号，D_{K_修正后}是修正后的信号。信号修正完成后再进行后续的计算。

本发明未说明的技术特征采用成熟的现有技术进行配套。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明，任何熟悉本领域专业的技术人员，在不脱离本发明之精神和范围内，可作各种简单修改、等同变化，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.一种核磁共振信号强度温度修正方法，其特征在于：

核磁共振信号强度温度修正方法，包括以下几个步骤：

1)选择用于进行温度修正的温度修正标样；

2)将核磁共振信号探测装置分为控温区和非控温区；

3)在电感元件外部包上保温层，并放置在控温区；

4)将温度修正标样放进电感元件的线圈骨架内部；

5)测量温度修正标样在不同温度点的温度和核磁信号强度；

6)根据公式

推导线圈的电阻相关系数α和β，式中T₁、T₂代表温度，SI₁、SI₂分别代表温度点为T₁、T₂时的线圈核磁信号强度；

7)根据实际需要测试的样品，选定一个标准温度T₀；

8)测量7)中样品在不同温度点的信号强度；

9)根据公式

将不同温度下的样品信号强度转换成在该标准温度T₀下的样品信号强度，从而完成温度修正，式中T₀、T_K代表温度，

为样品在温度为T_K时的原始采集信号强度，

换算成T₀温度下的样品信号强度。

2.根据权利要求1所述的核磁共振信号强度温度修正方法，其特征在于：

所述样品为液态的化学试剂是指水、油或其他有机溶剂。

3.根据权利要求1所述的核磁共振信号强度温度修正方法，其特征在于：

所述线圈骨架是指陶瓷骨架。

4.根据权利要求1所述的核磁共振信号强度温度修正方法，其特征在于：

所述样品温度点的数量不少于5个。

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