专利名称：一种台式核磁共振小谱仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及核磁共振仪器，具体的讲是涉及一种台式核磁共振小谱仪。
背景技术：
核磁共振小谱仪在物质含量的快速测定和产品的质量监控等方面发挥重要的作用。近年来，随着技术的进步与发展，其应用的深度与广度在不断拓展。目前核磁共振小谱仪比较成熟的应用例子有油籽中的含油量、油脂和巧克力中固态脂肪含量、种子的含水量、牙膏的含氟量、石蜡的含油量、碳氢混合物中的氢含量等的快速测定，以及油田测井的岩心分析等等。
目前常规的核磁共振小谱仪主要由磁体系统(包括磁体恒温系统和匀场系统)，探头以及核磁共振谱仪控制台三部分组成。仪器的核心部分是谱仪控制台，它主要由计算机、射频频率源、发射通道和接收通道等部分组成。频率源产生的射频信号经过发射通道放大之后，进入探头的发射线圈以激发被测样品。激发的过程非常短暂(数μs至数十μs)，被激发后的样品将产生核磁共振信号，通过探头中的接收线圈接收，然后进入接收通道放大，最后通过模数转换器(ADC)卡采集进计算机。常规的谱仪控制台部分采用主从式的结构，一般由两台计算机组成。主计算机主要用于接受用户输入命令、数据处理及显示等操作，从计算机即控制计算机用于控制硬件工作，主计算机和从计算机之间通过网线连接进行通信。其结构框图如
图1所示。这种结构虽然功能较强，但是由于系统结构复杂，导致仪器成本过高，阻碍了小谱仪的推广应用。
发明内容
本发明的目的是根据上述产品的不足之处，提供了一种台式核磁共振小谱仪，它由单台计算机完成从对谱仪的实时控制到数据处理及显示的所有任务，改变了常规谱仪系统中的主从式结构。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案
本发明主要由磁体系统、探头和核磁共振谱仪控制台三部分组成，其中核磁共振谱仪控制台采用一体化的设计方案，即使用单台计算机完成从对谱仪的实时控制到数据处理及显示的所有任务，改变了常规谱仪系统中的主从式结构。其系统结构框图如图2所示。
本发明的谱仪控制台主要由单台计算机、射频频率源、发射通道和接收通道组成，其中频率源产生的射频信号经过发射通道放大之后，进入探头的发射线圈以激发被测样品，被激发后的样品将产生核磁共振信号，通过探头中的接收线圈接收，然后进入接收通道放大，并经采集进入计算机。
单台计算机采用了基于PC机的软件化的脉冲序列发生器，射频频率源采用的是数字化频率源DDS。
发射通道是由数字化频率源DDS和射频功率放大器构成，其中数字化频率源DDS发出射频信号以后，通过射频功率放大器放大，直接去激发探头中的样品。
接收通道由数字化频率源DDS、高速数据采集ADC卡、前置放大器、相敏检波器、音频放大器构成，探头的接收线圈中感应到的微弱信号首先经过前置放大器放大，然后经过相敏检波器检波，再通过音频放大器放大以后直接由ADC卡采集进计算机。接收通道部分采用了数字正交检波技术，只需单路采样，通过软件进行数字正交检波处理，得到双路正交信号。
发射通道的射频激发信号和接收通道的参考信号共用一个频率源DDS。
所有数字化部件均采用PCI接口与计算机通信。
本发明的磁体系统主要由一个永久磁体和恒温电路组成，由于永久磁体的场强会随温度的变化而变化，因此需要对磁体进行恒温，保证测量时的精度，小谱仪的探头采用了单线圈的探测电路，磁体系统和探头部分的结构一般比较固定，与常规谱仪相比没有太大变化。
在图2中，除了磁体和探头部分外，剩下的部件全部属于谱仪控制台部分。整个谱仪控制台包括数字部分和模拟部分，其中的数字部分是以计算机为中心的，在一台个人计算机上插有一块数字直接频率合成DDS卡和一块高速数据采集ADC卡，DDS卡和ADC卡都采用PCI接口与计算机通信，DDS卡采用了直接频率合成技术，可通过计算机任意设置其幅度、频率和相位，ADC卡采用了高速采集芯片，最高采样速度可达10MHz，I/O(输入和输出)控制口直接集成在DDS卡上，共有8位I/O控制线，可根据实际应用场合需要任意规定I/O控制线的用途；模拟部分主要包括射频功率放大器、前置放大器、相敏检波以及音频放大器，其中在射频放大器上集成有射频开关，射频开关由I/O口控制。
与常规谱仪控制台相比，本发明在三个方面做了简化。第一，采用了基于PC机的软件化脉冲序列发生器，节省了硬件成本，软件化的脉冲序列发生器在实现每个脉冲序列时主要采用汇编语言编写；第二，利用DDS技术相位、频率和幅度的可控性，将发射通道和接收通道的频率源合二为一；第三，接收通道采用了数字正交检波技术，将常规的两路正交检波和采样简化为单路。
本发明的软件系统除了实现了上述基于PC机的脉冲序列发生器和数字正交检波处理外，还包括常规的谱处理，主要包括快速傅立叶变换、相位校正、基线校正、峰值提取、定标以及T1、T2拟合等处理，同时针对小谱仪的主要应用场合，软件中还针对含量分析进行了专门的应用开发，主要开发了两种类型的含量分析，一种是绝对含量分析，另一种是相对含量分析。绝对含量分析主要是测试样品中油(或水)的含量，每次测量以前需要用一个标准样品进行定标；相对含量分析主要是测试同一样品中具有不同T2的成分的含量，比如在同一样品中既含有油又含有水(油和水的T2时间不一样)，可通过相对含量分析分别得出油和水的含量。同时考虑到用户可能根据需要进行二次开发，还为用户开发预留了接口，这个接口主要是通过把参数和FID数据保存在文本文件中，当用户需要对数据进行特殊处理时，可直接从文本文件中读取数据，然后根据实际应用再进行相应的数据处理。
本发明具有下列优点整个小谱仪系统采用了一体化设计，在不降低系统性能指标和功能的前提下，大大简化了谱仪结构，具有很高的性价比。
1、采用了一体化的谱仪控制台，与常规主从式结构的谱仪控制台相比，大大简化了谱仪结构，减小了谱仪体积，降低了谱仪成本，为小谱仪的推广应用创造了有利条件。
2、发射通道的频率源部分采用了数字直接频率合成技术DDS，它具有极高的频率分辨率，极短的切换时间，以及数字调制功能。因此可通过计算机快速地切换DDS的幅度、频率和相位，为一体化设计提供了技术基础，增强了小谱仪的功能。
3、接收部分采用了数字正交检波技术，只需进行单路检测，节省了硬件成本。同时与传统的模拟正交检波相比，数字正交检波技术可完全消除采用模拟正交检波技术时由于两路信号不完全正交而产生的镜像峰，提高了谱仪性能。
4、所有数字化部件都采用PCI(Peripheral ComponentInterconnect)接口，可以方便地与目前主流PC机或工控机连接。
5、为用户开发预留了接口，用户可从文件中读取数据对数据进行再处理。
附图概述附图1为常规谱仪结构框图；附图2为本发明结构框图；附图3为数字正交检波模式原理图；具体技术方案以下结合附图通过实例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解如图2-3所示，小谱仪的具体工作流程是在执行脉冲序列时，基于PC机的脉冲序列发生器根据核磁共振实验的要求执行相应的脉冲序列代码，直接去控制DDS卡、AD卡和IO控制口等数字化部件。首先通过计算机设置DDS的激发频率、幅度和相位，产生激发射频信号；然后通过DDS卡上的I/O控制口去控制射频开关，使得频率源DDS上发出的射频信号通过射频开关产生指定宽度的射频脉冲；射频脉冲经过射频功率放大器放大以后直接进入探头中的射频发射线圈，样品被发射线圈的射频脉冲激发以后，探头中的接收线圈将感应到FID(自由感应衰减)信号；FID信号首先经过前置放大器，然后进入相敏检波器，此时DDS发出的射频信号的频率被切换到参考频率上，因此，检波器输出的是音频信号，经过音频放大器放大以后，直接由单路ADC采集进计算机，在计算机中通过软件完成数字正交检波处理，把单路FID信号变成双路正交信号。
探头采用了常规的单线圈结构，其发射线圈和接收线圈共用，通过发射/接收开关(T/R Switch)进行转换。
数字化频率源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位数据总线，数据总线直接引到DDS器件中，可编程逻辑器件对地址线和一些控制线进行译码后直接控制DDS器件。使用时只需要通过计算机设置DDS芯片的相应的寄存器值，即可输出相应的波形。AD采样卡也采用了PCI接口，在采样前可预先设置采样点数和采样频率，为了保证实时性，在采样期间，AD采样卡是不受计算机干预的，AD芯片采集进的数据直接存入AD卡的SRAM中。采样结束以后，直接通过PCI总线读取SRAM中的数据。
数字正交检波的原理如图3所示在执行脉冲序列时，首先把DDS的频率设置为样品的激发频率，在采样时再把DDS的频率切换到参考频率(激发频率和参考频率一般差几KHz到几十KHz左右)。AD卡采样的信号是参考信号和FID信号检波放大以后的信号，当AD卡把信号采集进计算机以后，由软件对其进行数字正交检波处理，把单路信号变成双路正交信号。数字正交检波处理的算法主要包括两部分移谱和滤波。
基于PC机的脉冲序列发生器原理是产生脉冲序列需要一组事件和对应的延时，脉冲序列发生器就是根据事件控制字产生相应的电平来控制谱仪相关部件的工作状态并保持指定的延时。因此，用PC机来产生任意的脉冲序列是比较简单的，因为控制电平可以由I/O端口输出，而脉冲序列的延时是通过软件循环指令来实现的。例如，因为一个LOOP指令一般为5个CPU时钟周期，所以根据下式将所需要的延时换算成LOOP指令的循环次数即可n=D×fcpu5]]>其中D为所需的延时，单位是μs。fcpu为CPU的时钟频率，单位是MHz。根据上式可用下面的汇编语言产生一个正脉冲MOV EBX，IOAddress//设置IO端口地址(采用内存映射)MOV ECX，n//设定循环次数MOV [EBX]， EventHigh//输出高电平@DelayLOOP @Delay //脉冲宽度
MOV [EBX]， EventLow//输出低电平要实现基于PC机的脉冲序列发生器，必须要保证脉冲序列代码执行的实时性，因此需要在脉冲序列代码执行前关闭中断，保证脉冲序列执行期间的实时性。在采样期间及磁化矢量恢复期间，一般要开启中断，恢复到操作系统的正常状态。在Windows 98操作系统中实现起来比较方便，只要脉冲序列代码执行前加一条CLI关中断指令，在采样期间及磁化矢量恢复期间，用STI指令重新开启中断；而在Windows XP中，它的内部实现机制不同于Windows 98，在Windows XP中不能执行CLI、STI等特权指令。在Windows XP中要保证脉冲序列代码执行的实时性需要在脉冲序列代码执行前通过驱动程序把中断优先级设为最高，在脉冲序列代码执行完后再通过驱动程序把中断优先级恢复到原来的状态。采用以上方法，软件化的脉冲序列发生器的短期稳定度可达10-7，长期稳定度在10-6。
权利要求
1.一种台式核磁共振小谱仪主要由磁体系统、探头和核磁共振谱仪控制台三部分组成，其特征在于所述的谱仪控制台主要由单台计算机、射频频率源、发射通道和接收通道组成，其中频率源产生的射频信号经过发射通道放大之后，进入探头的发射线圈以激发被测样品，被激发后的样品将产生核磁共振信号，通过探头中的接收线圈接收，然后进入接收通道放大，并经采集进入计算机。
2.根据权利要求1所述的一种台式核磁共振小谱仪，其特征在于所述的射频频率源采用的是数字化频率源DDS。
3.根据权利要求1所述的一种台式核磁共振小谱仪，其特征在于所述的发射通道是由数字化频率源DDS和射频功率放大器构成，其中数字化频率源DDS发出射频信号以后，通过射频功率放大器放大，直接去激发探头中的样品。
4.根据权利要求1所述的一种台式核磁共振小谱仪，其特征在于所述的接收通道由数字化频率源DDS、高速数据采集ADC卡、前置放大器、相敏检波器、音频放大器构成，探头的接收线圈中感应到的微弱信号首先经过前置放大器放大，然后经过相敏检波器检波，再通过音频放大器放大以后直接由ADC卡采集进计算机。
5.根据权利要求1所述的一种台式核磁共振小谱仪，其特征在于发射通道的射频激发信号和接收通道的参考信号共用一个频率源DDS。
6.根据权利要求1所述的一种台式核磁共振小谱仪，其特征在于所述的单台计算机采用了基于PC机的软件化的脉冲序列发生器。
7.根据权利要求1所述的一种台式核磁共振小谱仪，其特征在于接收通道部分采用了数字正交检波技术，只需单路采样，通过软件进行数字正交检波处理，得到双路正交信号。
8.根据权利要求1所述的一种台式核磁共振小谱仪，其特征在于所有数字化部件均采用PCI接口与计算机通信。
全文摘要
本发明涉及核磁共振仪器，具体的讲是涉及一种台式核磁共振小谱仪，该谱仪主要由磁体系统(包括磁体恒温系统和匀场系统)、探头和核磁共振谱仪控制台三部分组成，其中核磁共振谱仪控制台采用一体化的设计方案，即使用单台计算机完成从对谱仪的实时控制到数据处理及显示的所有任务，改变了常规谱仪系统中的主从式结构，结构简单，体积小，成本低，功能和性能均有较大提高。
文档编号G01N24/00GK1529153SQ0315122
公开日2004年9月15日 申请日期2003年9月28日 优先权日2003年9月28日
发明者沈杰, 蒋瑜, 李鲠颖, 沈 杰 申请人:华东师范大学