专利名称：使用复合预备脉冲的用于在非均匀rf磁场中对样本进行nqr测试的方法
技术领域：
本发明的领域总体上涉及核四极矩共振(“NQR”或“QR”)、更具体来说涉及一种 使用复合预备脉冲的的方法，其在使温度带宽几乎不降低或者不降低的情况下改进非均勻 射频(“RF”)磁场中的NQR灵敏度。
现有技术核四极矩共振(“NQR”)是一种化学上特定的分谱技术，其用于分析含有四极核的 目标样本(化学制品、爆炸物、麻醉品等等)。通常，一个或多个目标样本将被隐藏在可疑物 品(行李件、人、包裹等等)中和/或可疑物品上。在必须以无创和高效的方式彻底扫描许 多人和大量行李的乘客和行李筛查操作中，使用NQR传感器来迅速和准确地检测上述物质 是特别可取的。举例来说，一件行李(或其它类型的可疑物品)可以被放置在作为经过调谐的谐 振电路的一部分的感应线圈之内。然后，射频(“RF”)激励脉冲可以被施加到所述电路，以 在由该件行李所占据的扫描体积中生成振荡RF磁场。所述振荡RF磁场暂时地使共振四极 核的核磁矩方向一致，以产生目标样本中的宏观磁化。由共振RF磁场所感应生成的宏观核磁化以四极核的NQR频率进行振荡，并且感应 生成感应元件(NQR传感器中的线圈)中的电压(被称为NQR信号)。为了观测所述NQR信 号，高压RF激励被关闭，并且所述核信号在用于使灵敏接收机中的电子部件恢复的短时延 迟(其被称为该接收机的“死时间(dead time)”)之后被检测到。在四极核返回到其原始 热平衡状态并且失去其相干振荡的同时，所述NQR信号可能快速消失。在某些情况下，可以 利用附加的RF脉冲(被称为“重新聚焦(refocusing)脉冲”)来操纵四极核的量子态，以 部分恢复相干损失并且产生回波信号(echo signal)。可以利用多个RF脉冲重复所述再聚 焦过程，以产生一连串的多个回波信号。所述回波信号在脉冲之间没有照射(irradiation)的时间段期间被NQR传感器检 测并且被分析，以确定目标样本是否存在于受审的行李件之内(和/或之上)。在该特定的 例子中，可疑物品可以被放置在线圈之内并且被用还算均勻RF磁场照射。因此，目标样本 经历一致的激励，并且针对所述特定的RF磁场强度，NQR响应(信号)可以被最大化。在NQR技术的某些应用中，由于尺寸或几何形状约束，对受审物品的接近是受限 的，并且输送非均勻RF场的线圈被用于审查有限的体积。例如，用于人员筛查的鞋扫描器 或手持传感器、用于地雷检测的单侧传感器等等全部使用产生非均勻RF磁场的线圈。非均 勻RF磁场大大降低和削弱了 NQR传感器检测和识别目标样本的能力，因为目标样本经历各 种Bi场强，并且产生NQR响应信号的脉冲序列不可能针对所有Bi值而被优化。此外，非均 勻RF磁场导致NQR灵敏度根据目标样本的配置(形状/取向)和/或目标样本相对于NQR传感器的位置而变化。另外，用在标准NQR检测序列中的RF脉冲可能感应生成来自可能存 在于可疑物品的扫描体积中的某种材料的声振铃或磁声振铃(ringing)。所述声振铃或磁 声振铃进一步降低了 NQR灵敏度。不能改进SNR、不能最小化NQR灵敏度对目标样本的配置 和/或位置的依赖性、和/或不能消除声振铃，可能显著地使NQR技术的灵敏度降低，并且 还可能导致爆炸物、麻醉品、和/或其它类型的违禁品被错误地识别或者完全不被识别。在考察若干在先NQR检测技术以前，可能有益的是查看可能是被用于有效地 检测来自目标样本的NQR回波信号的最常用技术-自旋锁定、自旋回波(spin-locked spin-echo, "SLSE")脉冲序列-的简短描述。图1是示出了标准SLSE脉冲序列100的时间图。标准SLSE脉冲序列100通常包 括若干线性时间段，出于说明目的，所述线性时间段为预备脉冲101、时间段(或间隔)102、 重新聚焦脉冲103、恢复时间段或死时间104、采集窗口 105、以及一系列重新聚焦脉冲106。 预备脉冲101具有脉冲宽度pwl。时间段102具有长度T。重新聚焦脉冲103具有脉冲宽 度pw2。恢复时间段104具有长度Dt。采集窗口 105具有长度Tacq。标准SLSE脉冲序列100的时间图从左向右阅读。首先发生长度为pwl的单个预 备脉冲101。随之而来的是没有照射的间隔102 (长度为I)。然后发生一系列相同的重新 聚焦脉冲106。每个重新聚焦脉冲103都生成回波信号。使用现有技术中已知的方法，这些 回波信号可以被放大、调节、处理、和/或分析，以识别目标样本为爆炸物、非法麻醉品、或 者其它类型的化学制品。在所述一系列的重新聚焦脉冲106之内，恢复时间段104(长度为 Dt)和采集窗口 105 (长度为、。q)是不发生照射的时间段。将这些时间段包含在重新聚焦 脉冲103之间允许QR接收机监听和检测回波信号。所述重新聚焦脉冲106系列可以被重 复队次。一种使标准SLSE脉冲序列可视化的方式是将其写成表达式1 : 表达式1与之后的其它表达式一样都不是数学等式(例如横线(_)是破折号，而 不是减号)，而是对脉冲序列(在这种情况下为标准SLSE序列)的示例性的文字表示。在表达式1中，= Y lPWl是在脉冲宽度pwl期间发生的预备脉冲的回转角， 并且e = Y 是在脉冲宽度pw2期间发生的重新聚焦脉冲之中的每个的回转角。注 意这些回转角对自旋I = 1的核有效，并且可以通过包括合适的因子而容易地扩展到I > 1，这对于NQR检测领域的普通技术人员而言应当是已知的。常数、是预先确定的类型的 四极核的已知回旋磁比(gyro-magnetic ratio)。表示RF磁场的强度，其可以根据所使 用的装置类型和/或所执行的NQR检测类型而在空间中改变。注意被包含在任意取向的 固体晶体中的四极核的“回转角”0由描述所述晶体与外部RF磁场的方向之间的相对取向 的角函数来定标(scale)。这些“有效回转角”取决于角坐标，并且NQR信号涉及多晶样本 或粉末样本的所有可能的取向上的平均。应当指出，回转角随着固体晶体的取向的变化以 某种方式等效于用空间上可变的&场照射样本的效果。间隔i、Dt和、。q是没有RF照射 的自由演变时间段。时间间隔Dt包括用于使接收机恢复的死时间，并且、。q包括用于从回
波NQR信号采集数据的间隔。间隔、㈧有时被称为采集窗口。下标识表示脉冲期间的RF照射的相位。在预备脉冲与重新聚焦脉冲之间存在90°或Ji/2的相移(其可以为正或为 负)，队是用于信号采集的重新聚焦脉冲的数目。激励脉冲pwl和pw2之中的每个的持续时间都将变化，但是通常每个都具有如下 长度该长度在与QR传感器相距给定距离处(在该处目标样本经历平均激励场BJ通常被 称为“标称A场”))产生最大QR响应。在样本的体积的范围内存在一致的&激励场的情 况下，预备脉冲的持续时间pwl为使得回转角0在目标样本(多晶)的体积范围内为大约 119°并且针对具有自旋I = 1的核返回最大QR响应。注意如在此所使用的那样，81是 指RF磁场的强度，而0 1是指RF辐射的脉冲的回转角。已经提出了若干相对采用非均勻RF磁场的传统脉冲序列改进NQR灵敏度的方法。 一种方法包括用预备绝热半通道(Adiabatic HalfPassage,"AHP")脉冲代替标准预备 脉冲(脉冲宽度为pwl)，以增强在常规SLSE脉冲序列范围内的NQR灵敏度。该技术在由 美国海军实验室(Navy Research Lab.)的研究员J. Miller和A. N. Garroway所著的文章 "Applications of Adiabatic Half Passage to NQR"(App. Magn. Reson. 25,pp. 3-4,2004) 中被描述。将AHP用作预备脉冲可以提供随着RF磁场强度变化(因子高达2)几乎恒定的 信号幅度，但是显著地减小可以感应生成NQR信号的激励频率带宽。结果，采用所述类型的 补偿方案，在其范围内可以激励和检测NQR信号的温度范围(即温度带宽)被显著减小。使 用AHP预备脉冲的另一问题是AHP照射需要对RF照射进行精确的相位或频率和幅度控制， 并且为了绝热激励所需的长照射时间(通常为几毫秒)可能损坏一些电子部件、尤其是RF 功率发射机中的电子部件。另一方法包括用复合脉冲代替每个标准激励脉冲，其中所述复合脉冲包括两个 或两个以上基本连续的各自具有不同相位的子脉冲。该方法在SauehKaren L.等人的美国 专利申请公开No. :2005/0030029Al中被描述。补偿自旋_1核的粉末样本的RF场不均勻 性的影响的类似的(第三种)方法在Sauer，Karen L.等人的文章"Using Quaternions to Design Composite Pulses for Spin-1 NQR" (Appl. Magn. Reson. 25, pp.485-500(2004)) 中被描述。遗憾的是，这第二种和第三种方法需要使用一连串的全部复合脉冲。另外，如同 在使用AHP的情况下那样，第二种和第三种方法都使温度带宽降低。其它用于消除振铃影响的技术在USPN 5，365，171和USPN6，392，408中被 阐述。例如，USPN 5，365，171教导了 用经过修改的稳态自由进动(steady state free precession, SSFP)脉冲序列照射样品，其中所述脉冲序列将相位交替脉冲序列 (phase-alternatedpul sesequence,PAPS)与非相位交替脉冲序列(NPAPS)相组合。然后， 从PAPS和NPAS所产生的信号被合成(co-add)，以抵消对信号的任何自由感应衰减(FID) 贡献。通过抵消FID贡献，探测振铃和其它无关响应的影响以及温度变化的影响被最小化 或被除去。USPN6，392，408教导了 用特定的电磁脉冲序列(在此被称为自旋锁定反转中 回波(spin-locked inversion mid-echo, SLIME)脉冲)照射样品，其中每个脉冲都具有 所指定的相位和持续时间。所述脉冲被所指定的时间间隔分开。所述SLIME脉冲序列具有 单个激励脉冲。由于SLIME脉冲序列的特性，如果待检测的目标物质存在于样品中，则相位 相反的NQR回波信号组被从所述目标物质中生成。具有一种相位NQR回波信号被从具有相 反相位的NQR回波信号中减去，以提供累积回波信号并且同时扣除同相位的无关信号。然 而，这些技术仅仅除去了由振铃和其它无关响应造成的不利影响，而未解决如下的不同问
5题在存在非均勻RF场的情况下，如何在无论目标样本的几何形状、取向、以及位置如何的 情况下都改进检测灵敏度。总的来说，上述若干已知的技术和方法解决了如下的普遍问题针对目标样本的 不同位置、或者针NQR传感器的不同远离距离改进非均勻RF场中的检测。然而，还未解决如 下的特定问题消除在目标样本的不同几何形状、取向、和/或位置的情况下所经历的NQR 灵敏度降低。因此，需要开发一种如下的方法其在目标样本存在于非均勻RF磁场中的情况下 使NQR检测装置对所述目标样本配置(形状和取向)和/或距NQR传感器的距离的敏感度 更低。另外，还需要一种如下方法其(相对于使用前面所开发的技术所获得的SNR而言) 改进了产生非均勻RF磁场的NQR检测装置的SNR。另外，还需要一种用于为了所述场中的 有效操作而保持NQR传感器的温度带宽的方法。
发明内容
本发明的实施例提供有一种使用将非均勻激励射频(“RF”)磁场输送到目标样本 的体积范围内的装置来改进核四极矩共振(“NQR”)信号的激励和检测的方法。该方法补偿 当表面线圈被用于从具有任意几何形状、取向、和/或位置的目标样本中激发NQR响应时所 产生的RF磁场不均勻性。该方法尤其有利于在单侧系统、比如鞋扫描器、地雷检测器、或手 持系统上对爆炸物样本进行NQR测试。单侧系统将表面线圈或者开放式线圈(open coil) 用作NQR传感器。本发明的实施例通过在不使传感器的温度带宽降低的情况下补偿RF场不均勻性 来增加NQR灵敏度。用于使NQR技术对目标配置和位置的敏感度更低的一种方法使用被唯 一配置的复合脉冲(“CP”)来准备自旋系统，然后采集由脉冲序列造成的一系列自旋回波、 比如自旋锁、自旋回波(“SLSE”)。CP和重新聚焦脉冲的相对相位可以被调整为使温度带 宽最优化。该方法的优点在于，相对于使用单个矩形预备脉冲的标准SLSE激励序列而言， 总QR灵敏度或信噪比(SNR)被改进。本发明的实施例也可以被称为振铃取消技术。在此所述的RF激励脉冲序列和该方法的实施例改进基于NQR的鞋扫描器(和/ 或其他检测系统(比如地雷检测器和手持检测器))的总性能。当这样的基于NQR的检测 系统使用所发明的方法和RF激励脉冲序列时，该系统将提供比当前用于扫描被放置在非 均勻RF磁场内的目标样本的标准RF激励脉冲序列更好的检测性能，其中每个目标样本都 具有任意的形状、取向、以及位置。更重要的是，使用在此所述的RF激励脉冲序列和该方法 实施例的基于NQR的检测系统将至少保持其现有温度带宽和振铃取消水平。另外，本发明 实施例的实施方式相对简单并且成本经济，仅需要改变已有软件代码而不需要修改硬件。 最后，可以以最低的成本利用本发明的实施例容易地更新当前所配置的基于NQR的检测系 统。通过参考下面结合附图所作出的描述，本公开的其它特征和优点将变得显而易见。
为了更完全地理解本发明的实施例及其优点，现在参考下面结合附图所作出的描述，其中图1(现有技术)是示出了标准SLSE脉冲序列的时间图；图2是示出了根据本发明实施例的复合预备脉冲序列的时间图，其中所述复合预 备脉冲序列合并有标准重新聚焦脉冲串以补偿非均勻RF磁场；图3是针对第一配置中的目标样本所绘制的信噪比相对距离的图，并且展示了本 发明的实施例的改进和优点；图4是针对第二配置中图3的目标样本所绘制的信噪比相对距离的图，并且展示 了本发明的实施例的改进和优点；图5是针对第一配置中的目标样本所绘制的信噪比相对温度的图，并且展示了本 发明的实施例的改进和优点；图6是针对第二配置中的目标样本所绘制的信噪比相对温度的图，并且展示了本 发明的实施例的改进和优点；以及图7是示出了使用复合脉冲序列来执行NQR检测的方法的流程图。贯穿若干示图，相同的附图标记标出相同的或相应的部件和单元。
具体实施例方式本发明的发明人已经发现，在非均勻RF场中利用自旋锁定、自旋回波(“SLSE”) 技术的NQR信号检测可以通过使用被唯一配置的后面跟随有一系列重新聚焦脉冲的复合 预备脉冲而被改进。具体来说，已经发现NQR灵敏度可以通过如下方式而被大大改进将 所述复合预备脉冲配置为补偿RF磁场中的变化，并且在所述复合预备脉冲之后跟随有一 系列矩形重新聚焦脉冲。复合脉冲包括一系列矩形(“硬(hard) ”)脉冲，所述矩形脉冲之中的每个都可以 具有不同的相位和持续时间。由本发明的发明人所开发的复合预备脉冲被设计为在存在RF 磁场的不均勻性以及共振偏差(或者目标的NRQ共振频率的偏移)的情况下感应生成自旋 磁化的一致激励。本发明人已经在预备脉冲期间对四极系统的自旋动态特性进行理论分析，产生新 的激励方案的设计，并且显示出为了在存在非均勻磁场的情况下无论受审目标样本的取 向、位置、和/或几何形状如何都改进检测灵敏度，CPMG序列的第一(预备)脉冲应当
被具有如下形式的复合脉冲代替 换言之，式(2)展示出具有N个片段的复合预备脉冲可以被表示成一系列连续的 回转角⑶》、(日2)、(日3)以及⑶N)。图2提供有式⑵所表示的复合预备脉冲的例子。 Cp可以在0至2^1的范围内变动。在本发明的一个方面，复合预备脉冲可以采取下面的形 式 在式⑵和(3)中，回转角3 k = Y 3 lPwljk为该复合预备脉冲中的具有持续时间 pw:, k的不同片段，其中k = 1，2，3，4 (或者可替代地为“N”，其中N为整数)。经过修改的 SLSE序列现在为 在式⑷中，延迟t ‘可以不同于用在标准SLSE序列中的值。本发明人已经通过 实验确定式(4)的脉冲序列产生对正共振(on-resonance)自旋的RF不均勻性的良好补 偿，但是在该目标样本的共振频率相对于照射频率偏移的情况下在激励NQR响应方面不是 非常有效。其之所以不是有效的是因为目标样本的经过偏移的共振频率减少NQR检测器的 有效温度带宽。图2是示出了根据本发明的一个实施例而被配置为补偿非均勻RF磁场的复合脉 冲序列200的时间图。复合脉冲序列200可以被写成上面的式(4)，并且可以包括若干线性 时间段复合预备脉冲201、时间段(或间隔)202、重新聚焦脉冲203、恢复时间段204、采集 窗口 205、以及一系列重新聚焦脉冲206。所述一系列重新聚焦脉冲206可以被重复Ne次。 预备脉冲201具有脉冲宽度pwl。时间段202具有长度T。重新聚焦脉冲203具有脉冲宽 度pw2。恢复时间段204具有长度Dt。采集窗口 205具有长度t acq。复合预备脉冲201可以包括两个或两个以上子脉冲210、211、212、213，并且所述 两个或两个以上子脉冲210、211、212、213之中的每个都可以具有与构成复合预备脉冲201 的其它子脉冲的相位和/或持续时间相同或不同的相位和/或持续时间。例如，第一子脉 冲210可以具有相位Cpi,|和宽度pwu。第二子脉冲211可以具有相位(|>丨,2和宽度pWl,2。 第三子脉冲212可以具有相位<P
，3和宽度pWl,3。第四子脉冲213可以具有相位(pl，4和宽 度 Pw1>4。另外的研究导致如下发现可以通过调整预备脉冲的最后的片段(Al与重新聚焦
脉冲e之间的相对相位来改进温度带宽(偏共振(off-resonance))。这意味着预备脉 冲与重新聚焦脉冲之间的90°或Ji/2相移不再如标准SLSE脉冲序列中那样为最优值。被 命名为CP-SLSE的新发明的脉冲序列可以被写成 在式(5)中，相位值e = Ji/4产生对RF场不均勻性和温度偏移的良好补偿， 但是可以使用其它相位值。式(5)的新脉冲序列提供在目标样本体积的范围内使用非一 致&场的NQR传感器的增强的检测性能。式(5)的CP-SLSE脉冲序列还可以与用于振铃 取消(ringingcancellation)的已知方法组合使用。一种这样的振铃取消方法在上面所 讨论的USPN 6，392，408中被公开，其教导有在使振铃信号保持基本恒定的同时使NQR回 波信号的相位反转；但是也可以使用其它的振铃取消方法。同样实现振铃排斥(ringing rejection)的CP-SLSE脉冲序列的例子是
其中 是如USPN 6，392，408中所述的用于使NQR信号的相位反转的反转脉冲 (或一组反转的脉冲)。在式(6)中，可以通过把在一串MNe重新聚焦脉冲期间所激励的所有响应相加来 实现振铃取消。参数M表示在括号{}之间所示出的反转重新聚焦脉冲组 和重新聚焦脉 冲组206的重复次数。通常，M=偶整数(2，4，6...)。参数Ne表示重新聚焦脉冲组206的 重复次数以及反转重新聚焦脉冲组 的重复次数。通常，Ne和M由自旋锁驰豫时间常数 (常被称为“T2E”)确定，其中所述自旋锁驰豫时间常数随着脉冲序列的脉冲到脉冲的时间 段、材料、以及温度而改变。参数Ne可以为了获得最大信噪比或灵敏度而被调整(通过从1 及以上中选择值)。例如，一些目标样本展现出快速回波衰减时间。针对这样的目标样本， CP-SLSE脉冲序列可以使用不超过20或40的Ne。另一方面，一些展现出较慢的回波衰减 时间常数的目标样本可以使用为几百的Ne。能够理解，在此所公开的新复合预备脉冲SLSE 技术的优势并不取决于参数Ne。已经用化合物#1(其出于安全原因而未被标识出)的板测试样本通过实验测试了 CP-SLSE序列。已经针对测试样本的两种不同的配置并且与样本的温度和从NQR线圈到测 试样本的底部的距离有关地得出了结果。脉冲长度pWl,k每个都已经针对NQR检测被优化， 其中目标样本被放置在传感器之前的固定距离处。图3和图4分别是图300、400，其中所述图针对测试样本的两种配置与距离有关 地示出了利用CP-SLSE所测量的SNR实验值和利用标准SLSE所测量的SNR值。对于配置 I，式(5)的CP-SLSE序列针对大多数测量的距离都比式(1)的标准SLSE脉冲序列执行得 更好，而对于配置II，新CP-SLSE脉冲序列针对测试样本的所有位置都改进了灵敏度。在 式(4)和(5)的新脉冲系列的情况下的改进在测试样本距NQR线圈较远的情况下更明显， 这通常是针对NQR信号检测的最具挑战性的场景。图5和图6与温度有关地示出了利用CP-SLSE所测量的SNR实验值和利用标准 SLSE所测量的SNR值，其中具有两种配置之一的目标样本处于距NQR线圈预先确定的固定 距离处。显然，对于测试样本的两种配置而言，式⑷或(5)的CP-SLSE脉冲序列的温度带 宽(偏共振响应)类似于式⑴的标准SLSE脉冲序列情况下的温度带宽或者比式⑴的 标准SLSE脉冲序列情况下的温度带宽更好。图7是示出了使用复合脉冲序列来执行NQR检测的方法700的流程图。步骤701、 702、703、以及704之中的一个或多个可以以任意合适的顺序(和/或同时)被执行。方 法700的实施例的步骤可以使用如下任意合适的NQR检测设备来执行其至少具有RF辐射 源、回波检测器、以及被配置为操作RF辐射源和回波检测器二者的计算机处理器。具体来 说，所述计算机处理器可以被配置为产生一连串自旋锁、自旋回波激励脉冲，其中预备脉冲 是具有上面的式(2)的形式的复合脉冲。所述计算机处理器也可以被配置为通过处理和分 析所检测的自旋回波来识别目标样本。
参考图7，执行用于产生自旋锁、自旋回波NQR序列中的复合预备脉冲的方法的实 施例可以按如下进行。首先，可疑物品(上面已经定义)被放置在NQR检测设备的扫描区。 接着，该NQR检测设备被操作以在目标样本周围生成射频(“RF”)磁场(701)。该目标样 本可能被隐藏在该可疑物品之内或者可能存在于该可疑物品的外表面上。当RF磁场被生 成时，被用于产生RF磁场的RF脉冲之中的一个或多个补偿RF磁场中的一个或多个不均勻 性(702)。有利地，所述补偿可以在不使NQR设备的温度带宽降低的情况下发生。另外，方 法700还可以包括采集一系列具有自旋锁定自旋回波脉冲序列的自旋回波(703)。在此之 后，无论所述目标样本的几何形状、位置、以及取向之一如何，所述目标样本都可以被识别 (704)。识别步骤(704)可以使用已知的信号处理技术来执行。补偿RF磁场中的一个或多个不均勻性的步骤(702)可以包括将一连串(SLSE)RF 脉冲施加到目标样本。所述一连串脉冲可以包括后面跟随有一系列单个重新聚焦脉冲的复 合预备脉冲。所述一系列单个重新聚焦脉冲之中的每个都可以是矩形脉冲。所述复合预备 脉冲的最后的片段和所述一系列单个重新聚焦脉冲的第一个的第一个片段的相对相位可 以不同于90度(90° )。另外，所述复合预备脉冲可以被配置为在存在一个或多个RF磁场 不均勻性的情况下产生自旋磁化的一致旋转，以补偿RF磁场强度的一个或多个不均勻性。给用在本说明书和权利要求书中的术语提供有下面的示例性定义。绝热快速通道-一种核磁共振(NMR)中的技术，其将RF磁场的频率、相位、以及幅 度调制用于自旋系统的激励。AFP开始于远未达到共振的射频场。通过扫描(swiping) 激励磁场的幅度和频率来接近共振条件。绝热脉冲可以提供增加的激励带宽和准确的回转 角，具有对RF强度的空间变化的高耐受性。绝热半通道_对于绝热半通道(AHP)而言，绝热快速通道期间的频率扫描终止于 共振。为获得进一步的解释，参见美国专利No. 6，166，541。复合脉冲-射频复合脉冲基本上包括两个或两个以上具有变化的相位、持续时 间、和/或幅度的硬脉冲，其中所述硬脉冲之间没有延迟或具有可忽略的延迟(<< T2*)。 T2*(被称为T2星号)表征自由感应衰减(FID)NQR信号的寿命。具有n个片段的复合脉冲
可以被表示成一系列连续的回转角补偿的复合脉冲_ 一种由本发明的发明人所开发的复合脉冲，并且其被设计为 校正RF磁场的激励幅度的缺陷。这些脉冲在RF场不均勻性可能严重损害检测的灵敏度的 NQR中是重要的。例如，如果样本处于与被用于激励NQR信号的RF线圈相距未知距离处，则 难以用最佳回转角来激励样品以获得最大NQR响应。如上所述，被配置为补偿RF磁场变化 的复合预备脉冲可以通过在更宽的RF场强范围内提供接近于最佳的回转角来增强NQR灵 敏度。“硬”脉冲-用于从样品激励核信号的脉冲电磁辐射。在NQR和NMR中，理想的硬 脉冲由脉冲开始时的射频磁场强度艮、射频信号的持续时间pw、以及相位来表征。其对 核自旋的影响由回转角(将在下面定义)来表征。回转角-在共振射频磁场艮的影响下，核自旋磁化随着瞬时角速度= Y艮而进动。假定在施加外部射频激励期间可忽略所有的驰豫过程，在以恒定磁场幅度激励时间 pw以后，所述磁化的总旋转角或回转角为= I ypwB10参数I与核自旋数有关；一些
值为对于自旋数
并且对于自旋数I = 1，I =1。因此，硬脉冲的
影响由其回转角来描述并且被表示为(/ )v，其中下标@表示电磁脉冲开始时的射频载波信 号的相位。回旋磁比、、~定义核磁矩的标量。其定义原子粒子(核，电子)的磁矩的大小。不均勻-空间中的不一致，空间上可变。照射频率-用于激励核自旋的电磁场的频率《。通常，照射频率处于或接近于目 标核的四极矩共振频率《Q。磁声振铃-一种由电磁脉冲与可能存在于受审样本中或者传感器附近的具有永 磁距的铁磁性金属之间的相互作用造成的现象。标称Bi (RF磁场)-通常，NQR实验中的脉冲序列的所有参数都被优化以使NQR灵 敏度在给定RF磁场强度下最大化。所述最优磁场值有时被称为标称Bp核四极矩_核电荷分布的一种内在性质；其度量核电荷同球对称的偏离。在存在 电场梯度的情况下，具有非零四极矩的核经历核四极矩共振(NQR)现象。压电振铃-压电现象是如下物质的一种机电现象该物质由于机械应力而涉及电 极化的改变，或者在电场下涉及机械张力的产生。目标样本中的压电材料将与电磁脉冲的 射频电场交互作用，并且无关信号将被NQR检测系统接收。预备脉冲_在信号采集以前的多脉冲序列的开始时的第一脉冲或脉冲组。通常， 没有NQR信号在预备脉冲期间或者紧接着预备脉冲之后被测量。优选地，预备脉冲的回转 角的大小为使得生成最大NQR响应。四极核-具有非零核四极矩的原子核。非限制性的例子为氯、氮、溴、碘、铜、锑、
银绝绝
TT=I寸寸。四极矩共振频率-由于电场梯度与核的核四极矩之间的交互作用造成的能级之 间的特征跃迁频率。其由四极核的位置处的核四极矩和电场梯度的平均强度确定。射频(RF)场-具有从几千MHz低至kHz的频域的电磁辐射。重新聚焦脉冲_被用于在预备脉冲或预备脉冲组以后诱发自旋回波信号的脉冲 磁场。RF磁场-射频场的磁分量。使用物理学中的标准标记法，振荡磁场矢量可以被描
述成 其中Bi是该场的幅度，t为时间，(0为照射频率(单位为rad/sec)，沪是该振荡的 相位，并且G是定义磁场方向的单位矢量。 振铃-在磁化材料(磁声效应或磁致伸缩效应)或者压电材料中的由NQR传感器 所发射的RF脉冲所感应生成的不希望的响应。其它NQR系统内在的其它振铃源包括但不 限于电路振铃(ringdown)、基线偏差。为获得进一步的解释，参见美国专利No. 5，365，171 和美国专利No. 6，392，408。
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单侧系统-一种旨在利用目标样本之外或部分之外的NQR线圈来运行的NQR系 统。传感器常常为表面线圈；比如螺旋(“薄饼型”)和弯折线。单侧NQR系统的非限制性 的例子在美国专利No. 5，365，171中被描述。单侧系统的其它例子包括但不限于基于NQR 的鞋扫描器以及地雷检测器。单侧NQR传感器从受审体积的一侧接近目标样本。SNR-信噪比的缩写，其是光谱峰值强度和热噪声电平之间的比。SLSE-自旋锁定自旋回波的缩写。所述多脉冲序列由Marino和Klainer (Marino R. A. , Klainer S. M. , "Multiple Spin Echoes inPure Quadrupole Resonance，，，J. Chem. Phys. Vol. 67(7)，1977)开发，以用于通过利用自旋锁定现象来有效地检测NQR中的回波信 号。其允许通过把来自一连串自旋回波的各个回波相干地相加来增强灵敏度。SLSE序列 包括第一激励脉冲(被称为预备脉冲)，其后跟随有多个被称为重新聚焦脉冲的相同脉冲 (相同脉冲意味着它们全部具有相同的幅度、相位、以及持续时间等)，所述重新聚焦脉冲 同预备脉冲的相位具有90度的相移。所述脉冲序列诱发持续时间比自旋自旋驰豫时间长 得多的响应。所述脉冲序列具有特定的脉冲间时间间隔以使灵敏度最大化(每单位时间的 SNR)。自旋系统-具有非零自旋角动量的原子粒子集合。核磁共振(NMR)和核四极矩共 振(NQR)处理原子核集合。自旋动态特定_是指在原子核与磁场和或电场交互作用时所述原子核(核自旋) 的集合的集体行为。表面线圈_参见单侧系统。温度带宽_被包含在目标样本中的四极核的NQR共振频率对构成所述目标样本的 材料的温度敏感。在展现出NQR响应的大部分材料中，可以在频率与温度间建立函数关系 Q = F(T)。任何激励脉冲序列都具有在该带宽内NQR响应可以被激励和检测的有限照射 带宽。所述频率或照射带宽可以使用函数关系T = F-^co,)而被转换成材料的温度，以描 述激励脉冲序列的温度带宽。例如，对于许多材料而言，温度与NQR频率之间的关系可以在 窄温度范围内由线性式(一阶多项式)描述为《Q = aT+b。因此，激励频率带宽可以使用 反向关系T= ( Q_b)/a而被描述为温度带宽。参数a被称为NQR共振的温度系数。在此所述的用于在非均勻RF磁场中测试样本的方法的实施例(在此被示出和描 述)仅仅是说明性的。尽管仅详细示出了本发明的几个实施例，但是查看本公开的本领域 技术人员能够容易地理解，在不偏离所附权利要求书中所表达的实施例精神的情况下，可 以对优选的和其它示例性实施例的设计、运行条件、以及布置作出替换、修改、改变、以及省 略。因此，所附权利要求书的范围旨在包括所有这样的替代、修改、改变以及省略。
权利要求
一种用于改进NQR目标识别的精度的方法，该方法包括在目标样本周围生成射频(“RF”)磁场；补偿该RF磁场中的一个或多个不均匀性；以及无论所述目标样本的几何形状、位置和所述目标样本的取向之一如何，都识别所述目标样本。
2.根据权利要求1所述的方法，其中补偿该RF磁场中的一个或多个不均勻性并不使 NQR传感器的温度带宽降低。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括采集一系列具有自旋锁定、自旋回波脉冲序列的自旋回波。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述目标样本是爆炸物和麻醉品之一。
5.根据权利要求1所述的方法，其中补偿该RF磁场中的一个或多个不均勻性的步骤进 一步包括将一连串脉冲施加到所述目标样本，其中所述一连串脉冲包括后面跟随有一系列单个重新聚焦脉冲的复合预备脉冲。
6.根据权利要求3所述的方法，其中所述一系列单个重新聚焦脉冲之中的每个都是矩 形脉冲。
7.根据权利要求5所述的方法，其中所述复合预备脉冲的最后的片段和所述一系列单 个重新聚焦脉冲的第一个的第一个片段的相对相位不同于90度(90° )。
8.根据权利要求5所述的方法，其中复合预备脉冲被配置为在存在一个或多个RF磁场 不均勻性的情况下产生自旋磁化的一致旋转，以补偿RF磁场强度的一个或多个不均勻性。
9.根据权利要求5所述的方法，其中所述复合预备脉冲具有如下形式[(A) ("Λ 风，.(从]其中(β》、(β2)、(β3)以及(βΝ)表示各个子脉冲的回转角，并且 其中tPu、tPi,2、《PM以及φ ,κ分别表示各个子脉冲的相位。
10.根据权利要求5所述的方法，其中所述复合预备脉冲具有如下形式[(βΧΑβι)φ{βζ)ΨΑβ^ 2 2其中(β》、(β2)、(β3)以及(β4)表示各个子脉冲的连续的回转角，以及 其中φ表示所述各个子脉冲之中每个的相对相位。
全文摘要
公开有一种用于改进目标样本的核四极矩共振(“NQR”或“QR”)检测和/或识别的精度的方法。该方法可以包括施加一连串射频(“RF”)脉冲，其中所述一连串RF脉冲被配置为补偿RF磁场中的不均匀性。另外，该方法还使非均匀磁场中的QR检测对目标样本的几何形状、取向以及位置的敏感度更低。所述一连串RF脉冲可以包括后面跟随有一系列单个重新聚焦脉冲的被唯一配置的复合预备脉冲。
文档编号G01N24/08GK101868716SQ200880110724
公开日2010年10月20日 申请日期2008年6月25日 优先权日2007年8月9日
发明者A·布桑德里, H·G·罗伯特 申请人:莫弗探测公司