一种基于吸收线形二次矩的自动搜索匀场方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于吸收线形二次矩的自动搜索匀场方法，选择需要进行匀场的室温匀场线圈组；利用谱图吸收线形的二次矩大小和匀场线圈电流增量的二次函数关系拟合各匀场线圈的迭代搜索步径和收敛条件；根据匀场线圈所构建的多维空间向量，将谱图吸收线形的二次矩大小作为得到的磁场均匀性好坏的评价标准，并依据此评价标准进行多维下降单纯形法迭代搜索，并最终返回最优匀场电流。本发明能够有效分析磁场均匀性对谱图线形及对称性的影响；自动拟合搜索步径和收敛条件摆脱了繁琐的手动设置、提高了匀场的速度和效率；该方法应用于不同样品的高分辨液体核磁共振实验能准确针对轴向与径向不均匀磁场进行补偿，从而使谱图获得更好的分辨率和线形。
【专利说明】一种基于吸收线形二次矩的自动搜索匀场方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及核磁共振谱仪的匀场技术，更具体涉及一种基于吸收线形二次矩的自动搜索匀场方法。适用于高分辨的核磁共振实验匀场。
【背景技术】
[0002]对于现代液体核磁共振(NMR)谱仪来说，分辨率是一个重要的指标，而影响谱图分辨率的主要因素之一就是磁场空间均匀性。由于静磁场的不均匀性引起的核磁共振信号展宽必定导致实验结果的重大误差，因此从核磁共振现象被发现以来，如何提高静磁场的均匀性(匀场)一直是一项非常重要的研究工作。
[0003]由于匀场线圈正交设计和空间磁场分布所具有的复杂性，传统的核磁共振谱仪匀场往往需要实验者过多的人为干预(手动匀场)，繁琐的操作和大量宝贵机时的耗费都不利于实验的顺利进行，特别是现代核磁共振实验在代谢组学等领域不断发展应用，往往需要采集和处理大批量的实验样品，因此对谱仪的自动化、智能化提出更高的要求。早在1968年，Ernst就提出了第一个自动勻场的方法(R.R.Ernst, Measurementand control of magnetic field homogeneity, The review of scientificinstruments.39, 1968, 998-1012),基本思路是利用单纯形(Simplex)搜索算法来优化峰的高度或者吸收线的矩(包括吸收线的一次矩和二次矩)等评价标准从而补偿磁场，但由于受限于当时谱仪技术的发展，该方法有许多局限性。特别是采用吸收线形的二次矩进行搜索匀场时，其大小为近似求导计算而非实际测量，导致结果误差很大，因此在与其他评价标准比较时被认为是最不敏感的磁场均匀性指标。
[0004]随着几十年的技术发展，各谱仪生产商都在谱仪配套系统中集成了自动搜索匀场技术并在此基础上进行了一定的改进。最大的变化有两方面:第一，大多数的自动搜索匀场都是采用操作起来更方便更直观的氘(D，或2H)锁电平值或FID面积大小作为评价磁场好坏的重要指标；其二，在匀场开始前必须根据评价指标对于磁场的敏感度来手动设置一定的匀场迭代步径和收敛条件。这就出现了两个问题:1)不同样品对补偿电流的敏感性不同，不合适的迭代步径和收敛条件都会使得搜索时间过长或是过短，均不利于获得好的匀场结果，因此针对每种样品都必须对迭代步径和收敛条件进行繁琐的手动设置，这样既增加了操作的难度也浪费了时间；2)事实证明，氘锁电平值和FID面积大小的匀场评价标准不一定能满足较高磁场均匀性的需求，一方面是因为实验者判断匀场效果好坏的直接标准为频域谱图是否具有好的线形和对称性，氘锁电平对应于氘信号对磁场的敏感性、FID为采集的时域信号，因此较高的氘锁电平和较大的FID面积都不一定对应于较窄的谱图峰形，而另一方面，当样品氘含量不够或是含水(H2O)成分时是可能导致氘锁电平或者FID面积匀场的结果误差。
[0005]2007年C.A.Michal提出利用吸收线形的二次矩的性质来正交化匀场线圈从而消除线圈间的耦合，这使得吸收线形的二次矩测量的准确性和对磁场的敏感度被重新认识(C.A.Michalj Magnetic field homogeneity:A new approach to orthogonalizing andoptimizing shim gradients, Journal of magnetic resonance.185,2007,110-117)。
[0006]本专利采用一种优化谱图吸收线形二次矩的自动搜索匀场方法，一方面该方法能有效利用谱图吸收线形的二次矩的性质自动拟合搜索迭代的步径和收敛条件，无需调试和校验，大大节省了手动设置的时间；另一方面通过优化吸收线二次矩的大小来进行迭代搜索匀场并因而充分考虑谱图线形和对称性。和常规的氘锁电平及FID面积匀场相比，此匀场方式不必考虑样品氘含量过低的影响，同时，对需要进行水峰压制的实验样品有很好的匀场效果。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是提供了一种基于吸收线形二次矩的自动搜索匀场方法，为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
[0008]一种基于吸收线形二次矩的自动搜索匀场方法，包括以下步骤:
[0009]步骤1、选择匀场线圈组:选择需要进行室温匀场的匀场线圈组；
[0010]步骤2、拟合匀场线圈的搜索步径和收敛条件:利用谱图吸收线形的二次矩大小I和匀场线圈的电流增量X的二次函数关系拟合各匀场线圈的搜索步径4和收敛条件rj ;
[0011]步骤3、采用多维下降单纯形法迭代搜索:利用N个匀场线圈构建N维空间[X1, X2,, XJ，将谱图吸收线形的二次矩大小I作为得到的磁场均匀性好坏的评价标准Q，并利用I越小则磁场越均匀的性质进行空间点的多维下降单纯形法迭代搜索；
[0012]步骤4、迭代结束返回匀场电流:多维下降单纯形法迭代搜索匀场迭代结束，最终得到最大评价值Q并返回最优匀场电流。
[0013]如上所述的步骤2中拟合各匀场线圈的初始搜索步径4和收敛条件&包括以下步骤:
[0014]步骤2.1、选定某一匀场线圈a,a=j, j e {I~N},设定其匀场电流增量Xa=O并采样，从而得到原始数据；
[0015]步骤2.2、利用傅里叶变换和相位校正处理采集到的原始数据，得到吸收线形的谱图信号数据；
[0016]步骤2.3、计算当前谱图的吸收线形二次矩的大小Itl，依据公式:
【权利要求】
1.一种基于吸收线形二次矩的自动搜索匀场方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1、选择匀场线圈组:选择需要进行室温匀场的匀场线圈组； 步骤2、拟合匀场线圈的搜索步径和收敛条件:利用谱图吸收线形的二次矩大小I和匀场线圈的电流增量X的二次函数关系拟合各匀场线圈的搜索步径4和收敛条件rj ； 步骤3、采用多维下降单纯形法迭代搜索:利用N个匀场线圈构建N维空间[X1, X2,, XJ，将谱图吸收线形的二次矩大小I作为得到的磁场均匀性好坏的评价标准Q，并利用I越小则磁场越均匀的性质进行空间点的多维下降单纯形法迭代搜索； 步骤4、迭代结束返回匀场电流:多维下降单纯形法迭代搜索匀场迭代结束，最终得到最大评价值Q并返回最优匀场电流。
2.根据权利要求1所述的一种基于吸收线形二次矩的自动搜索匀场方法，其特征在于，所述的步骤2中拟合各匀场线圈的初始搜索步径&和收敛条件&包括以下步骤: 步骤2.1、选定某一匀场线圈a, a=j, j e {I~N},设定其匀场电流增量Xa=O并采样，从而得到原始数据； 步骤2.2、利用傅里叶变换和相位校正处理采集到的原始数据，得到吸收线形的谱图信号数据； 步骤2.3、计算当前谱图的吸收线形二次矩的大小Itl，依据公式:
3.根据权利要求2所述的一种基于吸收线形二次矩的自动搜索匀场方法，其特征在于，所述的步骤3中多维下降单纯形法迭代搜索包括以下步骤: 步骤3.1、利用当前磁场状态下N个匀场线圈的电流值和步骤2求得的各匀场线圈的搜索步径&建立(N+l) XN的空间矩阵M(Xu)，具体如下所示:
4.根据权利要求3所述的一种基于吸收线形二次矩的自动搜索匀场方法，其特征在于，所述的步骤2.3中所有谱图频率坐标Ω的积分范围为不低于最大谱峰高度的15%的频率区域。
5.根据权利要求3所述的一种基于吸收线形二次矩的自动搜索匀场方法，其特征在于，所述的步骤2.4中匀场线圈预设电流增量h范围为5~50mA。
【文档编号】G01R33/44GK103592610SQ201310611171
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年11月26日 优先权日:2013年11月26日
【发明者】刘朝阳, 宋侃, 刘造, 陈黎, 鲍庆嘉 申请人:中国科学院武汉物理与数学研究所