一种基于NMR探头的高分辨率磁场测量装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于NMR探头的高分辨率磁场测量装置，属于医学电磁检测领域。该装置包括NMR探头、步进电机、电机驱动电路、射频电路、DSP控制单元；所述NMR探头包括激励用的发射线圈、接收被激励液体返回的核磁共振色散信号的接收线圈和存放激励液体的液体容器，一方面不同于常规NMR探头检测核磁共振吸收信号及分析其形状。本发明专利技术的NMR探头通过检测核磁共振色散信号与分析其形状，或者是分析核磁共振吸收信号的导数形状，来研究核磁共振功率吸收的峰值频率，然后根据拉莫尔共振频率来确定被测样品所在的主磁场强度。品所在的主磁场强度。品所在的主磁场强度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于NMR探头的高分辨率磁场测量装置


[0001]本专利技术属于医学电磁检测领域，涉及一种基于NMR探头的高分辨率磁场测量装置。

技术介绍

[0002]核磁共振(NMR)自1945年被发现以来，已经发展成为一个潜力深远的研究领域。它在物理、化学、生物学和医学的多个领域得到了利用，以在分子水平上提取独特的信息。如今液体核磁共振、固体核磁共振和核磁共振成像各自比较独立地发展着,形成了三足鼎立的局面。它们在理论上相互补充,在实验技术上彼此借鉴，共同繁荣了核磁共振学科。核磁共振信号分色散信号和吸收信号，但一般观察吸收信号，因为比较容易分析理解。从信号的检测来看，又包括感应法、电桥法和自差法。如果测量的是核磁矩吸收射频场(旋转磁场)能量而在附近线圈中产生的感应信号,称为感应法；如果是测量由于共振使电桥失去平衡而输出的电压即为电桥法，也称平衡法；直接测量由于共振使射频振荡线圈中负载发生变化的方法为自差法，也称为负载法或边限振荡器法。吸收信号在对应核磁共振频率处一般变化不明显，然而核磁共振吸收信号的导数，核磁共振色散信号在磁共振频率处变化显著，为此，本专利技术为实现高分辨磁场测量，本专利技术一种基于NMR探头的高分辨率磁场测量装置，采集的是核磁共振色散信号。
[0003]在高分辨率核磁共振成像系统中，对于确定高场核磁共振磁体的均匀性是至关重要的。现代核磁共振仪器要求穿通过样品体积的磁场具有极高的均匀性。例如高场磁体的800MHz、63mm孔径的NMR磁体，在10mm球面体积空间(Diameter of Spherical Volume,DSV)中的场均匀性为十亿分之一(parts per billion，ppb)。因此，为了确定其均匀性，磁场传感器必须具有18μT的分辨率。通过霍尔探头可以测量高达35特斯拉的磁场，磁场分辨率低至1.0mT，但这仍然不足以确定800MHz NMR磁体的均匀性。另外一种磁通门磁场传感器，其磁场分辨率在μT范围内，它的缺点是高渗透性铁芯很容易在几毫特斯拉的电场下饱和，测量量程范围小，此外，地球磁场和其他外来场可能会降低磁场测量精度。因此，研制一种新型的高分辨率的磁场测量装置至关重要。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于NMR探头的高分辨率磁场测量装置。
[0005]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]一种基于NMR探头的高分辨率磁场测量装置，该装置包括核磁共振NMR探头1、步进电机2、电机驱动电路3、射频电路4、数字信号处理DSP控制单元5；
[0007]所述NMR探头1包括激励用的发射线圈、接收被激励液体返回的核磁共振色散信号的接收线圈和存放激励液体的液体容器；
[0008]所述NMR探头通过检测核磁共振色散信号与分析其形状，或者是分析核磁共振吸收信号的导数形状，来研究核磁共振功率吸收的峰值频率，然后根据拉莫尔共振频率来确定被测样品所在的主磁场强度；
[0009]所述进步电机2通过一根刚性杆与NMR探头1相连接，步进电机受电机驱动电路(3)驱动，用于实现NMR探头在主磁场区域的三维运动扫描测量；
[0010]所述射频电路4为NMR探头1提供射频功率，并将NMR探头1的接收线圈接收到的磁共振色散信号传输至DSP控制单元5，再通过DSP控制单元5内的相位敏感检测电路进行滤波和放大；
[0011]所述DSP控制单元5包括DSP、FPGA和相敏检波电路，并内嵌数控振荡器；
[0012]现场可编程逻辑门阵列FPGA芯片为电机驱动电路和射频电路提供主控制，DSP控制单元5将采集的NMR色散信号发送给计算机，计算机结合NMR探头的位置信号再进行信号处理、显示和对FPGA控制器的命令控制及通信控制。
[0013]可选的，所述NMR探头1包括用于激励液体的发射线圈6、检测被激励液体的反射信号的接收线圈7和用于存放激励液体的液体容器8。
[0014]可选的，所述发射线圈6采用螺线管结构，与电容原件串联组成RLC谐振电路，RLC谐振电路经过50Ω阻抗匹配，减少电阻损耗，以向线圈提供最大射频功率和增大Q值。
[0015]可选的，所述发射线圈6RLC谐振电路的谐振频率可根据公式得到，电路中总电容包括：C1、C2、C3和C4，当发射线圈6的匝数与直径等参数固定时，RLC谐振电路中电感L为常数；通过调整电路中的电容量，将谐振频率调整到相应磁场的适当值。
[0016]可选的，所述接收线圈7采用螺线管结构，线圈共有2N圈，分为两组螺旋方向相反的部分，每组N圈，顺时针线圈701与逆时针线圈702对称的置于发射线圈6内部，液体容器8为一圆柱形无磁性塑料容器，被放置在接收线圈7的顺时针线圈701或逆时针线圈702的内侧位置上，这样两个绕线方向相反的螺线管顺时针线圈701与逆时针线圈702经历相同的激励磁场，检测到的外部干扰信号相互抵消，只检测到被测样品的磁共振信号，提高信噪比，激励和检测线圈之间也实现宽带解耦。
[0017]可选的，所述接收线圈7检测核磁共振色散信号形状，或核磁共振吸收信号导数的形状，观察其形状的过零频率，根据拉莫尔频率确定磁场强度，公式如下：f
1H
为检测到的拉莫尔频率，γ
N
为常数，代表氢原子的旋磁比。
[0018]可选的，所述DSP控制单元5包括相敏检波电路9和一个FPGA芯片10；FPGA芯片10为装置提供控制任务，包括：射频电路板的频率控制，向NMR探头1提供射频功率，并通过内部嵌入的数控振荡器11以实现精确的频率步长，以精确控制输出激励信号的频率，从而实现磁场的高分辨率测量；通过USB电缆将检测到的核磁共振色散信号以及探头的位置信号发送到计算机上；FPGA芯片10对电机驱动电路3的精确运动控制，使得NMR探头1的尖端遵循用户预定的路径移动。
[0019]可选的，所述相敏检波电路9对来自射频电路的信号进行滤波与放大，具体为：经过射频电路4的NMR探头1采集的色散周期信号设为其中
[0020][0021]表示幅值为A、频率为f、相位差为的NMR信号；Noise(t)表示噪声；S(t)信号用傅
立叶展开成许多不同频率正弦波的叠加；而相敏检波电路9充当一个乘法器，将采集信号S(t)分别与同频率的参考信号R1＝sin(2πft)、R2＝cos(2πft)相乘；输入信号S(t)中与参考信号不同频的部分乘积为零，与参考信号同频的部分乘积会输出一个被放大了的直流电压；过程通过如下数学关系式理解：
[0022]输入信号S(t)分解为实部信号S
R
(t)与虚部信号S
X
(t)：
[0023][0024][0025]通过一个低通滤波器，得到实部信号幅值D
R
和虚部信号幅值D
X
，再由实部信号和虚部信号得到NMR信号的幅度与相位：
[0026][0027]实现相敏检波电路9对来自射频电路信号的滤波与放大。
[0028]可选的，所述数控本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于NMR探头的高分辨率磁场测量装置，其特征在于：该装置包括核磁共振NMR探头(1)、步进电机(2)、电机驱动电路(3)、射频电路(4)、数字信号处理DSP控制单元(5)；所述NMR探头(1)包括激励用的发射线圈、接收被激励液体返回的核磁共振色散信号的接收线圈和存放激励液体的液体容器；所述NMR探头通过检测核磁共振色散信号与分析其形状，或者是分析核磁共振吸收信号的导数形状，来研究核磁共振功率吸收的峰值频率，然后根据拉莫尔共振频率来确定被测样品所在的主磁场强度；所述进步电机(2)通过一根刚性杆与NMR探头(1)相连接，步进电机受电机驱动电路(3)驱动，用于实现NMR探头在主磁场区域的三维运动扫描测量；所述射频电路(4)为NMR探头(1)提供射频功率，并将NMR探头(1)的接收线圈接收到的磁共振色散信号传输至DSP控制单元(5)，再通过DSP控制单元(5)内的相位敏感检测电路进行滤波和放大；所述DSP控制单元(5)包括DSP、FPGA和相敏检波电路，并内嵌数控振荡器；现场可编程逻辑门阵列FPGA芯片为电机驱动电路和射频电路提供主控制，DSP控制单元(5)将采集的NMR色散信号发送给计算机，计算机结合NMR探头的位置信号再进行信号处理、显示和对FPGA控制器的命令控制及通信控制。2.根据权利要求1所述的一种基于NMR探头的高分辨率磁场测量装置，其特征在于：所述NMR探头(1)包括用于激励液体的发射线圈(6)、检测被激励液体的反射信号的接收线圈(7)和用于存放激励液体的液体容器(8)。3.根据权利要求2所述的一种基于NMR探头的高分辨率磁场测量装置，其特征在于：所述发射线圈(6)采用螺线管结构，与电容原件串联组成RLC谐振电路，RLC谐振电路经过50Ω阻抗匹配，减少电阻损耗，以向线圈提供最大射频功率和增大Q值。4.根据权利要求3所述的一种基于NMR探头的高分辨率磁场测量装置，其特征在于：所述发射线圈(6)RLC谐振电路的谐振频率根据公式得到，电路中总电容包括：C1、C2、C3和C4，当发射线圈(6)的匝数与直径等参数固定时，RLC谐振电路中电感L为常数；通过调整电路中的电容量，将谐振频率调整到相应磁场的适当值。5.根据权利要求4所述的一种基于NMR探头的高分辨率磁场测量装置，其特征在于：所述接收线圈(7)采用螺线管结构，线圈共有2N圈，分为两组螺旋方向相反的部分，每组N圈，顺时针线圈(701)与逆时针线圈(702)对称的置于发射线圈(6)内部，液体容器(8)为一圆柱形无磁性塑料容器，被放置在接收线圈(7)的顺时针线圈(701)或逆时针线圈(702)的内侧位置上，这样两个绕线方向相反的螺线管顺时针线圈(701)与逆时针线圈(702)经历相同的激励磁场，检测到的外部干扰信号相互抵消，只检测到被测样品的磁共振信号，提高信噪比，激励和检测线圈之间也实现宽带...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺中华，陈煦，陈韦旭，苏誉壹，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：