阅读说明：本技术 一种可变场核磁共振系统及核磁共振信号测量方法 (Variable field nuclear magnetic resonance system and nuclear magnetic resonance signal measuring method ) 是由 刘文中 郭斯琳 胡朋 程晶晶 于 2019-10-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种可变场核磁共振系统及核磁共振信号测量方法,系统包括：静磁场发生装置,用于通过可调恒流源,驱动激励磁场输出线圈产生直流静磁场；高频磁场发生装置,用于通过函数信号发生器驱动高频磁场输出线圈,对施加有静磁场的被检体照射高频磁场；基于隧道磁阻传感器的信号检测装置,用于采用隧道磁阻传感器作为探头,接收被检体产生的核磁共振信号。本发明的静磁场发生装置基于精密可调恒流源驱动激励磁场线圈产生稳定可控的直流磁场,使得主磁场根据实际需要可调。另外,基于TMR传感器制成的探头接收待测体产生的核磁共振信号,使得探测信号信噪比高,因此,本发明核磁共振装置能够有效满足实际科研或生产过程中的高效测试需求。(The invention discloses a variable field nuclear magnetic resonance system and a nuclear magnetic resonance signal measuring method, wherein the system comprises: the static magnetic field generating device is used for driving the excitation magnetic field output coil to generate a direct-current static magnetic field through the adjustable constant current source; a high-frequency magnetic field generator for driving the high-frequency magnetic field output coil by the function signal generator and irradiating the subject to which the static magnetic field is applied with a high-frequency magnetic field; the signal detection device based on the tunnel magnetoresistive sensor is used for receiving a nuclear magnetic resonance signal generated by a detected body by adopting the tunnel magnetoresistive sensor as a probe. The static magnetic field generating device drives the exciting magnetic field coil to generate a stable and controllable direct-current magnetic field based on the precise adjustable constant-current source, so that the main magnetic field can be adjusted according to actual requirements. In addition, the probe made based on the TMR sensor receives the nuclear magnetic resonance signal generated by the body to be tested, so that the signal-to-noise ratio of the detection signal is high, and therefore, the nuclear magnetic resonance device can effectively meet the high-efficiency test requirement in the actual scientific research or production process.)

一种可变场核磁共振系统及核磁共振信号测量方法

技术领域

本发明属于核磁共振波谱测量领域，更具体地，涉及一种可变场核磁共振系统及核磁共振信号测量方法。

背景技术

核磁共振(NMR)是指磁矩不为零的原子核，在外磁场作用下自旋能级发生塞曼***，共振吸收某一定频率的射频辐射的物理过程，这一现象可用于测定分子结构。目前核磁共振的研究主要集中在对于氢谱和碳谱两类原子核的波谱，其中，可根据静磁场的磁场强度分为高场核磁共振与低场核磁共振。

现有的低场核磁共振常使用探测线圈作为磁共振信号探测探头，由于背景磁场强度低，共振信号微弱，信噪比较低。并且为了追求激励静磁场的均匀性与稳定性，常使用永磁铁来产生静磁场，这就使得激励静磁场场强固定不可调控。因此，现有核磁共振测量装置测量精度、测量灵活性受限而存在不能在短时间内有效获取待测体在不同静磁场下的核磁共振信号的问题，这极大影响实际科研或生产过程中的高效测试需求。

发明内容

本发明提供一种可变场核磁共振系统及核磁共振信号测量方法，用以解决现有核磁共振测量系统因不能在短时间内有效获取待测体在不同静磁场下的核磁共振信号而存在无法适应实际高效测量需求的技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种可变场核磁共振系统，包括：

基于可调恒流源驱动的静磁场发生装置，用于通过可调恒流源，驱动激励磁场输出线圈产生直流静磁场；

高频磁场发生装置，用于通过函数信号发生器驱动高频磁场输出线圈，对施加有所述静磁场的被检体照射高频磁场；

基于隧道磁阻传感器的信号检测装置，用于采用隧道磁阻传感器作为探头，接收所述被检体产生的核磁共振信号。

本发明的有益效果是：本发明的静磁场发生装置基于精密可调恒流源驱动激励磁场线圈产生稳定可控的直流磁场，使得主磁场根据实际需要可调，解决了当前核磁共振设备主磁场不可调节的问题。另外，引入隧道磁阻传感器，基于TMR传感器制成的探头接收所述待测体产生的核磁共振信号解决了低场核磁共振信号微弱、信噪比较低的问题，因此，本发明的核磁共振装置具有磁场可调、信噪比高的特点，实现了对静磁场的调整并对低场磁共振信号进行有效获取，能够有效满足实际科研或生产过程中的高效测试需求。

上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述信号检测装置还用于：对所述隧道磁阻传感器接收的所述核磁共振信号进行放大、滤波处理，得到预处理信息。

进一步，所述信号检测装置包括一个仪表放大器以及分别与该仪表放大器输入端连接的两个所述隧道磁阻传感器、与该仪表放大器输出端连接的一个滤波器，其中，两个所述隧道磁阻传感器构成差分结构以在获取核磁共振信号时消除背景磁场。

本发明的进一步有益效果是：使用隧道磁阻(TMR)磁传感器获取待测体磁共振信号，这对被测磁场结构影响小，使得测量结果更加接近真实值，且能够有效克服低磁场下使用线圈获取的核磁共振信号信噪比低的问题，提高核磁共振信号测量的有效性。

进一步，还包括：信息处理装置，用于采用数据卡采集所述预处理信息并对其模数转换后输入数据处理终端。

进一步，所述静磁场发生装置具体用于：

根据实际磁场需要，改变可调恒流源的驱动电流大小并驱动激励磁场线圈产生预设大小的直流静磁场。

进一步，所述静磁场发生装置包括可调基准电压、低负载系数采样电阻、运算放大器和调整管，其中，所述可调基准电压连接所述运算放大器正向输入端，所述采样电阻的电压高端连接所述运算放大器的反向输入端，所述调整管的两段分别连接所述运算放大器的输出端和所述电压高端，所述采样电阻的电压低端外接所述激励磁场线圈。

本发明的进一步有益效果是：使用精密可调恒流源驱动线圈得到的静磁场具有良好的磁场稳定性以及均匀性，另外，可以通过调节恒流源电流值实现对主磁场大小进行调整，灵活方便，提高核磁共振测量的效率。

本发明还提供一种核磁共振信号测量方法，包括：

S1、采用如上所述的任一种可变场核磁共振系统，得到被检体在特定直流静磁场下的核磁共振信号；

S2、若测量其他静磁场下的核磁共振信号，调节所述可变场核磁共振系统中静磁场发生装置产生所述其它静磁场，并重复执行S1。

本发明的有益效果是：本发明采用上述静磁场发生装置，基于精密可调恒流源驱动激励磁场线圈产生稳定可控的直流磁场，使得主磁场根据实际需要可调。另外，基于TMR传感器制成的探头接收待测体产生的核磁共振信号，即便在低磁场下也能够高精度的测得核磁共振信号。因此，本发明的核磁共振测量方法具有磁场可调、信噪比高的特点，实现了对静磁场的调整并对低场磁共振信号进行有效获取，能够有效满足实际科研或生产过程中的高效测试需求。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种可变场核磁共振系统的结构框图；

图2为本发明实施例提供的信号检测装置的结构框图；

图3为本发明实施例提供的另一种可变场核磁共振系统的结构框图；

图4为本发明实施例提供的静磁场发生装置的结构框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例一

一种可变场核磁共振系统100，如图1所示，包括：基于可调恒流源驱动的静磁场发生装置110，高频磁场发生装置120，以及基于隧道磁阻传感器的信号检测装置130。其中，可调恒流源驱动的静磁场发生装置用于通过可调恒流源，驱动激励磁场输出线圈产生直流静磁场；高频磁场发生装置用于通过函数信号发生器驱动高频磁场输出线圈，对施加有上述静磁场的被检体照射高频磁场；基于隧道磁阻传感器的信号检测装置用于采用隧道磁阻传感器作为探头，接收被检体产生的核磁共振信号。

静磁场发生系统的主要功能是使用精密可调恒流源驱动激励磁场线圈产生稳定可控的直流静磁场(也即主磁场)；高频磁场发生系统的主要功能是使用函数信号发生器驱动高频磁场输出线圈对被施加了静磁场的被检体照射高频磁场，从而使得被测体能够产生共振信号；信号检测系统包括隧道磁阻传感器，也可包括相关的模拟信号调理电路，其中基于隧道磁阻传感器制成的探头接收待测体产生的核磁共振信号，模拟信号调理电路对隧道磁阻传感器输出的信号进行放大、滤波等预处理。

需要说明的是，高频磁场发生系统的函数发生器可以与计算机相连而可输出经过设计的高频连续信号或脉冲信号。

在核磁传感器的应用中，隧道磁阻传感器(TMR传感器)具有体积小、灵敏度高、功耗小、温度稳定性高等诸多优点，这对于核磁设备高频微弱共振信号的测量具有显著优势，特别地，由于TMR传感器体积小，较易于安装和节约空间成本，且对被测磁场结构影响小，使得测量结果较接近真实值，减小固有误差。此外，TMR传感器高频相应能力高达数十兆，这对于核磁共振设备的升级改造率先提供了理论支持。

本实施例的静磁场发生装置基于精密可调恒流源驱动激励磁场线圈产生稳定可控的直流磁场，使得主磁场根据实际需要可调，解决了当前核磁共振设备主磁场不可调节的问题。另外，引入隧道磁阻传感器，基于TMR传感器制成的探头接收所述待测体产生的核磁共振信号解决了低场核磁共振信号微弱、信噪比较低的问题，因此，本实施例的核磁共振装置具有磁场可调、高信噪比的特定，实现了对静磁场的调整并对低场磁共振信号进行有效获取。

优选的，如图2所示，上述信号检测装置包括一个仪表放大器IC1以及分别与该仪表放大器输入端连接的两个隧道磁阻传感器TMR、与该仪表放大器输出端连接的一个滤波器IC2，其中，两个隧道磁阻传感器构成差分结构以在获取核磁共振信号时消除背景磁场。

仪表放大器的输入端与隧道磁阻传感器的输出端相连，仪表放大器的输出端与滤波电路的输入端相连，滤波电路的输出端与数据采集卡相连。

需要说明的是，两个属性相同的TMR传感器在同一个背景磁场下采集的信号是相同的，相同的信号经过差分放大电路之后会相互抵消，因此，可以消除背景磁场，若在该处无法抵消剩余信号，可以在后续信息处理中消除。

使用隧道磁阻(TMR)磁传感器取代线圈获取待测体磁共振信号，其对被测磁场结构影响小，使得测量结果更加接近真实值，能够有效克服低场下使用线圈获取的核磁共振信号信噪比低的问题。

进一步，如图3所示，装置100还包括：信息处理装置，用于采用数据卡采集所述预处理信息并对其模数转换后输入数据处理终端。

信息处理装置的主要功能是处理来自检测系统的信号，使用数据采集卡对模拟信号调理电路的输出进行模数转换输入计算机进行数字信号处理以及后续的共振信号特征求解。

具体的，信息处理装置中的信号处理算法是指在LabVIEW中对数据采集卡采集得到信号进行数字正交变换之后进行快速傅里叶变换(FFT)计算从而得到高分辨率波谱信号，并在此基础进一步求解如共振频率、峰半高宽等磁共振波谱特征信息。

优选的，静磁场发生装置具体用于：根据实际磁场需要，改变可调横流源的驱动电流大小并驱动激励磁场线圈产生预设大小的直流静磁场。

需要说明的是，电流设定值可以通过单片机或者计算机进行设定。

优选的，如图4所示，静磁场发生装置包括可调基准电压Us、低负载系数采样电阻R1、运算放大器A1和调整管FET，其中，可调基准电压连接运算放大器正向输入端，采样电阻的电压高端连接运算放大器的反向输入端，调整管的两端分别连接运算放大器的输出端和电压高端，采样电阻的电压低端外接激励磁场线圈，调整管FET选用场效应管。

当前的核磁共振设备出于对静磁场高均匀性的要求，通常使用永磁铁来产生静磁场，但这不仅造成了磁场强度的不可改变，也意味着对磁体本身的温度敏感性要求很高以及对设备环境温度的稳定性要求很高。为了能够实现磁共振静磁场的磁场强度可变，采用串联负反馈的原理设计一个高稳定性的恒流模块，通过使用反馈电阻电压值，可以通过线圈产生一个均匀性优于10ppm的静磁场，使用高稳定性的恒流源产生能够达到磁共振要求的静磁场。因此，使用精密可调恒流源驱动线圈得到的静磁场具有良好的磁场稳定性以及均匀性，并可以通过调节恒流源电流值实现对主磁场大小进行调整。

实施例二

一种核磁共振信号测量方法，包括：

采用如上实施例一所述的任一种可变场核磁共振系统，得到被检体在特定直流静磁场下的核磁共振信号；若测量其他静磁场下的核磁共振信号，调节所述可变场核磁共振系统中静磁场发生装置产生所述其它静磁场，并重复执上述过程。

例如，通过软件系统设定主磁场B0的大小以及高频磁场B1，待可变场核磁共振系统对被测体的核磁共振信号进行采集后，所获取的信息在软件中进行处理。具体来说，原始信号经过数字正交解调之后再进行快速傅里叶变换得到待测体磁共振波谱后，通过对峰值的获取与峰宽的求解，能够进一步得到共振频率与半高宽信息。若需要进行其它磁场测量，重复采用可变场核磁共振系统对被测体施加其它大小主磁场以采集对应的核磁共振信号。

采用实施例一所述的静磁场发生装置，基于精密可调恒流源驱动激励磁场线圈产生稳定可控的直流磁场，使得主磁场根据实际需要可调。另外，基于TMR传感器制成的探头接收待测体产生的核磁共振信号，即便在低磁场下也能够高精度的测得核磁共振信号。因此，本实施例的核磁共振测量方法具有磁场可调、信噪比高的特点，实现了对静磁场的调整并对低场磁共振信号进行有效获取，能够有效满足实际科研或生产过程中的高效测试需求。

相关技术方案同实施例一，在此不再赘述。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。