專利名稱：一種核磁共振譜儀的數(shù)據(jù)采集裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種核磁共振譜儀，尤其是涉及一種可以免重復(fù)激勵(lì)待測(cè)試樣品、快 速搜索未知譜峰的核磁共振譜儀的數(shù)據(jù)采集裝置。
背景技術(shù)：
NMR譜儀屬于高端大型科學(xué)儀器，技術(shù)含量高，應(yīng)用范圍廣泛。目前，市場(chǎng)主流產(chǎn)品 為美國Varian和德國Bruker等公司生產(chǎn)的NMR譜儀。在NMR譜儀的實(shí)驗(yàn)過程中，往往事先并不知道待測(cè)試樣品里所有的物質(zhì)，在初次 實(shí)驗(yàn)時(shí)，存在一個(gè)搜索未知譜峰的過程([1]謝狄霖，陳忠，施偉巧，等.NMR碳譜譜峰檢索系 統(tǒng)[J]波譜學(xué)雜志，2008 (01) :128-132)。商業(yè)譜儀一般采取以下工作流程來搜索未知譜 峰先進(jìn)行粗掃，得到頻率分辨率大約為幾Hz的全波段譜圖([2]劉穎，沈杰，李鯁穎.基于 USB總線的一體化核磁共振譜儀控制臺(tái)[J].波譜學(xué)雜志，2007 (01) 35-41)；然后由用戶 指定感興趣的頻譜范圍，重新激勵(lì)樣品，采集自由感應(yīng)衰減信號(hào)(Free Induction Decay, FID)，再進(jìn)行信號(hào)處理，以獲得指定頻譜范圍內(nèi)的頻譜數(shù)據(jù)；若用戶還需查看其他頻譜范圍 內(nèi)數(shù)據(jù)，則需要重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)過程([3]周娟，周敏雄，雷都，等.一體化核磁共振譜儀數(shù)據(jù) 交換的實(shí)現(xiàn)機(jī)制[J]波譜學(xué)雜志，2009 (03) :343-350)。另一方面，當(dāng)進(jìn)行核磁共振實(shí)驗(yàn)時(shí)， 如果需要查看不同頻譜范圍內(nèi)的高分辨率頻譜數(shù)據(jù)，也需要重新設(shè)定譜寬等參數(shù)，進(jìn)行多 次樣品激發(fā)實(shí)驗(yàn)，以獲得指定頻譜范圍內(nèi)的高分辨率頻譜數(shù)據(jù)。這樣，由于前后實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn) 環(huán)境等因素存在著差異，引入了一些時(shí)間的差異性，給實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)帶來更多的不確定性。該方 法的缺點(diǎn)在于①搜索未知譜峰時(shí)，需要進(jìn)行多次激勵(lì)樣品，降低了實(shí)驗(yàn)效率；②多次激勵(lì) 樣品的實(shí)驗(yàn)結(jié)果引入了時(shí)間差異，帶來了更多的不確定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可以避免多次激勵(lì)待測(cè)試樣品，可快速搜索未知譜峰 的核磁共振譜儀的數(shù)據(jù)采集裝置。本發(fā)明設(shè)有核磁控頭、解調(diào)器、濾波電路、可編程增益放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 (ADC)、中央處理單元(FPGA)，解調(diào)器的輸入端接核磁控頭的輸出端，濾波電路的輸入端接 解調(diào)器的中頻FID信號(hào)輸出端，可編程增益放大器的輸入端接濾波電路的輸出端，ADC轉(zhuǎn)換 電路的輸入端接可編程增益放大器的輸出端，中央處理單元的輸入端口接ADC轉(zhuǎn)換電路的 數(shù)字中頻FID信號(hào)輸出端，中央處理單元與大容量數(shù)據(jù)緩存連接，中央處理單元的輸出端 口經(jīng)計(jì)算機(jī)接口外接計(jì)算機(jī)。所述核磁探頭可設(shè)有接收線圈和前置放大器，前置放大器的輸入端與接收線圈連 接，前置放大器的輸出端與解調(diào)器的輸入端連接。所述解調(diào)器可采用500MHz本地振蕩信號(hào)。本發(fā)明在原有的控制臺(tái)硬件基礎(chǔ)上增加大容量數(shù)據(jù)緩存，用于存儲(chǔ)NMR譜儀的中 間處理數(shù)據(jù)；另外，中央處理單元采用大規(guī)模FPGA實(shí)現(xiàn)，所有的數(shù)據(jù)運(yùn)算均在FPGA中實(shí)現(xiàn)。
3
所述FID數(shù)據(jù)處理算法是在原NMR譜儀FID數(shù)據(jù)處理算法的基礎(chǔ)上，增加頻譜細(xì) 分算法。本發(fā)明的控制臺(tái)工作流程是控制臺(tái)接收到原始FID信號(hào)后，經(jīng)過高頻解調(diào)，得到 中頻信號(hào)，直接采用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)采樣中頻信號(hào)(采樣率大于中頻信號(hào)主頻率的 3倍)，得到數(shù)字化中頻信號(hào)，數(shù)字化中頻信號(hào)經(jīng)過數(shù)字中頻解調(diào)后，得到數(shù)字化FID信號(hào)， 將數(shù)字化FID信號(hào)全部存儲(chǔ)于大容量數(shù)據(jù)緩存，隨后將數(shù)字化FID信號(hào)經(jīng)過大倍頻系數(shù)降 頻后，傳往計(jì)算機(jī)，得到較粗頻譜分辨率的全譜譜線圖。用戶從全譜譜線圖上選定感興趣頻 段區(qū)域，并可指定頻譜分辨率需求，計(jì)算機(jī)將用戶感興趣頻段范圍、頻譜分辨率需求等數(shù)據(jù) 發(fā)回控制臺(tái)，控制臺(tái)根據(jù)用戶感興趣頻段范圍、頻譜分辨率需求，采用頻譜細(xì)分技術(shù)等相關(guān) 算法，計(jì)算出合適的重采樣頻譜、濾波器帶寬、降頻系數(shù)，對(duì)存儲(chǔ)在大容量數(shù)據(jù)緩存中的數(shù) 字化FID信號(hào)進(jìn)行重采樣、低通濾波、降頻后，發(fā)往計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT計(jì)算 后，得到用戶指定的頻譜范圍內(nèi)高分辨率波譜信號(hào)；用戶還可以多次指定感興趣頻譜范圍、 分辨率。本發(fā)明在原有的NMR譜儀數(shù)據(jù)采集方式的基礎(chǔ)上應(yīng)用頻譜細(xì)分技術(shù)，并且從NMR 譜儀的控制臺(tái)硬件、FID數(shù)據(jù)處理算法和工作流程等級(jí)方面做出改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)避免多次激勵(lì) 待測(cè)試樣品、快速搜索未知譜峰的功能。由此可見，本發(fā)明具有以下突出的效果由于采用了上述方法，NMR譜儀可以一次實(shí)驗(yàn)即可獲得全譜段的高分辨率譜線圖， 不需要多次重復(fù)激勵(lì)樣品，避免了多次激勵(lì)樣品引入的不重復(fù)性。而且具有了實(shí)驗(yàn)速度快、 頻譜分辨率高、頻譜分辨率可定制等優(yōu)點(diǎn)，完全可以滿足NMR譜儀對(duì)控制臺(tái)的要求，且調(diào)整 部分元件，即可實(shí)現(xiàn)不同的工作頻率帶寬，滿足各種頻率NMR譜儀的需要。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)組成框圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例的電路原理組成圖。在圖2中，各主要元器件分別為 ICl :HSWA2-30 ；IC2 =ADE-IL ；IC3 :AD8336 ；IC4 :AD8132 ； IC5 :AD6645 ； IC6 :0CX0_80 ；IC7 RTL8139 ；IC8 :XCF128X ； IC9 :74LVC16374 ； IClO :XC5VLX330T ；Ml :4GB 的 DDR 內(nèi)存模塊；Cl 0. 01 μ F ；C2 :68pF ；C3 :220pF ；Ll :470nH ；SMA 和 RJ45 為接 口。圖3為本發(fā)明的控制臺(tái)與計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)交互圖。圖4為本發(fā)明的功能流程圖。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)新特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，以下實(shí) 施例將結(jié)合附圖，進(jìn)一步對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)介紹。本發(fā)明通過在NMR譜儀現(xiàn)有數(shù)據(jù)采集方案的基礎(chǔ)上，增加信號(hào)處理領(lǐng)域的頻譜細(xì) 分技術(shù)，并根據(jù)頻譜細(xì)分技術(shù)的特殊需求和特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套適合實(shí)現(xiàn)頻譜細(xì)分技術(shù)的硬 件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化實(shí)驗(yàn)流程、有效提高NMR譜儀控制臺(tái)的處理速度等功能。如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例設(shè)有核磁控頭1、解調(diào)器2、濾波電路3、可編程增益放大 器4、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(ADC) 5、中央處理單元6，解調(diào)器2的輸入端接核磁控頭1的輸出端，濾波電路3的輸入端接解調(diào)器2的中頻FID信號(hào)輸出端，可編程增益放大器4的輸入端接濾 波電路3的輸出端，ADC轉(zhuǎn)換電路5的輸入端接可編程增益放大器4的輸出端，中央處理單 元6的輸入端口接ADC轉(zhuǎn)換電路5的數(shù)字中頻FID信號(hào)輸出端，中央處理單元6與大容量 數(shù)據(jù)緩存8連接，中央處理單元6的輸出端口經(jīng)計(jì)算機(jī)接口 7外接計(jì)算機(jī)。所述核磁探頭1設(shè)有接收線圈11和前置放大器12，前置放大器12的輸入端與接 收線圈11連接，前置放大器12的輸出端與解調(diào)器2的輸入端連接。所述解調(diào)器2采用500MHz本地振蕩信號(hào)。本發(fā)明設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)主要包括解調(diào)、濾波、高速ADC、中央處理單元和大容量數(shù) 據(jù)緩存及計(jì)算機(jī)接口組成。核磁共振實(shí)驗(yàn)樣品的FID信號(hào)經(jīng)過核磁共振前端探頭采樣、前 置放大器放大后，通過SMA接口接入本發(fā)明的硬件系統(tǒng)。參見圖2，集成電路ICl產(chǎn)生本地500MHz頻率信號(hào)，輸入乘法器IC2，對(duì)FID進(jìn)行 500MHz的高頻解調(diào)，消除高頻載波信號(hào)，得到中頻FID信號(hào)，電感Ll、電容C2和C3組成的π 型濾波器對(duì)中頻FID信號(hào)進(jìn)行濾波，消除高頻噪聲后，經(jīng)可編程增益放大器IC3，對(duì)中頻FID 信號(hào)作進(jìn)一步的放大；放大的FID中頻信號(hào)經(jīng)過ADC差分驅(qū)動(dòng)器IC4后，高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器 IC5進(jìn)行80MHz的采樣，得到數(shù)字中頻FID信號(hào)，其中80MHz的采樣時(shí)基由集成電路IC6產(chǎn) 生；數(shù)字中頻FID信號(hào)經(jīng)過集成電路IC9驅(qū)動(dòng)后，輸入到中央處理單元IC8，集成電路IClO 為IC8的配置芯片；數(shù)字FID中頻信號(hào)首先經(jīng)過20MHz的數(shù)字中頻解調(diào)，然后被存儲(chǔ)于大容 量數(shù)據(jù)緩存Ml中；中央處理單元可以根據(jù)用戶指令，從大容量數(shù)據(jù)緩存中取出數(shù)字FID信 號(hào)，作相關(guān)處理后，通過RJ45接口，傳送到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)上進(jìn)行FFT計(jì)算后，就可以得到用 戶預(yù)期的頻譜數(shù)據(jù)。中央處理單元全部在一塊FPGA芯片中實(shí)現(xiàn)，主要用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字解調(diào)、下降頻、重 采樣、濾波及邏輯控制等功能；大容量數(shù)據(jù)緩存，用于存儲(chǔ)解調(diào)后的數(shù)字FID信號(hào)，可以是 SDRAM、DDRAM或者其他大容量快速存儲(chǔ)器，緩存容量不小于lGbytes，可以存儲(chǔ)一次完整實(shí) 驗(yàn)的數(shù)字FID信號(hào)，以供后續(xù)處理隨時(shí)取用。硬件系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)采用100M帶寬的LAN網(wǎng)絡(luò) 連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。頻譜細(xì)分技術(shù)有多種，可以采用復(fù)調(diào)制Zoom-FFT(Zoom-FFT頻譜細(xì)分技術(shù)的算法 流程)、相位補(bǔ)償細(xì)化或者級(jí)聯(lián)Zoom-FFT等頻譜細(xì)分技術(shù)，以下以復(fù)調(diào)制Zoom-FFT為例，闡 述本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)流程。FID信號(hào)持續(xù)時(shí)間一般為1 3s，帶寬與化學(xué)鍵等因素有關(guān)，從數(shù)赫茲到數(shù)兆赫 茲。為簡化說明，這里，F(xiàn)ID信號(hào)持續(xù)時(shí)間取2s，帶寬為1MHz。高速ADC以80MHz的采樣頻 率進(jìn)行采樣，將20MHz的FID中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，中央處理單元接收到數(shù)字中頻信 號(hào)，首先進(jìn)行數(shù)字解調(diào)，去除20MHz的中頻載波，獲得數(shù)字FID信號(hào)。高速ADC位深為14位， 采樣時(shí)間可以根據(jù)實(shí)際有效FID時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)，一般為1 3s，以2s為例，那么總共得到 320Mbytes的數(shù)字FID信號(hào)。中央處理單元將320Mbytes數(shù)字FID信號(hào)全部存儲(chǔ)在大容量 數(shù)據(jù)緩存中。其后，中央處理單元取出數(shù)字FID信號(hào)，進(jìn)行比例系數(shù)為800的下降頻抽取處 理，得到400KbyteS的數(shù)字FID信號(hào)，然后經(jīng)過各種處理后，傳往計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)進(jìn)行FFT計(jì) 算后，得到相關(guān)的頻譜信號(hào)，則此時(shí)的頻譜分辨率為5Hz，即得到了頻譜分辨率為5Hz的全 頻譜波譜圖。用戶在計(jì)算機(jī)上框選“感興趣”頻譜范圍，例如，框選的頻譜范圍為IOOkHz 150kHz，用戶指定頻譜分辨率要求為0. IHz0計(jì)算機(jī)將此頻譜范圍傳回控制臺(tái)，控制臺(tái)經(jīng)過 計(jì)算，得到頻率起點(diǎn)為100kHz，終點(diǎn)為150kHz，帶寬為50kHz，重采樣頻率為150kHz。中央 處理器首先進(jìn)行計(jì)算，生成數(shù)字IOOkHz正弦信號(hào)和50kHz的數(shù)字低通濾波器；隨后，中央處 理器讀取存儲(chǔ)在大容量數(shù)據(jù)緩存的數(shù)字FID信號(hào)，與IOOkHz數(shù)字正弦信號(hào)相乘，即將數(shù)字 FID信號(hào)的頻譜向左移動(dòng)100kHz，即IOOkHz附近的信號(hào)移動(dòng)到OHz附近，采用剛剛生成的 50kHz低通濾波器對(duì)移頻的數(shù)字FID信號(hào)進(jìn)行濾波，去除高頻噪聲干擾，消除頻譜混疊，提 高信噪比。采用150kHz的采樣頻率對(duì)濾波后數(shù)字FID信號(hào)進(jìn)行重采樣，獲得了頻譜分辨率 為0. 5Hz的FID譜圖。以下給出本發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)步驟將所有經(jīng)過數(shù)字中頻解調(diào)的數(shù)字FID信號(hào)存儲(chǔ)在大容量數(shù)據(jù)緩存中；1)數(shù)字FID信號(hào)經(jīng)過大倍頻系數(shù)降頻后，傳往計(jì)算機(jī)，得到較粗頻譜分辨率的全 譜譜線圖，即實(shí)現(xiàn)了全頻段的“粗掃”；2)用戶在全譜譜線圖上圈選“感興趣”頻譜范圍；3)計(jì)算機(jī)將“感興趣”頻譜范圍的相關(guān)數(shù)據(jù)傳往控制臺(tái)；4)控制臺(tái)接收到“感興趣”頻譜范圍的有關(guān)數(shù)據(jù)后，根據(jù)要求，計(jì)算出一個(gè)最佳的 頻移、降頻、重采樣、濾波的頻譜細(xì)化方案；5)控制臺(tái)取出存儲(chǔ)在大容量數(shù)據(jù)緩存中的數(shù)字FID信號(hào)，根據(jù)步驟4)計(jì)算出的頻 譜細(xì)化方案進(jìn)行頻移、降頻、重采樣、濾波等頻譜細(xì)化處理后，將細(xì)化處理結(jié)果傳往計(jì)算機(jī)， 得到“感興趣”頻譜范圍內(nèi)的高分辨率頻譜圖。6)重復(fù)步驟2) 5)，就可以快速得到任意頻譜范圍內(nèi)的高分辨率頻譜圖。7)實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，將所有保存大容量數(shù)據(jù)緩存中的數(shù)字FID信號(hào)傳往計(jì)算機(jī)，備案 待查。圖3和4分別為具體實(shí)現(xiàn)該方法的計(jì)算機(jī)流程圖。因此應(yīng)用本發(fā)明后，所有FID數(shù)據(jù)均存在控制臺(tái)硬件中，在同一次實(shí)驗(yàn)中，NMR譜 儀只需要從大容量存儲(chǔ)器中調(diào)出數(shù)字FID信號(hào)后，經(jīng)過簡單運(yùn)算，既可以得到所有頻譜范 圍的高分辨率譜圖，而避免了重新激勵(lì)待測(cè)試樣品。即一次實(shí)驗(yàn)，可以得到所有譜段內(nèi)的高 分辨率頻譜圖，從而提高了實(shí)驗(yàn)效率，省去了摸索未知譜峰時(shí)的多次激勵(lì)待測(cè)試樣品過程。
權(quán)利要求
一種核磁共振譜儀的數(shù)據(jù)采集裝置，其特征在于設(shè)有核磁控頭、解調(diào)器、濾波電路、可編程增益放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、中央處理單元，解調(diào)器的輸入端接核磁控頭的輸出端，濾波電路的輸入端接解調(diào)器的中頻FID信號(hào)輸出端，可編程增益放大器的輸入端接濾波電路的輸出端，ADC轉(zhuǎn)換電路的輸入端接可編程增益放大器的輸出端，中央處理單元的輸入端口接ADC轉(zhuǎn)換電路的數(shù)字中頻FID信號(hào)輸出端，中央處理單元與大容量數(shù)據(jù)緩存連接，中央處理單元的輸出端口經(jīng)計(jì)算機(jī)接口外接計(jì)算機(jī)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種核磁共振譜儀的數(shù)據(jù)采集裝置，其特征在于所述核磁探頭 設(shè)有接收線圈和前置放大器，前置放大器的輸入端與接收線圈連接，前置放大器的輸出端 與解調(diào)器的輸入端連接。
全文摘要
一種核磁共振譜儀的數(shù)據(jù)采集裝置，涉及一種核磁共振譜儀。提供一種可以避免多次激勵(lì)待測(cè)試樣品，可快速搜索未知譜峰的核磁共振譜儀的數(shù)據(jù)采集裝置。設(shè)有核磁控頭、解調(diào)器、濾波電路、可編程增益放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、中央處理單元，解調(diào)器的輸入端接核磁控頭的輸出端，濾波電路的輸入端接解調(diào)器的中頻FID信號(hào)輸出端，可編程增益放大器的輸入端接濾波電路的輸出端，ADC轉(zhuǎn)換電路的輸入端接可編程增益放大器的輸出端，中央處理單元的輸入端口接ADC轉(zhuǎn)換電路的數(shù)字中頻FID信號(hào)輸出端，中央處理單元與大容量數(shù)據(jù)緩存連接，中央處理單元的輸出端口經(jīng)計(jì)算機(jī)接口外接計(jì)算機(jī)。
文檔編號(hào)G01N24/08GK101949868SQ20101028356
公開日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2010年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月16日
發(fā)明者劉鴻飛, 孫惠軍, 鄭振耀, 陳志偉, 陳忠 申請(qǐng)人:廈門大學(xué)