实验低场脉冲核磁共振仪数据接收与处理

　　1　引　言

　　根据核磁共振原理,采用CPMG方法对样品中的氢原子核进行激发,随后在接收线圈上产生一个可检测的自由感应衰减信号。该信号的强度和衰减速率与被测物质的微观结构密切相关,通过数学的方法对信号进行分离、分析,可以获得其它手段难以得到的各种物质的微观信息,从而达到检测物质的目的,这就是低场脉冲核磁共振仪的工作原理[1]。

　　核磁共振技术向低场脉冲方向发展是继高场波谱技术、医用成像技术之后的又一发展趋势。低场脉冲核磁共振仪已广泛运用到测井、岩石的分析等方面,但在农业、纺织业、食品等方面的应用还没有完全展开。目前,国际标准化组织已经公布了五项采用低场脉冲核磁共振技术无损同步检测含油种子含油量和水分含量以及动植物中固体脂肪含量的标准,研究和开发低场脉冲核磁共振技术具有重要的科学价值和现实意义。本文以我们自行研制的实验用低场脉冲核磁共振分析测量仪为背景,详细描述了其数据接收与处理中的几个关键性问题。

　　2　信号接收系统简介

　　低场脉冲核磁共振仪信号接收系统结构如图1

　　线圈检测到的信号经前置放大、正交检波、A/D转换后输入计算机处理。A/D转换可由专业数据采集卡完成,但成本较高,且不能在采集卡所处的软件环境中对所得数据直接分析处理,需先将数据保存起来,然后在数据分析软件环境中调用存储数据进行分析处理。基于成本核算与数据处理的快速直接性考虑,我们也提出了一种直接用声卡替代专业采集卡完成数据采集功能的方案[2]。

　　3　数据接收与处理的几个关键性技术

　　3.1叠加平均

　　低场脉冲核磁共振仪接收到的信号含有大量噪声,信噪比低。噪声对解谱结果影响很大,必须尽量抑制噪声,提高系统信噪比。

　　为此首先运用了叠加平均方法(又可称为时间滤波):重复进行N次实验,对信号进行多次采集,在内存中(重复实验次数少)或者专用计算机中(重复实验次数多)将N次得到的数据进行累加,再除以N作为最后测量信号。因为信号电压与扫描次数N成正比,而噪声是无规律的,一般情况下噪声电压与扫描次数的平方根N成正比,即信号(Vs)与噪声(Vn)有如下关系[3]:

　　从式中可看出,理论上重复实验次数越多,信噪比越高。但实际应用中,由于受到测量时间限制与系统稳定性影响,重复实验次数有一定局限。

　　图2为叠加平均实验结果,对比了未采取叠加平均与采取32次叠加平均后接收到的信号。从图中可看出,叠加平均处理能有效抑制高频随机噪声。