專利名稱:高分辨核磁共振fid信號分析方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及核磁共振(NMR)時(shí)域自由衰減信號(FID)的分析與處理。
背景技術(shù):
核磁共振以其獨(dú)特的優(yōu)勢已在化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、能源等方面有著廣泛的用 途。目前核磁共振的應(yīng)用主要是通過各核共振過程中的固有特征參數(shù)化學(xué)位移(共振 頻率)、馳豫時(shí)間(衰減常數(shù))、峰面積(共振信號能量)等進(jìn)行分析與處理,最終取得 有用結(jié)果。顯然,化學(xué)位移、馳豫時(shí)間及峰面積的準(zhǔn)確程度直接影響到最終結(jié)果的準(zhǔn)確 性。因此,欲取得更精確的處理結(jié)果,必須采用更精確的特征參數(shù)。現(xiàn)有的脈沖—— 傅里葉變換核磁共振波譜儀均是將時(shí)域自由衰減(FID)信號采樣后進(jìn)行快速傅里葉變換 (FFT),得到FID信號的頻譜并求得其功率譜,然后通過計(jì)算峰位置估計(jì)核的共振頻率, 進(jìn)而估計(jì)其化學(xué)位移;通過對峰的積分估計(jì)峰面積;根據(jù)特定的發(fā)射脈沖時(shí)序,如倒轉(zhuǎn) 法(IR)、自旋回波法(CPSEFT)等,利用各共振信號幅度與時(shí)間之間的負(fù)指數(shù)關(guān)系,通 過快速傅里葉變換估計(jì)共振信號幅度,再對縱向馳豫時(shí)間Tl或橫向馳豫時(shí)間T2進(jìn)行估 計(jì)。由此可見,核磁共振分析的基礎(chǔ)是快速傅里葉變換。快速傅里葉變換是數(shù)字傅里葉變換(DFT)的快速計(jì)算方法,它是數(shù)字信號處理 的理論基礎(chǔ)之一。其基本原理是將頻率數(shù)字化后,利用各數(shù)字頻率信號向量之間的正交 性,將原信號分解到各數(shù)字頻率上進(jìn)行觀察。DFT與FFT的頻率分辨率,即在頻率軸上 所能得到的最小頻率間隔,為1/T,T為采樣信號的時(shí)間長度。另外,DFT與FFT存在 柵欄效應(yīng),即可能在頻譜上看不到較大的頻率分量。雖然可以通過數(shù)據(jù)補(bǔ)零改善柵欄效 應(yīng),但補(bǔ)零無法改變原信號的分辨率1/T。理論上核磁共振信號可表示為
N-丄M(t) = YjMi (0)e Γν cos(a0i-ω) (1)
/=1式中,t為脈沖停止后的時(shí)間,M1(O)為i核初始磁化強(qiáng)度,T2,,為i核橫向弛豫 時(shí)間常數(shù),Qci,,為!核共振頻率,ω為射頻脈沖頻率,N為共振核數(shù)目通過下變頻技術(shù)處理后,所獲信號的余弦項(xiàng)中僅含i核共振頻率,而不含射頻頻 率。通常下變頻中可采用正交解調(diào)技術(shù)或數(shù)字零中頻技術(shù)將接收信號轉(zhuǎn)為復(fù)信號。由于 各共振核本身的差異性、接收系統(tǒng)的延遲及正交解調(diào)等因素,接收各共振信號會出現(xiàn)不 同的初始相位。所以需處理的核磁共振FID信號為
^V—+ ^ο, Υτ,+φ,
M(n) = YjMi{Q)ey 2i J +v( )(2)
i=l 式中,j為虛數(shù)單位,η為離散時(shí)間,Ts為采樣周期,釣·為共振信號i的初相, ν (η)為測量中的加性噪聲由(2)式可看出,實(shí)際測量到的核磁共振信號為多個(gè)不同幅 度、不同初相與不同衰減時(shí)間常數(shù)的復(fù)正弦之和。如前所述,直接利用FFT對核磁共振
3信號進(jìn)行處理,其頻率分辨率為1/T,且會受到柵欄效應(yīng)的影響。更嚴(yán)重的是,每種核 的共振信號是被一負(fù)指數(shù)衰減信號所調(diào)制的復(fù)正弦,相當(dāng)于在復(fù)正弦采樣信號上加了一 負(fù)指數(shù)衰減的窗。由信號處理理論可知,該加了窗的復(fù)正弦信號的功率譜譜峰中心在該 正弦頻率Oci,,處,但譜峰將會有一定的寬度,其寬度正比于1/T2, l0 S卩,采用FFT對 核磁共振信號進(jìn)行分析時(shí),共振信號頻率分辨率不是1/Τ,而正比于1/Τ2,工,這對計(jì)算峰 面積極為不利;且如果核磁共振信號中有兩個(gè)頻率非常接近的峰,那么采用現(xiàn)有的核磁 共振譜很可能不能正確將兩峰分辨出來,更談不上運(yùn)用此兩峰進(jìn)行下一步的處理。盡管 可以通過加窗處理提高頻譜的頻率分辨率,但這是以犧牲信噪比為代價(jià)的。而且,一個(gè) FID信號中含有多個(gè)共振信號時(shí),在其共振譜中,各共振信號頻譜相互疊加,可能導(dǎo)致譜 峰極大值偏離真實(shí)共振頻率。還有,測量中是不可能沒有噪聲的,采用FFT變換后,噪 聲仍在頻譜中,它極有可能淹沒能量很低的核磁共振峰,造成共振峰丟失現(xiàn)象,它也能 引起峰中心的估計(jì)偏差,還能引起峰寬度估計(jì)偏差。另外,對FID信號采樣結(jié)束時(shí),共 振信號可能還有較高幅度,它并未衰減到可以忽略的程度,此時(shí)計(jì)算出的峰面積僅是采 樣時(shí)段內(nèi)的共振信號能量,而不是共振信號的真實(shí)能量。終上所述,現(xiàn)有的核磁共振譜 分析存在以下幾個(gè)不足(1)由于馳豫的存在,在多共振峰情況下,峰的起止位置難以確定(理論上一個(gè) 指數(shù)衰減信號的頻譜占據(jù)整個(gè)頻域,只不過絕大部分能量集中在峰上),無法正確估計(jì)峰 面積(2)同樣由于馳豫的存在,在大峰旁的小峰可能無法檢測(如附圖4所示)(3)由于多個(gè)峰的存在,頻譜相互重疊,可能導(dǎo)致估計(jì)的共振頻率與真實(shí)頻率間 存在偏差(4)由于噪聲的存在,可能導(dǎo)致共振頻率與峰寬度的估計(jì)出現(xiàn)偏差(5)同樣由于噪聲的存在,可能淹沒小的共振峰(如附
圖10所示)(6)由于共振信號采樣時(shí)間不夠長,可能導(dǎo)致共振峰面積計(jì)算誤差(7)盡管峰寬度與T2有著密切關(guān)系,但因峰寬度估計(jì)不準(zhǔn)確,仍不能較準(zhǔn)T2因此,為了提高核磁共振譜的分析能力,有必要更準(zhǔn)確地估計(jì)核磁共振信號中 的各參數(shù),如化學(xué)位移、馳豫時(shí)間、峰面積等,這便要求對核磁共振FID信號進(jìn)行高分 辨分析。需要說明的是,通常認(rèn)為磁場的不均勻性會對橫向弛豫有貢獻(xiàn),實(shí)際FID信號 中的馳豫時(shí)間不為T2,應(yīng)是表現(xiàn)橫向馳豫時(shí)間T' 2,它與T2之間有如下關(guān)系
1 1 Αy = y+A(3)式中,Δ為磁場不均勻性等引入的偏差參數(shù)隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展,特別是磁場均勻性的提高(如中國專利適于便攜式核 磁共振裝置使用的永磁體(專利號200410030688.4)、稀土永磁式核磁共振質(zhì)譜儀磁場 裝置(專利號02290346.1)等,對提高磁場均勻性都作了一定的研究),Δ的值將會越 來越接近零,所估計(jì)出的表現(xiàn)橫向馳豫時(shí)間T' 2將接近于橫向馳豫時(shí)間T2,所以利用實(shí) 測的FID信號可估計(jì)出7’。該結(jié)果對初略估計(jì)T2而言有一定的適用價(jià)值,可用于對T2 精度要求不高的場合。更重要的是,Τ’ 2的估計(jì)可用于修正共振信號的能量。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是通過參數(shù)預(yù)估計(jì)——迭代分離及參數(shù)精確估計(jì)——計(jì)算最終結(jié)果的方 式測量FID信號中的各共振信號參數(shù)的。其步驟是,根據(jù)核磁共振信號是負(fù)指數(shù)衰減 的復(fù)正弦信號的特點(diǎn),建立信號的數(shù)學(xué)模型,通過實(shí)測FID信號估計(jì)模型參數(shù)及噪聲功 率;然后利用模型參數(shù)構(gòu)造最佳分離器,將各種核的共振信號從原始FID信號中分離 出來,并分別對各核共振信號進(jìn)行單獨(dú)處理,以最大信噪比的方式估計(jì)出共振信號的頻 率、能量與表現(xiàn)橫向馳豫時(shí)間;根據(jù)估計(jì)的共振信號能量由事先設(shè)定的門限判斷該共 振信號是否存在,保留可能的共振信號參數(shù);利用新計(jì)算的共振信號參數(shù)構(gòu)造最佳分 離器,分離出各共振信號,并以最大信噪比的方式對其進(jìn)行參數(shù)重新估計(jì)……,如此迭 代,直到相鄰兩次估計(jì)的信號參數(shù)偏差小于某一設(shè)定小值后停止迭代,并取得各共振信 號的頻率、能量與表現(xiàn)橫向馳豫時(shí)間,然后利用估計(jì)能量與表現(xiàn)橫向馳豫時(shí)間對共振信 號能量進(jìn)行修正。修正原理如下
單個(gè)共振信號可表示為
權(quán)利要求
1.高分辨核磁共振FID信號分析方法包括參數(shù)預(yù)估計(jì)——迭代分離及參數(shù)精確估 計(jì)——計(jì)算最終結(jié)果的方法。
2.權(quán)利要求1的方法進(jìn)一步包括FID信號建模方法,信號數(shù)目估計(jì)方法,模型求解 方法與噪聲功率估計(jì)方法。
3.權(quán)利要求1的方法進(jìn)一步包括最佳分離器設(shè)計(jì)方法,單共振信號的共振頻率、 信號能量、表現(xiàn)弛豫時(shí)間估計(jì)及經(jīng)過迭代求取精確解的方法。
4.權(quán)利要求3的方法進(jìn)一步包括信號功率的修正方法。
5.一種計(jì)算機(jī)軟件產(chǎn)品,包括計(jì)算機(jī)存貯于可讀介質(zhì)上的編碼形式與運(yùn)行于DSP、 FPGA、CPLD、單片機(jī)等上的可編程軟、硬件代碼執(zhí)行權(quán)利要求1 4的任何一項(xiàng)方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及核磁共振(NMR)時(shí)域自由衰減信號(FID)的分析與處理。它是通過參數(shù)預(yù)估計(jì)——迭代分離及參數(shù)精確估計(jì)——計(jì)算最終結(jié)果的方式測量FID信號中的各共振信號參數(shù)的。這種方法與傳統(tǒng)的傅里葉變換方法相比,能高分辨估計(jì)FID信號的共振頻率、峰面積及表現(xiàn)橫向馳豫時(shí)間,并能在低信噪比下取得正確結(jié)果。
文檔編號G01N24/08GK102023174SQ200910024008
公開日2011年4月20日 申請日期2009年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月22日
發(fā)明者劉志強(qiáng), 吳雪梅 申請人:吳雪梅