Устройство для стабилизации частоты ядерного магнитного резонанса в магнитном поле Земли

Полезная модель относится к области электротехники, в частности, к радиоэлектронике и регистрации сигналов ядерного магнитного резонанса (далее ЯМР), может быть использована в устройствах ЯМР в условиях флуктуации внешнего магнитного поля, что позволяет производить накопление ЯМР-сигнала для выявления в спектрах органических жидкостей линий с очень малой амплитудой при анализе их молекулярной структуры. Принцип работы устройства состоит в оптимизации параметров квадратурного детектирования ЯМР-сигналов в условиях флуктуации внешнего магнитного поля для возможности накопления сигнала.
Известно устройство для коррекции частоты ЯМР в спектрометрах с электромагнитом [1]. В устройство поступают два ЯМР-сигнала: один - от исследуемого образца, второй - с калибровочным образцом. Сначала регистрируется ЯМР-сигнал от калибровочного датчика, по которому измеряется величина внешнего магнитного поля, затем регистрируется ЯМР-сигнал от датчика с исследуемым образцом, полученный спектр корректируется по полученным данным от калибровочного датчика. Полученные таким образом спектры могут использоваться в методе накопления для увеличения отношения сигнала к шуму. Недостатком такого устройства является последовательность регистраций ЯМР-сигналов, разделенная временем, за которое величина поля, как в случае магнитного поля Земли внутри лаборатории, может значительно измениться.
Известно устройство, используемое для получения магнитно-резонансных изображений в земном магнитном поле с компенсацией флуктуации магнитного поля Земли [2], наиболее близкое к заявленной полезной модели, принятое в качестве прототипа. Принцип работы известного устройства-прототипа заключается в квадратурном детектировании ЯМР-сигнала от исследуемого образца с использованием ЯМР-сигнала от калибровочного датчика в качестве опорного сигнала. Заявленная полезная модель выполняет функции аналогичные функциям детекторного узла известного устройства, и, соответственно, имеет похожую структуру, а именно, на входы устройства поступают два ЯМР-сигнала, в качестве опорного сигнала при квадратурном детектировании исследуемого ЯМР-сигнала используется сигнал, сформированный по данным полученных из анализа калибровочного сигнала.
Недостатком известного устройства является получаемые широкие спектральные линии. Это обстоятельство приводит к потере информации при исследовании образцов с большими временами релаксации в однородном магнитном поле. Этот недостаток возникает за счет использования сигнала от калибровочного датчика в качестве опорного сигнала при детектировании исследуемого сигнала, что делает невозможным качественно детектировать продолжительные сигналы, используемые в ЯМР-спектроскопии высокого разрешения, даже при использовании специального фильтра, преобразующего экспоненциальный спад калибровочного ЯМР-сигнала в прямоугольный импульс с заполнением. Продолжительности такого сигнала достаточно для детектирования исследуемых ЯМР-сигналов, получаемых в магнитно-резонансной томографии, поскольку они значительно короче из-за используемых в экспериментах градиентов магнитных полей. Эксперименты, связанные со спектроскопией высокого разрешения проводятся при отсутствии градиентов, то есть в однородном магнитном поле Земли, в котором регистрируется и калибровочный ЯМР-сигнал. При этом длительности ЯМР-сигналов от обоих датчиков становится сравнимыми. В этом случае специальный фильтр для калибровочного сигнала, используемый в прототипе, приводит к потере информации о спектре из-за артефактов частоты в конце сигнала, вносимыми шумами датчика.
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение разрешения ЯМР-спектров при длительном накоплении сигнала. Указанный технический результат достигается за счет реализации в заявленной полезной модели увеличения длительности опорного сигнала для квадратурного детектирования исследуемого ЯМР-сигнала исключением влияния шумов датчика в конце калибровочного ЯМР-сигнала. Такой результат является следствием нескольких факторов. Во-первых, калибровочный ЯМР-сигнал не используется в качестве опорного сигнала при детектировании, он анализируется для получения точного значения частоты сигнала. При этом используется только часть сигнала, в которой влияние шумов датчика незначительна. Во-вторых, опорный сигнал формируется генератором синусоидальной формы любой необходимой продолжительности, что, по сути, является идеальным условием для квадратурного детектирования.
Технический результат заявленной полезной модели достигается за счет оснащения устройства частотомером и генератором сигнала синусоидальной формы.
Сущность заявленной полезной модели поясняется Фиг. 1, на которой представлена схема заявленной полезной модели. Заявленная полезная модель состоит из корпуса (1) с двумя входами для исследуемого и калибровочного сигналов (2 и 3) с одной стороны и двумя выходами (4 и 5) для двух компонент исследуемого сигнала, внутри корпуса со стороны его входов расположены два блока амплитудно-цифровых преобразователей (6-7), каждый из которых подсоединен к соответствующему из двух блоков памяти (8-9), выход блока памяти канала исследуемого сигнала подсоединен ко входу квадратурного детектора (10), между квадратурным детектором (10) и блоком памяти в канале калибровочного сигнала (9) расположен блок частотомера (11), соединенный с блоком генератора (12), выходы которого соединены со входами квадратурного детектора (10).
Работа заявленной полезной модели осуществляется следующим образом. Оба ЯМР-сигнала переводятся в цифровой вид соответствующими АЦП (6, 7) и запоминаются в соответствующих блоках памяти (8, 9). Далее исследуемый сигнал из блока памяти (8) поступает в квадратурный детектор (10). Калибровочный сигнал из блока памяти (9) поступает в частотомер (11), где производится точный расчет частоты сигнала по участку сигнала, в котором влияние шумов минимально. Затем численное значение полученной частоты калибровочного сигнала подается в генератор (12), формирующий два синусоидальных сигнала с полученной частотой, являющихся комплексными дополнениями, которые подаются на квадратурный детектор (10). На выходах (4, 5) образуются комплексные дополнения продетектированного сигнала, готовые для процесса накопления сигнала и получения ЯМР-спектров высокого разрешения после преобразования Фурье.
На Фиг. 2 представлены схематически изображения сигналов и получаемых спектров в прототипе и заявленной модели. В прототипе: исследуемый (1а) и калибровочный сигналы (1б) с шумовой дорожкой в конце; калибровочный сигнал после обработки специальным фильтром (1г) имеет артефакты частоты ближе к концу сигнала из-за влияния шумов, но они не влияют на детектирование короткого исследуемого сигнала; широкая линия спектра, получившаяся после детектирования и преобразования Фурье (1в). Аналогично в заявленной полезной модели: исследуемый (2а) и калибровочный (2б) сигналы с продолжительностью одного порядка; гармонический сигнал (2г), выдаваемый генератором с частотой, полученной в результате обработки калибровочного сигнала в блоке частотомера; спектр высокого разрешения исследуемого сигнала (2в).
Заявленная полезная модель была апробирована в лабораторных условиях Санкт-Петербургского государственного университета (на физическом факультете на кафедре ядерно-физических методов исследования). Была подтверждена работоспособность заявленной полезной модели и достижение указанного технического результата.
Ниже приведен конкретный пример результатов апробации.
Измерение константы косвенного спин-спинового взаимодействия в триметилфосфате между протонами и ядрами углерода 13С естественного содержания методом ЯМР в земном поле.
31
13
Объем исследуемого образца 130 мл. В спектре одиночного эксперимента выделяются две линии косвенного спин-спинового взаимодействия (КССВ) протонов с ядрами фосфора Р. Спектральные линии КССВ протонов с ядрами углерода С из-за его низкого природного содержания имеют амплитуду на два порядка меньше, чем линии взаимодействия с ядрами фосфора и не видны из-за шума. Для увеличения отношения сигнала к шуму применялся метод накопления сигнала, для чего необходима стабильность частоты ЯМР. В результате эксперимента со 100-кратным повторением на спектре возникли линии с амплитудой на два порядка меньшей, чем у линии от взаимодействия с фосфором на расстоянии 81.5 Гц от центра спектра. Таким образом, константа КССВ протонов с углеродом прямой связи равна 163 Гц, что подтверждает достижение указанного технического результата.
Используемые источники информации
1. Патент: WO2015116518-РАМРН-449
2. Статья: , Gorazd , Miha Kos, Andrej Duh, Janez  «Magnetic Resonance Imaging System Based on Earth magnetic field» INSTRUMENTATION SCIENCE AND TECHNOLOGY, Vol. 32, No. 6, pp. 655-667, 2004 (прототип)