Способ регистрации сигнала резонансного взаимодействия вещества с электромагнитным излучением (эми) и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к технической физике, а именно к методам выделения слабых сигналов резонансного взаимодействия с электромагнитным излучением, и может быть использовано в радиоспектроскопии - методах электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), ядерного магнитного резонанса (ЯМР) или других спин-эффектов, например для измерения поляризации протонов в поляризованной мишени методом ЯМР. Целью изобретения является повышение чувствительности и экспрессности при изменении резонансных условий. Сигнал резонансного взаимодействия формируют когерентным суммированием по скользящей выборке последних сглаженных сигналов магнитного резонанса, которые получают, в свою очередь, когерентным суммированием ранее полученного сигнала магнитного резонанса с текущей его шумовой составляющей. При этом последнюю выделяют в виде пронормированной суммы разностных сигналов между каждым из регистрируемых сигналов при прохождении резонансной области спектра и ранее полученным сигналом магнитного резонанса. Одновременно осуществляют непрерывный контроль за тенденцией отклонения от нулевого уровня выделяемых шумовых составляющих сигнала. 2 с и 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

СО!03 СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (5))5 0 0) И 24/)О

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н A BTOPCH0MY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21 ) 4324299/24-25 (22) 09.10.87 (46) 23,05,90, Бюл. 1! - 19 (72) Л.С.Хуршудян (53) 538.1)3 (088.8) (56) Авторское свидетельство ГССР

N- 1100547, кл.G Ol N 24/10, 1983.

Авторское свидетельство СССР

1210562, кл. G О! N 24/10, 1984.

l (54) СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ СИГНАЛА PF.— . ЗОНАНСНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВЕ)))ЕСТВА

С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫ)! ИЗЛУЧЕНИЕМ (ЭМИ)

И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к технической физике, а именно к методам вьщеления слабых сигналов резонансного взаимодействия с электромагнитным излучением, и может быть использовано в радиоспектроскопии — методах электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), ядерного магнитного резонанса (ЯМР) или других спин-эффектов, например для измерения поляИзобретение относится к технической физике, а именно к методам выделения слабых сигналов резонансного взаимодействия вещества с электромагнитным излучением, и может быть использовано в радиоспектроскопии методах электронного парамагнитного резонанса (ЭПР ), ядерного магнитного резонанса (ЯМР) или других спинэффектов, например для измерения -поляризации протонов в поляризованной мишени методом ЯМР.

ÄÄSUÄÄ 1566275 А1 ризации протонов в поляризованной мишени методом ЯМР, Целью изобретения является повышение чувствительности и экспрессности при изменении резонансных условий, Сигнал резонансного взаимодействия формируют когерентным суммированием по скользящей выборке последних сглаженных сигналов магнитного резонанса, которые получают, в свою очередь, когерентным суммированием ранее полученного сигнала магнитного резонанса с текущей

его шумовой составляющей. При этом последнюю выделяют в виде пронормированной суммы разностных сигналов между каждым из регистрируемых сигналов при прохождении резонансной области спектра и ранее полученным сигналом магнитного резонанса. Одновременно осуществляют непрерывный контроль за тендецией отклонения от нулевого уровня выделяемых шумовых составляющих сигнала. ? с. и 1 з,п. ф-лы, 4 ил, Цель изобретения — повышение чувствительности и экспрессности при изменении резонансных условий, На фиг,) изображена блок-схема устройства для реализации способа на фиг.2-4 примеры выполнения функциональных схем блока идентификации (при К = К = 1).

Устройство (фиг.! ) с одержит анало. го-цифровой преобразователь l сумми— рующий усилитель 2, коммута тор 3 с адресным управлением, источник 4

1566275

П;1

С„, = ---,, Б п> 60 скользящее среднее значение n (2) посог;орного напряжения, блок 5 управления, блок 6 вычитания, арифметикологический блок 7, блок 8 памяти, упраьгяемый блок 9 деления, сумматор

1О и блок 11 идентификации, Кроме того, оно может содержать также блок

12 анализа стационарности и блок 13 мажоритарного голосования, 1 1ина l 4 является BHQ)opMBUNoHFIblM входом, а шина !5 — информационным выходом устройства, шина l6 — второй выход блока 11 идентификации, шина 17 — управляемый выход устройства, Блок 11 идентификации может быть выполнен в виде блока 18 памяти (фиг.2) либо в виде первого блока

19 памяти, накапливающего суммато— ра 20, второго блока 21 памяти, узла

22 управления, элемента 23 задержки .и нормализатора 24 (фиг.3), либо H ниде первого 25 и второго 26 блоков памяти, арифметико-логического блока

27 с регистром аккумулятором, узла

Z8 управления и нормализатора 29

gi (фиг.4).

Способ осуществляют спедующим образом.

При каждом очередном воспроизведении спектра магнитного резонанса по дискретизированным отсчетам соответствующего j-го (J = 1,2...) сигнала

F,. предварительно, в течение заранее J выбираемого числа М последних пе1 риодических прохождений резонансной

35 области спектра, производят раздельное выделение текущей высокочастотной шумовой составляющей R сигнала, 1

При з том каждый регистрируемый в течение М последних прохождений резонансной области спектра мгновенный"

i-й (i = 1,2...М) сигнал V; магнитного резонанса соответственно рассматривают как композицию постоянной

С;, и "мгновенной" высокочастотной шумовой г составляющих

V" -К,С;1+ (l ) где К, — наперед фиксированный масштабный коэффициент приведения числокодового значения оценки С „ 1 к входной разрядной шкале спектрометра.

В общем случае он выбирается из условия 0(К (1, а С„ представляет собой

Б = C, + R J (3)

Таким образом, ограничиваясь выделением в течение М, периодических прохо>кдений резонансной области спектра лишь текущей высокочастотной шумовой составляющей R сигнала, ее раздельную нормировку производят на заранее выбираемь>й весовой коэффициент В = М /К согласно следующему соотношению

4 г

R

К (4)

М где К вЂ” наперед фиксированный масштабный коэффициент приведения числокодового значения оценки R к выход> ной разрядной шкале спектрометра, Коэффициент К выбирают из условия

К с К< при равномерно взвешенной статистической обработке последовательности формируемых сигналов I S ) и из условия 0 - К с К при получе—

1 нии сигнала F. в виде экспоненциаль ) но взвешенного скользящего среднего значения последовательности (S1 ).

Указ анную по соо тношению (4 ) операцию в преимущественном варианте чисто цифровой реализации способа, .,е. в случае, когда не используют предварительное аналоговое накопление М последних регистрируемых сигJ налов V13 осуществ яют в два этапа.

Вначале при каждом i-м прохождении ледних сглаженных сигналов >„,, S,,, S,,1 сигналов магнитного ре) зонанса, сформированных на предыдущих циклах воспроизведения спектра магнитного резонанса после регистрации его "мгновенных" сигналов V за соответствующее М „,, M .z ...,,M1 >1 число периодических прохождений резонансной области спектра, В свою очередь каждый из этих сглаженных сигналов магнитного резонанса формируют путем изначального задания (с помощью источника 4 опорного напря>кения по фиг,l) исходной для первого (J = 1) сглаженного сигнала 8 оценки, равной число-кодовому значению середины разрядной шкалы аналого-цифрового преобразователя 1 (фиг,l), и последовательного от цикла к циклу воспроизведения спектра когерентным суммированием двух составляющих по следующей зависимости резонансной области спектра ныделяютразностный сигнал г" между регист<) рируемым при этом "мгновенным" сигналом V" магнитного резонанса и приведенной к входу спектрометра скользящей средней оценкой С < согласно соотношению (1) 8-1 s е=о

К<

1 Я (5) При этом также находят по. соотношению (2) очередную скользящую среднюю оценку С исходя из следующего условия: (6) I cn 6N

S определяющего заранее задаваемую глубину памяти к предыстории контролируе мого процесса для выделения высокочастотной шумовой составляющей В << сигнала уже при следующем цикле ее выделения. В преимущественном нарианте (фиг.2 и 3) реализации способа в качестве скользящего среднего значения С> принимается сам сигнал F., т.е, задают n> = И. В частном (фиг.2) случае N = 1, либо ограничиваются

r =V; — К, С

Выделяемую таким образом последоВатЕЛЬНоСтЬ ГI " РазНОСтНЫХ СИГ1), налов когерейтно суммируют и лишь по окончании последнего М -го про3 хождения резонансной области спектра полученную по соотношению (4) сумму нсех разностных сигналов (г ) подвергают нормировке на весовой коэффициент В М /К пропорциональJ J ный числу W ° воспроизводимых очеред3 ным первообразным сигналом F. послед 1 них (Н М,) прохождений резонансной

4 области спектра.

В результате, осуществляя когерентное суммирование выделенной по соотношению (4) высокочастотной шумовой составляющей R сигнала и сколь 1 зящей средней оценкой С, формируют согласно соотношению (3) очередной J-й сглаженный сигнал S магнит 1 ного резонанса, за счет которого обновляют скользящую выборку из N последних сформированных сглаженных сигГс налов, Я) . Я3 К

Окончательно по указанной обновленной скользящей выборке воспроизводят очередной -й первообразный сигнал

Е магнитного резонанса

66275 6 возможностью воспроизведения получаемым сигналом Г „ лишь И; — последних прохождений резонансной облас) ти спектра путем задания

-И

Либо задавая К = 2 К, используют дополнительную возможность для повышения отношения сигнал/шум эа счет выделения очередного первообразного сигнала Г магнитного резонанса уже

10 1 в виде экспоненциально взвешенного скользящего среднего значения

Мо

1 4

E + E <

I-t носпроизнодящего уже не М = 1ь1, а

20 (2 2 — 1 ) И последних прохождении резонансной области спектра.

Осуществляют непрерывный по скользящей выборке локальный контроль за тенденцией отклонения от нулевого

25 уровня последовательности выделяемых шумовых составляющих gR 3 сигналов, Указанную тенденцию, характеризующую с наперед выбранной доверительной вероятностью P = (1 — Я), где Ц заранее выбираемый уровень значимости, степень изменения уже информационной составляющей сигналя Е от

"J цикла к циклу его последовательного обновления, выявляют по тесту стационарности, которому подвергают L noc35 ледних выделенных шумовых составляющих cHI HRJtGB j R, R,, ° .., R, Классификацию теста стационарности осуществляют с помощью, например, одного из наиболее мощных непарамет40 рических критериев стационарности критерия Рамачандрана-Рантганатана для суммы квадратов длин серий, каждая из которых представляет собой непрерывную последовательность из 1 шуф

45 мовых составляющих fR 1 одного и того же знака (1 „ < L), конкретно, после получения очередного j-го первообразного сигнала производят проверку выполнения следующего условия

50 стационарности для используемого критерия: (s;{q,;ь)=, х х mf

55 где m — число серий длины 1; на выборке из последних L нылеленных шумовых составляющих первообраэных сигналов, а Я „ „,, 4; T 1 предстанля1566275 ет собой протабулированный критический порог для используемой статистики Б, 1я;!.1.

При обнаружении, после каждого получения очередной )-й шумовой составляющей В„ первообраэного,невыпол— нения условия стационарности (8) уменьшают для формирования следующего (! + 1)-го сглаженного сигнала

Б I+i магнитного резонанса число последующих прохождений резонансной области спектра на максимально допускаемую величину для заранее выбранного уровня значимости Я, Практически, число М,, последующих прохождений резонансной области спектра уменьшают вдвое по сравнению с числом М предыдущих прохождений, причем такое последовательное уменьшение числа N qq прохождений резонансной области спектра осуществляют при непрерывном действии дрейфа от цикла к циклу получения следующих первообразных сигналов вплоть до установления заранее выбранного минимального числа М и„ прохождений резонансной области спектра. В то же время, при прекращении дрейфа осуществляют с момента выполнения условия стационарности (8) последовательное от цикла к циклу увеличение числа прохождений резонансной области спектра вплоть до достижения им заранее выбранного максимального числа Ид„, В результате такой адаптивной вариации числа М обеспечивают умень)ф шение динамической ошибки смещения при воспроизведении спектра магнитного резонанса на участках дрейфа резонансных условий путем автоматического в целом уменьшении z этих случаях числа воспроизводимых прохождений резонансной области спектра, Аппаратурно способ реализуется следующим образом.

Регистрируемый при каждом i-м прохождении резонансной области спектра сигнал V магнитного резонанса пос11 тупает на информационнь|й вход 14 устройства (фиг. 1) . При этом каждый из G дискретизированных отсчетов сигнала V„ Я, синхронизированный с наперед установленным для него сдвигом по отношению к началу отсчета текущей развертки резонансной области спектра, пропускается (стробируется) коммутатором 3 на вход суммирующего усилителя 2, Последнее осуСинхронность выполнения укаэанных операций обеспечивается тем, что по их завершении посредством каждого

3-го сигнала с первого выхода блока

5 управления на выходе 16 блока 11 выставляется следующий по порядку (+! ) -й дискретизированный отсчет скользящей средней оценки С . () +1„.

1!

Вместе с этим посредством того же

40 1-го сигнала с первого выхода блока

5 управления обеспечивается запись в блок 8 стековой памяти результата когерентного суммирования арифметикологическим блоком 7 выделенного в текущем такте -го дискретизированного отсчета раэностного сигнала

r ° () J с накопленной к этому моменту суммой одноименных ) -х дискретизированных отсчетов выделяемой шу50 мовой составляющей К () сигнала

5 Л е

Причем одновременно с такой записью обновленной информации в блок 8 стековой памяти на его информационном выходе выставляется цифровой код ра55 нее когерентно накопленной за (i-1) предыдущих прохождений резонансной области спектра суммы уже ()+1)-х одноименных дискретизированных отсчетов выделяемой по соотношению 4>

1О !

30 ществляется по соответствующему 1 -му сигналу () 1,2...Г) с первого выхода блока 5 управления, где 1 — порядковый номер соответствующего дискретизированного отсчета сигнала, Просуммированный с постоянной состаляющей Г,, задаваемой через соответствующий масштабный преобразователь, источником 4 аналоговый сигнал

V, Я + Г, с выхода усилителя 2 преобразуется АЦП 1 в цифровой код, который поступает на информационный вход блока 6 вычитания, При этом в соответствии с соотношением (1) на второй вход блока 6 вычитания с выхода 16 блока 11 идентификации поступает одноименный — и дискретизированный цифровой отсчет скользящего среднего значения Г 1, определяемого соотношением (2). В результате на выходе блока 6 формируется i-й цифровой раэностный сигнал г; (1), который когерентно суммируется арифметикологическим блоком 7 с ранее выделенной парциальной суммой одноименных

1-х дискретизированных отсчетов вы— деляемой по соотношению (4) текущей

j-й шумовой составляющей R! сигнала.! 1662!

15

25

35

50

55 шумовой составляющей R Ы+ ) ) перно) образного сигнала.

Процесс такого циклического обновления содержимого блока 8 стековой памяти, равно как и процесс циклического обращения на информационном выходе 16 блока 11 нсех Г цифровых дискрет скользящей средней оцен— ки С, продолжается вплоть до насу тупления завершающего M --го прохож) дения резонансной области спектра при получении очередного j-го сигнала F.. магнитного резонанса.

При этом но всех вариантах функционирования устройства (фиг.!) в самом начале (i = 1 каждого j-ro цикла выделения R посредством соотнетствующей команды также с второго выхода блока 5 управления дискретизированные отсчеты первого (i = 1) . выдел енно го раз ностного сигнала (!) складывают не с содержимым

I) блока 8, а с сигналом логического

"0" обеспечивая тем самым очищение блока 8 стековой памяти от цифровых данных, накопленных в нем на предыдущем (j-1)-м. цикле выделения R

В процессе осуществления последнего M j-ro прохождения резонансной области спектра каждая из Г выделенных — и парциальных сумм, r;„3 3 подвергается в блоке 9 операции деления на нормирующий коэффициент = М /К,, задаваемый с третьего выхода блока 5 управления, При этом каждый из G операндов, подвергаясь согласно соотношению (4) н блоке 9 укорочению "справа" на разрядов (в силу равенства величины M)/К целой степени числа 2) в виде соответствующего ) -го дискретизированного отсчета выделенной шумовой составляющей R k l поступает на вход. блока 10 суммирования, В результате, на выходе последнего согласно соот— ношению (3) при каждом -м такте формируются одноименные дискретизированные отсчеты j-го сглаженного сигнала S (-)) магнитного резонан-! са, которые по сигналу с второго выхода блока 5 управления последовательно записываются в блок 11 идентификации.

Вариант блока II идентификации (фиг.3) соответствует наиболее характерному случаю использования в качестве скользящей (j-1)-й средней оценки С) ) самого (3-1)-го сигна75 !

0 ла F.,, соответствующие дискретизиронанные отсчеты которого хранятс в блоке 21 памяти, При этом высокая экспрессность и соответственно высо. кая точность способа в таком варианте определяется получением н таком случае по соотношению (5) сигнала

F. и виде скользящего среднего зна—

) чения N пос -едних (N 1) сглаженных сигналов (8, хранимых н блоке

19 памяти (на фиг.3 накапливающий сумматор 20 содержит регистр-аккуму— лятор, содержимое которого каждый раз обнуляется с помощью сигнала с выхода элемента 23 задержки).

Вариант блока ll идентификации (фиг.4) соответствует случаю использования по соотношению (2) в качестве скользящей средней оценки

С, непосредственно одного (и = 1) последнего сглаженного сигнала S)-i магнитного резонанса, хранимого в блоке 25 памяти.

Устройство (фиг.l) характеризуется также тем, что по истечении нескольких первых (с момента начала измерений) циклов сигналов г., оно в соответствии с соотношением (8) начинает по команде от блока 5 управления подвергать тесту стационарности скользящую выборку из L последних выделенных шумовых составляющих ()

К ) сигналов, Указанный тест осуществляется посредством тренданализатора, образуемого блоком 13 мажоритарного голосования и блоком 12 анализа стационарности

Исключение возможности роста влияния шумов квантования и ограничение шумов округления позволяет повысить чувствительность по сравнению с известным устройством, При получении сигнала по скользящей выборке (N) 1) 45 возрастает не только чувствительность, но и экспрессность, Формула изобретения

1. Способ регистрации сигнала резонансного взаимодействия вещества с электромагнитным излучением (3MH), включающий выделение, нормировку и когерентное суммирование шумоной составляющей сигнала резонансного взаимодействия вещества с МП1 за заранее выбираемое многократное число прохождений области резонансного взаимодействия, отличающийся тем, -156

l«

N—

2. Способ по п.l, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения экспрессности при изменении резонансных условий, осуществляют непрерывный по скользящей выборке контроль за отклонением от нулевого уровня выделяемых шумовых составляющих сглаженных сигналов резонансного взаимодействия, последние из которых под— вергают тесту стационарности для заранее выбираемого уровня значимости и при обнаружении дрейфа изменяют при формировании очередного сглаженного сигнала резонансного взаимодействия число прохождений резонансной что, с целью повышения чувствительности, предварительно формируют сглаженные сигналы резонансного взаимо— действия, выделяют шумовую составляющую вычитанием скользящего среднего значения сглаженных сигналов из регистрируемого сигнала, суммируют myMoвые составляющие, суммарный сигнал подвергают нормировке, когерентным суммированием пронормированного сум— марного сигнала и скользящего среднего сглаженных сигналов формируют очередной сглаженный сигнал и когерентншм суммированием по скользящей выборке последних сглаженных сигнапов резонансного Взаимодействия получают очередной сигнал резонансного взаимодействия, при этом нормировку суммарного сигнала производят на весовой коэффициент, пропорциональный числу прохождений резонансной области спектра, для которого выполняется условие

6275 12 области спектра на максимально допустимую величину, 3, устройство регистрапии сигнала резонансного взаимодействия ве—

5 щества с Э11И,включающее коммутатор, последовательно соединенные суммирую. щий усилитель и аналого-цифровой прео6раэователь, управляемый блок деления, блок памяти, источник опорного напряжения и блок управления, соединенный первым выходом с о6ъединенными управляющими входами 6лока памяти и коммутатора, информационный вход которого является информационным входом устройства, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения чувствительности, в него дополнительно введены блок вы20 читания, арифметико †логическ блок, сумматор и блок идентификации, причем аналого-цифровой преобразователь, блок вычитания, арифметико-логический блок, управляемый 6лок деления,сум25 матор и блок идентификации включены последовательно, суммирующий усилитель соединен первым входом с выходом источника опорного напряжения, а вторым входом с выходом коммутатора, первый управляющий вход блока идентификации соединен с первым управляющим выходом блока управления, соединенного вторым управляющим выходом с объединенными управляющим

35 входом арифметико — логического блока и вторым управляющим входом блока идентификации, первый информационный выход которого является информационным выходом устройства, а второй информационный выход соединен с объединенными вторыми информационными входами 6лока вычитания и сумматора, информационный выход блока памяти соединен с вторым информационным входом арифметико-логического блока, а информационный вход — с информационным входом управляемого блока деления, соединенного управляющим входом с третьим выходом блока уп50 Равления.

1566375

1566275

Составитель Т. торопкина

Техред M.Äèäûê Корректор M,Максимишинед

Редактор С.Патрушева

Тираж 487

Подписное

Заказ 1 218

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при KHT СССР

113035, 1 1осква, Ж-35, Раушская наб., л. 4/5

Производг.твенно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, у:i. Гагарин», 1!)1