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专利名称：基于nmr的含水量测量中适应性改变脉冲间隔的方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在根据权利要求1前序部分所述的基于NMR的含水量测量中用于适应性改变脉冲间隔的方法。本发明还涉及一种用于在基于NMR的含水量测量中适应性调整脉冲间隔的设备。
背景技术：
NMR技术(核磁共振)已经被用于确定材料的水分含量。例如FR2786567就描述了这种系统。现有的系统都笨重且昂贵，因此很少被使用在商业应用中。

发明内容
本发明的目的是提供一种新型的基于NMR的含水量测量，其能够克服前文所述现有技术的至少一些问题。本发明基于使用这样的脉冲序列的概念，其中针对待测量样品的不同湿度水平对脉冲的比率(rate)进行了优化。所述优化有益地是基于对所谓的自旋-晶格弛豫时间常数进行的估算。进一步，测量设备的特征还在于使用低能量的磁场以及称重设备(weighingapparatus)ο更具体而言，根据本发明的方法特征在于权利要求1的特征部分中所述的内容。另外，根据本发明的设备特征在于权利要求11的特征部分中所述的内容。本发明提供了显著的益处。首先，测量时间可针对所有的湿度和样品材料最小化。其次，测量设备重量轻且不昂贵，并且不会损害测量精度。


在下文中，将借助于附图中所示的示例性实施例来细阅本发明，在附图中:图1示意性表示出适于本发明的NMR湿度测量设备的基本概念。图2图解性表示出带有其弛豫时间的典型NMR信号。图3表示出根据本发明的典型脉冲序列。图4图解性表示出脉冲间隔对于大量脉冲的幅度总和的效果示例。
具体实施例方式根据图1，在NMR湿度测量中，由磁体2将均匀的DC (直流)磁场生成到待测量的样品I中，然后该磁场与样品I中的氢进行的交互作用导致样品I中产生少量磁化。接着，样品I被暴露于由发送器/接收器5产生的短而强的射频(RF)激励脉冲3 (图2和图3)，其激励氢原子核。在接下来的步骤中， 测量设备5在以毫秒计算的时段记录NMR信号(称为自由感应衰减或FID)。在这期间，样品的一些部分经历NMR弛豫并恢复到原始状态。在预定时间(第一个RF脉冲后的数十微秒)处的信号幅度10 (图2)与样品中水分的氢的总量成比例。因此，NMR信号的最大值限定了水分含量。实践中，该最大值10通常由实际最大值10之后一些时间所执行的测量而外推(extrapolate)得到。基于核磁共振的设备可容易地被配置为产生出与固体材料中含氢液体的含量成比例的电信号。NMR设备尤其非常适用于测量生物质中的含水量。当待测量的样品非常干燥(通常意味着含水量小于20m - %)时，信噪比低，这典型地通过增加连续测量的次数并对它们求平均来加以补偿。这容易导致较长的测量时间。对于连续多个测量之间的时间的限制主要由所谓的自旋-晶格弛豫时间(下文称为Tl)来设定。这是偏斜的平均磁化矢量恢复其原始值所需的时间。所述恢复由从质子到晶格的能量耗散来实现。如果在完全弛豫之前施加激励脉冲，则观察到减小的信号幅度，并且含水量与信号幅度之间的相关系数被改变，因而定标(calibration)将不会有效。Tl实质上是核自旋与晶格之间的交互作用的函数。通常，材料越干燥，则对应的Tl越短。这一现象可被利用来优化脉冲间隔，意味着对于给定的总测量时间，干燥样品的S/N比能够得以显著增大。Tl是核磁化在被翻转(flip)到横向磁平面之后恢复其初始值的大约63%[1 - (I/e)]所花费的时间。不同的组织具有不同的TI值。例如，流体具有较长的TI (1500 -2000ms )，而水性组织处于400 - 1200ms的范围内。根据图2，T2表征出磁化矢量的Mxy分量在横向磁平面中衰减的比率。它是横向磁化在翻转到横向磁平面之后达到其初始幅度的37%(l/e)所花费的时间。因此关系式为:Mxy(t)=Mxy(0)e-t/T2T2衰减的发生典型地比Tl恢复要快5到10倍，并且不同的组织具有不同的T2。例如，流体具有最长的T2 (700 - 1200ms)，而水性组织处于40 - 200ms的范围内。所述方法通常包括两个步骤:1.估算样品的TI时间这可根据图2和图3例如通过以下所述来实现:使用恒定数目的脉冲3和逐步增大的脉冲间隔T3的连续多个激励脉冲序列2来测量响应信号幅度10，并检测用于使所述响应信号保持在恒定(最大)水平10所需的最小间隔T3。如前所述，该最大值10可通过基于延时测量的外推法来确定。Tl的估算可在数秒内得以执行。估算Tl的另一种方法是测量自旋-自旋弛豫时间T2，并由T2估算出Tl。典型地，在样品的含水量减小时这二者也减小。实际上通常是基于T2*的测量值来估算T2，T2*是自旋-自旋弛豫和由特定于设备的主磁场不均勻性导致的脱散效应(decoherence effect)的综合结果。估算Tl的第三种方法包括使用两个连续的激励脉冲序列，每个激励脉冲序列之前都存在所谓的饱和脉冲序列。所述激励脉冲序列中的脉冲间隔有益地大于T2*，但优选地不明显小于Tl。所述两个连续的激励脉冲序列应具有不同的脉冲间隔tl和t2，例如tl=Tl且t2=(2*Tl)。分别由脉冲间隔tl和t2得到的信号幅度之比A1/A2可由以下等式来计算:
权利要求
1.一种用于确定样品(I)的水分含量的NMR方法，在该方法中 -使样品(I)作为DC磁场的对象， -使DC磁场下的所述样品(I)作为具有脉冲间隔(T3)的处于RF频率的激励脉冲(3)序列(2)的对象，以激励氢原子核，以及 -测量受激氢原子核的NMR信号， 其特征在于 -估算所述样品(I)的自旋-晶格弛豫时间(Tl)，并且 -将所述脉冲间隔(T3)调整为大于估算得到的自旋-晶格弛豫时间(Tl)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述脉冲间隔(T3)调整为大于所述自旋-晶格弛豫时间(Tl)的五倍。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述自旋-晶格弛豫时间(Tl)的估算通过以下所述来完成:使用恒定数目的脉冲(3)和逐步增大的脉冲间隔(T3)的连续多个激励脉冲序列⑵来测量所述NMR信号(10)(幅度)，并检测用于使该信号实质保持其最大值所需的最小间隔。
4.根据权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，自旋-自旋弛豫时间(T2)是直接或间接地确定得到，并且所述自旋-晶格弛豫时间(Tl)是由所述自旋-自旋弛豫时间(T2)估算得到。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述自旋-自旋弛豫时间(T2)是基于T2*的测量值来估算得到，其中T2*是自旋-自旋弛豫和由主磁场不均匀性导致的脱散效应的综合结果。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用两个连续的激励脉冲序列(2)，每个激励脉冲序列之前都存在所谓的饱和脉冲序列，其中所述脉冲间隔大于测得的自旋-自旋弛豫时间(T2*)，但有益地不明显小于所述自旋-晶格弛豫时间(Tl)，从而使所述两个连续的激励脉冲序列⑵应具有不同的脉冲间隔tl和t2，例如tl=Tl且t2=(2*Tl)，由此信号幅度之比A1/A2分别用脉冲间隔tl和t2得到并由以下等式来计算:
7.根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，使用最小脉冲间隔来执行湿度测量，该最小脉冲间隔以足够的精度、例如1%的精度，来产出恒定(最大)的幅度。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，将5*Τ1的值用作为最小脉冲间隔Τ3。
9.根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，使用探测脉冲序列估算自旋-晶格弛豫时间常数(Tl)以确定最佳的脉冲间隔，该自旋-晶格弛豫时间常数(Tl)能够有益地被用作计算所述脉冲间隔的下限的一个输入。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述饱和脉冲序列被省略，且Tl的估算由以下等式在数值上解得:
11.一种水分含量确定NMR设备，该设备包括 -为样品(I)保留的空间， -DC磁体(2)， 围绕所述为样品(I)保留的空间， -用于为DC磁场下的所述样品(I)生成处于RF频率的激励脉冲(3)序列⑵的装置(5)， -用于测量受激氢原子核的NMR信号(10)的装置， 其特征在于 -用于估算所述样品⑴的自旋-晶格弛豫时间(Tl)的装置，以及 -用于将脉冲间隔(T3)调整为大于估算得到的自旋-晶格弛豫时间(Tl)的装置。
12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，包括用于通过以下所述来进行所述自旋-晶格弛豫时间的估算的装置:使用恒定数目的脉冲⑶和逐步增大的脉冲间隔(T3)的连续多个激励脉冲序列(2)来测量所述NMR信号(幅度)(10)，并检测使该信号实质保持其最大值所需的最小间隔。
13.根据权利要求11或12所述的设备，其特征在于，包括用于直接或间接地确定自旋-自旋弛豫时间(T2)的装置，并且所述自旋-晶格弛豫时间(Tl)是由所述自旋-自旋弛豫时间(T2)估算得到。
14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，包括用于基于所述T2*的测量值来估算所述自旋-自旋弛豫时间(T2)的装置，其中T2*是自旋-自旋弛豫和由主磁场不均匀性导致的脱散效应的综合结果。
15.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，包括这样的装置，该装置用于使用两个连续的激励脉冲序列(2)，每个激励脉冲序列之前都存在所谓的饱和脉冲序列，其中所述脉冲间隔大于测得的自旋-自旋弛豫时间(T2*)，但不明显小于所述自旋-晶格弛豫时间(Tl)，从而使所述两个连续的激励脉冲序列(2)应具有不同的脉冲间隔tl和t2，例如tl=Tl且t2=(2*Tl)，由此信号幅度之比A1/A2分别用脉冲间隔tl和t2得到并由以下等式来计算:
16.根据前述任一权利要求所述的设备，其特征在于，包括用于使用最小脉冲间隔来执行湿度测量的装置，该最小脉冲间隔以足够的精度、例如1%的精度，来产出恒定(最大)的幅度。
17.根据权利要求15所述的设备，其特征在于，包括用于将5*T1的值用作为最小脉冲间隔(Τ3)的装置。
18.根据前述任一权利要求所述的设备，其特征在于，包括使用探测脉冲序列估算自旋-晶格弛豫时间常数(Tl)以确定最佳的脉冲间隔的装置，该自旋-晶格弛豫时间常数(Tl)设定了脉冲间隔的下限。
19.根据权利要求15所述的设备，其特征在于，其中所述用于饱和脉冲序列的装置被省略，且该设备包括用于由以下等式在数值上估算Tl的装置:
全文摘要
本发明涉及一种用于确定样品(1)的水分含量的NMR方法，在该方法中使样品(1)作为DC磁场的对象；使DC磁场下的所述样品(1)作为具有脉冲间隔(T3)的处于RF频率的激励脉冲(3)序列(2)的对象，以激励氢原子核；以及测量受激氢原子核的NMR信号。根据本发明，估算所述样品(1)的自旋‐晶格弛豫时间(T1)，并且将脉冲间隔(T3)调整为大于所估算得到的自旋‐晶格弛豫时间(T1)。
文档编号G01N24/08GK103250067SQ201180052644
公开日2013年8月14日 申请日期2011年8月30日 优先权日2010年8月31日
发明者韦利-佩卡·维塔宁, S·维尔塔伦 申请人:美卓自动化有限公司