基于数值模拟技术的仿真核磁共振弛豫谱分析方法及分析系统技术方案

本发明专利技术提出了一种基于数值模拟技术的仿真核磁共振弛豫谱分析方法及其系统，所述方法包括：构建模拟样品信息模型；构建弛豫设备硬件参数；构建测量序列物理模型；将前述步骤中所构建的所述模拟样品信息模型、弛豫分析相关硬件参数、测量序列物理模型结合，构建核磁共振弛豫数据采集物理数学模型，进行模拟数据采集算法和程序实现，完成原始数据的模拟采集；将前述步骤所采集的数据，进行弛豫谱反演，得到弛豫时间的分布图。本发明专利技术可广泛应用核磁共振弛豫谱应用技术的配套虚拟实验实训平台中，还可以应用于相关弛豫谱分析技术领域应用人员的自学技术原理，还可以用于仪器开发和测试校准；样品测试谱图参照；弛豫谱反演研究的数据源等。

Simulation NMR relaxation spectrum analysis method and analysis system based on Numerical Simulation Technology

A simulation NMR relaxation spectrum analysis method and its system based on numerical simulation technology are proposed. The method includes: constructing the information model of the simulated sample; constructing the hardware parameters of the relaxation equipment; constructing the physical model of the measurement sequence; and constructing the information model and relaxation component of the simulated sample in the preceding steps. The physical and mathematical model of NMR relaxation data acquisition is constructed by analyzing the related hardware parameters and the physical model of measurement sequence. The algorithm and program of analog data acquisition are implemented to complete the analog acquisition of the original data. The relaxation spectrum is inverted to obtain the relaxation time distribution map. The invention can be widely used in the matching virtual experimental training platform of NMR relaxation spectrum application technology, and can also be applied to the self-taught technical principle of the application personnel in the field of correlation relaxation spectrum analysis technology, and can also be used for instrument development and test calibration, sample test spectrum reference, data source of relaxation spectrum inversion research, etc.

【技术实现步骤摘要】
基于数值模拟技术的仿真核磁共振弛豫谱分析方法及分析系统
本专利技术涉及核磁共振
，具体涉及一种基于数值模拟技术的仿真核磁共振弛豫谱分析方法及分析系统。
技术介绍
核磁共振目前已形成液体核磁共振、固体核磁共振、核磁共振成像三足鼎立的应用局面。但核磁共振除了在化学领域、医学领域有着上述重要应用外，近年来还逐步进入石油工业、橡胶工业、食品、农业、纺织、建筑材料、多孔介质等多个领域发挥着越来越重要的作用，逐渐形成新的核磁共振分析测试应用领域。核磁共振应用领域非常广泛，而且处于不断拓展之中。由于核磁共振分析技术具有速度快、精确度高、一次测量可获得多个参数、对样品无损耗、样品制备简单、对操作人员的健康和环境无影响等诸多优点，因此许多原来采用其他传统检测方法的应用目前都在探索采用核磁共振技术进行。核磁共振分析测试的根本原理是，通过对样品的物理参数(主要是弛豫时间与扩散系数)的测量，再分析表征样品其他性能参数。弛豫时间与样品内含有磁性核分子的结构、大小、均匀性程度、相互结合状态等参数相关联，通过检测弛豫时间的测量，可以分析检测不同的样品成分、状态分布、分子结合、分子铰链等与之相关的应用信息。扩散系数与样品内含有磁性核分子的动态变化相关，反映了组织内部的分子运动信息，通过测量，可以分析检测分子的流动、渗透、扩散方向等与之相关的应用信息。对于一些本身不含有磁性核，但样品内部含有不同孔隙分布的样品(统称为多孔介质，比如建筑材料、土壤、岩心等)，可以通过外部灌注磁性核样品，根据磁性核样品所处孔隙环境差异导致的弛豫时间差异或扩散差异来间接检测样品的空隙情况，从而分析其性能。由于弛豫时间与样品的物理环境(如温度、压强)直接相关，通过物理环境的改变，可以研究样品的分子动力学变化特性，因此基于弛豫时间的应用中往往结合变温或变压来进行。这方面组成核磁共振应用的第三个领域，可统称为基于弛豫时间差异或变化的应用，也有简称为核磁共振弛豫谱技术。由于其最终结果是弛豫时间的分布，相对于波谱技术的显示信号的频率分布不同，故也被称为时域核磁共振技术。现有技术中，许多开展弛豫反演算法研究的小组为了测试算法的准确性和噪声容忍度，也进行虚拟数据的反演实验，其往往是构建一个或多个弛豫峰，然后通过拉普拉斯逆变换(即正演过程)根据不同的序列反演核直接得到原始数据，然后叠加不同程度的噪声后再进行反演。通过比较构建谱和最终的反演谱的误差比较来评价反演算法的效果。其过程如附图1所示。但是，该技术整个过程没有体现出样品、硬件、序列参数以及数据采集的过程，没有仪器概念以及序列测量的理论及技术的引入，仅仅只有算法和数据处理概念。核磁共振弛豫谱分析技术在很多领域得到越来越广泛的应用，比如食品农业、石油化工、地质勘探、橡胶材料、生物医药等；越来越多的科研人员需要使用核磁共振弛豫谱分析仪开展相关科研和测试工作。但是核磁共振弛豫谱分析技术涉及到众多的核磁共振技术基础，尤其是序列技术，加上待测样品的复杂多变性，使得仪器的使用和测试数据结果的解释使用出现了很多问题。这些都是源于各领域的从业人员对于核磁共振弛豫谱分析技术的基础原理不了解，对于弛豫反演的特点没有明确掌握有关。为了使相关从业人员更好的快速理解掌握核磁共振弛豫谱分析技术的原理，更好的设置采集参数和反演参数，从而快速高效准确的得出分析结果，本专利技术可以满足这个要求。同时本仿真实验仪可以模拟产生不同信噪比的原始采集数据，可给相关领域的研究人员开展数据源的供给，以及不同反演算法的噪声容忍程度的对比测试。另外，基于实际设备硬件指标的限制，比如扩散系数(D)测量中，需要越大的梯度磁场才能测量到越小的扩散系数，但由于目前无法实现太高的梯度磁场以及大梯度磁场导致的涡流效应问题，使得较小扩散系数的测量实际上难以实现，基于本专利技术的仿真实验仪可以克服硬件限制，对不同的扩散量测量所需要的硬件指标进行预评价。
技术实现思路
本专利技术提出了一种基于数值模拟技术的仿真核磁共振弛豫谱分析方法，所述方法包括：构建模拟样品信息模型；构建弛豫设备硬件参数；构建不同测量序列物理模型；将前述步骤中所构建的所述模拟样品信息模型、弛豫设备硬件参数、测量序列物理模型结合，构建核磁共振弛豫数据采集物理数学模型，进行模拟数据采集算法和程序实现，完成原始数据的模拟采集；将前述步骤所采集的数据，进行弛豫谱反演，得到弛豫时间的分布图。即获得驰豫时间的波谱图，实现本专利技术基于数值模拟技术的仿真核磁共振弛豫谱分析方法。其中，根据不同应用领域待分析样品的特性构建模拟样品信息模型；所述模拟样品信息模型包括原理通用样品信息模型、典型领域用样品信息模型等。其中，所述原理通用样品信息模型包括一种或多种标准样品组分的组合。优选地，所述原理通用样品信息模型包括固定T1/T2/D的油样品或T1/T2/D可变的弛豫剂溶液样品。进一步地，本专利技术还构建典型领域用样品信息模型，如，多孔介质材料内的空隙大小与T2弛豫的关系模型，橡胶材料交联密度与弛豫时间模型，食品内水分相态与弛豫时间关系等。如，还可以构建相关样品的温度与弛豫和扩散时间关系模型用以模拟变温实验、压力与弛豫和扩散时间关系模型用以模拟变压实验。其中，所述弛豫分析相关硬件参数包括主磁场B0、主磁场不均匀性deltaB0、射频场B1、梯度场G等。进一步地，在构建弛豫分析相关硬件参数的步骤中，除了构建基本的硬件参数之外，还可以构建实际设备存在的一些对结果影响较大的误差参数，比如涡流(不同幅度和衰减指数的电流叠加在梯度电流上)、系统死时间、电子学噪声等。其中，所述测量序列包括IR序列、SR序列、CPMG序列、PGSE序列、PGSE-CPMG序列、和/或IR-CPMG序列等。本专利技术方法中的序列构建则是通过给出不同的数据采集模式的控制参数来实现。前述测量序列为基于本领域基本理论。而现有技术中的实际仪器是采用序列发生器(硬件)产生一系列控制信号驱动相关硬件完成相关工作。除了前述常用的弛豫测量序列，本专利技术还可以自行构建新的驰豫测量序列方法和模型。其中，基于前述步骤所采集的原始数据进行弛豫谱反演，所得到的弛豫时间的分布图包括一维谱图或二维谱图。具体地，本专利技术基于数值模拟技术的仿真核磁共振弛豫谱分析方法，包括步骤：步骤1中，根据不同应用领域待分析样品的特性构建的模拟样品信息模型。模拟样品构建可以按基本原理样品和典型领域用样品两大类进行。步骤2中，构建弛豫分析仪相关的硬件参数，包括主磁场B0，主磁场不均匀性deltaB0，射频场B1，梯度场G等。步骤3中，构建不同分析测量方法下(不同的脉冲序列)的物理模型，包括IR(反转恢复脉冲序列)、SR(饱和恢复脉冲序列)、CPMG序列、PGSE序列、PGSE-CPMG序列以及IR-CPMG序列等，不限于这几种序列。具体序列物理模型可以包括脉冲种类、脉冲个数、脉冲时间时间、脉冲幅度、间隔时间、梯度施加时间和间隔时间、梯度幅度、梯度步进值、步进次数、数据采集时间、采样间隔、采样点数，反转时间间隔和次数以及各事件的时间次序等。本专利技术中序列构建是通过给出不同的数据采集模式的控制参数来实现。基于本专利技术目的的构建用以虚拟采集的序列(包括参数)模式及技术方案是属于本专利技术保护范围。步骤4中，将上述步骤1、步骤2、步骤3所构建的样品信息、硬件本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于数值模拟技术的仿真核磁共振弛豫谱分析方法，其特征在于，所述方法包括：构建模拟样品信息模型；构建弛豫设备硬件参数；构建测量序列物理模型；基于前述构建的所述模拟样品信息模型、弛豫分析硬件参数、测量序列物理模型，构建核磁共振弛豫数据采集物理数学模型，完成所述物理数学模型的原始数据的模拟采集；将上一步骤所模拟采集的数据进行弛豫谱反演，得到弛豫时间的分布图。

【技术特征摘要】
1.一种基于数值模拟技术的仿真核磁共振弛豫谱分析方法，其特征在于，所述方法包括：构建模拟样品信息模型；构建弛豫设备硬件参数；构建测量序列物理模型；基于前述构建的所述模拟样品信息模型、弛豫分析硬件参数、测量序列物理模型，构建核磁共振弛豫数据采集物理数学模型，完成所述物理数学模型的原始数据的模拟采集；将上一步骤所模拟采集的数据进行弛豫谱反演，得到弛豫时间的分布图。2.如权利要求1所述的仿真核磁共振弛豫谱分析方法，其特征在于，所述模拟样品信息模型包括原理通用样品信息模型、典型领域用样品信息模型。3.如权利要求2所述的仿真核磁共振弛豫谱分析方法，其特征在于，所述原理通用样品信息模型包括一种或多种标准样品的组合。4.如权利要求1所述的仿真核磁共振弛豫谱分析方法，其特征在于，所述弛豫设备硬件参数包括主磁场B0、主磁场不均匀性deltaB0、射频场B1、梯度场G。5.如权利要求1所述的仿真核磁共振弛豫谱分析方法，其特征在于，所述序列包括IR序列、SR序列、CPMG序列、PGSE序列、PGSE-CPMG序列、和/或IR-CPMG序列。6.如权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪红志，
申请(专利权)人：华东师范大学，
类型：发明
国别省市：上海,31