量子磁光传感自然梯度磁场分层检测的方法技术

量子磁光传感自然梯度磁场分层检测的方法是基于共振层的核磁共振对于散射光光谱的扰动，从而消除表皮对于检测物中特定分子的含量浓度的影响的原理。通过调节磁铁的位置，自然形成梯度磁场，在共振层激发信号的作用下，在检测物指定的共振层中，对于特定质子产生核磁共振，收集共振层核磁感应信号和检测物由激发光照射而产生的散射光光谱信号，采用量子磁光传感算法，计算检测物中共振层的特定分子的含量，实现对于检测物分层检测。本发明专利技术将分层的核磁共振检测与散射光光谱检测实现基于量子态的关联，创造性提出分层量子磁光传感方法，最大限度地简化梯度磁场构成、降低成本、减小体积，实现对于皮肤多样性影响的剥离，成功实现纯无创IVD。实现纯无创IVD。实现纯无创IVD。

【技术实现步骤摘要】
量子磁光传感自然梯度磁场分层检测的方法


[0001]本专利技术涉及互联网和新能源领域，尤其涉及量子力学、核磁磁谱和散射光光谱的融合创新，涉及医疗体外检测仪器的传感器子领域。本专利技术申请是专利技术人此前提出的《量子磁光传感方法》的系列专利技术之一，是进一步实现《量子磁光传感方法》的一种低成本进阶方案。具体是通过调整磁铁的位置，自然生成梯度磁场，以解决传统的通过梯度磁场线圈来产生梯度磁场的一种简便而低成本的方法。有利于实现医学广谱IVD（人体体外诊断产品）的产品，对于人体进行体外进行纯无创的皮下血液和组织液的超微量检测，还可专用食品、药物等其他微量物质的无损检测。

技术介绍

[0002]1、核磁磁谱核磁共振技术核心内容是一种量子现象，具体是部分特定的质子的磁矩在外界纵向恒定磁场中被磁化，并且由于该质子在磁场中，存在固有的进动频率，在与进动频率同频率的横向激发射频磁场的作用下，质子产生进动共振，同时在激发射频磁场停止后，由于化学键中的质子的章动效应，产生化学位移的自由感应衰减，据此，可以计算出特定分子的含量。
[0003]依据核磁共振中的共振过程和弛豫过程，尤其是通过检测化学位移的自由感应衰减，可以获得检测物中特定分子的特征磁谱，人们把这种特征磁谱当作特定分子的“指纹磁谱”，通过这种指纹磁谱，可以进一步计算特定分子在检测物中的含量。
[0004]2、梯度磁场梯度磁场是核磁共振技术中的核心技术，是实现核磁共振检测的核心技术，也是利用核磁共振实现成像的关键所在。现阶段，梯度磁场的实现大多是在主磁场中采用梯度磁场线圈产生偏转磁场、进而合成出梯度磁场的方法。该方法结构复杂，成本高昂，例如在现有的核磁共振成像系统中，就是采用这种方法。而1套用于检测人体的核磁共振成像系统，造价都是千万元左右。目前，尚未发现有低成本的梯度磁场实现方案。本专利技术申请就是试图以一种无需偏转磁场和梯度磁场线圈，而通过调节主磁场磁铁的位置，就能够实现梯度磁场的方法，以大幅度降低成本，减小设备体积。
[0005]3、散射光光谱根据光学基本原理，光波的本质就是一种电磁波。可见光的频率介于380～780nm的电磁波，一束光线（通常可称为激发光）照射到物体表面，将产生反射光、折射光、衍射光和散射光。其中，反射光、折射光和衍射光是在宏观的几何光学中，电磁波在一种传播介质遇到另外一种传播介质时的反应，它符合光的反射定律、折射定律以及费马定律和马吕斯定律。具体规律是，对于反射光，反射角等于入射角，光波波长不变；对于折射光，折射角与入射角的正弦函数与两种介质的折射率成反比；对于衍射光，又称绕射，是指光波遇到障碍物时偏离原来直线传播的物理现象。需要说明的是，反射光和折射光不在本专利技术的讨论范围之内，本专利技术只讨论散射光。
[0006]散射光属于微观的、符合量子力学原理的现象。基本原理是物质内的带电粒子、电子和质子在入射电磁波（激发光）的作用下，产生振荡，受到电磁波加速的电荷又在各个方向辐射电磁波，这一过程成为散射过程，产生的电磁波称之为散射光。散射光可划分为以下几种类型。
[0007]（1）、瑞利散射光英国物理学家瑞利指出，当微粒的直径远小于激发光的波长时，产生散射光强度几乎与激发光强度相等的瑞利散射光，并且散射光有确定的散射角。当微粒处于静止状态时，产生波长与激发光相同的静态瑞利散射光；当微粒处于动态时，将产生受多普勒频移效应的波长比入射光加宽的动态瑞利散射光；当微粒的直径远大于激发光波长时，还会产生散射光强度与激发光波长没有依赖关系的米散射光。瑞利散射光属于弹性的散射光。
[0008]（2）、布里渊散射光法裔美籍科学家布里渊对于涉及声学声子和涉及磁振子的非弹性散射光进行的研究，指出，光量子与发出散射光物质相互作用过程中产生和湮没的元激发仅是低能区的声学声子或磁振子，其能量范围≤0.124meV，与光子作用的量级为10
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～10
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，并且具备相干性。
[0009]（3）、拉曼散射光印度物理学家拉曼对于散射光的研究中，发现了这种现象，并且荣获1930年的诺贝尔物理奖。这种现象是：光量子与发出散射光物质相互作用，产生和湮没的元激发，包含所有类别的元激发和转动、振动的原子、分子，双光子在三能级（基态、虚态和末态）之间跃迁，产生和湮没一个元激发（声子、磁振子、电子、等离激元中的某一个元激发）的过程。其能量范围是几个到几百，与光子作用的量级为10
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，并且具备非相干性。其中，包括散射光波长大于激发光波长的斯托克斯散射光和散射光波长小于激发光波长的反斯托克斯散射光。
[0010]（4）、汤姆孙散射光英国物理学家汤姆孙发现：激发光入射的电磁波的电场，使得其中的自由带电粒子产生弹性散射，其特征是散射波的波长与激发光相同。并且，粒子加速的主要原因都来自入射波的电场分量，而磁场的作用可被忽略。粒子将会在电场振动的方向上开始运动，从而产生电磁偶极辐射。汤姆孙的成就，使得他荣获1906年诺贝尔物理奖。
[0011]（5）、康普顿散射光美国物理学家康普顿发现：入射的激发光光子与物质原子中的核外电子产生非弹性碰撞而被散射的过程。碰撞时，入射光子把部分能量转移给电子，使它脱离原子成反冲电子，而散射光子的能量和运动方向发生变化。其中，因失去能量而导致散射光波长变长的现象称为康普顿现象；因光子获得能量引起散射光波长变短称为逆康普顿现象。康普顿的这些成就，使得他荣获1927年诺贝尔物理奖。
[0012]（6）、荧光激发光照射到一些特定原子时，光的能量使原子核周围的一些电子由原来的轨道跃迁到了能量更高的轨道，即从基态跃迁到高级别的激发单线态，而这些高级别的单线态等是不稳定的，会恢复基态，此时的能量会以光子的形式释放，所以产生荧光。大多数情况下，荧光的波长比激发光波长更长，能量更低。但是，当吸收强度较大时，可能发生双光子吸收现象，导致辐射波长短于吸收波长的情况发生。当辐射波长与吸收波长相等时，即是共振
荧光。常见的例子是物质吸收紫外光，发出可见波段荧光，我们生活中的荧光灯就是这个原理，涂覆在灯管的荧光粉吸收灯管中汞蒸气发射的紫外光，而后由荧光粉发出可见光，实现人眼可见的可用于照明光源。
[0013]需要特别说明的是，在本专利技术申请中，考虑到荧光和散射光都有基于量子力学的共同基础，为了便于说明，我们把荧光也纳入到散射光范畴里，作为同一个类别。
[0014]4、量子磁光传感方法现有研究积累专利技术人团队自2022年开始，申请并且已经获得中国国家知识产权局授权3个中国专利技术专利《量子磁光传感方法 中国专利号CN114441507B》和《量子磁光传感器 中国专利号CN114441506B》和《量子磁光多维传感方法 中国专利号CN115452803B》是专利技术人团队在此前申请的同类创新，其主要创新点是首次提出：1、同时对包含特定质子的检测物进行核磁共振的磁谱检测和对检测物表面进行散射光光谱检测。2、建立磁谱和光谱相关联的量子力学方程，并求解出特定质子和特定分子在检测物中的含量。3、提出本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.量子磁光传感自然梯度磁场分层检测的方法，其特征在于，包括：M1000步骤：设定磁铁位置以形成自然梯度磁场，获得所述自然梯度磁场中位置与磁场强度之间的位置函数；M2000步骤：置包括可核磁共振的特定质子的检测物于所述自然梯度磁场中，将检测物沿所述自然梯度磁场垂直方向从外边到内部划分一个以上共振层，采用共振层激发信号通过激发线圈激发检测物中对应共振层的特定质子产生核磁共振，通过感应线圈采集共振层核磁感应信号；M3000步骤：采用激发光从外边照射检测物，采集散射光信号，并且在散射光信号中分解特定分子中所包括的特定质子的分子键的特征峰信号；M4000步骤：采用包括共振层核磁感应信号和特征峰信号作为自变量的量子磁光传感算法，计算检测物中特定分子的含量。2.依据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述量子磁光传感算法包括经验差分算法、关联差分算法或联合校验算法，具体包括：M4100步骤：所述经验差分算法，具体包括：依据特征峰信号和一个以上共振层核磁感应信号，采用激发光照射检测物时所能够达到的最大深度，沿所述自然梯度磁场垂直方向从外边到内部划分一个以上照射层，其中照射层包括一个以上共振层，依据检测物的经验数据，分解计算照射层特征峰信号，并且依据共振层核磁感应信号和照射层特征峰信号计算检测物中特定分子的含量；经验数据包括历史的通过测试获得的照射层和共振层之间的共振层核磁感应信号数据和照射层特征峰信号数据以及检测物中特定分子的含量数据之间的对应关系数据；M4200步骤：所述关联差分算法，具体包括：依据特征峰信号和一个以上共振层核磁感应信号，采用激发光照射检测物时所能够达到的最大深度，沿所述自然梯度磁场垂直方向从外边到内部划分一个以上照射层，其中照射层包括一个以上共振层，依据检测物中特定分子中包括的特定质子由于磁化和核磁共振所引起的特征峰信号的变化的关联函数，分解计算照射层特征峰信号，并且依据共振层核磁感应信号和照射层特征峰信号计算检测物中特定分子的含量；关联函数的计算具体还包括以下方法之一或其组合：依据包括瑞利方程和概率计算方法，分解计算照射层特征峰信号；依据人工智能和大数据的云模式统计方法，分解计算照射层特征峰信号；依据包括人工智能系统插件接入方法，分解计算照射层特征峰信号；依据包括人工智能多模态大语言模型训练，分解计算照射层特征峰信号；依据包括检测物的物质形态，包括固态、液态、气态、晶体状态，分解计算照射层特征峰信号；依据包括检测物的温度、浓度、分子结构、混合物质的品种，分解计算照射层特征峰信号；M4300步骤：所述联合校验算法，具体包括：同时采用所述经验差分算法和所述关联差分算法，分别计算照射层特征峰信号和检测物中特定分子的含量；依据联合校验函数，计算检测物中的特点分子的含量；
联合校验函数的计算具体还包括以下方法之一或其组合：依据设定的所述经验差分算法和所述关联差分算法的权重参数，联合校验各个特征峰，计算检测物中特定分子的含量；依据所述经验差分算法和所述关联差分算法的理论参数，联合校验各个特征峰，计算检测物中特定分子的含量；依据检测物的温度，联合校验各个特征峰，计算检测物中特定分子的含量；依据检测物的浓度，联合校验各个特征峰，计算检测物中特定分子的含量；依据检测物的浓度物质形态，联合校验各个特征峰，计算检测物中特定分子的含量。3.依据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述M1000步骤具体包括：M1110步骤：磁铁由条状矩形六方体永磁铁或电磁铁或超导磁铁成对构成，一对磁铁包括磁场均匀的两个磁体，一个磁体的N极和另一个磁体的S极面对面布置，其中，N极磁体的边线和S极磁体的边线与X轴构成一个平面，两根边线对称分布于X轴两边，边线与X轴相交于坐标原点，两根边线与X轴的夹角均大于0度并且两个夹角相等，检测物置于X轴上的位置为位置点，依据核磁共振需要布置激发线圈和感应线圈；M1120步骤：以一对以上磁铁，建立X轴的一维坐标系，通过调节磁铁的位置，使得磁铁之间所产生的磁场的大小沿X轴方向移动呈现逐渐增加或逐渐减小的一维梯度磁场；和/或，M1130步骤：以一对以上磁铁之间所自然产生的磁场的方向为Z轴方向，布置Z轴与X轴垂直，建立X轴、Z轴的二维坐标系，通过调节磁铁的位置，使得磁铁之间所产生的磁场的大小沿X轴方向和沿Z轴方向移动呈现逐渐增加或逐渐减小的二维梯度磁场；和/或，M1140步骤：以一对磁铁之间所自然产生的磁场的方向为Z轴方向，以与X轴和Z轴均垂直方向为Y轴，建立X、Y、Z的三维坐标系，通过调节磁铁的位置，使得磁铁之间所产生的磁场的大小沿X轴方向和沿Z轴方向和Y轴方向移动呈现逐渐增加或逐渐减小的三维梯度磁场。4.依据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述M1000步骤还包括：M1210步骤：磁铁由筒状体永磁铁或电磁铁或超导磁铁构成，磁体的N极和S极在筒状体的两端布置，并且两端的直径一大一小侧面呈梯形，以筒状体的中轴线为X轴，检测物置于X轴上的位置为位置点；M1220步骤：建立X轴的一维坐标系，通过调节检测物的位置点，获得磁场的大小沿X轴方向移动呈现逐渐增加或逐渐减小的一维梯度磁场，沿X轴垂直方向布置激发线圈和感应线圈；和/或，M1230步骤：建立X轴、Z轴的二维坐标系，布置与X轴垂直的Z梯度线圈，通过Z梯度线圈产生，沿Z轴方向移动呈现逐渐增加或逐渐减小的Z梯度磁场，与X梯度磁场一起形成二维梯度磁场，并且布置激发线圈和感应线圈；和/或，M1240步骤：建立X、Y、Z的三维坐标系，布置与X轴垂直的Z梯度线圈和与X轴及Z轴均垂直的Y梯度线圈，通过Z梯度线圈产生，沿Z轴方向移动呈现逐渐增加或逐渐减小的Z梯度磁场，并且，通过Y梯度线圈产生，沿Y轴方向移动呈现逐渐增加或逐渐减小的Y梯度磁场，与X梯度磁场和Z梯度磁场一起形成三维梯度磁场，并且布置激发线圈和感应线圈。5.依据权利要求3或4所述的方法，其特征还在于，所述M1000步骤还包括：M1300步骤：所述位置函数具体包括：
M1310步骤：所述位置函数包括在所述自然梯度磁场的一维坐标系中X轴位置，或二维坐标系中X轴Z轴位置，或三维坐标系中X轴Z轴Y轴位置上的磁场强度；M1320步骤：实测的方法，采用磁场强度传感器，在指定环境的所述自然梯度磁场中，针对各个位置点，实际测量，以获得所述位置函数；或，M1330步骤：计算的方法，依据磁铁的...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁贤根，丁远彤，肖苑辉，
申请(专利权)人：港湾之星健康生物深圳有限公司，
类型：发明
国别省市：