使用超低磁场核磁共振的物体识别方法和物体识别装置制造方法
【专利摘要】提供了一种用于识别超低磁场核磁共振材料的方法和装置。所述方法包括如下步骤：改变针对测量目标的预极化磁场的强度或者所述预极化磁场的施加时间并测量自旋-晶格弛豫时间(T1)；并且使用所述自旋-晶格弛豫时间对所述测量目标进行分类。
【专利说明】使用超低磁场核磁共振的物体识别方法和物体识别装置
【技术领域】
[0001]本文中说明的本发明一般性地涉及超低磁场物体识别方法，更具体地，涉及一种当改变具有不饱和自旋-晶格弛豫时间的预极化磁场或读出磁场时使用测量的自旋-晶格弛豫时间来识别测量目标的超低磁场物体识别方法。
【背景技术】
[0002]核磁共振(以下，称作“NMR”)是这样一种现象:当对构成所有物质的原子核施加磁场时，原子核的磁自旋以与该磁场共振的形式进动。普通的NMR的主磁体必须在空间内均匀地生成0.1特斯拉?几特斯拉的磁场。因此，用于生成磁场的超导主磁体体积大且成本闻。
[0003]低磁场/超低磁场NMR将由普通NMR的主磁体生成的磁场分成预极化磁场(prepolarization magnetic field)和读出磁场。因此，读出磁场的强度可以减小为几十微特斯拉或几微特斯拉。
[0004]低磁场/超低磁场NMR包括用于生成预极化磁场的预极化线圈和用于生成读出磁场的读出线圈。预极化线圈生成预极化磁场以使测量目标物体预极化。随后，消除预极化磁场，并将读出磁场施加到目标物体，然后检测器测量在目标物体的磁化弛豫时出现的核磁共振信号。因此，尽管会降低预极化磁场的均匀性，但预极化线圈只需要生成强磁场。此夕卜，读出线圈只需要生成均匀而弱的读出磁场。因此，低磁场/超低磁场NMR可以结构简单且成本低。随着读出磁场的强度减小，与磁场强度成比例的对应于拉莫尔频率的读出信号频率减小为几千赫兹(kHz)或几百赫兹(Hz)。
[0005]因此，能够测量在普通高磁场NMR中不会发生的现象。在低磁场/超低磁场NMR中，由金属导致的畸变非常低。因而，能够无损地测量金属罐内部的物质或被包裹的物质。
【发明内容】
[0006]本发明的一些实施例提供一种使用超低磁场核磁共振(NMR)的物体识别方法。
[0007]本发明的一些实施例提供一种使用超低磁场核磁共振(NMR)的物体识别装置。
[0008]根据本发明的实施例的使用超低磁场核磁共振的物体识别方法可包括:测量测量目标在预极化磁场的多个强度处的各个自旋-晶格弛豫时间(T1);并且使用所述自旋-晶格弛豫时间对所述测量目标进行分类。
[0009]在本发明的实施例中，测量各个所述自旋-晶格弛豫时间可以包括:设定适于所述测量目标的个体弛豫时间特性的脉冲序列；施加预极化磁场和读出磁场；测量自由感应衰减(FID)信号；通过对所述FID信号进行傅里叶变换来测量在原子核的共振频率处信号强度或线宽；改变施加所述预极化磁场的时间长度；通过拟合根据施加所述预极化磁场的时间长度的所述信号强度的变化来获得所述自旋-晶格弛豫时间T1 ;并且以通过对所述预极化磁场的多个变化了的强度重复进行以上操作获得各个所述自旋-晶格弛豫时间T1的方式来构建第一参数向量；其中，使用所述第一参数向量来辨别所述测量目标的品种。[0010]在本发明的实施例中，所述方法还可包括:使用梯度回波信号来测量所述测量目标的自旋-自旋弛豫时间(T2);并且使用所述自旋-自旋弛豫时间对所述测量目标进行分类。
[0011]在本发明的实施例中，测量所述测量目标的所述自旋-自旋弛豫时间(T2)可以包括:设定适于所述测量目标的个体弛豫时间特性的脉冲序列；施加预极化磁场和读出磁场；连续施加正梯度磁场和负梯度磁场；测量梯度回波信号；通过对所述梯度回波信号进行傅里叶变换来测量在所述原子核的共振频率处的信号线宽；并且以根据原子核的所述共振频率的线宽或所述线宽的倒数来构建第二参数向量。使用所述第二参数向量来辨别所述测量目标的品种。
[0012]根据本发明的另一实施例的使用超低磁场核磁共振的物体识别方法可以包括:在改变针对测量目标的读出磁场的强度时，通过对测量的自由感应衰减信号进行傅里叶变换来测量在原子核的共振频率处的信号线宽；并且使用在所述原子核的共振频率处的所述信号线宽对所述测量目标进行分类。
[0013]在本发明的实施例中，测量所述信号线宽可以包括:设定适于所述测量目标的个体弛豫时间特性的脉冲序列；施加预极化磁场；施加所述读出磁场；测量自由感应衰减(FID)信号；通过对所述FID信号进行傅里叶变换来测量在所述原子核的共振频率处的所述信号线宽；通过重复进行以上操作，以根据所述读出磁场的强度的在所述原子核的共振频率处的所述信号线宽来构建第三参数向量。使用所述第三参数向量来辨别所述测量目标的品种。
[0014]根据本发明的另一实施例的使用超低磁场核磁共振的物体识别方法可以包括:通过获得关于预极化磁场的多个强度的各自的自旋-晶格弛豫时间(T1)来构建第一参数向量；通过使用梯度回波信号以根据原子核的共振频率的线宽或所述线宽的倒数(T2)来构建第二参数向量；以根据读出磁场的强度的在所述原子核的共振频率处的信号线宽的值来构建第三参数向量；通过结合所述第一参数向量的分量至所述第三参数向量的分量来构建新的参数向量；并且使用所述新的参数向量来辨别测量目标的品种。
[0015]根据本发明的另一实施例的使用超低磁场核磁共振的物体识别方法可以包括:通过获得关于预极化磁场的多个强度的各自的自旋-晶格弛豫时间(T1)来构建第一参数向量；通过使用梯度回波信号以根据原子核的共振频率的线宽或所述线宽的倒数(T2)来构建第二参数向量；以根据读出磁场的强度的在所述原子核的共振频率处的信号线宽的值来构建第三参数向量；通过结合所述第一参数向量的分量至所述第三参数向量的分量来构建新的参数向量；从对期望被识别的各种材料的重复测量中采集用于各自材料的新的参数向量；通过对采集的新的参数向量应用支持向量机(SVM)或主成分分析(PCA)来发现用于分类的有效主向量分量并且将所述新的参数向量投影至所述主向量分量，来减少参数向量维度；并且使用减少后的参数向量维度的分量来辨别所述材料的品种。
[0016]根据本发明的实施例的使用超低磁场核磁共振的物体识别装置可以包括:杜瓦瓶，其含有低温液体制冷剂；预极化线圈，其用于将测量目标预极化；预极化线圈驱动器，其用于通过间歇性地将电流施加至所述预极化线圈来生成预极化磁场(Bp);传感器单元，其用于测量被所述预极化线圈施加有所述预极化磁场(Bp)的所述测量目标的核磁共振信号；读出线圈，其用于将读出磁场施加至所述测量目标；以及读出磁场电源单元，其用于通过将电流施加至所述读出线圈来将所述读出磁场施加至所述测量目标，并且其中，所述传感器单元对所述测量目标在所述预极化磁场的多个强度处的各个自旋-晶格弛豫时间(T1)进行测量，并且使用所述自旋-晶格弛豫时间对所述测量目标进行分类。
[0017]在本发明的实施例中，所述装置还可以包括:梯度磁场线圈，其用于将梯度磁场施加至所述测量目标；梯度磁场驱动单元，其用于向所述梯度磁场线圈供给电流；梯度磁场电源单元，其用于向所述梯度磁场驱动单元提供电源；以及脉冲序列发生器，其用于将脉冲序列提供至所述预极化线圈驱动器、所述读出磁场电源单元和所述梯度磁场电源单元。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]根据附图和随附的详细说明，本发明将变得更显而易懂。本文中描述的实施例是以示例的方式提供的，而非旨在限制，在本文中类似的附图标记表示相同或相似的元件。附图不需要按照尺寸比例图示，而是将重点放在图示本发明的各方面。
[0019]图1图示了根据本发明实施例的用于品种识别的超低磁场NMR装置。
[0020]图2为图示了使用图1中的超低磁场NMR装置的物体识别方法的流程图。
[0021]图3A和图3B图示了根据本发明的实施例的脉冲序列。
[0022]图4示出了由图3A中的脉冲序列所获得的FID信号的傅里叶变换的结果。
[0023]图5示出了根据预极化磁场的强度或时间长度的拉莫尔频率的振幅。
[0024]图6图示了根据本发明的另一实施例的脉冲序列。
[0025]图7图示了根据本发明实施例的T1对Bp的依赖性。
[0026]图8是图示了根据本发明的另一实施例的用于测量T2脉冲序列。
[0027]图9图示了用于测量图8中的T2的脉冲序列。
[0028]图10图示了根据本发明的实施例的物体识别方法。
[0029]图11图示了用于测量通过对图10中的FID信号进行傅里叶变换所获得的信号的线宽的脉冲序列。
[0030]图12示出了使用图10中的物体识别方法所获得的虚拟数据。
[0031]图13是图示了根据本发明的另一实施例的使用超低磁场NMR的物体识别方法的流程图。
[0032]100:使用超低磁场核磁共振的物体识别装置
[0033]112:杜瓦瓶
[0034]122:预极化线圈
[0035]124:预极化线圈驱动器
[0036]130:测量目标
[0037]160:传感器单元
[0038]152:读出线圈
[0039]164:读出磁场电源单元
【具体实施方式】
[0040]在通常的高磁场NMR/MRI中，MR信号是由氢原子核生成的信号，并且根据人体内的水分子的氢原子核浓度来显示图像。因此，磁共振图像表示氢原子核的空间浓度。在高磁场NMR/MRI中，T1是自旋-晶格弛豫时间，T2是自旋-自旋弛豫时间。在固定的主磁场下，活组织可能具有不同的T1和/或T2。磁共振成像(MRI)是^或!^的空间分布。然而，由于高磁场NMR/MRI难以改变主磁场的强度，因此难以查明农畜产品的品种。
[0041 ] 在超低磁场NMR中，自旋-晶格弛豫时间T1可以是预极化磁场Bp和/或读出磁场Bm的函数。在超低磁场NMR中可以容易地改变预极化磁场Bp和/或读出磁场Bm。因此，根据预极化磁场Bp的测量出的T1、根据读出磁场Bm的FID信号的测量出的线宽或者通过处理梯度回波信号所获得的T2可被用于识别测量目标。
[0042]例如，一个品种的特定活组织具有的T1依赖性可能与另一品种的特定活组织具有的T1依赖性不同。测量的T1依赖性可被用于识别无法通过肉眼辨别的测量目标的品种。所述测量目标例如可以是水果、蔬菜、酒精饮料、鱼类以及肉类。
[0043]韩国本地牛和美国牛的品种不同，并且目前仅能够通过DNA检测来识别。然而，DNA检测需要大量时间并且会对测量目标产生损害。因此，需要一种用于识别家畜的品种的新方法。因此，超低NMR可用于识别家畜的品种。
[0044]根据本发明的实施例，可在不同条件下测量T1以识别测量目标的品种。
[0045]下面将参照附图更充分地说明本发明，在附图中图示了本发明的优选实施例。然而，可以以许多不同的方式来实施本发明，而不应当将本发明解释为仅限于文中提出的实施例。这些实施例被提供用来使本公开详尽与完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域技术人员。在本文中，类似的附图标记表示类似的元件。
[0046]图1图示了根据本发明的实施例的用于品种识别的超低磁场NMR装置。
[0047]参照图1，使用超低磁场NMR的物体识别装置(100)包括:杜瓦瓶112，其包含有低温液体制冷剂；预极化线圈122，其用于使测量目标130预极化；预极化线圈驱动器124，其通过向预极化线圈122间歇性地施加电流以生成预极化磁场Bp ;传感器单元160，其用于测量被预极化线圈122施加了预极化磁场Bp的测量目标130的核磁共振(NMR)信号；读出线圈152，其用于将读出磁场Bm施加至测量目标130 ;以及读出磁场电源单元154，其用于通过对读出线圈152施加电流而将读出磁场Bm施加至测量目标130。
[0048]传感器单元160利用自旋-晶格弛豫时间T1来识别测量目标130的品种，所述自旋-晶格弛豫时间T1是通过在改变施加至测量目标130的预极化磁场Bp的强度或时间长度时获得的NMR信号的处理而提取的。
[0049]传感器单元160对测量目标130在预极化磁场的多个强度处的各个自旋-晶格弛豫时间T1进行测量，并且使用各个自旋-晶格弛豫时间T1对测量目标130进行分类。
[0050]梯度磁场线圈142可以将梯度磁场BG施加至测量目标130。梯度磁场驱动器144将电流供给至梯度磁场线圈142以向测量目标130施加梯度磁场BG。梯度磁场电源单元146可以向梯度磁场驱动器144施加电源。梯度磁场电源单元146通过从脉冲序列发生器172接收脉冲序列而向梯度磁场驱动器144供电。
[0051]脉冲序列发生器172通过从控制器165接收控制信号而将脉冲序列提供给预极化线圈驱动器124、读出磁场电源单元154和梯度磁场电源单元146。
[0052] 传感器单元160可包括:磁通变换器161，其用于感测磁通量和/或使磁通量衰减/放大；超导量子干涉器件(SQUID) 163，其用于接收磁通变换器161的输出信号并检测磁场以将该输出信号转换为电压信号；磁通锁定环(FLL)单元168，其用于使上述电压信号线性化，并且提供与检测到的磁场成比例的线性化的电压信号；传感器信号处理器166，其用于处理上述线性化的电压信号以去除噪声，并且将处理后的电压信号放大；以及传感器控制器167，其用于将控制信号提供给FLL单元168。
[0053]SQUID163为这样一种变换器，该变换器通过只有超导体才会呈现出的约瑟夫森效应(Josephson effect)和磁通量量子化效应的结合将外部磁通量的变化转换为电压信号。SQUID163是包含插入单个超导环中的一个或两个约瑟夫森结的磁传感器。RF SQUID是包含插入单个超导环中的一个约瑟夫森结的磁传感器。DC SQUID是包含插入单个超导环中的两个约瑟夫森结的磁传感器。RF SQUID以这样的方式工作:即，输出RF频带的AC电压并且其频率根据所施加的磁通量而变化。DC SQUID以这样的方式工作:即，生成DC电压作为所施加的磁通量的函数。所述函数是以这样的函数形式给出的:该函数以磁通量的量子值Φ0( = 2.07X10' (-15)Wb)为周期振动。可根据DC SQUID的具体结构来确定磁通量/电压变换函数的具体形式。
[0054]磁通变换器161可包括:拾波线圈，其用于感测磁通量并且将磁通量变换为超导电流；和/或输入线圈，其放大或衰减从上述超导电流变换而来的磁通量，然后将变换来的磁通量传送至SQUID163。磁通变换器161可以由超导体形成。拾波线圈可以具有大的面积以感测大量的磁通量。输入线圈的面积可以与SQUID163的面积相似从而将磁通量会聚至SQUID163，并且所述输入线圈可以被多次缠绕以改变其放大率或衰减率。磁通变换器161可以包括磁力计或梯度计，在所述磁力计中拾波线圈包括一个环，在所述梯度计中拾波线圈包括以相反的方向缠绕的一对或多对环。
[0055]SQUID163可以经由导体连接至FLL单元168。需要保护SQUID163以使SQUID163能够在诸如预极化磁场Bp等非常大的磁场下稳定地工作。因此，超低磁场-MRI系统使用超导屏蔽件164来保护SQUID。然而，当整个SQUID传感器被超导屏蔽时，SQUID无法起到磁场传感器的作用。因此，当使用超导体进行屏蔽时，仅将磁通变换器的SQUID部分和输入线圈部分超导屏蔽，而使读出线圈位于超导屏蔽件之外。在此情况下，超导屏蔽件164保护SQUID自身不受强磁场的影响，但是不会防止从读出线圈感生的电流施加至SQUID。因此，在超低磁场-NMR系统中布置有电流限制单元162以防止从读出线圈感生的过电流施加至SQUID。`
[0056]FLL单元168可包括用于接收SQUID163的输出信号的输入端子、积分器、反馈线性化电路、反馈线圈等。FLL单元168可以在将磁通变化量转换为比磁通量子值Otl的范围宽得多的电压信号之后，输出磁通变化量。
[0057]读出磁场生成器155可生成读出磁场Bm，所述读出磁场Bm在空间上均匀且弱。读出磁场生成器155可包括读出磁场电源单元154、读出磁场门单元156以及读出线圈152。读出磁场门单元156可以调节施加至读出线圈152的电流以间歇性地生成读出磁场Bm。
[0058]梯度磁场生成器145可以包括梯度磁场电源单元146、梯度磁场驱动器144以及梯度磁场线圈142以生成梯度磁场的Y分量dBy/dy。
[0059]脉冲序列发生器172可生成脉冲序列，并且将脉冲序列提供给预极化线圈驱动器124、读出磁场电源单元154和梯度磁场电源单元146以获得?\、Τ2和FID信号的线宽。
[0060]控制器165可以处理传感器信号处理器166的信号，并且控制脉冲序列发生器172和传感器控制器167。[0061]光学固态继电器(SSR)可用作接通/切断预极化磁场Bp、读出磁场Bm和梯度磁场BG的开关。当断开SSR时，预极化线圈122、读出线圈152和梯度磁场线圈142被从电流源完全短路。可通过光通信来施加用于驱动SSR的TTL信号。因此，可以去除对传感器单元160有不利影响的所有电连接。
[0062]预极化线圈122可以生成用于使测量目标130预极化的预极化磁场Bp。预极化线圈122可以是这样的螺线管的形式:在该螺线管中，直径为I毫米(mm)的铜线被缠绕在外径为30mm且长度为60mm的空心圆管上总计240次。预极化线圈122的总电阻为0.75欧姆，并且预极化线圈122在IkHz时的电感为0.79mH。
[0063]12V Pb电池可用作电流源以使得对传感器单元160有影响的噪声最小化。在预极化线圈122的内部中央的磁场可以大约为50mT，所述磁场是通过分辨率为0.0lmT的高斯计测量的。
[0064]读出线圈152可以将读出磁场Bm施加至测量目标。读出线圈可以是赫尔姆霍茨型(Helmholtz-type)正方形线圈，该线圈的一个边的长度为1340mm。通过使用磁通门测量的读出线圈中央的磁场为大约2.82高斯。氢原子核的与该强度的磁场相对应的拉莫尔(Larmor)频率约为 120Hz。
[0065]氢原子核、碳原子核或氮原子核的拉莫尔频率可随着读出磁场的强度而变化。因此，在预定的读出磁场中的氢原子核、碳原子核或氮原子核的拉莫尔频率可以是固定的。当对自由感应衰减(FID)信号进行傅里叶变换时，在拉莫尔频率处的振幅随着预极化磁场的固定强度的时间长度或预极化磁场的强度而变化。因此可以获得！\。
[0066]梯度磁场线圈142可施加梯度磁场。梯度磁场线圈142可以是麦克斯韦对(Maxwell pair)型,其中，将极性相反的磁场施加至彼此面对的两个线圈。梯度磁场线圈142的一个边的长度为1420mm，且使用磁通门测量的梯度磁场线圈142的中央的磁场梯度是大约31.3pT/cm。磁场dBy/dy的梯度相当于以频率分量表示的约1.33Hz/cm。
[0067]图2是图示了使用图1中的超低磁场NMR装置的物体识别方法的流程图。
[0068]图3A和图3B图示了根据本发明的实施例的脉冲序列。
[0069]参照图2、图3A和图3B，使用超低磁场NMR装置的物体识别方法包括:测量测量目标在预极化磁场的多个强度处的各个自旋-晶格弛豫时间T1 (Slll);并且利用自旋-晶格弛豫时间T1对测量目标进行分类(S144)。
[0070]测量目标被安装在超低磁场NMR装置上。确定超低磁场NMR装置的脉冲序列。用于测量T1的脉冲序列可以具有两种方式。
[0071]一种方式是，当改变施加处于预极化磁场的固定强度处的预极化磁场的时间长度时，测量自由感应衰减(FID)信号。因此，根据施加预极化磁场的时间长度来确定测量目标的极化程度。可对测量的FID信号进行傅里叶变换(S116)。随后，通过基于频率的傅里叶变换获得振幅。在氢原子核的共振频率处获得振幅(S118)。
[0072]可根据施加预极化磁场的时间长度来测量在氢原子核的共振频率处的振幅(S124)。随着时间长度增大，根据施加预极化磁场的时间长度的在氢原子核的共振频率处的振幅饱和。所述振幅可以具有关于时间长度的指数函数依赖性，且可通过拟合指数函数来获得T1 (S142)。
[0073]操作Slll包括步骤:设定适于测量目标的个体弛豫时间特性的脉冲序列(SllO)；施加预极化磁场和读出磁场(S112);测量自由感应衰减(FID)信号(S114);通过对FID信号进行傅里叶变换来测量在原子核的共振频率处的信号强度或线宽(S118);改变施加预极化磁场的时间长度(S124);通过拟合取决于施加预极化磁场的时间长度的信号强度变化来获得I\(S142);并且以通过对预极化磁场的多个改变了的强度重复进行以上操作获得各自的自旋-晶格弛豫时间T1的方式来构建第一参数向量(S134)。使用第一参数向量来识别测量目标的品种。
[0074]参照图3A，用于测量T1的脉冲序列可以依次或同时施加预极化磁场Bpl和读出磁场Bm。优选地，当切断预极化磁场Bpl时施加读出磁场Bm。预极化磁场Bpl的强度恒定。施加预极化磁场Bpl的时间长度t_Pl根据脉冲序列而变化。在从切断预极化磁场Bpl后又经过了预定的FLL驱动时间t_FLL的时候开始的测量时间t_measure内，可测量FID信号。
[0075]参照图3B，施加预极化磁场的时间长度t_P2不同于图3A的施加预极化磁场的时间长度t_Pl (S124)。因此，FID信号的初始振幅根据测量目标的极化程度而变化。
[0076]图4是对由图3A中的脉冲序列获得的FID信号进行傅里叶变换的结果。
[0077]图4示出了根据施加预极化磁场的时间长度的在氢原子核的共振频率处的振幅。
[0078]现在参照图4，该图示出了对测量目标的1H质子的自由感应衰减(FID)信号的快速傅里叶变换(FFT)。如图4所示，T2*为大约2.5秒以上，信噪比(SNR)约为14.5。在补零之后进行FFT。频率峰值出现在大约120Hz处。频率峰值的位置与120Hz匹配良好，而120Hz是水的与施加的强度为2.82微特斯拉的读出磁场相对应的共振频率。频谱分辨率的半高宽(FWHM)约为0.5Hz，该频谱分辨率意味着NMR系统的空间分辨率。
[0079]图5示出了根据预极化磁场的强度或时间长度的拉莫尔频率处的振幅。
[0080]参照图5，位于氢原子核的共振频率处的振幅根据预极化磁场Bpl的时间长度t_P或强度而变化。随着预极化磁场的强度或时间长度的增大，测量目标的极化饱和。因此，测量目标的极化取决于振幅。于是，所述振幅具有根据时间长度的指数函数依赖性，且可通过拟合该指数函数来获得T1 (S142)。
[0081]图6图示了根据本发明的另一实施例的脉冲序列。
[0082]参照图2和图6，通过在改变处于施加预极化磁场Bp的固定时间长度的预极化磁场Bp的强度时测量FID信号，可以获得T1 (S134)。因此，测量目标的极化度是根据预极化磁场Bp的强度而确定的。可对测量的FID信号进行傅里叶变换(S116)。随后，获得根据频率的傅里叶变换后的振幅(S118)。
[0083]可根据预极化磁场的强度来测量位于氢原子核的共振频率处的振幅。随着强度增大，根据预极化磁场的强度的位于氢原子核共振频率处的振幅饱和。所述振幅可以具有根据所述强度的指数函数依赖性，且可以通过拟合该指数函数来获得I\(S142)。
[0084]预极化磁场Bp的时间长度t_P恒定，且预极化磁场Bp的强度根据脉冲序列而增大或减小。在从切断预极化磁场Bp后又经过了预定的FLL驱动时间t_FLL的时候开始的测量时间tjneasure内，可以测量FID信号。因此，可以根据固定时间长度的预极化磁场的强度在氢原子核的共振频率处提取振幅。所述振幅可以具有根据预极化磁场的强度的指数函数依赖性，且可以通过该指数函数依赖性来提取！\。
[0085]至于诸如碳和氮等氢以外的其它原子核，可根据测量目标的品种对T1和/或T2分类。
[0086]图7图示了根据本发明的实施例的T1对于Bp的依赖性。
[0087]参照图7，品种“A”和品种“B”可以具有氢原子的根据预极化磁场Bp的不同的T1依赖性。此外，品种“A”和品种“B”可以具有碳原子核的不同态势的依赖性。此外，品种“A”和品种“B”可具有氮原子核的不同态势的依赖性。因此，可以通过根据预极化磁场Bp的T1依赖性来识别各个品种。
[0088]图8图示了根据本发明的另一实施例的用于测量T2的脉冲序列。
[0089]图9图示了用于测量图8中的T2的脉冲序列。
[0090]参照图8和图9，施加预极化磁场Bp，并且在切断预极化磁场Bp前与施加读出磁场Bm的时刻同时地将正梯度磁场B_G+施加至测量目标。此外，在关闭正梯度磁场B_G+的同时将负梯度磁场B_G-施加至测量目标。于是，通过极性相反的负梯度磁场B_G-重新聚焦在测量目标处的退相位的自旋。所述重新聚焦可生成梯度回波信号。施加正梯度磁
G+的时间长度为t_G+，施加负梯度磁场B_G-的时间长度为t_G-。
[0091]脉冲序列被设计为使得在关闭预极化磁场Bp前开启读出磁场Bm和正梯度磁场B_G+。正梯度磁场B_G+和预极化磁场Bp同时开启的时间t_x为30毫秒(ms)。脉冲序列被设计为使得在关闭正梯度磁场B_G+时同时开启负梯度磁场B_G-。在开启负梯度磁场B_G-之后需要大约35ms的延迟时间以达到最大电压。在接通负梯度磁场B_G-以后，到开始测量的FLL的时间t_FLL为8ms。
[0092]可对梯度回波信号进行傅里叶变换。在氢原子核的共振频率处的峰值线宽的倒数表示T2O
[0093]使用超低磁场NMR的物体识别方法可包括:使用梯度回波信号来测量测量目标的自旋-自旋弛豫时间T2(S211);并且利用自旋-自旋弛豫时间T2对测量目标进行分类(S244)。
[0094]操作S211可包括步骤:设定适于测量目标的个体弛豫时间特性的脉冲序列(S210);施加预极化磁场和读出磁场(S212);连续施加正梯度磁场和负梯度磁场(S213)；测量梯度回波信号(S214);通过对梯度回波信号进行傅里叶变换(S216)来测量在原子核的共振频率处的信号线宽(S218);并且利用取决于原子核的共振频率的线宽或线宽的倒数来构建第二参数向量(S242)。可以使用第二参数向量来辨别品种(S244)。
[0095]图10图示了根据本发明的实施例的物体识别方法。
[0096]图11图示了用于测量通过对图10中的FID信号进行傅里叶变换所获得的信号的线宽的脉冲序列。
[0097]图12示出了使用图10中的物体识别方法所获得的虚拟数据。
[0098]参照图10至图12，使用超低磁场NMR的物体识别方法包括步骤:在改变施加至测量目标的读出磁场的强度时，通过对测量的自由感应衰减(FID)信号进行傅里叶变换来测量在原子核的共振频率处的信号线宽(S311);并且使用在原子核的共振频率处的信号线宽对测量目标进行分类(S344)。
[0099]操作S311包括步骤:设定适于测量目标的个体弛豫时间特性的脉冲序列(S310)；施加预极化磁场(S312);施加读出磁场(S313);测量FID信号(S314);通过对FID信号进行傅里叶变换来测量在原子核的共振频率处的信号线宽(S316和S318);改变读出磁场的强度(S334);并且通过重复进行以上操作的测量，使用取决于读出磁场的强度的在原子核共振频率处的信号线宽来构建第三参数向量(S342)。利用第三参数向量来辨别测量目标的品种(S344)。
[0100]用于测量氢原子核的共振频率的线宽的脉冲序列可以依次或同时施加预极化磁场Bpl和读出磁场Bm。优选地,在关闭预极化磁场Bpl之前施加读出磁场Bm。预极化磁场Bpl的强度恒定。施加预极化磁场Bpl的时间长度t_P恒定。在从关闭预极化磁场Bpl后又经过了预定的FLL驱动时间t_FLL的时候开始的测量时间t_measure内，可以测量FID信号。读出磁场Bm的强度可以根据脉冲序列而变得增大或减小。因此，根据读出磁场Bm的强度的原子核共振频率的线宽可以被用于品种识别。
[0101]图13是图示了根据本发明的另一实施例的使用超低磁场NMR的物体识别方法的流程图。
[0102]参照图13，使用超低磁场NMR的物体识别方法包括步骤:通过针对预极化磁场的多个强度获得各自的自旋-晶格弛豫时间T1来构建第一参数向量(S410);通过使用梯度回波信号以根据原子核的共振频率的线宽或线宽的倒数T2来构建第二参数向量(S420);以根据读出磁场的强度的在原子核共振频率处的信号线宽的值来构建第三参数向量(S430)；通过结合第一参数向量至第三参数向量的各分量来构建新的参数向量(S440);并且使用新的参数向量来辨别测量目标的品种(S470)。
[0103]根据本发明的变型例的使用超低磁场NMR的物体识别方法包括步骤:通过针对预极化磁场的多个强度获得各自的自旋-晶格弛豫时间T1来构建第一参数向量(S410);通过使用梯度回波信号以根据原子核共振频率的线宽或线宽的倒数T2来构建第二参数向量(S420);以根据读出磁场的强度的在原子核共振频率处的信号线宽的值来构建第三参数向量(S430);通过结合第一参数向量至第三参数向量的各分量来构建新的参数向量(S440)；从对期望被识别的各种材料的重复测量中采集用于各自材料的新的参数向量(S450);通过对采集的新的参数向量应用支持向量机(SVM)或主成分分析(PCA)来发现用于分类的有效主向量分量并且将新的参数向量投影至主向量分量，由此来减少参数向量维度(S460)；并且使用减少了参数向量维度的分量来辨别材料的品种(S470)。
[0104]通过结合由预极化磁场的多个强度而获得的多个1\、由读出磁场的多个强度而获得的多个信号线宽(或它们的倒数)以及由梯度回波信号而获得的T2作为它们各自的维度值，可以构建参数向量(g)。例如，可以如下给出参数向量(g):
[0105]g = (TlilOmT, Tli20mT, Tli30mT,...，T2)。
[0106]可以将通过重复测量期望被识别的材料组别而构建的参数向量绘制在多维参数向量空间中。于是，可以观察到根据材料组别的参数向量空间中的簇。可使用借助在模式识别领域中公知的诸如人工神经网络(ANN)或支持向量机(SVM)等方法的分类标准以数学的方式实现对参数向量空间中的材料组别的识别。
[0107]如果参数的数量增加，则可需要一些时间来测量参数并且识别参数空间中的各参数。为此，可通过应用主维度来减少参数空间的维度，其中，通过SVM或主成分分析将剩余的维度投影至主维度。
[0108]可以使用减少了的参数向量分量以更快的速度来识别材料。
[0109]根据上述物体识别方法，可以在不采用传统的DNA检测的情况下，无损地识别农畜产品的品种。
[0110]虽然已经结合附图中所示的本发明的实施例说明了本发明，但本发明不限于此。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可以进行各种替代、变化和改变，这对于本领域技术人员而言是显而易见的。
【权利要求】
1.一种使用超低磁场核磁共振的物体识别方法，所述方法包括如下步骤: 测量测量目标在预极化磁场的多个强度处的各个自旋-晶格弛豫时间(T1);并且 使用所述自旋-晶格弛豫时间对所述测量目标进行分类。
2.如权利要求1所述的方法，其中，测量各个所述自旋-晶格弛豫时间(T1)包括如下步骤: 设定适于所述测量目标的个体弛豫时间特性的脉冲序列； 施加预极化磁场和读出磁场； 测量自由感应衰减(FID)信号； 通过对所述FID信号进行傅里叶变换来测量在原子核的共振频率处的信号强度或线宽； 改变施加所述预极化磁场的时间长度； 通过拟合根据施加所述预极化磁场的时间长度的所述信号强度的变化来获得所述自旋_晶格弛豫时间T1 ;并且 以通过对所述预极化磁场的多个变化了的强度重复进行以上操作获得各个所述自旋-晶格弛豫时间T1的方式来构建第一参数向量； 其中，使用所述第一参数向量来辨别所述测量目标的品种。
3.如权利要求1所述的方法，还包括:` 使用梯度回波信号来测量所述测量目标的自旋-自旋弛豫时间(T2);并且 使用所述自旋-自旋弛豫时间对所述测量目标进行分类。
4.如权利要求3所述的方法，其中，测量所述测量目标的所述自旋-自旋弛豫时间(T2)包括如下步骤: 设定适于所述测量目标的个体弛豫时间特性的脉冲序列； 施加预极化磁场和读出磁场； 连续施加正梯度磁场和负梯度磁场； 测量梯度回波信号； 通过对所述梯度回波信号进行傅里叶变换来测量在所述原子核的共振频率处的信号强度或线宽；并且 以根据所述原子核的共振频率的线宽或所述线宽的倒数来构建第二参数向量； 其中，使用所述第二参数向量来辨别所述测量目标的品种。
5.一种使用超低磁场核磁共振的物体识别方法，所述方法包括如下步骤: 在改变施加至测量目标的读出磁场的强度时，通过对测量的自由感应衰减信号进行傅里叶变换来测量在原子核的共振频率处的信号线宽；并且 使用在所述原子核的共振频率处的所述信号线宽对所述测量目标进行分类。
6.如权利要求5所述的方法，其中，测量所述信号线宽包括如下步骤: 设定适于所述测量目标的个体弛豫时间特性的脉冲序列； 施加预极化磁场； 施加所述读出磁场； 测量自由感应衰减(FID)信号； 通过对所述FID信号进行傅里叶变换来测量在所述原子核的共振频率处的所述信号线宽； 改变所述读出磁场的强度；并且 通过重复进行以上操作，以根据所述读出磁场的强度的在所述原子核的共振频率处的所述信号线宽来构建第三参数向量； 其中，使用所述第三参数向量来辨别所述测量目标的品种。
7.一种使用超低磁场核磁共振的物体识别方法，所述方法包括如下步骤: 通过获得关于预极化磁场的多个强度的各自的自旋-晶格弛豫时间(T1)来构建第一参数向量； 通过使用梯度回波信号以根据原子核的共振频率的线宽或所述线宽的倒数(T2)来构建第二参数向量； 以根据读出磁场的强度的在所述原子核的共振频率处的信号线宽的值来构建第三参数向量； 通过结合所述第一参数向量的分量至所述第三参数向量的分量来构建新的参数向量；并且 使用所述新的参数向量来辨别测量目标的品种。
8.一种使用超低磁场核磁共振的物体识别方法，所述方法包括如下步骤: 通过获得关于预极化磁场的多个强度的各自的自旋-晶格弛豫时间(T1)来构建第一参数向量； 通过使用梯度回波信号以根据原子核的共振频率的线宽或所述线宽的倒数(T2)来构建第二参数向量； 以根据读出磁场的强度的在所述原子核的共振频率处的信号线宽的值来构建第三参数向量； 通过结合所述第一参数向量的分量至所述第三参数向量的分量来构建新的参数向量; 从对期望被识别的各种材料的重复测量中采集用于各自材料的新的参数向量； 通过如下处理来减少参数向量维度:对采集的新的参数向量应用支持向量机(supportvector machine ；SVM)或主成分分析(Principal component analysis ；PCA)来发现用于分类的有效主向量分量，并且将所述新的参数向量投影至所述主向量分量；并且使用减少了参数向量维度的分量来辨别所述材料的品种。
9.一种使用超低磁场核磁共振的物体识别装置，包括: 杜瓦瓶，所述杜瓦瓶含有低温液体制冷剂； 预极化线圈，所述预极化线圈用于将测量目标预极化； 预极化线圈驱动器，所述预极化线圈驱动器用于通过间歇性地将电流施加至所述预极化线圈来生成预极化磁场(Bp)； 传感器单元，所述传感器单元用于测量被所述预极化线圈施加有所述预极化磁场(Bp)的所述测量目标的核磁共振信号； 读出线圈，所述读出线圈用于将读出磁场施加至所述测量目标；以及读出磁场电源单元，所述读出磁场电源单元用于通过将电流施加至所述读出线圈来将所述读出磁场(readout magnetic field)施加至所述测量目标；并且其中，所述传感器单元对所述测量目标在所述预极化磁场的多个强度处的各个自旋-晶格弛豫时间(T1)进行测量，并且使用所述自旋-晶格弛豫时间对所述测量目标进行分类。
10.如权利要求9所述的装置，还包括: 梯度磁场线圈，所述梯度磁场线圈用于将梯度磁场施加至所述测量目标； 梯度磁场驱动单元，所述梯度磁场驱动单元用于向所述梯度磁场线圈供给电流； 梯度磁场电源单元，所述梯度磁场电源单元用于向所述梯度磁场驱动单元提供电源；以及 脉冲序列发生器，所述脉冲序列发生器用于将脉冲序列提供至所述预极化线圈驱动器、所述读出磁场电源单元和所述梯度磁场电源单元。
【文档编号】G01N24/08GK103890573SQ201280052725
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2012年10月16日 优先权日:2011年10月26日
【发明者】金基雄, 姜纂锡, 李成柱, 李龙镐, 刘权规 申请人:韩国标准科学研究院