核磁共振系统软件中图形技术的研究及应用

论文摘要

核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance,NMR)自从1946年首次观测以来,己经成功应用到物理、化学、生物和医学等诸多领域,其研究和生产也受到了各发达国家的高度重视。随着科学技术的发展,我国对核磁共振波谱仪的需求量稳步上升,然而,我国的核磁共振波谱仪至今仍完全依赖进口。本文所属课题旨在建立国家NMR波谱仪研制平台,研究开发NMR波谱仪核心部件并突出关键技术,发展NMR应用软件,集成研制具有梯度自动匀场等先进技术的NMR波谱仪,为国家磁场装置建设极端强磁场NMR波谱仪等重大工程提供技术基础,并在经济效益上打破我国的核磁共振波谱仪至今仍完全依赖进口的局面。该课题拟解决的主要技术难点除了仪器硬件如核磁共振主控制台、探头外,另一方面是核磁共振系统软件。其中包括核磁共振实验中复杂的数据处理方法,如时间域信号至频率域信号的傅立叶变换、相位校正、基线校正、寻峰、定标、峰积分等。在数据处理的基础上,还需要一维或多维的图形显示及操作。本论文的主要工作是建立一套NMR图形框架,结合NMR数据处理,实现一维、二维,甚至多维NMR图形显示和操作。在构建图形框架的同时,需要考虑NMR实验对图形显示及处理的特殊要求。一方面,NMR实验得到的信息具有数据量大、数值变化激烈等特点,为此,本文提出了基于特征提取的无损矢量数据压缩算法,使得NMR实验信息能够高效且无损地绘制到计算机设备。另一方面,为了消除显示局部信息时由于数据量不足产生的锯齿,本文提出当绘制数据量与屏幕水平像素数比值小于某限值时对数据进行插值的新型处理方法,使NMR实验的连续信号得到有效的还原。此外,为了处理坐标数值信息,本文还提出了基于间隔的坐标自适应标示算法。最后,在解决上述问题的基础上,本文设计并实现了核磁共振系统软件的图形框架,结果表明,该框架能够有效地应用于核磁共振实验中的一维、二维甚至多维NMR图形显示和操作中。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 NMR理论和方法的发展历程
• 1.1.1 化学位移的发现
• 1.1.2 自旋耦合的发现与去耦实验的开发
• 1.1.3 核Overhauser效应
• 1.1.4 波谱的计算年代
• 1.1.5 质子完全去耦方法的开发
• 1.1.6 脉冲傅立叶技术的开发
• 1.1.7 高强度磁场的使用
• 1.1.8 二维NMR谱的开发
• 1.1.9 高分辨固体核磁共振
• 1.2 核磁共振谱仪发展概况
• 1.3 论文选题背景及研究目标
• 1.4 论文主要内容
• 第二章 核磁共振系统软件总体设计
• 2.1 现有核磁共振系统软件简介
• 2.1.1 核磁共振谱仪随机系统软件
• 2.1.2 第三方核磁共振数据处理与分析软件
• 2.2 核磁共振系统软件需求分析
• 2.3 核磁共振系统软件总体设计
• 第三章 核磁共振系统软件中的数据处理
• 3.1 自由衰减感应信号
• 3.2 傅立叶变换
• 3.3 相位校正
• 3.3.1 手动相位校正
• 3.3.2 自动相位校正
• 3.4 基线校正
• 3.4.1 手动基线校正
• 3.4.2 自动基线校正
• 3.5 寻峰
• 3.6 定标
• 3.7 峰积分
• 第四章 核磁共振系统软件中的图形处理
• 4.1 逻辑坐标系与设备坐标系
• 4.2 实验数据的归一化处理
• 4.3 实验数据的无损压缩
• 4.3.1 有损矢量数据压缩
• 4.3.2 特定情况下的无损矢量数据压缩
• 4.3.3 特征提取压缩算法的性能
• 4.4 实验数据的拟合及插值
• 4.4.1 最小二乘法及多项式拟合
• 4.4.2 Lagrange多项式插值及三次样条插值
• 4.4.3 多项式拟合及三次样条插值效果对比
• 4.5 基于间隔的坐标自适应标示
• 4.6 软件图形框架设计
• 4.6.1 图形开发组件的选择
• 4.6.2 软件图形框架设计
• 4.6.3 软件成果展示
• 第五章 总结及展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间研究成果
• 致谢