时间飞行法

时间飞行法（精选7篇）

时间飞行法 篇1

1 引 言

随着空间探测技术的发展,空间的等离子体成分探测显得越来越重要,尤其对现在正在进行的深空探测,如探月计划。而空间等离子成分探测最主要的方法就是飞行时间法,既通过测量粒子飞过一定距离所需要的时间来鉴别粒子成分。

目前,国外在等离子体成分探测方面技术已经很成熟,如1984年AMPTE/IRM上的超热离子电荷分析器[1];1996年FAST上的飞行时间法能量角质谱仪(TEAMS),Cluster Ⅱ上的离子成分和分布函数分析器(CODIF)。然而在国内,该技术还刚刚处于起步阶段,存在很多难点,其中最关键的就是:快电子学技术,也就是说如何用电子学的方法测量出起始脉冲和停止脉冲之间的时间间隔,既粒子的飞行时间,约为纳秒量级,将是整个等离子成分探测器的关键。也是目前国内离子成分探测中所面临的难题,为了能够探索出一种测量这种纳秒量级时间间隔的方法,首先必须模拟出来这种纳秒量级的时间信号,从而找出一种测量该时间间隔的最好方法。本文将主要研究基于飞行时间法的纳秒量级时间间隔测量技术。

2 设计原理及系统组成

纳秒量级时间间隔测量系统由CPU模块、时间间隔测量模块、数据传输模块三部分组成,其逻辑框图如图1所示。

其中CPU模块主要功能是模拟纳秒量级脉冲信号、接收时间间隔测量模块的数据、FIFO缓存、发送数据到数据传输模块、控制数据传输模块的时序,是整个测量系统的前提和控制中心。时间间隔测量模块主要用来测量纳秒量级的时间间隔,同时把时间信号转换为数字信号。数据传输模块接收数据,并进行数据处理,同时将数据传输到PC机。PC机用来存储数据,同时发送指令到数据传输模块。

2.1 CPU模块

该模块主要是由FPGA芯片、电源转换电路、时钟模块及配置电路组成。其中最主要的部分为FPGA芯片,它是整个CPU模块的核心。

CPU模块的主要功能:

(1) 模拟纳秒量级脉冲信号[2]。利用现有的技术方法模拟出来,时间间隔为纳秒量级的脉冲信号,为验证后续测量系统做准备。

(2) 接收时间间隔测量模块的数据,将时间间隔测量模块数据存储到内部FIFO。

(3) FIFO缓存、发送数据到数据传输模块。利用FPGA内部的逻辑门,通过编程实现2个4 kB的FIFO,用于缓存数据,同时将数据发送到数据传输模块。

(4) 控制测量模块和数据传输模块的时序。作为整个测量系统的控制中心,为后续的测量模块和数据传输模块提供时序控制和读、写方式等。

其中模拟纳秒量级脉冲信号是整个CPU模块的关键,在本系统中,通过选用了Xilinx公司Virtex-2系列FPGA,利用其内部的DCM(数字时钟管理器,Digital Clock Manager)模块将时钟信号倍频到300 MHz左右,通过计数的方法来产生起始脉冲和停止脉冲,从而产生纳秒量级的时间间隔信号。

2.2 时间间隔测量模块

时间间隔测量系统是整个电子学系统的关键。它的性能的好坏直接决定着时间间隔测量系统的精度。本测量方案选用了德国ACAM公司的高精度时间间隔测量芯片TDC-GP1。

该芯片采用44引脚TQFP封装,具有TDC测量单元、16位算术逻辑单元、RLC测量单元及与8位处理器的接口单元4个主要功能模块。其性能指标如下[3]:

① 双通道,250 ps的分辨率或者单通道125 ps的分辨率。

② 每个通道可进行四次采样,排序则可达8次采样。

③ 两个通道的分辨率完全相同,双脉冲分辨率大约为15 ns。

④ 有两个测量范围:3 ns～7.6 μs;60 ns～200 ms(有前置配器,只使用于单通道)。

⑤ 双通道的8个事件可以一个一个的任意测量,没有最小时间间隔限制。

⑥ 分辨率调整模式:通过软件对分辨率进行石英准确性调整。

⑦ 有四个端口用来测量电阻、电容和电感。测量输入的边缘灵敏性是可调的。

⑧ 有效的内置16位运算器,测量结果可以被校准或者乘以一个24位的整数。

⑨ 运算器用于计算的时间是独立于外部时钟的,整个校准和乘法的时间大约为4 μs。

⑩ 内部最多可存储4个校准值或者8个非校准测量值。

校准和控制时钟频率为500 kHz～35 MHz(高于100 MHz将用到内部的前置配器)。

工业温度范围为-40～+85 ℃;工作电压:2.7～5.5 V;低功耗,可用电池驱动。

TDC-GP1提供了三种测量方式供用户选择,其具体参数和时序逻辑如下所示:

(1) 测量范围一

GP1提供了两个测量通道,每个通道的分辨率是250 ps,它基本的测量范围是15位。两个通道具有完全相同的分辨率,共用一个START信号和至多四个独立的STOP输入信号进行比较,最小时限为15 ns。START和STOP信号必须持续2.5 ns以上,否则芯片无法辨识。STOP信号之间可进行相互的比较,无最小时限。量程为3 ns～7.6 μs。两个通道可进行排序,这样可使1通道允许8个脉冲输入,但通道2的STOP 输入被忽略。测量时序如图2所示。

(2) 测量范围二

为进行大量程时间测量,芯片引入了一个16 位的前置配器。该模式下芯片只有通道1可用,正常精度模式下允许4个脉冲输入。STOP 信号之间不能相互比较,仅STOP与STSRT信号可进行比较。最大量程60 ns～200 ms。测量时序如图3所示。

其测量原理如下:输入START信号芯片内部迅速测量出这个信号与下一个校准时钟上升沿的时差tPC1,之后计数器开始工作,得到此前置配器的工作周期数period。这时重新激活芯片内部测量单元,测量出输入的STOP信号的第一个脉冲上升沿与下一个校准时钟上升沿的时差tPC2,tPC3是STOP信号的第二个脉冲上升沿与校准时钟上升沿的时差。tcal1十一个校准时钟周期,tcal2是两个校准时钟周期。根据图6可以得出START信号与STOP信号第一个脉冲的时间间隔为:

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cc表示前置配器的计数值。

(3) 精度可调整模式

在此模式下两通道数值有非常精确的校准环路,精度可以通过程序中的设置来调整,精度可调整模式不需要START信号。因此最多只能通过通道1和通道2共引入8个STOP输入,此时任意两个STOP信号均可以进行比较,量程为3 ns～3.8 μs,但芯片耗电量比较大,大约为25 mA。其测量时序如图4所示。

上述三种测量方式,各自都有自己的特点,适用于不同的条件,测量的分辨率也有很大不同。在具体应用中,可以根据所测等离子体的能量范围和通道个数以及所要求的分辨率,来具体的选择适用哪种模式。

在该测量系统中,需要两个通道同时测量,而且需要大量程测量,所以选择测量范围一,具体的寄存器配置如下:Reg0:0x48;Reg1:0x4B;Reg2:0x01;Reg3:0xXX;Reg4:0x40;Reg5:0xXX;Reg6:0x02;Reg7:0x01;Reg8:0x00;Reg9:0x00;Reg10:0x80。

2.3 数据传输模块

该模块主要包括USB2.0控制器(Cy7c68013-128)、PC机,以及驱动和固件程序等。在整个测量系统中,为了更好的与PC机进行通信,并获得很快的数据传输的速度,最终选用USB接口(Universal Serial Bus),它是一种新的接口标准,有很多优点如即插即用、支持热插拔、传输速度快、可通过扩展连接多达127个 USB 设备等。

本设计选用的是Cypress公司的EZ-USBFX2系列芯片中的CY7C68013,这是一种带USB接口的单片机芯片,虽然采用低价的8051单片机,但仍然能获得很高的速度。它包括一个8051处理器、一个串行接口引擎(SIE)、一个USB收发器、一个8.5 kB片上RAM、一个4 kB FIFO存储器及一个通用可编程接口(GPIF)。

通过系统软件的设计就能实现数据的传输,包括固件、应用程序和驱动程序的设计。

3 实验结果

通过实验证明,该测量系统能测量出时间间隔范围为3.5 ns～7.2 μs,分辨率能达到500 ps。测量误差在2%左右,其中时间间隔越短,误差越大。部分实验结果如表1所示。

4 主要问题

由于整个电路系统产生和测量的是纳秒量级的脉冲信号,对于如此高频率的信号,很容易受外部信号的干扰,因此在电路板的制作过程中,如何来屏蔽外部干扰信号,提高抗干扰能力,目前是一个急需解决的问题,这对整个测量系统的准确性有着非常重要的意义。另一个问题就是整个测量系统的核心器件TDC-GP1的温度范围只有-40～+85 ℃,是否能够经受得起恶劣的空间环境考验,只有通过老化实验和环境模拟试验验证,才能进一步应用到空间探测中。

5 结 语

通过实验证明,该测量系统测量范围为3.5 ns～7.2 μs,测量误差在允许范围之内,其主要性能指标能满足测量要求,具有一定的实用价值。由于电路中有纳秒量级的高频信号,因此在后续的电路设计中,将进一步提高抗干扰能力。以满足我国深空探测中等离子成分探测的需要。

参考文献

[1]Paschmann G.The Plasma Instrument for AMPTE IRM[J].IEEE Trans.Geosci.Remote Sens.,1985,23.

[2]James R Armstrong,Gray F Gail.VHDL Design Represen-tation and Synthesis[M].北京:机械工业出版社,2003.

[3]刘国福,张?,刘波.TDC-GP1高精度时间间隔测量芯片及应用[J].单片机与嵌入式系统应用,2004(11):38-40.

[4]中国科学院空间与应用研究中心.宇航空间环境手册[M].北京:中国科学技术出版社,2000.

时间飞行法 篇2

轴线直线度误差大小对机械构件的性能有很大影响[1],准确而快速地求得轴类零件的直线度误差能够给零件制造提供及时的加工信息,同时可以避免加工误差过大而影响成品率。常用直线度测量方法有直尺法、准直法、重力法和直线法等。其中直尺法是用平尺、直尺等以光隙法和指示表法等进行测量;光学准直法利用光学准直望远系统测量直线度误差;重力法利用液体自动保持水平或重物自动保持铅直的自然现象测量直线度;直线法利用钢丝和激光束等测量直线度。上面的各种方式基本都是适用于测量物体表面的直线度,对于轴类零件的轴线直线度无法测量。在直线度误差测量方面,东北大学的张镭等做了很多理论研究,但未见相关具体实验与测量系统。现介绍一种基于时间飞行法的轴类零件轴线直线度实际可行的测量方案[2,3]。

飞行时间法又称为脉冲激光法[4,5],原理是激光器发射激光脉冲,脉冲遇到被测物体反射回来被测距传感器光电二极管接收到,根据光在均匀空气中传播速度为常数的特点,以及从发射激光到探测到反射回的激光之间的时间便可得到测量距离。实际的测距传感器是多次测量取均值,提高精度和准确性。该方法的优点是:激光测距传感器扫描头每旋转一圈即可获取回转截面内物体的极坐标值,能够快速测得相关数据;同时测量精度高,计算方便;对测量物体性质要求不高,可在极冷或极热,如大锻件锻压现场进行测量。鉴于以上优点,故采用时间飞行法测量轴线直线度。

1测量系统介绍

测量系统通过x-z二自由度直角坐标运动机构配合基于飞行时间法的激光扫描测距仪实现远距离非接触式测量,x,z轴运动由电动机驱动,行星减速器减速以及齿轮传动实现,其系统模型如图1所示。x坐标可根据x轴方向的电动机编码器转动角度和行星减速器减速比以及齿轮传动比计算获得。激光测距传感器扫描头旋转一圈,可获回转面内对应物体截面的极坐标值,经坐标转换可得y,z坐标值,由此即可得到物体一个截面上前半部分点的三维坐标。随着x轴的不断运动,便可获得整个物体各个截面前半部分的三维坐标。然后对获得的数据进行数据处理、截面圆拟合、轴线直线度误差计算。

2测量系统坐标系的建立及坐标获取

在测量系统中,x,z轴运动执行单元上均设置有零限位,零限位处有限位开关,当x,z轴均处于零位时,此时系统处于零位。如图在系统零位处建立固定坐标系o0x0y0z0,其中x0平行于x轴方向导轨,z0平行于z轴方向导轨,y0方向由右手螺旋法则确定。在第i个测量截面处建立截面坐标系oixiyizi,其中oi为激光传感器的回转中心,xi平行于传感器的旋转轴,zi平行于z轴方向导轨,yi由右手螺旋法则确定。激光传感器获取的数据为旋转截面内物体各测量点到回转中心的距离值以及旋转角度,也即传感器获取的是截面坐标系中yioizi平面的极坐标值。所以要获取整个轴类零件表面的坐标信息,只需要将各个截面坐标通过坐标变换,全部代换到固定坐标系o0x0y0z0中即可。

设轴类零件表面被测点P在固定坐标系中的坐标为:

0P=(x,y,z)T

被测量点P截面坐标系oixiyizi中的坐标为:

iP=(xi,yi,zi)T

在第i个截面中,当扫描头旋转θ角度,返回的距离值为d时,则原理图可知轴类零件表面点在截面坐标系中的坐标为:

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由坐标变换原理有:

0P=0iRiP+0P0i

其中,0iR表示截面坐标系相对于定坐标系的旋转变换矩阵;0P0i表示截面坐标系原点Oi在定坐标系中的位置矢量。由运动执行机构本身特性以及安装要求可知,0iR=I。而位置矢量0P0i=(x0,y0,z0)可根据x,z轴电动机编码器行走步数计算得到。

3测量截面拟合

测量时,若激光传感器回转轴线与轴类零件轴线不平行,则扫描截面为椭圆,由于最小二乘椭圆拟合算法对零件表面精度要求较高,容易造成误差,所以轴线度测量时不宜采用椭圆拟合。使用激光追踪仪标定,可保证激光测距传感器回转轴线高精度的平行于零件轴线,从而传感器扫描截面垂直于零件轴线,截面形状为圆,于是采用圆拟合法获取截面半径大小与截面圆心。

现取测量过程中扫描某一截面时的情况作分析,如图2所示。此时运动执行机构静止,激光测距传感器旋转头旋转测量零件截面,同时返回截面上点的极坐标信息;通过软件设置,返回的角度呈公差为0.25°的等差数列。通过代换将极坐标转换为截面坐标系里的直角坐标后进行圆拟合。

高精度的圆拟合是准确的物体形状识别和尺寸测量的先决条件,圆的拟合方法有许多,常见的有平均值法,加权平均法,最小二乘法等。最小二乘法适用于各种复杂的对象模型,有很高的拟合精度。故采用最小二乘法[6,7,8]。设截面坐标系y1o1z1中的n个点的数据为(yi,zi),i=1,2,…,n,如果存在函数f(z)满足∑|f(zi)-yi|取得最小值,则f(z)是数据点云(yi,zi),i=1,2,…,n,在最小二乘意义上的曲线拟合函数。

由于测得的点都在垂直于轴线的同一平面y1o1z1内,所以所有点的x坐标相等,问题就转化为在平面上拟合圆。

对于平面圆,其一般方程可表示为:

(y-y0)2+(z-z0)2=r2

为了方便拟合计算,现令

a1=-zy0

a2=-zz0

a3=yundefined+zundefined-r2

这样方程简化为:

y2+z2+a1y+a2z+a3=0

根据最小二乘原理[9,10],可以通过求目标函数:

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的最小值来确定a1,a2,a3。其中a1,a2,a3为三个系数。根据极小值原理,为使F最小,必须有

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将圆的方程组写成矩阵的形式有:

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于是有

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从而得到参数变量的解为:

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将(yi,zi)带入方程组可以解出a1,a2,a3的值,从而得到圆的中心坐标(y0,z0),半径r为:

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当获得各个截面的圆心坐标后,就可以计算零件的理想轴线与直线度误差了。

4轴线拟合与直线度误差计算

连接各采样截面轮廓的最小二乘圆心所形成的空间折线可看着轴类零件的实际轴线,各截面中心的最小二乘轴线L看作理想直线。假设L的方向向量为S=(1,m,n),L过定点A0=(0,y0,z0),则L的方程如下

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其矩阵的形式为

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当有n个点时,并联n个方程可得

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于是

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通过计算上面矩阵的值,即可得出最小二乘轴线参数m,n,y0,z0。

令各离散采样截面的最小二乘中心Oj到最小二乘轴线L的距离为Rj,则

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其中Oj=(xj,yj,zj),A0=(0,y0,z0),S=(1,m,n),

那么轴线的直线度误差为

f=2max(Rj)

5实验验证

为了验证该测量系统的精度与重复度,现将一个半径为540mm的圆筒置于激光扫描测距传感器正前方4m外,如图3所示,其轴线与传感器的旋转轴线平行。筒的形状外形近似圆柱,故可按轴类零件拟合算法进行计算。将圆筒细分为50个测量截面,传感器扫描角度90°～110°,传感器旋转频率10Hz,传感器角度分辨率0.25°,即在90°～110°之间,每间隔0.25°获取一次数据。每个截面测量36次求平均以降低误差值。图4是实验测量的原始数据点云。

由点云图可以看出,由于每个测量都是每间隔0.25°获取一次数据,所以,整个测量的获取的数据点云分布有规律;便于简单的边界过滤。通过边界过滤后,数据点云如图5。

将过滤后的点云图与实际被测圆筒比较,可以看出外观非常相似,此点云的坐标值能够描述被测圆筒的坐标。

通过对各个截面圆心进行最小二乘直线拟合,并将此拟合直线作为圆筒的理想轴线,然后计算出各个截面拟合圆心到此理想轴线的距离。通过计算获得圆筒平均半径为538.18mm,由轴线直线度误差计算公式计算可得轴线度误差为13.873mm,符合实际情况。图6是各个截面拟合圆心及各圆心点的最小二乘拟合轴线,由图6可见,拟合圆心规律的分布在理想轴线两侧。

通过上面实验可知,该测量系统具有可行性,能够测量出轴类零件的各个截面半径和轴线度误差,测量结果满足要求。

为了验证系统的精度与重复性,将此实验重复4次,4次的平均半径与轴线度误差值如表1。

由表中数据可知,4次测量的平均半径的测量值变化范围很小,在1mm以内,直线度误差的变化范围也在1mm以内,说明使用激光扫描测量测距传感器测量得数据经最小二乘圆拟合结果具有很好的精度和可重复性。

6总结

本文所介绍的基于时间飞行法测量轴类零件轴线直线度,能够快速获取零件截面坐标;使用圆的最小二乘法进行截面拟合,算法简洁、精度高;使用大量数据点云有效降低系统误差,测量具有很高的精度。所以基于时间飞行法的进行扫描测量轴类零件的轴线直线度误差具有很好的可行性。

参考文献

[1]王宁侠.最小二乘法在空间直线度检测中的应用[J].陕西科技大学学报,2009,27.

[2]张镭,张玉.轴线直线度误差数学模型的仿真分析[J].东北大学学报(自然科学版),1995,16(1).

[3]陈立杰,张玉,张镭.轴线直线度误差的理论研究[J].东北大学学报(自然科学版),2002,23(8).

[4]徐要刚,赵现朝,田志松.激光测距法测量大锻件尺寸[J].机械设计与研究,2008(06):094-04.

[5]Zhisong TIAN,Feng GAO,etc.Dimension measurement of hotlarge forgings with a novel time-of-flight system[J].Int J AdvManuf Technol,2009(44).125-132.

[6]Youssef BOKHABRINE,Lew F.C.LEW YAN VOON,RalphSEULIN,etc.3D reconstruction of hot metallic surfaces for industrialpart characterization[J].Proceedings of SPIE-The International So-ciety for Optical Engineering,2009,7251,art.no.725107.

[7]K.Madsen,H.B.Nielsen,O.Tingleff.Methods For Non-linearLeast Squares Problems.2nd Endtion,April 2004.

时间飞行法 篇3

芥子气是一种典型双功能烃化剂,具有复杂生物学作用,可与体内许多重要生物大分子,如核酸、蛋白质、酶等发生亲核反应形成各种加合物[2]。芥子气进入人体后可与血液中人血清白蛋白 (HAS) 加合,第34位半胱氨酸巯基是其烃化位点之一,在链酶蛋白酶水解作用下,该位置半胱氨酸与其后脯氨酸、苯丙氨酸一起形成特征三肽加合物 (S-2- 羟乙基硫代乙基 )- 半胱氨酸 - 脯氨酸 - 苯丙氨酸 [(S-HETE)-Cys-Pro-Phe],采用固相萃取进行前处理后,可应用LC-MS/MS进行定性定量分析,其浓度与芥子气染毒浓度成正比[3]。因此 (S-HETE)-Cys-Pro-Phe可以作为芥子气染毒生物标志物开展进一步研究。

1实验部分

1.1仪器和试剂

Agilent 1200 LC & 6520 Q-TOF MS四级杆飞行时间质谱仪 (Agilent,美国 ) ;Hi Trap Blue HP亲和柱(1m L,GE,美国 ) ;真空固相萃取装置 (Waters,美国 ) ;HLB固相萃取小柱 (30 mg,1 m L,Waters,美国 ) ;隔膜泵 - 离心蒸发浓缩仪 (Labconco,美国 ) ;5418型高速离心机 (Eppendorf,德国 ) ;10 k Da超滤管 (Millpore,美国 ) ;LGJ-18C型冷冻干燥机 ( 四环科学仪器厂,中国 ) ;THZ-D台式恒温振荡器 ( 太仓实验设备厂,中国 ) ;多肽合成反应器 ( 玻璃材质,自制 )。

芥子气 ( 购于防化学院,纯度 >95%) ;人血清白蛋白 (Sigma,美国 ) ;链酶蛋白酶 (Pronase Type XIVfrom Streptomyces,E.C.3.4.24.31,Sigma,美国 ) ;甲醇、乙腈 (Merck,德国 ) ;Wang树脂 ( 南开大学化学系合成 ) ;Fmoc-Pro-Phe-Wang Resin( 实验室自己合成 ) ;N,N’- 二环己基碳二亚胺 (DCC)、1- 羟基苯并三氮唑 (HOBT)、4- 二甲氨基吡啶 (DMAP) 均来自苏州天马生化公司 ;半胱氨酸、哌啶、N-N- 二甲基甲酰胺 (DMF)、二氯甲烷 (DCM)、三氟乙酸 (TFA)、醋酸酐、1,4- 二氧六环、无水硫酸镁等试剂均为国产分析纯试剂。实验室用水为 :配置溶液所用水为实验室自制离子交换水。

1.2标准品合成及鉴定

以树脂Fmoc-Pro-Phe-Wang Resin为固相载体,以20% 哌啶N-N- 二甲基甲酰胺混合液为脱保护剂,以等摩尔N,N’- 二环己基碳二亚胺 (0.13 mg)、1- 羟基苯并三氮唑 (0.36 mg) 混合溶液为缩合剂,与实验室自制半胱氨酸 - 半芥加合物 (S-HETE)-Cys充分混匀后慢速搅拌4h,得到连接在树脂上目标多肽[4,5,6]:Fmoc-Cys(S-HETE) -Pro-Phe-Wang Resin。

脱去Fmoc保护后,以三氟乙酸∶水体积比为95∶5混合液 (15 m L) 为裂解液,将多肽从树脂上切割下来,将裂解液倒入冰乙醚 (30 m L) 中,得到三肽加合物粗品约400 mg,经RP-HPLC纯化并冻干[5],得目标产物 [(S-HETE)-Cys-Pro-Phe] 约100 mg左右,产率20%。

应用Agilent 1200 LC & 6520 Q-TOF MS四级杆飞行时间质谱仪对 (S-HETE)-Cys-Pro-Phe标准溶液进行定性检测。图1所示为 (S-HETE)- Cys-Pro-Phe总离子流图和选择离子图,以及质谱和二级质谱图。

通过全扫 描质谱可 确定质子 化分子离 子峰[M+H]+ (m/z 470),之后对分子离子峰 [M+H]+进行MS/MS质谱分析,可确定各个碎片与该分子结构相对应,且与文献值相同[6],进而证明合成所得确为目标产物。采用归一化法分析 (S-HETE)-Cys-Pro-Phe标准溶液LC图,得到面积百分比为96.8%,即合成(S-HETE)-Cys-Pro-Phe纯度 >96.8%。

1.3样品处理

1.3.1[(S-HETE)-Cys-Pro -Phe] 标准溶液配制准确称取5 mg[(S-HETE)-Cys-Pro-Phe] 标准品于容量瓶中,加入5 m L含有0.02% TFA 40% 乙腈水溶液,定容后标准溶液浓度为1 mg/m L。标准溶液在 -4℃条件下可在30天内保持稳定。将 (S-HETE)- Cys-Pro-Phe标准溶液稀释至0.25μg/m L、0.5μg/m L、1μg/m L、2μg/m L、4μg/m L,5μg/m L、10μg/m L,-20℃保存待测。

1.3.2(S-HETE)-Cys-Pro-Phe提取[7,8]采用C18固相萃取法分别从染毒人血清白蛋白样品和染毒人血样品中提取三肽加合物 (S-HETE)-Cys-Pro-Phe。首先用1 m L甲醇淋洗固相萃取小柱,用1 m L双蒸水活化30min,将1 m L上述染毒血清白蛋白样品上柱,用双蒸水1 m L淋洗,除去杂质,再用40% 乙腈水溶液3 m L洗脱三肽加合物 (S-HETE)-Cys-Pro-Phe。收集洗脱液,以低于60℃温度离心浓缩除去溶剂,向旋干样品加入200μL 40% 乙腈水溶液,超声震荡、待测。

1.4样品分析

色谱条件 :日本资生 堂公司C18色谱柱(2.0×150mm, 5μm) ;流动相A :95% 水 -5% 乙腈( 内含0.01% 甲酸铵 ) ;流动相B :95% 乙腈 -5% 水(内含0.01% 甲酸铵);洗脱程序 :0 ~ 1 min流动相B 10% ;1 ~ 14 min流动相B从10% 升至65% ;14 ~ 15 min流动相B从65% 升至90% ;15 ~ 20min流动相B降至10% ;流速 :0.2 m L/min,进样量 :2μL ;柱温 :室温。

质谱条件 :ESI源 :正离子电离,源温120℃,脱溶剂温度350℃,毛细管电压3000 V,MCP 2700 V ;EIC Scan m/z =470.1800,( 误差±0.01)。

2结果

2.1(S-HETE)-Cys-Pro-Phe 工作曲线绘制

将1.3.1中各浓度 (S-HETE)-Cys-Pro-Phe标准溶液按1.4液相色谱 - 质谱条件进行定量测定,根据测定结果,以 (S-HETE)-Cys-Pro-Phe标准溶液浓度为横坐标,提取离子色谱峰 (470.18000) 峰面积为纵坐标,绘制标准曲线 ( 如图2所示 ),结果表明 (S-HETE)Cys-Pro-Phe标准溶液线性范围为1 ~ 50μg/m L,回归方程为Y=4.797×103+1.568×106X,R=0.9967,检测限为2 ng/m L (S/N=3)。

2.2芥子气染毒样本测定

将1.3.4中提取芥子气染毒血清及血液样本,按1.4液相色谱 - 质谱条件进行定性、定量测定。通过从样品提取离子显示色谱图中可检出其 [M+H] 峰,证明血清经链酶蛋白酶酶解,能够形成 (S-HETE)Cys-Pro-Phe,从而可用做芥子气染毒血样定性鉴定。

(S-HETE)-Cys-Pro-Phe离子峰 (470.1800) 峰面积与芥子气染毒浓度呈线性关系 ( 如图3所示 ),回归方程为Y=1.478×105+6.988×104X,R=0.9969,芥子气检出范围为1~100μmol/L,检测限为1μmol/L (S/N=50)。由此可根据 (S-HETE)-Cys-Pro-Phe离子峰面积定量计算芥子气染毒浓度。

3讨论

3.1方法回收率

将芥子气染毒浓度为50μmol/L血清样本按1.3.2中所述方法操作,并在质谱检测前添加等体积10μg/m L浓度 (S-HETE)-Cys-Pro-Phe标准溶液,根据 (S-HETE)-Cys-Pro-Phe峰面积比值计算回收率,测定结果如图4所示,根据回收率 =(加标试样测定值A- 试样测定值B)/ 加标量C×100%,求得回收率为53%。

3.2实验条件优化

考察4种从芥子气染毒血液样本中提取白蛋白不同方法,分别是乙腈沉淀白蛋白法、白蛋白盐析法、固相萃取法和Hi Trap Blue HP亲和柱法,结果表明使用Hi Trap Blue HP亲和柱从全血中提取血清、再经过固相萃取方法提取效率最好。

固相萃取过程考察不同浓度乙腈溶液对萃取效率影响,以及TFA加入对萃取效果影响,确定最终萃取条件为首先用纯水淋洗,除去杂质,再用40%乙腈洗脱方法。洗脱液中添加TFA,会使得淋洗时损失较多 (S-HETE)-Cys-Pro-Phe,故而采取乙腈水溶液为萃取洗脱液。

虽然链酶蛋白酶推荐条件为p H=8 ~ 9,但在实验中发现体系p H值对 (S-HETE)-Cys-Pro-Phe影响不显著,故反应体系选择在中性条件下进行。

4结论

本文应用固相萃取 - 高效液相色谱 - 四级杆飞行时间质谱法建立芥子气染毒血样中生物标志物(S-HETE)-Cys-Pro-Phe分析检测方法,可应用于芥子气染毒血液样本定性、定量分析,结果较为准确、耗时较短、检测限较低。

摘要：三肽加合物,(S-2-羟乙基硫代乙基)-半胱氨酸-脯氨酸-苯丙氨酸[(S-HETE)-Cys-Pro-Phe]是芥子气染毒后体内重要生物标志物之一。本文首先合成并纯化(S-HETE)-Cys-Pro-Phe,应用固相萃取-高效液相色谱-四级杆飞行时间质谱法对其进行定性定量分析。将芥子气染毒血样经Hitrap Blue亲和柱提取白蛋白,选择链霉蛋白酶进行酶解,应用固相萃取柱进行富集净化,采用四级杆飞行时间质谱进行检测。

飞行时间质谱分析技术进展 篇4

1 TOFMS分析方法的基本原理

飞行时间质谱计的工作原理很简单,当中性的原子或分子在静电场中被电离成离子后,离子以速度v飞越长度为L的无电场又无磁场的漂移空间,最后到达离子接收器。由于飞行距离(L)是已知的,精确纪录离子的飞行时间(t)即可得到离子的速度(V=L/t)。而离子的动能也是已知的,根据动能与质量的关系即可得到离子的质量。所以,在L和U等参数不变的情况下,离子由离子源到达接收器的飞行时间t与质荷比的平方根成正比,测得离子分行时间即可得到原子或分子的质量。

飞行时间质谱计的特点为:机械结构简单、分析速度快(微秒级)、离子利用率高、灵敏度高、能在较高的工作压强下工作。此分析技术的优点在于理论上对测定对象没有质量范围限制、极快的响应速度以及较高的灵敏度。目前,TOFMS 技术被应用于生命科学、分析化学、表面科学、原子物理学及工艺过程监控等诸多领域,成为20世纪90年代以来应用最广的质谱分析技术之一。

2 TOFMS技术的发展

以离子的飞行时间作为判据进行质量分析的创意,是Stephensen 在1946 年提出来的。最初设计的是线性TOFMS。与其他类型的质谱仪相比,这种设计具有两个突出的优点:(1) 不需进行任何电压或电流的扫描,到达检测器的所有离子都能在一张图谱中显示出来,这使对被测对象没有质量数的限制的快速测定成为可能;(2)离子传输效率很高,使高灵敏度成为可能。不过由此可能带来如下问题:离子在进入飞行区时的初始条件不可能完全一致,其产生的位置、时间、初始动能及初始速度方向的差异,都会造成飞行时间的延长或缩短,导致质谱峰扩宽,分辨率下降。很长一段时间,分辨率低成了阻碍飞行时间质谱技术发展的主要因素。

20世纪80年代中期以后生命科学的兴起和新药合成的迅速发展急需相应的质谱分析方法。传统的质谱方法在解决此类分析时面临两大困难 :(1)少部分有机或大部分生物大分子样品用传统的电子或表面轰击的方式进行离子化,得不到谱图; (2) 利用一般的质谱仪分析这些物质时,灵敏度不好,而且对于质量巨大的分子,需要极高强度的磁场或电场。所以,人们开始重新关注TOFMS。TOFMS 不必采用高强电场或磁场,加上各种大分子离子化方法相继诞生, 所以它在有机、生物、药学等领域的应用就成为一种必然。

20 世纪90 年代TOFMS 的应用开始活跃。在生物学领域,各种联用技术使得分析内容不仅仅限于分子量的测定,而更倾向于分子的结构信息:氨基酸序列、糖基化位置等的确定。在基因组和蛋白组学的研究中,TOFMS的地位举足轻重;在分析化学领域,TOFMS 可以做GC 或LC 或毛细管电泳的检测器; TOFMS 与多种其他分析技术的联用也成为科学研究中的常用手段。

单从质量分辨率来看,50 多年以前Cameron 等人报道的第一台成型的飞行时间质谱仪的分辨率仅有2左右;而目前采用激光辅助的反射型TOF-MS 的分辨率可达35,000 之高。因此,也有人称20 世纪90 年代是“TOF-MS 复兴的时代”[1]。

3 TOFMS仪器的发展

由于存在初始能量分散的问题,提高TOFMS 分辨率一直是研究者和仪器制造商努力的目标。仪器技术的进展也主要围绕这一目标进行。

3.1 离子化技术的发展

最初TOFMS 采用电子轰击的方法进行离子化。这种方法可用于气、固、液体样品的分析。其缺点是:(1)离子化时间较长,和一般离子的飞行时间数量级相近,容易引起大的误差 ;(2)电子的电离及其进样方式,难以进行大分子样品的分析。目前这种离子化方式多用于小分子的分析。而新的电子发生方式如激光光电子枪也开始出现。

后来脉冲离子发生器应用逐步广泛。用于固体或液体样品的重离子轰击、等离子体解吸(PDMS)及二次离子质谱(SIMS)属于此类。目前脉冲激光技术应用最广,包括激光解吸(LD)、共振激光离子化(RI)、共振加强单/多光子离子化(RES/MPI)以及生化分析中常用的基质辅助激光解吸(MALDI)、表面增强激光解吸(SELDL)等,适用于不同样品的分析。对于上述各种脉冲离子化方式而言,用TOFMS 做检测器自然是一种最好的选择,因为每一次离子化都可以得到完整的图谱。但同时,大量的研究也证明:TOFMS 与各种连续离子化方式如电晕放电、电喷雾离子化、离子喷雾、热喷雾等的组合也完全能够实现高灵敏度和中等分辨率的分析。ICP 也可作为一种TOFMS 的离子化方式用于多元素分析[2]。

3.2 离子引出方式的发展

离子引出方式影响分辨率。研究者曾采用时间延迟聚焦(Time-lag Focusing)技术及表面解吸技术分别减少气体离子和固体表面离子的能量分布的影响。

3.3 离子飞行轨道的改进

分辨率低一度是制约TOFMS 发展和应用的主要因素。70 年代初苏联科学家Mamyrin[3]发明的质量反射器(Reflectron)使TOFMS 能量分布问题的解决有了重大突破。该技术成为TOFMS 后来得以长足发展的契机。最初的反射器,是由一组同心的薄板构成,最后一极是一实心板。中间用栅条隔开不同强度的电场。后来发现薄板和栅条的边缘效应引起电场的弯曲,而且离子通过带电栅条时易发生溅射,因此又设计了无栅反射器。同时,为了进一步提高灵敏度和分辨率,节省空间,人们设计了多种新型的反射器如 :线性反射器、轴对称离子通道反射器、抛物线型反射器和多缝反射器。Cotter 等人研究的封端(End-Cap)反射型TOFMS 可获得好的聚焦效果和高分辨率等等。这些结构的改变都能在某一方面改善反射器的性能,但也存在各自的缺陷。因此,只能针对具体应用环境加以选择。

此外增加离子的飞行时间能够提高TOFMS 的分辨率。增长飞行区的长度无疑是方法之一。最早的线性TOFMS 的漂移管最长达10 米。实际上最有效的方式是使离子在同一区间循环飞行。由此出现了环形质量分析器[4]和折叠式质量分析器[5]。前者使离子绕环形道飞行数圈,后者则采用多次反射使其往返飞行。现在人们仍通过改进飞行区的电场和离子光学器件设置的方法提高仪器分辨率,分辨率提高的程度取决于离子在飞行区循环飞行的次数。

3.4 检测器的发展

目前TOFMS的检测器一般由微通道板(Microchannel Plates)和离子捕集器等组成。在分析大分子的时候,由于离子飞行缓慢,通常为了提高检测效率,在检测器之前设置加速电场使离子加速以增加撞击力度。

4 TOFMS相关联用技术

4.1 串联质谱技术

有人说结构生物质谱是串联质谱的同义词[1],即其发展与串联质谱技术同步。使用单个质谱,由于生物样品的复杂性以及离子化方法可能导致的样品降解,造成谱图的复杂化,难以辨别信号和噪声。而串联质谱提供了一种明确辨析的方法,通常前级质谱用于从普通谱图中获取前体离子的信息,经过特定的解离过程,由后级质谱对二次离子(产物离子)进行鉴别。TOFMS 用于串联质谱的优点在于高灵敏度、与多种离子化方式的兼容性以及理论上无限制的质量范围。这对大型生物分子或离子簇的结构研究等,具有重要意义。

与TOFMS 相关的串联方式有很多种,如L(线性)TOFMS-LTOFMS、LTOFMS-R(反射型)TOFMS、EI(离子阱)-LTOFMS-LTOFMS、扇形场-TOFMS、Q(四极杆)-TOFMS、RTOFMS-RTOFMS和L-TOFMS-正交场-TOFMS 等,广泛应用于蛋白质等生物大分子的结构分析。

4.2 TOFMS-色谱联用技术

TOFMS 的结构简单、检测速度非常快、可测范围极宽,做色谱的检测器非常理想。TOFMS 同气相色谱的联用创造了色- 质联用技术的开端,但由于四级质谱的小体积、耐压力以及易于计算机化的特点,一度后来居上。随后其全谱扫描速度无法满足毛细管柱色谱的发展要求。因此TOFMS 作为高分辨GC 检测器成为最佳选择[6]。近年来发展了TOFMS-HPLC、TOFMS-毛细管液相色谱、空间排阻色谱-TOFMS 及TOFMS-电泳联用技术。

5 生物分析中的应用

TOFMS 新技术的突破,对生物大分子的分析尤其有利,这一应用对于生物化学免疫学、遗传学、医学等具有重大意义。

5.1 在蛋白质序列分析中的应用

随着MALDI 和ESI 电离技术的出现和TOFMS 新技术的发展,对难气化电离的蛋白质分子的序列分析达到了快速、准确的效果,由于检测技术的发展,对大于10KDa 的蛋白质的分析也成为现实。母离子在漂移区中与其它分子碰撞后会产生亚稳态离子,通过亚稳态离子之间的质量差可判断蛋白质的氨基酸序列。Kaufmann 等[7]采用逐渐降低反射场电压的方法,通过5个PSD 谱图获得了标准肽P 的全部亚稳态离子的质谱峰。Jonathan 等[8]用MALDI - TOF - MS PSD 从一个单脑神经节B 细胞(细胞和基质混物直径大约1. 5mm) 直接得出十肽菌素的排序,表明从广范围的生物组织中直接测定肽的序列已经成为现实。

四极杆- TOFMS 在蛋白质序列测定中尤为重要,它能对非常低的样品量,具相同表观质量的氨基酸残基(Q 和K的△m = 0. 036Da, F 和Mox 的△m = 0. 033Pa),进行常规分析。QhTOFMS 测血清白蛋白同时获得高分辨率(>6000)、高质量精确度(<50ppm),灵敏度达10 - 5mol。Mark 等[9]用ESI - quadrupole - MS 分析聚合酶链反应(PCR) 产物和合成的低聚核苷酸,对30 - 60 碱基对的核酸质量精确度足以测定核苷酸取代,加成或缺失,对更高分子量的PCR 产物(88 - 114 碱基对),可以辨别单个的核苷酸的插入或缺失。

5.2 测定非共价的生物分子络合物

非共价生物分子络合物是识别生物现象的基础,因此对非共价生物分子络合物的检测和表征成为人们关注的课题。串联质谱以其分析速度快、灵敏度高、准确度高,可提供相应结构信息等特点,在非共价生物分子络合物分析中得到广泛应用。非共价生物分子络合物具有相当大的m/ z 范围,用ESI - TOF 在使其变性条件下,通过“去褶合”m/z 分布获得相应的质量分布辨出了变构象抑制剂NADH(665Da) 的单个加成物,从而解释了抑制历程并测定量出平衡常数。对trp repressor 蛋白和它的专属DNA 操作者之间形成的非共价络合物,用ESI - TOF 获得了trp repessor 和3 种DNA 的混合物的谱图,这三种DNA 在两上结合点之间的间隔不一样,只有具有正确间隔的DNA 才能形成络合物,从而揭示了络合是专属的强表征。

5.3 临床医学中的应用

临床蛋白质组学研究对疾病的诊疗、防治有着广泛的应用前景。各种疾病都有蛋白质指纹图谱的动态变化,疾病发生的不同阶段,相关症状出现之前,蛋白质水平可能几经发生了变化。所以,应用SELDL质谱技术,可以提供大量、完善、动态的蛋白质指纹图谱,通过对正常及病理个体间的蛋白质组比较,找到代表相关疾病的特征蛋白质分子,予以确认并发展成为临床生物标记物,为疾病的早期诊断提供分子标志,形成未来诊断学和治疗学的理论和应用基础。SELDL-TOFMS技术对艾滋病、老年痴呆症、乳腺癌[10]等恶性肿瘤的疾病的研究都有前所未见的创新性进展。

6 展 望

TOFMS 分析技术的优越性在于其高灵敏度、大质量范围和极快的检测速度。可以预见,在生命科学、原子与分子物理学、表面物理学、聚合物物理和化学、材料科学、分析化学和生态学领域的发展中,TOFMS 都将发挥重要的作用。TOFMS 在材料中多种痕量元素的同时分析、工业生产监控和自动化、生物制品质量监控、与气相色谱、液相色谱、电泳、离子阱及其它质谱联用等用于复杂体系分离分析等技术将成为研究和应用的热点。

参考文献

[1]Cotter,R.J.Time-of-Flight Mass Spectrometry:Instrumentationand Applications in Biological Research[M].Washington D.C.:ACS Books,ACS Symp.Ser.,1994,549:ix.

[2]Ralph E.Sturgeon,Joseph W.H.Lam,Andrew Saint.Analyticalcharacteristics of a commercial ICP orthogonal acceleration TOFMS[J].J.Anal.At.Spectrom.,2000,15(6):607-616.

[3]Mamyrin,B.A,Karataev,D.V,Schmikk,D.V,et al.Time-of-flight mass spectrometer with an electrostatic reflector[J].Sov.Phys.JETP,1973,37:45-47.

[4]Trotscher,J.,Mass measurements of exotic nuclei at the ESR[J].Nucl.Instrum.Methods B,1992,70(1-4):455-458.

[5]Wollnik,H.,Przewloka,M.Time-of-flight mass spectrometers withmultiply reflected ion trajectories[J].Int.J.Mass Spectrom.IonProcesses,1990,96(3):267-274.

[6]Holland,J.F.,Enke,C.G.,Allison J.,et al.MS/MS by time-re-solved magnetic dispersion mass spectrometry[J].Anal.Chem.,1983,55(9):997A-1112A.

[7]Kaufman,R.,Kirsch,D.,Spengler,B.Sequencing of peptides in atime-of-flight mass spectrometer:evaluation of postsource decayfollowing matrix-assisted laser desorption ionization[J].Int.J.Mass Spectrom.Ion Processes.,1994,131(24):355-385.

[8]Lingjun Li,Rebecca W.G.,Elena V.Romanova,Jonathan V.S.Insitu sequencing of peptides from biological tissues and single cells usingMALDI-PSD/CID analysis[J].Anal.Chem.,1999,71(24):5451?5458.

[9]Mark T.K.,Yevette A.J.,James J.W.,Karen F.F.,Alvin F..Madan N.Electrospray quadrupole mass spectrometry analysis of modeloligonucleotides and polymerase chain reaction products:determinationof base substitutions,nucleotide additions/deletions,and chemical mod-ifications[J].Anal.Chem.,1999,71(14):2893?2900.

时间飞行法 篇5

关键词：正电子发射断层显像术,飞行时间技术,标准摄取值,肿瘤

标准摄取值 (standard uptake value, SUV) 是PET肿瘤显像中最为常用的半定量指标, 已经广泛用于肿瘤良恶性的鉴别诊断、治疗效果的评价及预后评估, 其操作简便、快捷, 但影响因素很多[1]。飞行时间技术 (time of flight, TOF) 是一项颇具前景的PET图像采集和重建技术, 其对PET检测信噪比及空间分辨率的提升正逐步得到公认[2,3]。目前有研究发现TOF技术可以明显提高“热区模型”的SUV[1], 本研究拟通过对常州市第一人民医院PET/CT中心临床受检者的PET图像以TOF技术重建并进行对比分析, 探讨其对SUV的影响及相关影响因素, 为肿瘤代谢的精确定量及个体化诊疗提供参考。

1 资料与方法

1.1 研究对象收集2012-05~11 于常州市第一人民医院PET/CT中心行全身PET/CT显像的61 例受检者共136 处病灶, 一般资料见表1。所有受检者通过视觉分析均至少存在1 处以上热区病灶, 直径0.60~5.21 cm, 平均 (1.88±0.98) cm, 其中头颈部 (不包含脑组织) 19 处 (14.0%) , 胸1 椎体水平至膈肌平面59 处 (43.4%) , 腹部40 处 (29.4%) , 盆腔18 处 (13.2%) 。

1.2 仪器与方法采用Siemens Biograph m CT-s (64) 型PET/CT成像仪, 有52 个硅酸镥 (LSO) 晶体环共32 448 块晶体, 每块晶体大小为4 mm×4 mm×20 mm, 探测器环直径842 mm, 横向及轴向视野分别为7 0 0 mm、216 mm, 机架孔径780 mm, 符合时间窗4.1 ns, TOF系统的时间分辨率540 ps。

所有受检者均禁食6 h以上, 测定空腹血糖水平, 确定血糖低于10 mmol/L。受检者于安静状态下经静脉注射18F-FDG (南京江原安迪科正电子研究发展有限公司) , 剂量3.70~7.77 MBq/kg, 平均 (5.18±1.11) MBq/kg, 注射后静卧, 注射结束至扫描开始平均间隔 (76.75±18.28) min。扫描前嘱患者排空膀胱, 饮水400~500 ml后进行图像采集, 嘱受检者保持仰卧位并平静呼吸, 先行CT扫描, 管电流170 m A, 管电压120 k V, 准直0.6 mm或1.2 mm, 扫描时间根据选取范围长度、螺距及床进速自动生成;再行PET图像采集, 1.5 min/ 床位, 扫描范围自颅顶至股骨中上段。采用Syngo Ture D图像后处理软件进行图像重建、融合显示及半定量分析。

1.3 图像重建与分析所有受检者的PET图像均采用Ultra HD (HD+TOF) 和HD两种方法进行重建, 分别记为TOF组和非TOF组。HD重建技术是利用不同的重建算法对PET图像进行深度效应较正的高清图像技术, Ultra HD重建技术则是在HD技术的基础上引入了TOF技术。由1 名核医学医师和1 名放射科医师共同阅片, 对PET/CT图像进行视觉判断和半定量分析, 融合图像中PET图像为热区病灶及相应部位CT图像显示为解剖异常定义为病变部位, 确定病灶的数量及位置, 视觉分析选择病灶直径最大的横断面层面并测量直径, 测量两种方法重建后的最大标准摄取值 (SUVmax) 和平均标准摄取值 (SUVmean) , TOF组较非TOF组SUV升高的平均百分比记录为 ΔSUV :ΔSUV= (TOF组SUV - 非TOF组SUV) / 非TOF组SUV。根据病灶直径将病灶分为直径<1.5 cm组及直径≥ 1.5 cm组;根据2002 年中国肥胖问题工作组数据汇总分析[4], 将体重指数 (BMI) ≥ 25 kg/m2视为超重及肥胖, 分析受检者年龄、性别、BMI、血糖水平、18F-FDG的注射剂量、注射结束至显像开始间隔的时间、病灶部位及病灶直径对病灶 ΔSUV的影响。

1.4 统计学方法采用SPSS 21.0 软件, TOF组与非TOF组SUV比较采用配对t检验, TOF技术对 ΔSUV的影响因素采用多元线性回归分析, TOF技术重建后不同大小病灶及不同BMI受检者间 ΔSUV比较采用成组t检验, P<0.05 表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 TOF技术对SUV的影响TOF组重建后SUVmax和SUVmean均显著高于非TOF组, 差异有统计学意义 (t=9.972、10.136, P<0.01) , 见表2 及图1。

注:*与非TOF组比较, P<0.01

图1 女，65岁，左下肺炎。十字交叉处示气管右旁高代谢淋巴结，直径为0.9 cm，TOF重建后，病灶SUVmax及SUVmean分别为4.1和3.1(A);非TOF重建后，病灶SUVmax及SUVmean分别为2.6和1.8(B)

2.2 TOF技术对病灶SUV的增益作用通过TOF技术重建后, 将TOF组病灶的SUVmax与SUVmean较非TOF组升高的百分比分别定义 ΔSUVmax和ΔSUVmean, 将 ΔSUV>0 视为存在增益作用, 136 处病灶中 ΔSUVmax>0 共117 处 (0.21%~82.86%) , ΔSUVmean>0 共119 处 (0.18%~93.46%) 。

2.3 TOF技术对病灶 ΔSUV的影响因素分析通过对受检者年龄、性别、BMI、血糖水平、18F-FDG注射剂量、注射结束至显像开始间隔的时间、病灶部位及病灶直径等影响TOF技术对病灶 ΔSUV的可能因素进行多元线性回归分析结果显示, 受检者的BMI与ΔSUVmax、ΔSUVmean呈正相关 (r=0.312、0.272, P<0.01) , 病灶直径与 ΔSUVmax、ΔSUVmean呈负相关 (r= - 0.426、- 0.411, P<0.01) (图2) 。受检者的年龄、性别、血糖水平、18F-FDG注射剂量、注射结束至显像开始间隔的时间、病灶部位与 ΔSUVmax (r=0.167、0.160、- 0.148、- 0.046、- 0.105、0.009, P>0.05) 和 ΔSUVmean (r=0.119、0.193、- 0.129、- 0.064、 -0.085、-0.004, P>0.05) 均无显著相关性。

2.4 TOF技术对小病灶SUV的增益价值直径<1.5 cm的病灶 ΔSUVmax及 ΔSUVmean均显著高于直径≥ 1.5 cm的病灶, 差异有统计学意义 (t= - 4.471、 - 4.458, P<0.001) , 提示TOF技术对小病灶SUV的增益更为显著, 见表3。

2.5 TOF技术对高BMI受检者SUV的增益价值BMI ≥ 25 kg/m2的受检者 ΔSUVmax及 ΔSUVmean均显著高于BMI<25 kg/m2者, 差异有统计学意义 (t=3.266、2.171, P<0.05) , 提示TOF技术对高BMI受检者病灶SUV的增益更为显著。见表3。

注:*与直径≥1.5 cm病灶比较, P<0.001;#与BMI<25 kg/m2比较, P<0.05

3 讨论

氟脱氧葡萄糖代谢显像是目前最为成熟和常用的分子影像技术, 已经广泛用于肿瘤的诊断与鉴别诊断、分期与再分期、治疗效果的评估及预后的预测。SUV是反映组织葡萄糖代谢率最常使用的半定量指标, 具有客观、易应用、与葡萄糖代谢率相关性好等优点, 但容易受诸多因素的干扰, 如受检者的体重、血糖水平、注射18F-FDG到开始显像的时间、部分容积效应、采集模式、图像的重建参数及阳性对比剂的使用等[5,6]。TOF技术是一种通过探测湮灭辐射后2 个 γ 光子到达晶体的时间差来确定正电子符合时间发生区域的方法[7], 理论上系统的时间分辨率越高, 其对探测符合事件的定位精度越高, TOF PET图像的空间分辨率和信噪比提升越明显[2,8]。因此, 当应用TOF重建后, 图像的信噪比显著提升, 病灶的靶组织与本底比值即显著提高, 理论上病灶SUV值亦可以明显提高。近来有研究[1,9]通过模型试验证实了应用TOF技术后模型内阳性球状体SUV显著升高, 但模型试验结果能否应用于临床实际工作尚需探讨。本研究通过对临床受检者的PET图像以两种方法重建后进行对比发现, 经TOF重建后病灶的SUV显著高于非TOF组, 且SUVmax及SUVmean升高的平均百分比分别为 (15.32±16.98) %、 (14.64±17.03) %, 与理论推断和模型试验结果基本吻合。

在肿瘤显像中, 病灶的检测能力对于受检者的早期诊断、分期及预后判断至关重要, 因此对于小体积、低放射性摄取病灶的检出能力尤为重要。本研究发现, 直径<1.5 cm的病灶通过TOF重建后SUV的增益更为显著, 使得PET图像中原本无法探测到的或较难探测到的病灶变得清晰可见, 因而TOF PET的探测效率明显提高, 此研究结果与国外模型及临床研究结果基本一致[10,11]。

受检者的BMI能够严重影响PET的图像质量, 传统的非TOF PET对肥胖患者进行成像时, 由于严重的衰减和散射导致图像质量下降, 病灶检出率降低。应用TOF技术后, 在三维采集模式下能够提高真符合计数率, 并降低随机计数率和散射计数率, 大大改善了体重较大的受检者的PET图像质量[12,13]。本研究通过多元线性回归分析发现, BMI与SUV增益呈显著正相关, BMI越大, SUV增益越明显, 特别是对于BMI ≥ 25 kg/m2者, TOF技术对于病灶SUV的增益价值更明显。Surti等[14]研究发现TOF技术可以明显提高大体重 (BMI ≥ 26 kg/m2) 受检者的病灶检出率, 与本研究结果基本一致。

时间飞行法 篇6

脉冲激光测距法以其结构电路结构简单、功率大等优点,在长距离激光测距仪(Laser Rangefinder)中得到广泛的应用。

脉冲激光测距系统的基本原理是测量激光飞行时间(TOF,Time-of-Flight)。常用的时间测量方法有直接测量法和等效测量法。直接测量法即直接精确测量脉冲发射瞬间和脉冲回波到达瞬间的时间间隔。这类方法通常简单、明确,但是对硬件电路的要求高,往往由于精度要求太高而需要使用昂贵的物料。等效测量法即通过各种等效的手段,以低成本、低精度的测量电路实现高精度的测量精度。这类方法相对复杂而且往往是通过牺牲系统的某些性能而获得高精度。两类方法都可以通过模拟技术或数字技术实现,通常而言模拟技术在测量精度和量程参数的选择较为灵活,但是模拟技术经常会受温度的影响而导致准确度下降而且在校准上比较麻烦。数字技术实现的测量方法受温度的影响较小而且校准方便,但是测量精度在设计时就会确定,若产品规格发生变化时往往需要做重大的改动。

在激光测距仪实际使用中,常会在激光传输路径上出现两个或多个目标,因此在回波信号中产生多个回波脉冲。传统的激光脉冲时间测距系统常使用单个模拟脉冲实现时刻鉴别。这种简单的方法对信噪比要求高而且只能判别单个目标。

本文提出一种适合大批量手持式激光测距仪使用的,结合连续等效采样和多次平均技术的数字式激光飞行时间测量方法,在低成本的硬件结构下,即保持测量的精度又大大提高了脉冲测量的抗干扰能力和目标分析灵活性。

2. 脉冲激光测距原理

脉冲激光测距原理是测量激光飞行时间,即从测距仪发出一个极高功率的窄脉冲(宽度为50ns-100ns),当激光碰到目标后反射回测距仪,通过测量回波到达时刻点与发射时刻点之间的间隔即可以得出激光飞行距离。

其中c是光速,T是激光在测距仪和目标之间来回飞行一次的时间。分析上式可知D精度和误差完全取决于与对T测量的精度和误差。

对于数字式直接测量法

其中Fclk为数字式计数器的计数频率,N为T时间内测出的时钟个数。由数字式直接测量法的测量精度、误差以及最大量程,由计数器的计数频率、频率稳定度和最大计数值确定。以精度为1米、量程为1000米计算,要求计数频率为150MHz、最大计数值1000。

根据上面的讨论可知若使用数字式直接测量法存在以下几个主要问题:

(1)整个系统的工作频率高,导致功耗升高而且对器件性能的要求也相应提高,这对手持式系统相当不利。

(2)对信号信噪比要求高,容易误判。

(3)以单个回波到达时间作为判别,无法识别多个目标或从多目标中提取期望目标。

3. 连续等效采样和多次平均技术的激光飞行时间测量方法

3.1 连续等效采样

等效采样技术是低速采样系统实现高速采样效果的一种有效方法。连续等效采样每次触发时,采样时钟相对触发点都会增加一个固定延迟Δt或固定的相差,重复N次后Δt的积累值达到被采样信号的周期长度时(Tsignal=N×Δt)完成一次完整的采样,只要控制Δt就可以实现用户期望实现的等效采样率。

简单而言,等效采样技术实际上是牺牲采样次数来实现高采样率。所以,连续等效采样技术的实现有两个前提:

(1)要求保证Tsignal=n×Δt,这样才可以保证各次触发所获得的采样结果可以构成一个完整的信号图形。

(2)要求输入信号相对触发点来说是重复产生的信号,若信号为单次信号,则等效采样不可能实现。

3.2 数值平均方法

为提升信号的信噪比,使系统有更强的抗干扰能力,通常使用多次平均法。对输入信号进行N次采样求平均后获得的输出信号,其信噪比较为输入信号的。实现的前提是输入信号携带的噪声为随机噪声,其数学期望为0。

3.3 连续等效采样和多次平均技术的激光飞行时间测

如图1所示,Trig信号为激光触发信号(脉宽8us,频率400Hz),Mclk为计数器频率(设定为37.5MHz)Trig00-Trig270为Trig信号在连续4次扫描下与Mclk的相位关系,相邻两次Trig信号对应Mclk的相位相差90度,REC00-REC270为在Mclk控制下FPGA进行数据记录的时序。

每次扫描时,采集部件在Mclk控制下记录256次数据,每点的对应激光飞行4米的时间长度。Trig00时采样存储地址为0、4、8……1020;Trig90对应1、5、9……1021;Trig180对应2、6、10……1022;Trig270对应3、7、11……1023。如此已经4次扫描后,可以得到1024点数据,每点数据表示1米的扫描值。

一串Trig由Trig00,Trig90,Trig180,Trig270,Trig0……组成,总共64次,因此每个点可以获得16次采样数据,一次扫描时间64个Trig,即160ms。

4. 多目标捕获

使用手持式激光测距仪时,在激光传输路径上经常会出现两个或多个目标,因此在回波信号的时域上可以出现多个回波脉冲。传统的激光飞行时间测量系统(如模拟法或数字插入法等)常使用单个脉冲实现时刻鉴别,这种方式决定了它们难以实现多目标捕获功能,而且很容易收到多目标的干扰。

本文提出的飞行时间测量方法应用了数据存储技术,使测量结果中包含了整个测量量程上所有脉冲的位置和强度信息,因此可以通过微控制器算法决定使用首目标优先(First Target Priority)、最后目标优先(Last Target Priority)等搜索策略。

5. 测试结果分析

5.1 等效采样精度

实测中对这个设计量程0-1000m上,分别在10-20m,100-110m,200-210m,300-310m以0.5m为间隔分别对测距仪的测量精度进行测试,平均误差为0.4m,以低速(37.5MHz)系统实现了高采样速率(150MHz)。图3为10-20m上的误差曲线。

5.2 多次平均技术对信噪比的改善

图3给出了分别在30db信号和10db信号下多次平均技术对信号信噪比的改善,可以看到信号得到了明显改善。

5.3 抗干扰能力

分别测试输入信号为30、20、15、10、5db时,使用16、4和单次数值平均的正确检出率。判决模式为首目标优先,判决阈值。由图4中可以发现N=16的正确检出率明显高于N=1,最小可检出信噪比下降到5db以下。

6. 结论

本文在低成本的硬件平台下实现了结合连续等效采样和多次数值平均技术的激光飞行时间测量系统。在保持了1米的测量精度的前提下,将系统的最小可检测信噪比从15-20d B压缩到5d B。同时,实现了多目标捕获能力,允许使用者根据需要选择不同的目标捕获模式。这些新特点的实现,不仅使手持激光测距仪的性能得到提升也使其功能得到增强。本文所做工作已经通过实验室测试和实地测试并已经投入量产。

参考文献

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[3]A.Kilpel.Pulsed time-of-flight laser ranfe finder techniques forfast,high precision measurement applications[D].University of Oulu,Finland,2004.

时间飞行法 篇7

火电厂激光盘煤测量系统中,通过激光测距实现对煤堆各点高度的精确测量,为计算机求算煤堆体积提供准确数据。实践中,往往采用时间间隔测量仪器直接测量激光往返的时间间隔,测量频率受限于激光往返的时间间隔,因此,激光飞行时间间隔测量模块在整个激光盘煤测量系统中起着关键性的作用。本文提出了一种基于高精度时间数字转换芯片TDC-GP2的激光测距飞行时间测量系统,该系统省略了数模转换部分,直接将激光发射时间信号和激光接收时间信号输入到TDC-GP2中计算这2个信号差值,并将该差值自动存入结果寄存器,等待外部读取,以实现距离的测量。

1 TDC-GP2概述

1.1 TDC-GP2特性简述

TDC-GP2主要由TDC测量单元、16位算术逻辑单元、RLC测量单元以及与8位单片机相连的接口等组成。TDC测量单元所用信号通过逻辑门电路的绝对时间是测量的关键,应精确设计逻辑门电路,从而确定信号通过每个逻辑门电路的最小单位时间。该最小单位时间是时标脉冲的周期,因此,在测量过程中,只要计算出开始信号和结束信号之间的逻辑门个数,就可以精确地得到间隔时间。芯片内部的锁相和标定电路可以避免因工作环境的变化对测量误差带来的影响。TDC-GP2内部集成有2个算术逻辑单元ALU1、ALU2。单次测量分辨率为典型65 ps,功耗超低、集成度高、测量灵活,是脉冲式激光测距仪时差(TOF)测量的理想选择。

1.2 TDC-GP2 激光测距原理

TDC-GP2是以信号通过内部门电路的传播延迟进行高精度时间间隔测量的,TDC-GP2上的智能电路结构、担保电路和特殊的布线方法使得该芯片可以精确地记下信号通过门电路的个数,图1为TDC-GP2的主要构架图。

如图2所示,激光发射装置发射光脉冲,同时将发射脉冲输入到TDC-GP2的Start端口,触发时差测量。 一旦从物体传回的反射脉冲到达光电探测器(接收电路),则给TDC-GP2产生1个Stop信号,完成时差测量过程。从Start到Stop脉冲之间的时差被TDC-GP2精确记录下来,用于计算所测物体与发射端的距离。单片机对TDC-GP2进行寄存器配置以及时间测量控制,时间测量结果传回给单片机进行距离的精确计算,并通过显示装置显示出测量距离。

2 系统组成

2.1 硬件设计

基于TDC-GP2的激光测距飞行时间测量系统的硬件连接如图3所示。

图3中,TDC-GP2的引脚1(XIN)和2(XOUT)连接4 MHz的陶瓷振荡器, 引脚3(Vio)和引脚22(Vio)接4.5 V电源, 引脚4(GND)、引脚7(Fire_In)、引脚21(GND)、27(Stop2)和28(GND)接地,引脚5(Fire1)、6(Fire2)、8(INTN)、17(SenseT)、18(LoadT)、19(PT4)、20(PT3)、23(PT2)、24(PT1)悬空,引脚25(En_Stop2)接4.5 V电源,引脚29(VCC)接3.0 V电源。该系统使用凌阳SPCE061A单片机开发板对TDC-GP2进行初始化设置。TDC-GP2的4个引脚9(SSN)、10(SCK)、11(SI)、12(SO)作为4线标准接口SPI,分别与凌阳SPCE061A单片机的输入输出口A0、A1、A2、A3相连。

该系统采用自触发脉冲激光飞行时间测量法,即利用接收单元接收目标回波产生的输出信号去触发激光发射单元,使其发出下一个激光脉冲,激光的发射和接收前后连接为一个环状。激光发射后经分光镜分出部分光作为激光飞行开始时间信号,输入到TDC-GP2的引脚31(Start),激光照在煤堆的某个点上反射回来,由ADP激光反射信号接收模块接收并产生激光飞行结束信号,该信号输入到TDC-GP2的引脚30(Stop1),此时接收到的信号被送到单片机,单片机在作好1次记数的同时发出下一次脉冲,当计数达到指定的次数时,即多次循环结束时,单片机输出Stop信号到TDC-GP2,作为1次测量的结束,TDC-GP2对测量结果进行处理,得到时间t,并通过中断信号,将结果输出到单片机,而单片机在接收到时间结果t后作相应的数据处理,并在显示设备上输出,即1次完整的测量过程结束。

2.2 软件设计

开始时间间隔测量工作时,发射激光的部分能量被分光镜分出以用作Start信号来启动TDC—GP2,当反射激光到达ADP激光反射信号接收模块并输出Stop信号到TDC-GP2时,由TDC-GP2中ALU 单元处理数据,计算出2个信号的时间差。

凌阳SPCE061A单片机不带SPI串行接口,笔者使用软件模拟SPI的操作,如图3所示,其中A0模拟SPI的数据输出端SO,A1模拟SPI的数据输入端SI,A2模拟SPI的时钟输出端SCK,A3模拟SPI的从机选择端SSN。

系统软件选用汇编语言编程,基于TDC-GP2的激光测距飞行时间测量流程如图4所示。

3 结语

本文介绍了基于TDC-GP2的激光测距时间间隔测量系统的设计,该系统利用TDC-GP2本身时标脉冲和触发测量的特点来提高激光盘煤的测量精度,有效地降低了传统测距系统的复杂度,同时该系统具有使用方便、结构简单等优点。另外,根据该测量结果,通过数学算法在计算机中可实现煤厂的三维图象信息,反映出煤堆表面的实际形状,以准确计算出煤厂的煤堆体积,对激光盘煤技术的发展有一定的参考意义。由于该系统还处于试验阶段,性价比仍偏高,大范围的推广使用有待进一步改进。

摘要：在激光盘煤测量系统中,激光飞行时间的测量是影响整个系统精度的关键因素。文章基于高精度时间间隔测量芯片TDC-GP2设计了一种用于激光盘煤测量系统中的激光飞行时间间隔测量系统,介绍了TDC-GP2激光测距原理,给出了系统硬件及软件设计。试验结果表明,该系统结构简单、测量精度高,具有较高的可行性。

关键词：盘煤,激光测距,飞行时间,测量,TDC-GP2

参考文献

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