体内和非侵入性测量代谢物水平的方法和系统

交叉引用

本申请要求2018年9月14日提交的美国临时专利申请No.62/731,576的权益，并且美国临时专利申请No.62/731,576的全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本文描述了通常涉及代谢物水平的测量的各种实施方式，并且尤其涉及用于体内和非侵入性测量代谢物水平的便携式核磁共振(NMR)设备。

背景技术

用于测量血液样本中代谢物水平的常规技术通常是侵入性的，不准确的且不可重复的。例如，当前的血糖测量技术要求用穿刺器(lance)刺穿受试者的皮肤，以将少量血液样本沉积在具有生物化学反应性的、一次性使用的、且单一目的的测试条上。每个血液样本都需要新的沉积物。反复穿刺皮肤的不便以及与为每批样本购买新的测试条相关的成本负担，经常成为频繁进行葡萄糖测试的障碍。对于患有1型糖尿病或2型糖尿病晚期且需要频繁且准确测试以确保正确的胰岛素剂量决策的个体，这尤其令人担忧。

发明内容

根据本文教导的广泛方面，提供了一种使用便携式核磁共振(NMR)设备对样本中的葡萄糖浓度进行体内和非侵入性定量的方法的至少一个实施例，所述方法包括：施加均匀静磁场(B

在这些实施例的至少一个中，抑制所述水信号还包括：施加第二RF激励脉冲(B

在这些实施例的至少一个中，所述静磁场(B

在这些实施例的至少一个中，所述静磁场(B

在这些实施例的至少一个中，所述方法包括：生成所述第二RF激励脉冲(B

在这些实施例的至少一个中，所述方法包括：生成所述第二RF激励脉冲(B

在这些实施例的至少一个中，所述方法包括：生成要以所述水的共振频率(f

在这些实施例的至少一个中，所述方法包括生成约1.68特斯拉的静磁场(B

在这些实施例的至少一个中，所述方法包括：通过生成具有低占空比的包络调制脉冲串来提供所述第二RF激励脉冲(B

在这些实施例的至少一个中，所述方法包括：使用针对变延迟进动定制激发(DANTE)技术来生成所述第二RF激励脉冲(B

在这些实施例的至少一个中，所述第二RF激励脉冲(B

在这些实施例的至少一个中，所述方法包括：通过生成大幅度的第二激励RF脉冲(B

在这些实施例的至少一个中，所述失相脉冲梯度是由DC耦合的一组匀场线圈生成的。

在这些实施例的至少一个中，所述葡萄糖氢质子系综包括α-葡萄糖端基异构体

在这些实施例的至少一个中，所述方法包括：生成所述第一RF激励脉冲(B

在这些实施例的至少一个中，所述方法包括：在包括所述α-葡萄糖端基异构体

在这些实施例的至少一个中，α-葡萄糖端基异构体

在这些实施例的至少一个中，所述方法包括：生成第一激励场(B

在这些实施例的至少一个中，所述方法包括：施加所述第一激励场(B

在这些实施例的至少一个中，所述方法包括：通过使用倾斜余弦线圈(cantedcosine coil)来生成所述第一激励场(B

在这些实施例的至少一个中，所述方法还包括：将同核去耦施加到所述葡萄糖氢质子系综，并且其中施加同核去耦包括：在α端基异构体

在这些实施例的至少一个中，所述α和β端基异构体

在这些实施例的至少一个中，所述同核去耦与施加所述第一RF激励脉冲(B1)至少部分地重叠以激发所述葡萄糖氢质子系综。

在这些实施例的至少一个中，方法还包括：对所述FID信号施加离散傅立叶变换(DFT)，以将所述FID信号转换为磁共振频谱。

在这些实施例的至少一个中，方法还包括：基于与共振频谱中的α-葡萄糖端基异构体

在这些实施例的至少一个中，确定所述样本中的葡萄糖浓度包括：使所述α-葡萄糖端基异构体

在这些实施例的至少一个中，确定所述样本中的葡萄糖浓度包括：确定所述α-葡萄糖端基异构体

在这些实施例的至少一个中，方法还包括：在施加所述第一RF激励脉冲(B

在这些实施例的至少一个中，方法还包括：在施加所述第一RF激励脉冲(B

在这些实施例的至少一个中，使用磁共振测速(MRV)技术来将血液中流动的葡萄糖分子与静止的葡萄糖分子区分开。

在这些实施例的至少一个中，所述葡萄糖浓度被确定为在0.95的统计学置信度下小于+/-2％的误差。

根据本文教导的另一宽广方面，提供了一种用于对样本进行核磁共振(NMR)波谱法的便携式光谱仪的至少一个实施例，所述便携式光谱仪包括：射频(RF)源，其被配置为生成具有同相分量和正交分量的脉冲RF信号；发射单元，其被配置为接收所述脉冲RF信号并生成脉冲RF激励场(B

在这些实施例的至少一个中，所述第一发射带通滤波器和第二发射带通滤波器以及所述第一接收带通滤波器和第二接收带通滤波器中的每个都是从三通拓扑低通滤波器(tee topology low pass filter)合成的差分带通滤波器。

在这些实施例的至少一个中，所述第一发射带通滤波器的至少一个第一发射电感线圈、所述第二发射带通滤波器的至少一个第二发射电感线圈、所述第一接收带通滤波器的至少一个第一接收电感线圈和所述第二接收带通滤波器的至少一个第二接收电感线圈是容积线圈。

在这些实施例的至少一个中，所述第一发射带通滤波器和第二发射带通滤波器中的每个包括出站(outbound)发射电感线圈和返回发射线圈，并且所述第一接收带通滤波器和第二接收带通滤波器中的每个包括出站接收电感线圈和返回接收电感线圈。

在这些实施例的至少一个中，所述发射带通滤波器和接收带通滤波器是至少三阶带通滤波器。

在这些实施例的至少一个中，所述第一发射带通滤波器的至少一个第一发射电感线圈和所述第二发射带通滤波器的至少一个第二发射电感线圈中的每个都是相对于彼此同轴定位并相对于公共轴线在相反方向上倾斜的倾斜余弦线圈，以便生成RF激励场(B

在这些实施例的至少一个中，所述第一接收带通滤波器的至少一个第一接收电感线圈和所述第二接收带通滤波器的至少一个第二接收电感线圈中的每个是相对于彼此同轴定位并且相对于公共轴线在相反的方向上倾斜的倾斜余弦线圈。

在这些实施例的至少一个中，所述公共轴线与静磁场(B

在这些实施例的至少一个中，所述共振信号是由横向平面中的磁化的衰减而生成的自由感应延迟(FID)信号。

在这些实施例的至少一个中，所述接收单元使用由两个倾斜余弦线圈接收到的FID信号之和与之差来区分磁化在两个横向空间轴线上的投影。

在这些实施例的至少一个中，所述第一接收通路和第二接收通路中的每个包括：变压器，包括耦合到所述接收带通滤波器的输出的初级绕组，其中，所述变压器被配置为提供伽伐尼隔离、阻抗匹配和共模噪声抑制；低噪声放大器(LNA)，其耦合到所述变压器的次级绕组的第一节点，其中，所述LNA被配置为在滤波后的共振信号中实现低噪声系数并提供均匀的频谱噪声分布；可变增益放大器(VGA)，其耦合至所述低噪声放大器的输出，其中，所述VGA被配置为增强所述滤波后的共振信号并使总的接收器噪声最小化；本地振荡器(LO)，其耦合至所述可变增益放大器的输出，其中，所述LO被配置为生成中频；以及模数转换器(ADC)，其耦合到所述LO的输出。

在这些实施例的至少一个中，所述变压器的次级绕组的第二节点被中心抽头以用于局部接地参考，并且其中，所述变压器的匝数比被选择用于最佳的阻抗匹配。

在这些实施例的至少一个中，所述变压器包括宽带变压器巴伦。

在这些实施例的至少一个中，所述LNA由GaAs E-pHEMT技术形成，并且被配置为提供低于1dB的噪声系数。

在这些实施例的至少一个中，所述VGA包括自动增益控制器(AGC)，其被配置为自动减小所述VGA的增益以防止过载。

在这些实施例的至少一个中，所述本地振荡器被配置用于至少100kHz的频率偏移。

在这些实施例的至少一个中，由所述接收单元生成的噪声小于1.1nV/√Hz(作为参阅输入(RTI))。

在这些实施例的至少一个中，所述处理器单元包括数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)中的至少一个。

在这些实施例的至少一个中，所述第一发射带通滤波器和第二发射带通滤波器被配置为使包括至少一个同位素拉莫尔频率的第一频率通带范围通过。

在这些实施例的至少一个中，所述第一频率通带范围包括两个同位素拉莫尔频率，并且所述发射带通滤波器被配置为支持异核测量。

在这些实施例的至少一个中，所述两个同位素拉莫尔频率与氟(

在这些实施例的至少一个中，所述第一频率通带范围在60MHz和80MHz之间。

在这些实施例的至少一个中，所述第一接收带通滤波器和第二接收带通滤波器被配置为使包括至少一个同位素拉莫尔频率的第二频率通带范围通过。

根据本文教导的另一广泛方面，提供了一种使用便携式光谱仪对样本进行核磁共振(NMR)波谱法的方法，所述方法包括：向所述样本施加静磁场(B

在这些实施例的至少一个中，所述共振信号是由横向平面中的磁化的衰减生成的自由感应延迟(FID)信号。

在这些实施例的至少一个中，所述方法还包括：使所述共振信号的同相分量和正交分量中的每个通过低噪声放大器、可变增益放大器、本地振荡器和模数转换器(ADC)。

根据本文教导的另一广泛方面，提供了一种紧凑磁体配件，用于跨便携式核磁共振(NMR)设备的孔生成均匀静磁场(B

在这些实施例的至少一个中，跨所述磁体孔生成的均匀静磁场(B

在这些实施例的至少一个中，跨所述孔生成的均匀静磁场(B

在这些实施例的至少一个中，所述均匀静磁场(B

在这些实施例的至少一个中，所述静磁场(B

在这些实施例的至少一个中，所述永磁体被表征为5高斯场线的三维约束。

在这些实施例的至少一个中，所述永磁体配件的每个磁体段由硬质永磁合金形成，所述硬质永磁合金允许在所述永磁体配件中的每个磁体段生成的磁场叠加。

在这些实施例的至少一个中，所述硬质永磁体是钕(NdFeB)。

在这些实施例的至少一个中，所述中心环形磁体段由N40等级的NdFeB形成以抵消高反向矫顽场，并且其中所述顶部和底部顶部环形磁体段由N40等级的NdFeB形成以提供最佳的场约束。

在这些实施例的至少一个中，所述中心环形磁体段的面向所述孔的内表面包括校正磁体段，其径向向内弯曲并且被配置为改善跨所述孔生成的近空间均匀静磁场(B

在这些实施例的至少一个中，所述校正磁体段是由高磁导率软钢形成的极片。

在这些实施例的至少一个中，所述匀场装置由锂离子(Li-Ion)电池供电。

在这些实施例的至少一个中，所述便携式核磁共振(NMR)设备以紧凑且便携式的形式提供，其适合于家庭环境，并且适于鼓励糖尿病患者以及患有其他代谢物紊乱的其他患者更频繁地使用该设备，从而促进频繁地进行葡萄糖或其他代谢物测试。

根据本文教导的另一广泛方面，提供了一种匀场装置，被配置为对近空间均匀静磁场提供空间磁场校正，其中，所述匀场装置包括：多个线性载流导体，其布置成圆形构造，并且其中所述多个线性载流导体围绕所述圆形构造的圆周均匀地间隔开。

在这些实施例的至少一个中，所述多个线性载流导体中的每个由相应的DC电流驱动，并且其中，所述多个线性载流导体中的每个具有均匀的密度。

在这些实施例的至少一个中，所述多个线性载流导体的相应DC电流的电流分布是DC电流的正弦分布，其根据所述线性载流导体围绕所述圆形构造的圆周的角位置而变化，并且其中，所述匀场装置被配置为生成高阶匀场模式。

在这些实施例的至少一个中，所述近空间均匀静磁场被表示为具有n个第一系数的第一n阶多项式，所述多个线性承载导体包含m个线性载流导体，其中，所述m个线性载流导体中的每个线性载流导体承载了幅度为n个电流模式的叠加的电流，其中每个电流模式主要对应于在所述第一n阶多项式中的项。

在这些实施例的至少一个中，由所述匀场装置生成的空间磁场校正被表示为具有n个第二系数的第二n阶多项式，所述n个第二系数对应于产生所期补偿n阶静态场(B

根据本文教导的另一广泛方面，提供了一种匀场装置，被配置用于为具有近空间均匀轮廓的静磁场提供空间磁场校正，其中，所述匀场装置包括同心载流导体的第一集合和第二集合，其中：所述同心载流导体的第一集合中的每个同心载流导体与载流导体的第二集合中的对应同心载流导体沿所述静磁场的轴线间隔开并对立布置，以形成多个载流导体配对，其中每个载流导体生成补偿磁场以校正所述静磁场的近空间均匀轮廓。

在这些实施例的至少一个中，所述多个载流导体中的每个由相应的DC电流驱动。

在这些实施例的至少一个中，至少一个载流导体配对被配置为使得所述载流导体配对中的每个线圈的线圈半径基本上等于导体配对的线圈之间的间隔，从而满足亥姆霍兹条件，并且所述导体配对在所述导体配对的线圈之间生成线性场梯度。

在这些实施例的至少一个中，所述多个载流导体耦合至DC-DC转换器，所述DC-DC转换器被配置为使来自DC电源的电流升压以将电流升压至所述多个电流导体中的每个，由此所述DC-DC转换器允许改变每个载流导体的匀场能力，以便所述匀场装置向所述静磁场提供更大的空间磁场校正。

在这些实施例的至少一个中，在所述第一集合和第二集合中的每个中的所述载流导体彼此偏移，并且所述偏移在大约10度和45度偏移之间的范围内。

在这些实施例的至少一个中，所述同心载流导体的第一集合和第二集合中的每个均以圆盘构造布置，并且所述圆盘构造具有圆盘半径，并且其中，每个载流导体的直径小于所述圆盘半径。

在这些实施例的至少一个中，所述同心载流导体的第一集合和第二集合中的每个均以圆盘构造布置，并且所述圆盘构造具有圆盘半径，并且其中，每个载流导体的直径大约等于所述圆盘半径。

在这些实施例的至少一个中，所述匀场装置被配置为产生随方位角变化的静磁场的空间磁场校正。

在这些实施例的至少一个中，所述载流导体的第一集合和第二集合中的每个均包括多个嵌套的载流导体，每个载流导体均具有与所述静磁场(B

在这些实施例的至少一个中，由每个载流导体生成的磁场是使用球谐函数的多项式展开表示的，并且其中，每个载流导体都生成偶数和奇数多项式项。

在这些实施例的至少一个中，具有不同半径的载流导体生成了线性独立的多项式系数矢量，其允许在轴对称永磁体配件的磁体孔的体积内产生具有方位对称性的任何期望的补偿场，所述轴对称永磁体配件在所述磁体孔中生成所述静磁场。

根据本文教导的另一广泛方面，提供了一种使用便携式核磁共振(NMR)设备对样本中小分子代谢物的浓度进行体内和非侵入性定量的方法，所述方法包括：从与所述代谢物相关联的多个共振特征中选择高分辨率共振特征子集；施加均匀静磁场(B

在这些实施例的至少一个中，所述小分子代谢物包括以下中的至少一种：葡萄糖、糖原、BHB和酮症酸中毒标记物。

在这些实施例的至少一个中，使用磁共振测速(MRV)技术来将血液中流动的小分子代谢物与静止的小分子代谢物区分开。

在这些实施例的至少一个中，所述高分辨率共振特征子集被以高信噪比(SNR)表征。

在这些实施例的至少一个中，相关联的多个共振特征包括与所述代谢物关联的多个化学位移共振(chemcial shift resonance)。

根据本文教导的另一广泛方面，提供了一种紧凑型便携式NMR设备，包括：外壳，其提供磁屏蔽；永磁体配件，其布置在所述外壳内并具有沿所述永磁体配件的纵向轴线的一部分的孔，所述永磁体配件具有多个磁性元件，这些磁性元件一起提供轴对称磁化以生成沿所述纵轴定向的近均匀磁场B

在这些实施例的至少一个中，所述外壳的尺寸适于被保持在桌面支架中，并且所述样本腔的尺寸适于接收保持所述样本的样本插入物。

在这些实施例的至少一个中，所述外壳的尺寸适于被受试者的手握住，所述样本由所述受试者的手指或拇指提供，并且所述样本腔的尺寸适于接收所述受试者的手指。

在这些实施例的至少一个中，所述设备还包括滑动门，以在测量期间选择性地允许进入所述样本腔。

在这些实施例的至少一个中，在这些实施例的至少一个中，所述设备还包括可以被触摸以激活所述设备的触摸传感器。

在这些实施例的至少一个中，所述设备还包括显示器，用于提供用户界面并显示测量结果。

在这些实施例的至少一个中，所述设备还包括通信模块，用于允许所述控制单元与远程装置通信并接收控制数据和测量结果。

在这些实施例的至少一个中，所述控制单元被配置为执行根据本文教导而所述的方法，包括但不限于以下之一：一种使用便携式NMR设备对样本中的葡萄糖浓度进行体内和非侵入性定量的方法、一种使用便携式NMR设备对样本中小分子代谢物的浓度进行体内和非侵入性定量的方法、或一种使用便携式光谱仪对样本进行NMR波谱法的方法。

在这些实施例的至少一个中，根据本文教导来定义所述光谱仪、永磁体配件和匀场装置。

通过以下结合附图的详细描述，本申请的其他特征和优点将变得显而易见。然而，应该理解，详细描述和具体示例虽然指示了本申请的优选实施例，但是仅是出于说明的目的，这是由于在本申请的精神和范围内的各种改变和修改对本领域技术人员而言根据该详细描述将是显而易见的。

附图说明

为了更好地理解本文所述的各种实施例，并且为了更清楚地示出如何实现这些各种实施例，将通过示例的方式参考附图，该附图示出了至少一个示例实施例，并且现在描述。附图并非旨在限制本文描述的教导的范围。

图1A示出了包括便携式核磁共振(NMR)设备的体内且非侵入性代谢物测试系统的示例实施例。

图1B示出了体外代谢物测试系统的示例性实施方式，该系统包括适于实验室或机构布置的NMR设备。

图2A示出了暴露于静磁场(B

图2B示出了暴露于射频(RF)激励磁场(B

图2C和2D示出了在去除RF激励磁场(B

图2E示出了T1和T2弛豫的简化说明性模型。

图2F示出了由于T2弛豫而产生的示例性衰减自由感应延迟(FID)信号的曲线图。

图3A示出了示例性核磁共振(NMR)曲线图，说明了位于葡萄糖分子中的各种

图3B示出了仅使用由α端基异构体葡萄糖

图3C示出了使用由α和β端基异构体葡萄糖

图3D示出了在施加用于水信号抑制的频率选择性脉冲之后的示例性幅度频率响应的曲线图。

图3E示出了示例性脉冲场梯度的作用的图示。

图3F示出了在磁共振测速(MRV)期间使用的示例性双极梯度场。

图3G示出了对具有固定自旋的质子和以恒定速度运动的质子的图3F的双极梯度场的作用。

图3H示出了可应用于基于α和β葡萄糖端基异构体

图4A示出了根据本文的教导描述的至少一个实施例的图1A的便携式NMR设备的简化框图。

图4B是图1A的便携式NMR设备的示例实施例的简化电路图。

图5A是在图1A的便携式NMR设备中使用的传输电路的示例实施例的电路图。

图5B是在图1A的便携式NMR设备中使用的接收器电路的示例实施例的电路图。

图5C示出了在图5A的传输电路中或图5B的接收器电路中使用的带通滤波器的示例频率响应。

图6示出了根据依照本文的教导的至少一个实施例的位于图1A的便携式NMR设备中的示例线圈组的示意图。

图7A示出了沿着图1A的剖面线7-7’的便携式NMR设备的剖视图，并且示出了根据依照本文的教导的至少一个实施例的位于便携式NMR设备内的永磁体组件。

图7B示出了图7A的永磁体组件的分解图。

图7C示出了通过模拟由图7A和7B的永磁体组件生成的磁场分量而生成的轮廓场曲线图。

图7D示出了作为距磁体等中心点的径向距离的函数的、由图7A和7B的永磁体组件生成的静磁场(B

图7E示出了由图7A和7B的永磁体组件生成的静磁场(B

图7F示出了沿着图1A的剖面线7-7’的便携式NMR设备的截面图，并且示出了根据依照本文的教导的另一示例实施例的位于便携式NMR设备内的永磁体组件。

图7G示出了通过模拟由图7F的永磁体组件生成的磁场分量而生成的轮廓场曲线图。

图7H示出了作为距磁体等中心点的径向距离的函数的、由图7F的永磁体组件生成的静磁场(B

图8A示出了根据依照本文的教导的至少一个实施例的示例匀场组件。

图8B示出了沿着图8A的剖面线8B-8B的图8A的匀场组件的剖视图。

图8C示出了沿着图8A的剖面线8C-8C的图8A的匀场组件的另一剖视图。

图8D示出了根据依照本文的教导的至少一个实施例的另一示例匀场组件。

图8E示出了在匀场电流施加到图8D的匀场组件之前、与在施加了方法的第一次迭代来调整每个匀场线圈中的电流以补偿静磁场不均匀性之后，将轴对称磁体阵列的孔内部的静磁场(B

图8F示出了由高阶多项式拟合覆盖的图8E的第一次迭代匀场结果的放大比例视图的示例曲线图。

图8G示出了由图8F的多项式拟合得到的多项式拟合误差的曲线图。

图8H示出了根据依照本文的教导的至少一个实施例的图8D的匀场组件的示例构造。

图8I示出了根据依照本文的教导的至少另一实施例的图8D的匀场组件的另一示例构造。

图8J示出了根据依照本文的教导的又一实施例的图8D的匀场组件的又一示例构造。

图9示出了用于便携式NMR设备的功率和控制系统的示例框图。

图10是用于基于α和β葡萄糖端基异构体

图11是用于调节图8D的匀场组件中的匀场线圈的电流以校正轴对称磁性的孔中的静磁场(B

从以下结合附图的描述中，将显现本文所述示例实施例的其他方面和特征。

具体实施方式

下面将描述根据本文的教导的各种实施例，以提供所要求保护的主题的至少一个实施例的示例。本文描述的实施例不限制任何要求保护的主题。所要求保护的主题不限于具有以下描述的任何设备、系统或方法的所有特征的设备、系统或方法，也不限于本文描述的多个或所有设备、系统或方法所共有的特征。可以的是本文描述的设备、系统或方法不是任何要求保护的主题的实施例。本文中描述的未在文件中要求保护的任何主题都可能是另一保护性文书的主题，例如继续专利申请，并且申请人、发明人或所有者无意通过本文档中的披露放弃、舍弃或致力于公开任何此类主题。

将理解的是，为了图示的简单和清楚起见，在认为适当的情况下，可以在附图之间重复附图标记以指示对应或相似的元件或步骤。另外，阐述了许多具体细节以便提供对本文描述的示例实施例的透彻理解。然而，本领域普通技术人员将理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本文描述的实施例。在其他情况下，未详细描述公知的方法、过程和组件，以免使本文所述的实施例不清楚。而且，该描述不应被认为是对本文描述的示例实施例的范围的限制。

还应当注意，根据使用这些术语的上下文，如本文所使用的术语“耦合”或“耦接”可以具有几种不同的含义。例如，术语“耦合”或“耦接”可以具有机械，流体或电气含义。例如，如本文所使用的，术语“耦合”或“耦接”可以表示两个元件或设备可以直接彼此连接，或者可以经由一个或多个中间元件或设备经由电或磁信号，电连接，电气元件或机械元件而连接，具体取决于特定的上下文。此外，被耦合的电子元件可以发送和/或接收数据。

除非上下文另外要求，否则在以下整个说明书和权利要求书中，词语“包括”及其变型(例如“含有”和“包含”)应以开放的，包容性的意义来解释，即“包括但不限于”。

还应该注意的是，如本文所使用的，措词“和/或”旨在表示可兼或。也就是说，例如，“X和/或Y”旨在表示X或Y或两者。作为另一示例，“X，Y和/或Z”旨在表示X或Y或Z或其任何组合。

应当注意的是，本文所用的程度术语例如“基本上”、“大约”和“近似”是指修饰性术语的合理偏离量，使得最终结果不会显着改变。这些程度的术语也可以被解释为包括修饰性术语的偏差，例如1％，2％，5％或10％，如果该偏差没有否定它所修饰的术语的含义的话。

此外，本文中端点对数值范围的叙述包括该范围内假定的所有数字和分数(例如1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.90、4和5)。还应理解，所有数字及其分数均假定被术语“约“修饰，这意味着如果最终结果没有显着变化，则最多可参考一定数量的变量，例如1％、2％、5％或10％。

在整个说明书中，对“一个实施例”，“一实施例”，“至少一个实施例”或“一些实施例”的描述是指一个或多个特定特征、结构或特性可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合，除非另有说明不可组合或作为替代选项。

如本说明书和所附权利要求书中所使用的，单数形式“一个”，“一种”和“该”包括复数个指示物，除非内容另有明确规定。还应该注意的是，除非内容清楚地另外指出，否则术语“或”通常以其最广泛的含义使用，即意为“和/或”。

本文提供的本公开的名称和摘要仅是为了方便起见，并且不解释实施例的范围或含义。

类似地，在整个说明书和所附权利要求书中，术语“通信”如“通信通路”，“通信耦合”以及诸如“通信地耦合”之类的变型中，通常用于指代用于传输和/或交换信息的任何设计方案。通信通路的示例包括但不限于：导电路径(例如，导电线，导电迹线)，磁路径(例如，磁介质)，光学路径(例如，光纤)，电磁辐射路径(例如，无线电波)或其任意组合。通信耦合的示例包括但不限于电耦合，磁耦合，光学耦合，无线电耦合或其任意组合。

在整个说明书和所附权利要求书中，经常使用不定式动词形式。示例包括但不限于：“检测”，“提供”，“发送”，“通信”，“处理”，“路由”等。除非特定上下文另有要求，否则此类不定式动词形式应以开放的，包容性的含义使用，即“至少要检测”，“至少要提供”，至少要发送”，等等。

本文描述的系统和方法的示例实施例可以被实现为硬件或软件的组合。在某些情况下，可以至少部分地通过使用一个或多个计算机程序，在包括至少一个处理元件和数据存储元件(包括易失性存储器，非易失性存储器，存储元件或其任意组合)。这些设备还可以具有至少一个输入设备(例如键盘，鼠标，触摸屏等)，以及至少一个输出设备(例如显示屏，打印机，无线电等)，具体取决于设备的性质。

如背景技术部分所述，用于测量血液样本中代谢物水平的常规技术通常是侵入性的、不准确的且不可重复的。例如，当前的血糖测量技术需要用穿刺器刺穿受试者的皮肤，以将少量血液样本沉积在具有生物化学反应性的、一次性使用的且单一目的的测试条上。每个血液样本都需要新的沉积物。反复穿刺皮肤的不便以及与为每批样本购买新的测试条相关的成本负担，经常成为频繁进行血糖测试的障碍。对于患有1型糖尿病或2型糖尿病晚期且需要频繁测试以确保正确的胰岛素剂量决策的个体，这尤其令人担忧。

当前的葡萄糖测试技术还遭受测量不准确的困扰。平均而言，葡萄糖测量测试条的误差范围在5％至20％之间，统计学置信水平为0.95。这种不准确度通常是由制造公差以及影响测试条的电化学反应的外部影响(例如温度，湿度，高度，血细胞比容水平和常见药物的存在)造成的。据认为，在0.95的统计学置信水平下，血糖仪的测量误差需要小于+/-2％，才能充分减少胰岛素剂量决策误差，进而避免糖尿病的进展和与糖尿病相关疾病(例如心脏疾病、肾脏疾病和其他与糖尿病有关的疾病)的风险增加(参见例如J.C.Boyd和D.E.Bruns[1])。

用于穿刺皮肤的血糖测试穿刺器的使用者之间的共享也关联了感染。在医疗机构中发生的乙型肝炎疫情可以追溯到共享测试穿刺器，在提供血糖测试服务的公共卫生展销会处也报道了不安全的实践。

开发替代的非侵入性血糖仪的尝试在很大程度上是不成功的，并且以其他方式在临床上是不可行的。举例来说，一些尝试使用了包括拉曼或近红外光谱的光学测量来检测循环血液中葡萄糖的浓度。然而，由于光不能深深地穿透皮肤，所以这些尝试在很大程度上是无效的。此外，反射或透射的光(即，用于测量葡萄糖浓度的光)通常缺乏足够的光谱分辨率来将葡萄糖与人体内的许多葡萄糖样分子(例如糖化蛋白)区分开。由于类似的原因，依赖于微波和热谱学的其他尝试也是无效的。

在本文所述的实施方案中，提供了一种可以用于受试者或测试样本中的各种常见代谢物的重复的、非侵入性和非破坏性的测试的核磁共振(NMR)设备(也称为磁共振波谱(MRS)设备)。NMR设备测量和定量各种代谢物的能力允许该设备在各种代谢性疾病(例如糖尿病)的管理以及临床研究中得到广泛的应用。

在各种实施例中，NMR设备可以被提供为便携式设备，其可以以方便、紧凑且易于运输的形式可利用并且适合于日常消费者应用。便携式设备可以通过扫描在设备的侧面孔(或腔)内接收的受试者手指或测试血液样本来执行重复式的体内或体外代谢物测量。特别地，通过扫描受试者手指(而不是穿刺皮肤)，以及去除每次测量都需要购买新的单用途测试条的做法，患者被鼓励频繁地使用便携式NMR设备进行代谢物水平监测。

在一个示例应用中，便携式NMR设备配置为执行葡萄糖测试并以0.95的统计学置信水平以小于+/-2％的测量不确定度返回葡萄糖浓度结果。这种准确度水平确保了将胰岛素剂量决策错误降到最低，并改善糖尿病患者的血糖控制。

在至少一些实施例中，NMR设备被配置为仅使用受试者的手指或测试样本的一次或两次扫描就可以提供高准确度的代谢物水平测量结果，并在5到12秒的竞争性时间内提供结果。

特别地，并且如本文中更详细地描述的，便携式NMR设备可操作以通过采用新颖且紧凑的轴对称分段式永磁体组件来提供高测量准确度，该组件跨接收了受试者手指或测试样本的孔(或腔)施加强且接近空间均匀的静磁场。紧凑型永磁体组件产生的高磁场强度允许该设备生成具有高信噪比(SNR)的代谢物水平测量值。在至少一个实施例中，永磁体组件可以产生大于1.5特斯拉但小于2特斯拉的静磁场强度(以便遵守各种消费者安全法规)。在至少一些实施例中，由永磁体组件产生的静磁场的强度为至少1.68特斯拉，这表示了相对于在NMR应用中使用的当前紧凑型永磁体组件的改进。

在本文所述的实施例中，由永磁体组件产生的近乎均匀的静态场由匀场组件校正，该匀场组件将静态场的均匀性校正为小于0.1ppm(百万分之一)。在至少某些情况下，匀场组件可以将静态场的均匀性校正为大约0.01ppm。这种水平的场均匀性提供了高光谱分辨率，并允许以高程度的统计学置信水平对多种代谢物进行定量。在本文所述的各种实施例中，匀场组件需要精确产生的电流以实现将静态场的空间不均匀性校正为大约0.01ppm的目标均匀性。与传统的Halbach磁体设计(在磁体孔中具有相似的工作体积)相比，轴对称分段式永磁体设计需要更少的匀场电流，这是因为其固有的B

所提出的轴对称永磁体组件还展示了改进的三维磁场约束特性。更特别地，永磁体的特征在于限制了5高斯磁场线，并且在其他方面与每天的消费应用兼容。

先前开发便携式NMR设备的尝试在开发永磁体架构时面临挑战，该永磁体架构类似地生成足够的静态场强和场均匀性以产生具有足够准确度的测量，同时满足场约束规则。例如，大型且复杂的磁体设计经常被用来生成强磁场，但却与局部和临床用途不兼容。在使用了更小、更紧凑的永磁体组件的地方(例如Halbach圆柱磁体设计)，这些磁体组件产生了场均匀性差的静态场，这需要强的匀场组件，而其电流需求是小型便携式电源无法提供的。

在本文中还描述的各种实施例中，便携式NMR设备使用发射线圈和接收线圈来生成和接收RF激励场(B

根据本文提供的教导，便携式NMR设备还使用光谱仪接收单元，该光谱仪接收单元生成具有低信噪比(SNR)的信号。在各种情况下，接收单元具有低噪声设计，其被表征为噪声小于的1.1nV/√Hz(作为参阅输入(RTI))。通过使用低噪声放大器，本地振荡器，自动增益控制器和高分辨率模数转换器的结合，接收器单元能够生成低噪声和高SNR输出信号。接收单元的低噪声设计有助于便携式NMR设备生成具有高统计学置信水平的测量值。

在一个示例应用中，便携式NMR设备可用于通过测量受试者循环血液或测试血液样本中的α和β端基异构体

现在参考图1A，示出了体内和非侵入性代谢物测试系统100A的示例实施例。代谢物测试系统100A包括用于进行代谢物水平测量的便携式NMR设备104。特别地，便携式NMR设备104提供了测量代谢物水平的常规仪器的方便、紧凑、低成本和更高准确度的替代方案。这样，便携式NMR设备104可以找到每天消费者使用的应用(例如，在家庭环境中)，而不仅仅是机构或实验室设置。

在至少一个示例应用中，NMR设备104可以用于测量糖尿病患者的重要代谢物水平，包括葡萄糖，糖原，BHB和酮症酸中毒标志物。如前所述，通过以适合家庭环境的紧凑和便携式形式提供NMR设备104，从而可以鼓励糖尿病患者以及患有其他代谢物疾病的其他患者更频繁地使用该设备，从而有助于频繁地进行葡萄糖或其他代谢物检测。

在其他示例应用中，便携式NMR设备104尤其可以用于执行以下至少一项：药物剂量测量，血液酒精水平测量，阿片样物质检测和定量，重度烧伤重症监护病房中的葡萄糖监测，管理代谢性疾病(例如PKU，IBS)的代谢物水平监测。在各种情况下，这些代谢物的测量可以与葡萄糖浓度水平的测量分开地或同时地进行。

仍然参考图1A，便携式NMR设备104包括磁体组件，该磁体组件具有磁体孔106(另称为孔，腔，孔腔或磁体腔)，其接收受试者手指(例如，拇指)或血液测试样本。如图所示，孔106通常位于便携式NMR设备104的侧面。在至少一些实施例中，便携式NMR设备104可以被设计成具有圆柱形状和垂直对称轴，以允许受试者将他们的拇指放置在孔106的内部而同时使他们的手指缠绕在设备的外表面上。为此，设备104可以被设计成对称的，以适应惯用右手或惯用左手的用户。在至少一些情况下，便携式NMR设备104还可以具有平坦的底表面104a或平坦的顶表面104b，使得该设备容易地位于平坦或平面的表面(例如，家用台面上)上。在其他实施例中，便携式NMR设备104的外壳可以是非圆形的。

在将受试者的手指或测试样本接收到磁体孔106内的情况下，便携式NMR设备104可以根据本文的教导进行体内(或体外)和非侵入性代谢物测试。测试的结果可以由便携式NMR设备104通过网络116传输到远程设备112。远程设备112可以与正在使用NMR设备104的用户(或受试者)相关联，或者与正在监视受试者或用户的代谢物水平的第三方(例如执业医生)相关联。作为非限制性示例，远程设备112可以是膝上型计算机，计算机终端，移动设备，PDA，平板设备或智能电话。网络116可以是例如无线个人局域网，例如Bluetooth

在至少一些情况下，便携式NMR设备104可以实时或接近实时地与远程设备112通信。在其他情况下，NMR设备104可以将所收集的数据存储在存储设备中，以便以后传输到远程设备112。

在从便携式NMR设备104接收到数据之后，远程设备112可以配置为将接收到的结果在远程设备112的显示屏114上向用户显示。在至少一些示例情况下，可以将应用程序安装在远程设备112上，其被配置为向用户呈现(或显示)从便携式NMR设备104接收的数据。该应用程序可以是例如NMR光谱处理软件程序，其被配置为分析接收到的数据，并且向用户显示原始数据和经分析或处理后的数据中的一者或两者。在各种情况下，应用程序还可以包括图形用户界面(GUI)以用户友好的方式显示结果。

现在参考图1B，示出了体外代谢物测试系统100B的示例实施例。系统100B类似于系统100A，但是被修改用于实验室或机构应用。

系统100B包括取代便携式NMR设备104中的NMR设备120。特别地，NMR设备120具有面向上的磁体腔122，其被永磁体组件126围绕。在各个实施例中，永磁体组件126可具有水平对称轴。磁体腔122接收用于体外实验室测试的测试样本128。测试样本128可以是例如标准的5mm直径和70mm NMR测试管。机械样本支撑部可以位于空腔122内，以将测试管支撑到适当的位置，以由NMR设备120进行测量。NMR设备120还可以包括用于接收和处理NMR信号的光谱仪124。在至少一些情况下，光谱仪124可以位于NMR设备120的支架底座(cradle base)123中。在其他情况下，光谱仪可以是插入实验室工作站外围插槽中的卡，并且可需要扩展连接(例如以太网电缆)以连接到位于NMR设备中的探针。在各种实施例中，支架底座123具有上表面，该上表面具有与NMR设备120的外表面互补的形状，以将NMR设备120保持在稳定的位置。在至少某些情况下，显示屏(例如，LCD屏幕)可以位于或以其他方式附接到支架底座123。该显示屏可以用于例如显示由NMR设备120获得的原始数据或处理后的数据，或者另外地使用户能够控制NMR设备120的操作。

现在参考图2A至图2D，图1A的便携式NMR设备104的操作潜在的一般原理将在此通过示例的方式描述。虽然其余的讨论将集中在图1A的便携式NMR设备104上，但是将理解的是，该讨论同样适用于图1B的NMR设备120。

首先参考图2A，示出了示例性

便携式NMR设备104首先通过跨磁体孔106施加均匀的静磁场(B

在简化模型中，由NMR设备104生成的静磁场(B

样本将包含质子系综(或原子核)，每个质子以独立的磁矩表征。由质子系综中的每个质子产生的磁矩的矢量和被表示为净磁矩(M

在将静磁场(B

一旦由静态场(B

在各种实施例中，RF激励场(B

ω

拉莫尔频率也受称为“化学位移”的原理的影响。“化学位移”是由于质子被其分子键合环境而对静态场(B

其中(f)是目标质子的共振(或拉莫尔)频率，而f

如本文进一步详细解释的，化学位移的原理对于便携式NMR设备104在葡萄糖浓度测量中的应用是重要的。更具体地，化学位移允许NMR设备104将与已知葡萄糖碳原子键合的

以共振频率或拉莫尔频率施加的RF激励场(B

α＝γB

其中，γ是旋磁比，B

磁矩的偏移还导致磁矩以称为“进动(precession)”的运动绕静磁场(B

现在参考图2B，由于激励场(B

现在参考图2C和2D，一旦去除了射频激励场(B

类似于进动期间的磁矩(M

自旋-晶格弛豫(T1)描述了在与静磁场(B

特别地，在T2弛豫期间释放的能量生成了自由感应延迟(FID)信号或磁共振信号。FID信号是一个正弦信号，以拉莫尔频率和横向磁分量(M

现在简要地参考图2E，示出了T1和T2弛豫的很大程度上简化的模型。如图所示，在质子以90度角激发后，净磁矩完全在横向平面中开始。随着磁矩恢复平衡，沿z轴的矢量分量(M

其中Ω＝ω

如至少由等式(6)和(7)所指示的，FID信号的M

现在简要地参考图2F，示出了示例曲线图200F，其示出了作为T2弛豫的结果而生成的示例FID信号。如图所示，FID信号由T2时间常数下的衰减包络来表示。

在本文所述的实施例中，通常地，通过测量FID信号作为位于便携式NMR设备104的磁体孔106内的一组接收器线圈上的感应出的交流电压来测量代谢物水平。特别地，磁共振或FID信号的电压幅度S

其中n是接收线圈螺线管的匝数，r是接收线圈螺线管的匝的半径，l是接收线圈的半长，M

等式(8)还表明，磁共振信号S

现在参考图3A，示出了NMR谱图300A，其示出了考虑到每个质子的化学位移特性后，位于葡萄糖分子中(或键合在其内)的各种

如图所示，葡萄糖分子具有十二个

尽管NMR谱图300A示出了光谱线与葡萄糖氢质子的一对一映射，但实际上，由于称为“同核自旋耦合”或“自旋-自旋耦合”的现象，可能无法进行一对一映射。自旋-自旋耦合导致了与单个葡萄糖氢质子相关联的单个光谱线解析(resolve)为两个或更多个光谱线。更特别地，自旋-自旋耦合是由葡萄糖分子中附近或邻近的氢质子自旋所产生的磁干扰产生的。如本文进一步详细描述的，减轻自旋-自旋耦合的影响需要自旋-自旋解耦技术的应用。

在至少一些实施例中，便携式NMR设备104可以通过施加位于葡萄糖分子中的七个可见氢质子与NMR谱图中的对应共振信号峰的一对一映射来确定血糖浓度。该方法应用了宽带自旋-自旋解耦技术，其将与一个氢质子相关联的多个光谱线解析为单个光谱线。更具体地，为了从其他代谢物解析3ppm至4ppm之间(区域308)的葡萄糖光谱线，便携式NMR设备104被配置用于高光谱分辨率，并施加具有0.01ppm均匀度的静磁场。

在本文进一步详细描述的其他实施例中，便携式NMR设备104也可以仅使用α和β端基异构体

测量α和β端基异构体氢质子的共振峰使得NMR设备104能够生成具有0.95的高统计学置信水平以及准确度(ε)为血糖浓度的真实水平的+/-2％的测量结果(假设标称平均血糖浓度为5.5mM(毫摩尔/升))。+/-2％的准确度(ε)下的0.95的统计学置信水平允许可以做出准确的胰岛素剂量决策，并且表示出相对于传统的指尖针刺血糖仪而言的改进，后者在0.95的置信水平下实现5％至20％的准确度。尤其是，便携式NMR设备能够通过使用NMR设备104的仅受试者手指或测试样本的一次或两次扫描来生成具有这种高水平准确度的测量结果，并且竞争性时间范围不超过12秒。在各种实施例中，当血糖浓度大于5.5mM的情况下，可获得更高的测量准确度和/或统计学置信水平。

根据本文的教导，根据等式(9)中表达的误差函数确定0.95的统计学置信水平(CL)：

其中Δf是测量带宽(例如，接收到的FID信号的测得频率范围)，σ

等式(9)中的接收到的信号中的噪声(σ

等式(9)中的测量带宽Δf是FID(或T

其中ΔB

置信水平还与磁共振信号(S

应当理解，仅测量α端基异构体的共振峰不足以实现在+/-2％的误差下的0.95的统计学置信水平。

现在参考图3B，示出了基于仅α端基异构体

如图所示，在+/-2％的误差下，在静磁场(B

因此，除非获得α端基异构体

另外，通过以适当的恩斯特(Ernst)角旋转α端基异构体

其中，T

现在参考图3C，示出了基于α和β端基异构体

如图所示，在接收器噪声低于1.2

现在参考图10，示出了用于基于α和β葡萄糖端基异构体

在动作1002中，将静磁场(B

在动作1004和动作1006，应用了一种用于抑制水信号的方法。特别是，由于β端基异构体

因此，在动作1004中，水抑制方法包括首先向受试者手指或测试样本施加RF激励脉冲(B

在至少一些实施例中，长频率选择性脉冲(B

|sinc(πΔfτ)| (12)

其中τ是根据等式(13)计算的矩形脉冲的持续时间：

τ＝(f

其中f

现在简要地参考图3D，示出了在施加频率选择性脉冲(B

如图所示，|sinc(πΔfτ)|脉冲(如实曲线所示)激发了水信号，而β葡萄糖端基异构体

为了确保α和β端基异构体氢质子均位于频率零点，在一些实施例中，RF激励脉冲(B

|sinc

其中，脉冲持续时间τ根据等式(13)定义。

仍然参考图3D，由虚线示出了由等式(11)生成的三角激发。如图所示，α和β端基异构体氢质子共振峰现在都位于频率零点。因此，三角脉冲响应确保了即使在零频率定位中存在小的误差，代谢物磁化也不会受到干扰。

根据等式(15)表示长频率选择性脉冲(B

其中τ是脉冲持续时间，而γ是目标原子核的旋磁比。对于163ms的脉冲持续时间(τ)(例如，根据等式(13)确定的)，在氢的旋磁比下，所需的RF激励场(B

因此，在各种实施例中，RF激励信号(B

DANTE技术将单个矩形脉冲(该矩形脉冲实现到横向平面上的90°位移)分割成一系列的持续时间(t

τ＝nt

DANTE序列导致了由(t

现在参考回图10，在动作1006，将失相脉冲场梯度(PFG)施加到水信号。尤其是，PFG衰减了由水信号生成的FID信号，并允许测量α和β端基异构体的共振，而不会受到水信号的干扰。

现在简要地参考图3E，示出了脉冲场梯度(PFG)对水信号的影响的示例说明。如图所示，在向水信号施加90°脉冲后，水信号的净磁矩旋转到横向平面上。自旋在90°脉冲后是相干的，因此，以相同的速率绕z轴进动以产生净磁矩。

PFG是沿轴线作为静磁场(B

如前所述，返回到z轴的弛豫以T1指数速率发生(参见等式(5))。血液中水分子的T1弛豫为约1.4秒。因此，PFG应具有明显小于1.4秒的脉冲持续时间。在至少一些实施例中，也可以通过使用双曲正割脉冲(例如绝热RF脉冲)来实现水抑制。但是，双曲正割脉冲在有限的频带上产生了磁化激发，因此，它们的时域脉冲是无限的，且必须被截断，这一过程增加了过渡带宽度并在磁化中引入了频域变化。这与上述技术的使用形成对比，上述技术仅在感兴趣点处限制频域磁化轮廓并导致消除了截断的有限时间范围的RF脉冲。

在动作1008，施加第二RF激励脉冲(B

在动作1010，施加较低功率的连续波(CW)辐射以实现同核去耦。动作1010可以与动作1008至少部分地相伴执行。

CW辐射将α和β端基异构体

由于

在至少一些实施例中，以低于12mW/克组织的功率施加CW辐射。

在动作1012处，并且在至少一些实施例中，应用磁共振测速(MRV)技术以便在由位于血浆中以及另受动脉或静脉血流影响的葡萄糖分子产生的共振信号、与从可位于例如人体组织中且为固定状态的葡萄糖分子产生的共振信号之间进行区分。特别是，MRV可以找到特定的应用，其中在NMR设备104的孔106内接收的受试者手指(即，而不是测试血液样本)中测量血糖浓度水平。在这些情况下，MRV确保了测得的血糖浓度水平仅限于位于在受试者手指中循环的血液中的葡萄糖浓度，并且不另外地包括位于受试者组织中的葡萄糖的葡萄糖浓度水平。

更具体地说，MRV用于在固定式质子自旋和作为流体流动的一部分的自旋之间进行区分。由于动脉血流速度在4.9cm/s至19cm/s之间，而静脉血行进速度在1.5cm/s至7.1cm/s之间，因此MRV可用于区分受动脉或静脉血流影响的葡萄糖与另为固定状态(即位于组织中)的葡萄糖。

现在简要地参考图3F和3G，将在这里进一步详细解释MRV的基础原理。

现在首先参考图3F，示出了示例性双极梯度脉冲(BGP)，其可以作为MRV技术(也称为流编码梯度)的一部分被施加到受试者手指。BGP通常以与动作1006中施加的脉冲场梯度相似的方式起作用。更具体地，BGP是沿着静磁场(B

如图3F所示，BGP包括第一正分量302F(即，具有正双极梯度)，其后是第二负分量304F(即，具有倒置的负双极梯度)。

现在参考图3G，示出了当将BGP施加于固定质子时的效果。特别地，在施加了BGP的第一正分量302F之后，质子的磁矩的横向分量的进动速率被梯度场所扰动(例如，进动速度例如可以作为BGP的结果而被加速，导致了对横向分量的相移)。特别地，可以根据等式(17)来表达在给定时间(τ)由BGP进行的在质子自旋的群组中引起的相移。

其中

ω(t)＝γ(B

其中B

在图3G所示的示例中，BGP使横向分量在302G处经历大约5弧度的相移。在施加第一正分量302F之后，施加了BGP的第二负分量304F。第二负分量具有反转(或倒置)由于第一正分量302F而对进动引起的扰动的作用。因此，如在图3G中所观察到的，在304G期间，反转了对磁矩的横向分量的5毫弧度的相移，导致净相移为零。这样，BGP的正负分量的大小和持续时间被设计为将固定的自旋共振相位提前和滞后精确相同的量，以使自旋返回其原始相位。

如图3G还示出了将BGP施加于以恒定速度运动的质子(例如，可流经受试者的静脉和动脉的α和β端基异构体葡萄糖氢质子)时的效果。如图3G假设将0.2mT/cm的沿x轴(G

如图3G所示，当施加BGP的正分量302F时，在磁矩的横向分量中累积的相移的大小变为是二次方的(例如，306G)。这是因为随着质子沿x轴移动(即，通过动脉或静脉)，质子相对于梯度场(即，沿x轴变化)正在改变其空间位置。因此，在BGP正分量的脉冲持续时间内，运动的质子不断受到可变磁场的影响。当随后施加负分量304F时，作为正分量的结果的对磁矩的累积相移不会反转(即，如质子固定时的情况)。这是因为质子现在沿梯度轴线位移并且不再经历曾在正分量302F期间施加的精确倒梯度。因此，在图3G中，倒分量产生了约-3毫弧度的逆或净相移(例如，308G)。

鉴于前述内容，经受恒定速度的质子(例如循环血液中的质子)在施加BGP之后经受了净相移，而固定(例如位于组织中)的质子在BGP之后经历了零净相移。因此，该性质用于在由位于血液中的葡萄糖分子产生的共振信号、与由位于例如组织中的葡萄糖分子产生的共振信号之间进行区分。

在本文描述的各种实施例中，在需要MRV的情况下，方法1000被应用两次以将血糖从组织葡萄糖解析出。特别是，在方法1000的第一次迭代和第二次迭代之间应用了不同的BGP。通常，在第二次迭代中施加原始BGP的倒置版本。可以减去从方法1000的两次迭代中产生的结果(例如，共振信号)，以提供特定于流动式自旋的测量。可替选地，可以将两次迭代的结果相加，以提供手指组织中葡萄糖浓度的测量结果。

在动作1014，基于T2弛豫来测量α和β氢端基异构体的FID信号。特别地，并且如本文中进一步详细解释的，FID信号由位于便携式NMR设备104的磁体孔106内的一组接收器线圈检测。

在动作1016，将所测量的FID信号转换到频域，以便生成NMR频谱(例如，图3A)。在至少一些实施例中，频域转换是通过离散傅立叶变换(DFT)实现的。通过将α和β端基异构体的共振峰解析为单个光谱峰，可以促进DFT。在其他实施例中，作为非限制性示例，频域转换还可以通过离散余弦变换(DCT)或离散正弦变换(DST)来实现。

在动作1018，将从NMR频谱确定出的α和β端基异构体共振幅度转换成葡萄糖浓度。

在至少一些实施例中，通过将以下相关联来实现葡萄糖浓度转换：(a)α和β端基异构体的共振峰(例如，根据NMR频率图确定)关联于(b)已知的参考葡萄糖浓度水平。例如，位于便携式NMR设备104中的存储器单元可以存储特定共振幅度和已知参考葡萄糖浓度水平之间的相关信息。因为共振幅度与葡萄糖浓度水平线性相关，所以可以在存储器单元中没有直接相关信息的情况下使用内插法。

在其他实施例中，使用ERETIC(获取体内浓度的电子参考)方法实时实现转换。ERITEC在NMR频率图中生成人工电子参考共振峰，然后将其用于确定绝对浓度水平。

在其他实施方案中，可以在不直接参考的情况下确定葡萄糖浓度水平。例如，可以测量葡萄糖

N

其中N

端基异构比率根据循环血液或血液测试样本的葡萄糖浓度，温度和pH值而变化。在各种实施例中，可以测量温度和pH，以便能够根据在自由感应衰减信号中测量的端基异构体比率确定葡萄糖浓度。例如，可以通过激发受试者手指或测试血液样本中的肌肽分子并测量所生成的FID信号来体内测量细胞内pH值(例如，参见R.A.d.Graaf[2])。

在各种情况下，同时测量α和β端基异构体(而不是仅端基异构体之一)有助于提高测量的可重复性，并减少由于端基异构体比率的变化而引起的误差。

仍在其他实施例中，谱编辑(spectral editing)可用于将葡萄糖与大分子如糖基化蛋白质区分开。该功能很重要，因为糖基化蛋白质通常具有NMR共振，该共振与葡萄糖的化学位移基本重叠。糖尿病疾病进展的特征在于糖基化蛋白质随时间增加。通常，代谢物的T1值比经历更快的自旋-晶格弛豫的大分子要高得多，这一差异可以用来使大分子信号为空。测量代谢物之前的非选择性反转恢复序列(180°-td)可用于使大分子响应为空。在各种实施例中，恢复延迟通常设置为td＝T1_mm*In(2)，以使得当测量代谢物时，大分子净磁化强度为零。

现在简要地参考图3H，示意性地示出了基于α和β葡萄糖端基异构体

现在参考图4A，示出了根据本文教导的另一方面的图1A的便携式NMR设备104的示例实施例的简化框图400A。如图所示，便携式NMR设备可以被实现为通常包括：与通信模块432、电源模块412、存储器单元414、发射单元416和接收单元420通信的处理器单元404，以及匀场控制单元422。在至少一些实施例中，处理器单元404可以进一步与触摸传感器426，敲击传感器428和伺服电动机430中的一个或多个通信。

根据本文提供的教导，处理器单元404可以被配置为执行多个指令以控制和操作便携式NMR设备104的各种部件。在一些实施例中，可以使用通信模块432将指令从远程设备112发送到处理器单元404。在其他实施例中，可以用特定指令来预配置处理器单元404。可以响应于特定事件或特定事件序列或以特定时间间隔执行预配置指令。处理器单元404还可被配置为从NMR设备104的各个部件接收数据，并使用该数据进行特定的确定，如本文中进一步详细描述的。然后可以将确定结果存储在存储器单元414中和/或将确定结果发送到通信模块432以传输到远程设备112。

存储器单元414可以是例如存储计算机可执行指令和数据的非易失性读写存储器，以及可以被处理器单元404用作工作存储器的易失性存储器(例如，随机存取存储器)。

电源模块412可以是例如能够在预定时间段内向便携式NMR设备104供电的电池。例如，电池可以是紧凑型电池，诸如锂离子(Li-Ion)电池，其被配置为被容纳在便携式NMR设备104内。在一些其他实施例中，电源模块412可以是感应式电源模块，其可以接收无线发送的功率并将功率提供给便携式NMR设备104。在其他实施例中，可以使用位于便携式NMR设备104上的USB接口对电源模块412进行再充电。

通信模块432可以被配置为向远程设备112发送数据或信息，或者从远程设备112接收数据或信息。通信模块432可以例如包括无线发射机或收发机和天线。在一些实施例中，通信模块432可以从远程设备112接收指令或数据，并且将指令或数据发送到处理器单元404。因此，通信模块432可以被配置为提供双工通信。

发射单元416(也称为光谱仪发射单元416)可以耦合到探针设备408的发射线圈408a。发射线圈408a可以位于磁体孔腔402内，其类似于图1的磁体孔106。在本文中进一步详细描述的各种实施例中，发射单元416可以被配置为驱动发射线圈408a以产生脉冲RF激励场(B

接收单元420(也称为光谱仪接收单元420)可以类似地耦合至探针设备408的接收线圈408b。接收线圈408b也可以位于孔腔402内。在本文中进一步详细描述的各个实施例中，接收线圈408b可以被配置为接收由位于孔腔402内的样本产生的信号(例如，FID信号)。接收线圈408b然后可以将信号发送到接收单元420，这减小了信号噪声，并且随后将信号发送到处理器单元404以进行进一步分析。在其他实施例中，处理器单元404可以将接收到的信号传递到通信模块432，通信模块432然后可以通过网络106将该信号发送到远程设备112。安装在远程设备112上的应用程序可以配置为分析或处理原始信号数据，以例如确定代谢物水平。

由于NMR波谱法需要跨磁体孔402产生均匀的静态场，因此匀场控制单元422可以耦合到处理器单元404。匀场控制单元422继而耦合到设置在磁体孔402内的一组匀场线圈424。如本文中进一步详细解释的，匀场控制单元422驱动匀场线圈424以在孔腔402内产生补偿磁场，以补偿由位于便携式NMR设备104中的永磁体产生的静磁场(B

在至少一些实施例中，便携式NMR设备104还可包括触摸传感器426、敲击传感器428和伺服电动机430中的一个或多个。

触摸传感器426(也称为近距离传感器426)可以位于孔402的内部，并且可以用于检测在孔402内容纳的受试者手指或测试样本的存在。在至少一些实施例中，触摸传感器或近距离传感器426还可用于检测手指或测试样本是否正确地定位在孔402内。如果确定手指或样本被正确定位，则传感器426可以将信号发送到处理器单元404，以指示处理器单元404激活便携式设备104的各种硬件部件以进行代谢物测试。在至少一些情况下，可以包括多于一个的触摸传感器426，以更准确地确定受试者手指或测试样本是否被精确地定位在孔内。在各种情况下，触摸传感器426可以是提供模拟值读数的电容性设备。因此，如果触摸传感器426检测到受试者手指或测试样本被正确地定位，则与受试者手指或触摸传感器被错误地定位的情况相比，触摸传感器426可以产生更高的模拟读数。

触摸传感器426还可以包括指纹读取器，该指纹读取器在体内测量中标识标签。例如，触摸传感器426可以位于磁体孔402内，并且可以接收位于孔402内的受试者手指。当数据或测量结果由便携式NMR设备104收集时，触摸传感器426可以以有关受试者指纹的信息而给数据打标记。在至少一些实施例中，该信息然后可以被存储在例如存储器单元414中以供以后检索。在多个受试者使用便携式NMR设备104的情况下，给代谢物测试结果加标签的身份标识可以是有用的(即，可以根据每个用户各自的指纹信息来存储数据并对其进行分类)。在其他实施例中，便携式NMR设备104可以被配置为将用户的指纹与对应的远程设备112相关联。便携式NMR设备104可以相应地使用来自指纹读数的信息来确定哪个远程设备112应该接收代谢物测试结果。

敲击传感器428可以被结合到便携式NMR设备104中，以提供给设备加电的便利机制。例如，受试者可以触摸敲击传感器428，并且继而，敲击传感器428可以激活处理器单元404。在至少一些实施例中，敲击传感器428可以是加速度计。

在至少一些实施例中，磁体孔402还可包括位于磁体孔402的开口处的可移动门或滑动门。当要进行测试时，滑动门打开以提供通向孔402的访问。因此，激活敲击传感器432可以导致激活伺服电动机430，该伺服电动机430打开通向孔腔402的门。

现在参考图4B，示出了其更详细地示出框图400A的各个部件的电路图400B。

如图所示，处理器单元404可以包括微控制器404a，单板计算机(SBC)404b和现场可编程门阵列(FPGA)404c。在各个实施例中，微控制器404a、SBC 404b和404c可以包括单个单元。

微控制器404a可以从敲击传感器428接收输入，并且响应于从敲击传感器428接收的输入信号，微控制器404a可以控制或激活伺服电动机430以打开通向磁体孔402的访问门。微控制器404a还可以被配置为，响应于从敲击传感器428接收到激活信号而激活单板计算机(CPU)404b。在至少一些实施例中，微控制器404a可以是低功率微控制器，例如Arduino板。

单板计算机(SBC)404b一旦被微控制器404a激活，就可以控制便携式NMR设备104的各种电气硬件元件。例如，SBC 404b可以控制匀场控制单元422驱动匀场线圈424以产生补偿磁场，该补偿磁场补偿了由永磁体提供的磁场中的空间不均匀性以提供更均匀的静磁场(B

FPGA(数字信号处理器)RAM 404c可以被配置为生成被发送到发射单元416的信号，并接收由接收单元420生成的信号。

仍然参考图4B，如前所述，发射单元416被配置为驱动发射线圈408a产生脉冲RF激励场(B

为此，发射单元416可以包括同相传输通路432和正交传输通路434。同相传输通路432可以被配置为驱动发射线圈408a中的第一发射线圈436a，以生成RF激励信号(B

同相和正交传输通路432、434中的每个包括分别通过宽带变压器或平衡-不平衡变换器(balun)432c，434c耦合到无源带通滤波器432b，434b的数模转换器(DAC)432a，434a。变压器432c，434c可以提供电流隔离和阻抗匹配。可以选择每个变压器432c，434c的匝数比以实现最佳阻抗匹配。在各种实施例中，DAC 432a，434a接收由处理器单元404(或FPGA404c)生成的数字信号，并将数字信号转换为模拟信号。DAC 432a，434a还可接收在两个DAC之间同步的采样时钟信号。然后，将由DAC 432a，434a产生的模拟信号跨过变压器432c，434c发送到无源带通滤波器432b，434b。特别地，带通滤波器432b，434b接收由DAC432a，434a生成的信号，并且针对频率的预定通带范围内的频率对信号进行滤波。在各种情况下，通带范围可以包括针对一个或多个目标核系综的一个或多个拉莫尔(或共振)频率。

类似于发射单元416，接收单元420包括耦合到第一同相接收线圈438a的同相接收通路440、和耦合到第二正交接收线圈438b的第二正交接收通路442。如本文中进一步详细解释的，同相接收线圈438a被配置为接收(或检测)FID信号的同相分量，而第二正交接收线圈438b被配置为接收FID信号的正交分量。(例如，参见等式(6)和(7))。在至少一些实施例中，接收线圈438可以与发射线圈436相同。在这些情况下，可以使用快速PIN二极管开关来在发送模式下断开接收器输入。至少在某些情况下，两个PIN开关串联使用以改善隔离度。

每个接收通路440、442包括在输入端处耦合到每个接收线圈438a，438b的无源带通滤波器440a，442a。每个带通滤波器440a，442a可具有与发射单元416中的带通滤波器432b，434b类似的拓扑。根据本文的教导，带通滤波器440a，442a可以被配置为对包括目标核的一个或多个拉莫尔频率的窄频率范围进行滤波。

然后，由带通滤波器440a，442a产生的经滤波信号被通过分别耦合到带通滤波器440a，442a的输出端的宽带变压器和/或平衡-不平衡变换器440b，442b。类似于发射单元416的变压器432c，434c，变压器440b，442b可以提供电流隔离以及阻抗匹配。在至少一些实施例中，每个变压器/平衡-不平衡变换器440b，442b的出站(或次级)绕组的一端可以被中心抽头以用于局部接地参考。可以选择每个变压器440b，442b的匝数比以实现最佳阻抗匹配。

每个变压器440b，442b在出站绕组的一个节点处分别耦合到串联连接，该串联连接包括低噪声放大器(LNA)440c，442c，可变增益放大器(VGA)440d，442d，本地振荡器(LO)440e，442e和模数(ADC)转换器440f，442f。LNA，VGA，LO和ADC用于降低信号噪声并提高FID或代谢物信号水平以实现更高的测量准确度。在各种实施例中，这些部件的组合允许低噪声接收器设计，其实现了低于1.1nV/VHz(作为参阅输入(RTI))的噪声水平。

在至少一些实施例中，诸如锁相环(PPL)时钟发生器444之类的时钟发生器可以耦合至LO 440e，440f以及ADC 440f，442f。

更具体地，LNA 440c，442c被配置为用作前置放大器级，以实现总体上较低的接收器噪声系数。在至少一些实施例中，LNA 440c，442c被配置为产生低于一分贝的总噪声水平。LNA 440c，442可以例如由GaAs E-pHEMT技术形成。

VGA 440d，442d分别耦合到LNA 440c，442c的输出节点，并且被配置为增强接收到的FID信号的幅度。特别地，VGA 440d，442d增强FID信号，以便减轻寄生信号产物，该寄生信号产物随后将被LO和ADC引入到FID信号中。

在至少一些实施例中，VGA 440d，442d可以进一步被并入到自动增益控制器(AGC)电路中，该电路被配置为提供增益控制并限制VGA 440d，442d的输出。为此，AGC可以使用反馈环路，该反馈环路解决了VGA 440d，442d的输出和内部参考阈值之间的差异。将VGA并入到AGC中确保了LO混频器不会过载。例如，LO混频器可能在执行不充分的水(或溶剂)抑制时过载，因此，接收到的FID信号不仅包括葡萄糖质子的共振信号，而且还包括位于水中的氢质子的共振信号。为了在较大的输入水平范围内将接收器噪声系数降至最低，AGC设置了最大VGA增益，且不使混频器RF输入过载。

耦合到VGA 440d，442d的输出是LO混频器440e，442e，该LO混频器440e，442e用于从FID信号中滤除其他噪声源，包括例如近距离LO相位噪声，基带1/f噪声以及互调失真(IMD)。特别地，LO混频器440e，442e确保了接收到的信号中的噪声在频谱上是均匀的，具有高斯型幅度分布，并且不会被其他噪声信号破坏。这符合在等式(9)中计算统计学置信水平时使用的假设。在至少一些实施例中，LO 440e，442e被配置为将接收到的FID信号从目标质子的拉莫尔频率偏移至少100kHz。

ADC 440f，442f分别接收LO混频器440e，442e的模拟输出信号，并将其转换为数字信号。在至少一些实施例中，ADC 440f，442f是高分辨率16位采样ADC。例如，ADC 440f，442f可以是16位sigma-delta ADC转换器，其被配置为以大于奈奎斯特速率的速率(即，用于量化)对来自LO混频器4403、442e的模拟输出信号进行过采样。在各种情况下，为了减小量化误差并增加信噪比(SNR)，可以将“抖动(dithering)”噪声引入到接收到的信号中(例如，白高斯噪声)。在至少一些实施例中，可以引入“抖动”噪声以确保在FID信号中实现110dB的非谐波杂散水平。至少在某些情况下，ADC具有超宽带模拟输入。在各种实施例中，在2T以下的系统中高达+/-200ppm的化学位移可通过采样速度高于100kSPS的低频或音频sigma-delta转换器来供应。

现在参考图5A，示出了传输电路500A的示例实施例的简化电路图。传输电路500A可以在图4B的同相或正交传输通路432、434中使用。特别地，传输电路500A更详细地示出了带通滤波器432b，434b的拓扑。如图所示，传输电路500A包括数模转换器(DAC)504，变压器506(例如，以N：1的匝数比变压器为特征)，无源带通滤波器508以及发射线圈510a，510b。

如前所述，变压器506可以是用于电流隔离和阻抗匹配的宽带RF变压器。变压器506的特征还可以在于低的插入损耗以最小化噪声系数。在一些情况下，变压器506的初级绕组可以包括中心抽头电阻器505，该中心抽头电阻器505用于DAC 504输出的DC偏置。特别地，中心抽头的变压器可以具有0.5dB至1.0dB的插入损耗。在至少一些实施例中，RF宽带变压器可以是具有低于0.2dB的插入损耗的传输线型宽带平衡-不平衡变压器。

带通滤波器508可以类似于图4B的发射单元416的带通滤波器432b，434b中的任一个。如图所示，带通滤波器508可以是三阶或更高阶的差分带通三通拓扑滤波器。

特别地，带通滤波器508可以包括两个并联分支(即，第一分支和第二分支)，每个并联分支包括与电感器(L

在电容器(C

负载电阻器512串联连接在出站绕组510a和返回绕组510b之间。因为滤波器508提供了跨负载电阻器512的带通(电压)幅度频率响应，并且从三通拓扑低通滤波器合成的带通滤波器具有与负载电阻器512串联的其最终分支电感器510a，510b，所以电感器电流(即NMR线圈电流)也具有相同的幅度频率响应特性。此外，出站和返回线圈电流与每个线圈中RF激励场(B

在各种实施例中，电容器的最大额定电压必须足以应付谐振中的工作电压降。此外，滤波器集总电感L

上述带通滤波器拓扑避免了与常规发射单元相关联的许多问题。特别地，NMR应用中的常规发射单元采用窄带高Q调谐LC电路，该电路使用可调电容器。必须将电容器调谐到给定的工作频率(即拉莫尔或谐振频率)，以实现发射线圈(即LC电路的负载)和传输线之间的阻抗匹配。因此，LC电路对于一个工作频率被阻抗匹配。传统LC电路中的可调电容器也不可靠，需要耗时的昂贵手动调整，并且会引入噪声和增益误差。

相反，根据本文的教导，带通滤波器设计不包括可调电路元件，并且可以操作以对包括一个或多个拉莫尔频率的频率通带而不是仅一个拉莫尔频率进行滤波。例如，此特征可能支持异核NMR实验。例如，在一个应用中，发射通带范围可以包括紧邻的氢

允许在通带范围内(而不是以一个工作频率)的传输频率也适应了永磁体设计中的制造公差。永磁体的剩余磁化强度范围通常在标称值附近变化高达+/-3％。由于拉莫尔频率是静磁场的函数(例如，参见等式(2))，因此剩余磁化强度从标称值的变化会导致拉莫尔频率发生变化。在单个频率下工作的常规LC电路需要恒定的返回频率以适应制造公差。

现在参考图5B，示出了接收器电路500B的示例实施例的简化电路图。接收器电路500B可以在图4B的同相或正交接收通路440、442中使用。如图所示，接收电路500B包括无源带通滤波器508’以及变压器506’。特别地，带通滤波器508’可以类似于图4B的接收单元420的带通滤波器440a，442a。

带通滤波器508’具有与图5A的带通滤波器508相同的设计。为此，带通滤波器508’包括与第一同相接收线圈438a和第二正交接收线圈438b之一的出站和返回线圈绕组相对应的出站和返回线圈绕组510a’，510b’。每个出站绕组510a’和返回绕组510b’可以位于磁体孔内并且被类似地极化(即，同相或正交)。负载电阻器512’串联连接在出站绕组510a’和返回绕组510b’之间。

在至少一些实施例中，变压器506′可以被中心抽头以用于在输出(次级绕组)处接地参考。变压器506’还可耦合到低噪声放大器(LNA)514，其可类似于图4B的LNA 440c，442c。

在各种情况下，带通滤波器508’的通带范围可以不同于带通滤波器508的通带范围。这可以允许在发射器侧产生包括一个或多个同位素的拉莫尔频率的通带范围，而在接收器侧产生仅检测一种特定同位素的拉莫尔共振信号的通带范围。

现在参考图5C，示出了用于图5A的带通滤波器508或图5B的带通滤波器508’的示例频率响应曲线图500C。具体地，曲线图500C示出了用于三阶切比雪夫响应带通滤波器的模拟频率响应，该三阶切比雪夫带通滤波器被设计为支持60MHz至80MHz之间的拉莫尔频率。线圈自谐振表现为在大约200MHz处的阻带为零。

现在参考图6，示出了根据一些实施例的示例线圈组600的示意图。线圈组600的一个实例可以用来实现RF发射线圈408a，而线圈组600的第二实例可以用来实现RF接收线圈408b。

线圈组600可以包括第一同相线圈600A和第二正交线圈600B。在各种实施例中，线圈600A和600B可以是容积线圈，例如螺线管或空气感应器，其在发射端处跨磁体孔106提供更均匀的RF激励磁场(B

仍然参考图6，线圈600A和600B的几何形状可以是根据等式(20)表征的螺旋形线圈几何形状：

C(x，y，z)＝C(R sinθcotα+pθ/2π，R sinθ，R cosθ) (20)

其中，“R”是每个线圈的曲率半径，“Q”是角度参数，“α”是倾斜角度，“p”是螺距。

在图6中，线圈600A，600B被示出为在x方向上纵向延伸并且相对于YZ平面倾斜。当将线圈600放置在磁体孔内时，线圈600的z轴限定了静磁场(B

在至少一些实施例中，线圈600A，600B可以是空间正交的倾斜余弦线圈，其沿相反的方向倾斜或斜倾，并且相对于YZ平面成±45度的角度以产生圆极化的RF信号。在其他情况下，可以调节空间偏移角以便生成例如椭圆极化的RF信号。

当线圈600A用作发射线圈时(例如图4A中的408A)，第一同相线圈耦合到同相传输通路432，并且被驱动以产生激励场(B

当线圈600用作接收线圈时(例如图4A中的408B)，线圈的空间正交布置允许线圈检测在横向XY平面中产生的圆极化的FID信号。特别地，第一同相线圈600A可以检测FID信号的同相分量，而第二正交线圈600B可以检测FID信号的正交分量(例如，参见等式(4)和(5))。接收端的两个倾斜余弦线圈的和信号和差信号可以相应地用于区分被投射到两个横向空间轴(即X和Y轴)上的磁化信号，这在某些NMR波谱法应用中可能是必需的。

仍然参考图6，为了将线圈600A，600B支撑在稳定位置，线圈600A，600B可以覆盖中空圆柱形支撑结构602。支撑结构602可以包括腔604，该腔604在当该结构放置在磁体孔106中时可以容纳受试者手指或测试样本。在至少一些实施例中，圆柱形支撑结构602的外表面可以衬有容纳螺旋线圈的螺旋凹槽或凹口。螺旋凹槽或凹口可以帮助保持线圈的螺旋形式，以及线圈彼此之间的位置。特别地，机械支撑件602及其外表面上的凹口或凹槽对抵消洛伦兹力而保持线圈几何形状的结构完整性很重要，该洛伦兹力否则会随着时间的过去使线圈几何形状变形。在至少一些实施例中，线圈可以包括绝缘保护罩。

线圈和相应的光谱仪部件(例如，发射单元416和接收单元420)之间的电缆连接可以平行于静磁场(B

在各种实施例中，线圈600A，600B与光谱仪接收和发射单元416、420之间的连接通过屏蔽双绞线电缆来实现。屏蔽双绞线电缆可有效防止耦合噪声并提供发射抑制，考虑到便携式NMR设备104的操作与FM无线电频段的接近程度，这是重要的考虑因素。在至少一些实施例中，屏蔽双绞线电缆可以是6A类以太网电缆，其包含四个宽模拟带宽(>500MHz)屏蔽双绞线的差分对，并因此支持同相和正交信号递送以进行发送和接收操作模式。

现在参考图7A和7B，示出了根据一些实施例的轴对称永磁体组件700A的示例实施例，其可以由图1A的便携式NMR设备104使用。特别地，图7A示出了沿着图1A的剖面线7-7’的便携式NMR设备104的截面图。图7B示出了图7A的分解图。

图7A和7B中所示的轴对称永磁体组件700A是紧凑的，并且能够跨磁体孔106产生具有改善的场约束特性的强且接近均匀的静磁场(B

如其中所示，轴对称设计包括围绕对称轴(例如，z轴)旋转的多个磁体段。每个磁体的特征在于，磁化方向要么沿着对称轴(z)定向，要么沿着径向轴(r)定向。作为每个永磁体段产生的磁场的叠加的结果，在+z方向上产生了静磁场(B

根据本文提供的教导，由于在每个段中在正交的r和z磁化分量之间的希尔伯特变换关系在从0到2π的整个范围上被实现，因此得到了更强、更均匀和更好的约束B

更详细地，轴对称永磁体包括顶部圆盘磁体段702a和顶部锥形磁体段702b，它们在+z方向上堆叠在磁体孔106上方。顶部圆盘和顶部锥形磁体段702a，702b中的每个具有在+z方向上的磁化。在至少一些实施例中，这些段可以包括单个磁体段。钢盘716a可以插入磁体孔106的上部与顶部磁体盘702b的底表面之间，以增强静磁场(B

类似地，底部圆盘磁体段704a和底部锥形磁体段704b沿-z方向堆叠在磁体孔106下方。底部圆盘和底部锥形磁体段704a，704b中的每个具有在+z方向上的磁化。类似于段702a和702b，在至少一些实施例中，这两个段704a，704b也可以包括单个磁体段。钢盘716b也可以定位在磁体孔106的底部部分与底部圆盘磁体段704b的上表面之间，以增强静磁场(B

中心环形磁体段706在+r方向上从磁体孔106径向向外定位，并且特征在于在-z方向上磁化。中心环形磁体段706至少部分地围绕磁体孔106，同时保持通向孔106的进入口通畅无阻(例如，以接收受试者手指或测试样本)。

在+z方向上在中心环形段706上方堆叠、并且从顶部圆盘和锥形段702a，702b沿+r方向径向向外的是顶部环形磁体段712，其在+r方向上具有磁化。

类似地，在-z方向上在中心环段706下方堆叠、并且从底部圆盘和锥形段704a，704b径向向外堆叠的是底部环形磁体段710，其在-r方向上具有磁化。

在各个实施例中，顶部、中心和底部永磁环可以用多个横向磁化的圆柱形磁体来实现，它们的磁化沿+r或-r方向(例如12个磁体，间隔30度)定向。

如上所述，由这些永磁体段中的每个永磁体段产生的净磁化强度导致了在磁体孔106内的垂直+z方向上的静磁场(B

下表1总结了分段式轴对称磁体组件700A中每个磁体段的磁化方向和材料类型。

表1-轴对称磁铁阵列设计

根据本文提供的教导，上述分段式轴对称永磁体架构理想地提供了跨磁体孔106的1.79T的近均匀且强的静磁场(B

图7A和7B的分段式磁体架构还实现了5高斯场线的限制。该5高斯场线限定了磁场的外周线，在此处静磁场B

仍参考图7A和7B，中空框架718可以围绕永磁体组件设置，以提供外部3D周界和围绕轴对称永磁体的气隙。中空框架718可以容纳用于NMR设备104的操作的各种电气硬件。在各种实施例中，中空框架718可以被配置为接收图4A和4B中所示的电子电路(例如，光谱仪720，用于分析从位于磁铁孔106中的受试者手指或测试样本产生的FID信号)。在各种实施例中，在线圈408a，408b位于磁体孔106中的情况下，线圈408a，408b与光谱仪720之间的电缆连接可以从线圈延伸，穿过磁体孔106，向下穿过框架718，并且在永磁体组件的下方到达光谱仪720；或者如果光谱仪720是外部提供的，则从永磁体组件的背面出来。

中空框架718可以由非磁性材料形成，该非磁性材料保护电气硬件和电路免受由永磁体组件产生的泄漏磁场的影响。在至少一些实施例中，框架718可以由铝形成，其既是非磁性的又是轻质的。

为了提供进一步的绝缘以防止静电磁场泄漏，NMR设备104还可以包括外部屏蔽层722，该外部屏蔽层722围绕中空框架718布置。屏蔽层722可以由特征在于高饱和场强以及高磁导率的任何合适的材料形成。在至少一些实施例中，形成屏蔽层722的材料的特征可以在于大于1.5T的饱和场强度特性和大于100μ

现在参考图7C和7D，示出了由图7A和7B中的分段式轴对称永磁体组件产生的静磁场(B

如图7C所示，由磁体段702至712中的每个磁体段产生的磁场的叠加是孔106中沿着对称轴(+z)方向的磁场。此外，永磁体的轴线对称布置与外层屏蔽件722的结合实现了最小的磁场泄漏出装置104，并且将静磁场限制在其中。

图7D示出了作为距磁体等中心点或磁体孔106中心的径向距离(即，沿横向平面XY)的函数的、磁场强度的曲线图700D。如图所示，轴对称设计在等中心点处获得1.79特斯拉静磁场强度，而由于磁孔而导致的阿兹密特轴对称性受损，而逐渐减小到在距等中心点1.5cm处的仅约1.67特斯拉，如前所述。

现在参考图7E，示出了显示孔106内的静磁场(B

现在参考图7F，示出了根据另一示例实施例的便携式NMR设备104的永磁体组件700F。特别地，中心环段706’现在包括作为非平面的内表面，其由半球形突起限定到磁铁孔106中。以这种方式使中心磁体段706’的内表面成形可以缓和所减小的磁场静磁场强度以及由于归因于孔106的体积损失而导致的静磁场的空间不均匀性。

在各种实施例中，中心环段706’的内表面突起可以由单独的极片(pole piece)形成，该极片由高磁导率软钢或其他磁性合金形成。

现在参考图7G和7H，示出了使中心环段706′的内表面变形的效果，如图7F所示。

图7G示出了永磁体组件700B的轮廓场曲线图。与图7C相比，提高了磁体孔106中的静磁场均匀性。

图7H示出了作为距磁体等中心点或磁体孔106中心的径向距离(即，沿着横截面XY)的函数的、磁场强度的曲线图700H。特别地，与曲线700D相比，曲线700H显示出场均匀性的显着改善，尤其是在距等中心点1cm的距离内。

如图7D和7H中的曲线图所示，当轴对称永磁体设计获得了跨磁体孔的接近均匀的静磁场时，静磁场不是完全均匀的，尤其是在距磁体等中心点较远的距离处。因此，为了校正静磁场(B

现在参考图8A，示出了根据一些实施例的示例匀场组件800A。匀场组件800A可以类似于图4A和4B的匀场组件424。

如图所示，匀场组件800A由多个载流导体802a形成，这些载流导体沿x轴延伸(如相对于NMR设备104定义的)，并且以圆形构造布置在孔104内或孔104附近，并且在圆周上均匀地间隔开。因此，载流导体在三维上形成“圆柱”形状。在各种情况下，载流导体802a可以定位在中空圆柱形支撑框架804a上。

特别地，匀场组件800A采用具有均匀线密度的导体802a，其中每个载流导体802a可以接收独立受控的直流电(DC)，该直流电可以由例如专用的数模(DAC)转换器提供(例如，使用多通道DAC转换器)。在各种实施例中，DAC转换器可以位于图4A和4B的匀场控制单元422中。为此，匀场控制单元422还可包括耦合到多个数模(DAC)转换器的多个电流发生器(未示出)。特别地，将具有变化电流的均匀线密度的使用与常规NMR匀场设计进行对比，后者采用复杂的布线几何形状，使用具有可变铜绕组密度的校正线圈。

如本文中进一步详细解释的，匀场组件800A使用通过载流导体的DC电流幅度的正弦分布，其相对于载流导体围绕假设的“圆柱”(例如由载流导体的布置形成)的“壳”的角位置而变化。该特征，与载流导体的均匀圆周间隔相结合，使得匀场组件800A能够在磁体孔104中产生高阶模磁场图案(pattern)，进而能够精确地补偿如本文所述的静磁场(B

进一步地，并且如在此详细解释的，可变地控制通过每个线性导体的电流的能力允许了模态电流的幅值与在未补偿的静磁场(B

还应当理解，当前匀场组件800A可以与可在常规NMR应用中使用以产生均匀RF磁场(B

现在更详细地，为了使用匀场组件800A产生校正场，每个载流导体中的电流密度(I)(在本文中也称为“匀场电流模式”)正弦地变化。在至少一些实施例中，该正弦变化可以根据等式21来表达。

I＝I

其中，I

现在参考图8B，示出了沿图8A的剖面线8B-8B’的匀场组件800A的剖视图。如其中所示的场流线所示，其中电流密度根据等式(21)变化，由每个载流导体产生的磁场的叠加生成偶极场，该偶极场的特征在于沿着z轴的线性补偿场。在图8B的所示示例中，导体电流密度在0.42MA/m

在至少一些其他实施例中，每个载流导体中的电流密度(I)也可以根据等式(22)而变化。

I＝I

根据等式(22)改变导体电流的效果是为了产生更高阶的四联模式场(quadruplemode field)，该四重模式场也以沿着z轴的线性补偿场为特征。

现在参考图8C，示出了沿着图8A的剖面线8C-8C的匀场组件的另一剖视图。如其中的场流线图示所示，其中电流根据等式(22)在载流导体中变化，生成了四联场，并且沿z轴的补偿场是线性的(虽然未显示，但该场沿y轴也是线性的)。在图8C的所示示例中，导体电流密度在0.82MA/m

因此，可使用匀场组件800A通过根据等式(23)改变每个载流导体中的电流密度(I)来生成2n极场。

I＝I

如上文所解释的(并且如本文中进一步详细解释的)，允许生成高阶模式场允许了对不均匀静磁场(B

现在将在这里更详细地描述匀场电流模式与不均匀静磁场(B

由静磁场(B

其中

特别地，可以通过首先求解矢量磁势

假设沿着x轴延伸的导体形成半径为r

A

其中，θ是相对于z轴的角度，K

已经认识到，由傅里叶级数基于圆谐函数(circular harmonics)给出的表面电流边界条件适合于这种理想的2D装置几何形状的纵向对称，并且可以在孔内产生任何期望的补偿磁场(B)场分布，如N(匀场模式)接近无穷大时。

特别地，对于理想地分布在半径为r

此外，可以根据等式(29)来表示r>ri的圆柱孔外部的磁场(B)。

至少从等式(28)可以看出，在匀场电流模式的第n奇数谐波与圆柱孔内沿z轴

因此，该B

但是，这些匀场电流仅是理想的表面电流的近似值，该理想的表面电流不会另外地考虑匀场角处的空间采样以及每个匀场导体横截面上的有限电流密度。具有M个导体的匀场结构将多项式校正阶数限制为N＝M/2-1。对该理论的一个很好的检验是，将第l个导体中的电流与理想的表面电流相关联，并使用该结果来预测静态场(B

在上面的表达式中，仅保留奇数模式电流(下标o垂下)，这是因为沿x轴的静磁场(B

如前所述，孔中的B

该模型预测模式1(θ

实际上，每个匀场电流模式都会产生补偿场，该场最好由具有主导项的N阶多项式来描述，尽管它具有几个不可忽略的附加项。令S

B

其中当前列矢量的元素是I

可以观察到，描述此线性系统的矩阵是强烈对角的，因此条件良好且可逆。常规的匀场线圈几何构造(不直接对应于系统模态特性)可能会导致条件不佳的矩阵公式化，从而需要计算伪逆。在这种情况下，场均匀化性能可能会受到损害。

在各种情况下，当将匀场组件与由纵向对称性定义的传统Halbach磁体阵列设计一起使用时，使用方程式(33)和(34)解析匀场电流的方法可以被适用。

现在参考图8D，示出了根据另一示例实施例的匀场组件800D。特别地，匀场组件800D可以代表图8A的匀场组件800A的实施方式，其更适合于图7A或7F所示的轴对称永磁体设计。匀场组件800D所基于的理论原理类似于以上关于匀场组件800A所解释的理论原理。

如图所示，匀场组件800D包括两组平行的横向间隔的同心环801A，801B，其可以位于腔106的顶表面和底表面上，使得同心环的中心与静磁场(B

在各个实施例中，每个中心环承载独立的电流并在对称轴线(例如，z轴)上产生场分布。虽然以类似于上文关于匀场组件800A所讨论的方式以闭合形式解析地知道了磁场分布，但是由每个线圈使用球谐函数(spherical harmonics)而产生的磁场的多项式展开对于评估同心线圈800D的适用性以为了均匀补偿静态场(B

特别地，在组件800D中由圆形匀场线圈(其半径(a)相对于磁体等中心点以极角(α)定位)产生的磁场分量可以使用等式(35)和(36)以球谐函数的形式表示。等式(35)表示场的径向(r)方向分量，而等式(36)表示极角(θ)方向分量。等式(35)和(36)适用于匀场线圈半径内的区域(例如，r>a)中。

其中，I是施加到匀场线圈上的电流(A)，P

在图8D的示例性实施例中，组801A和801B中的每个线圈相对于磁体等中心点以由α＝tan

线圈组801A和801B中的每个闭合圆形线圈在等式(35)和(36)中生成偶数和奇数勒让德多项式项，而不是单个主导模式。此外，不同半径的线圈生成线性独立的勒让德多项式系数矢量。特别地，这是由于勒让德多项式系数取决于线圈半径(a)的幂的事实。特别地，通过使用在球谐函数上的无限级数展开而唯一地表示由匀场线圈产生的磁场、并演示每个线圈都产生偶数和奇数多项式项(而不是仅单个主导模式)，可以理解的是匀场组件可被用于形成完整的基础来在由方位角对称性限定的轴对称永磁体组件的孔106中产生任何期望的补偿场(例如，任何期望的场图案)。

还将理解的是，在径向(r)和极性(θ)方向上的磁场方程的可分离性意味着：沿着与磁场共线的轴线(例如，7F中的磁体中的z轴)对场的校正以使其均匀将确保磁体孔内各处的磁场将均匀。特别地，该事实是由于永磁体的轴线对称设计而导致的，并且大大简化了匀场过程。

现在参考图11，示出了用于方法1100的示例处理流程，该方法用于计算匀场组件800D中的每个匀场线圈的电流，以校正轴对称磁性设计(例如，图7F中的磁体设计700F)中的静磁场(B

在动作1102，在将所有匀场电流设置为零时映射静磁场(B

B

在其他实施例中，可以根据列矢量来表示沿z轴的静态场轮廓(B

ΔB

其中B

在动作1104，将单位电流分别施加到线圈组件800D中的每个线圈，并且分别映射每个线圈的所得磁场。在方法1100的后续迭代中，如本文中进一步详细说明的，可以将增量电流施加到每个匀场线圈，其是对方法1100的先前迭代中在动作1108处确定的匀场电流值之外的附加。类似于匀场组件800A，施加到同心环的电流可以由图4A和4B的电流匀场控制单元422施加。为此，匀场控制单元422可以包括多个电流发生器(未示出)和多个数模(DAC)转换器，其中每个DAC耦合到电流发生器之一和同心环之一以向其提供唯一电流。

在动作1106，从在动作1104为每个线圈确定的每个磁场中减去在动作1102确定的静磁场(B

在动作1108，确定每个线圈在磁体孔中产生均匀静磁场所需的匀场电流。

特别地，可以将由在动作1106中确定的线圈场的组合产生的静孔磁场假定为由每个匀场线圈产生的磁场的线性叠加。因此，可以根据由等式(39)表示的随后线性系统来确定对静磁场(B

匀场矩阵S为矩形，这是因为沿z轴采样的点的数量(M)大于匀场线圈的数量(N)。

可以通过求解等式(39)中表示的线性系统来确定在磁体孔中产生均匀静磁场所需的匀场电流。如等式(40)所示，可以通过将匀场矩阵与其转置的乘积求逆来实行。

I＝(S

然后，在1110处，可以将针对等式(40)中的每个匀场线圈确定的电流施加到匀场组件800D，以校正磁孔内部的静磁场(B

在各种情况下，方法1110可能需要多次迭代来解析导致均匀静态场(B

如果在动作1112处并未确定匀场电流是充足的，则方法1100可以返回到动作1104，然后重复。如前所述，在方法1100的后续迭代中，将增量电流(例如，其相对于在先前迭代中的动作1108处确定的电流递增)施加到每个线圈。

在其他情况下，如果在动作1112中确定匀场电流足够，则方法1100可以另在动作1114中确定被完成。

由于永磁体组件700A和/或700F与传统的Halbach磁体阵列相比生成空间上更均匀的静磁场(B

现在参考图8E，示出了模拟结果的示例曲线图800E，其将沿着轴对称磁体的孔中的场轴线(例如，图7F的磁体700F的孔中的z轴)的未补偿静磁场(B

现在参考图8F，示出了示例曲线图800F，其示出了图8E的第一次匀场结果的放大比例视图，并由高阶(32阶)多项式拟合覆盖。第一次匀场结果的RMS误差为15ppm。应当理解，通过方法1100的进一步迭代，可以减小RMS误差。

现在参考图8G，示出了使用图8F的高阶多项式拟合的残余误差的曲线图800G。如图所示，高阶多项式拟合将场的RMS误差减小到0.56ppm。如前所述，RMS误差可以通过方法1100的进一步迭代来减少。

现在参考图8H-8J，示出了匀场线圈构造的不同变型。特别地，图8H和8J中所示的线圈构造可用于校正由于永磁体的磁化强度和/或磁化方向的空间变化引起的方位角变化。校正方位角变化可以允许方法1100在使“r”(径向)和“theta”方向上的场均匀化方面更加有效。

图8I示出了线圈构造800I，其与图8D的线圈组件800D的构造相似。特别地，该构造包括嵌套的同心线圈，其被设计为校正“theta”和“r”(径向)维度中的场。

图8H示出了替代示例构造800H，其中以15度的偏移提供二十四个匀场线圈，并且由此，线圈直径802H等于由组合式线圈组形成的圆盘构造的直径804H的三分之一。电流馈送和返回与线圈平面成直角。在各种情况下，构造800H可用于校正磁场的方位角变化。在其他情况下，匀场线圈可以以小于15度的角度偏移，以提供更高的分辨率以进行场校正。在其他情况下，较高的角度偏移量也可用于简化制造。在某些情况下，偏移角可以在10度至45度的范围内。此外，在每个线圈组801A和801B中可以包括多于或少于二十四个线圈，并且线圈可以具有小于或等于圆盘直径804H的线圈直径802H。

图8J示出了另一示例构造800J，其中二十四个匀场线圈以15度偏移定位并且线圈直径802J等于圆盘半径804J。在各种情况下，构造800J还可以用于校正场的方位角变化。

特别地，在构造800H和800J的每一个中，对方位角方向上的场的校正是每个线圈的中心定位于唯一的角坐标

现在参考图9，示出了用于便携式NMR设备的功率和控制系统900的示例框图。

如图所示，功率和控制系统900包括梯度匀场模块(GSM)902和光谱仪板904。梯度匀场模块902可以用于为梯度匀场线圈(例如，图4B的匀场线圈424或图8A的匀场线圈800a或图8D的匀场线圈800D)供电。光谱仪板904可以用于为光谱仪(例如，图4B的光谱仪发射单元416和光谱仪接收单元420)供电。在各种情况下，GSM 902和光谱仪板904中的每一个可以包括电路板，例如印刷电路板(PCB)。

GSM 902可以从电源模块906接收功率。电源模块906可以类似于图4A的电源模块412。例如，如前所述，电源模块906可以是紧凑型电池，其被配置为被容纳在便携式NMR设备104内(例如，锂离子(Li-Ion)电池)，或者可以是AC-DC电源适配器以从外部交流电源供电。在各种情况下，可以通过USB-C接口将功率从电源模块906递送到GSM 902。例如，电源模块906可以包括USB端口903a，其可以经由USB电缆903与GSM 902的USB端口903b通信。在至少一些情况下，USB电缆903可以是USB-C电缆，使得功率经由USB-C接口从电源906递送到GSM902。因此，GSM 902可以包括顺应USB-C Power Delivery协议的端口910。特别是，USB-C端口可以允许系统与顺应USB-C的AC电源适配器或电池组协商电力合同，以仅为了获取所需的电源。通常，当USB Type-C电缆的两端都同意将要从电源906传送到受电设备(例如GSM902)的功率电平时，就会发生电力合同。在各种情况下，这可以通过避免功率耗散来节省功率，其否则可能是适应最坏情况下的磁体不均匀性的设计和相关的匀场电流所必需的。

在至少一些情况下，GSM 902还可包括用于向匀场线圈供电的DC-DC转换器912。由于匀场强度与电流成正比，而不是与功率成正比，因此使用DC-DC转换器912可以允许将100W(20V，5A)的USB-C最大功率递送转换为具有较高电流容量的较低电压(例如5V，20A)。在各种情况下，由于DC-DC转换器912可产生可能使匀场劣化的开关噪声，所以GSM 902还可以包括陷波滤波器914以降低噪声。DC-DC转换器912的输出端耦合到陷波滤波器914的输入端。陷波滤波器914的输出端然后可以用于给线圈驱动器916供电，该线圈驱动器916可以包括非易失性存储器随机存取(NVRAM)存储器以及耦合至匀场组件的匀场线圈的DAC。NVRAM可以在NMR系统关闭后为每个匀场线圈存储匀场电流值(例如，使用方法1100确定)。因此，这避免了每次系统开机时都需要重新确定适当的匀场值。在各种情况下，DAC的数量可以等于匀场线圈的数量。或者，可以使用具有D个通道的多通道DAC，其中D是匀场线圈的数量。

在至少一些实施例中，GSM 902和光谱仪板904之间的连接可以通过USB接口920(例如，USB-C接口)发生，该USB接口920从GSM 902向光谱仪904提供电力，并且还从光谱仪板904向GSM 902发送控制数据。在某些情况下，可以使用嵌入在USB-C接口中的USB 2.0串行总线来发送控制和数据信息。GSM 902还可以包括USB2到串行外围接口(SPI)桥918，用于将从光谱仪板904接收的控制信号经由USB接口920中继到线圈驱动器916。在各种情况下，GSM 902和光谱仪板904之间的分隔便于系统集成和封装，并针对大功率DC和敏感的RF功能满足不同的设计规则和法规要求。

在至少一些情况下，光谱仪板904还可包括USB端口922(例如，USB-C端口)，其可用于将光谱仪板904连接至外部计算机以接收控制数据或发送收集到的数据。

尽管出于说明性的目的，本文描述的申请人的教导与各种实施例结合，但是并不意图将申请人的教导限于这样的实施例，因为本文所描述的实施例旨在作为示例。相反，在不背离本文描述的实施例的情况下，本文描述和示出的申请人的教导涵盖了各种替代，修改和等同形式，其总体范围由所附权利要求书限定。

[1]J.C.Boyd and D.E.Bruns,"Quality Specifications for Glucose Meters:Assessment by Simulation Modeling of Errors in,"Clinical Chemistry,vol.47,no.2,pp.209-214,2001.

[2]R.A.d.Graaf,in vivo NMR Spectroscopy,John Wiley&Sons Ltd.,2007.

[3]W.R.Symthe,“Static and Dynamic Electricity”,2nd edition,p.275,McGraw Hill.

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种使用便携式核磁共振(NMR)设备对样本中的葡萄糖浓度进行体内和非侵入性定量的方法，所述方法包括：

施加均匀静磁场(B

使用频率选择性抑制来抑制由位于所述样本中的水的磁化而生成的水信号，其中抑制水信号包括：

施加第一RF激励脉冲(B

向水信号施加失相脉冲梯度以使其自旋进动的相干性失相；

施加第二RF激励脉冲(B

检测由所述葡萄糖氢质子系综的弛豫生成的自由感应衰减(FID)信号；并且

通过施加低连续波辐射脉冲而将同核去耦施加到所述葡萄糖氢质子系综，其中所述同核去耦至少部分地与检测所述FID信号同时施加。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，还包括：将离散傅立叶变换(DFT)施加到FID信号以将所述FID信号转换为磁共振频谱，其中每个共振基本上占据一个DFT仓。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中，所述静磁场(B

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述静磁场(B

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法包括：生成所述第一RF激励脉冲(B

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法包括：生成所述第一RF激励脉冲(B

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述NMR设备适于即时应用。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述方法包括生成约1.68特斯拉的静磁场(B

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法包括：通过生成具有低占空比的包络调制脉冲串来提供所述第一RF激励脉冲(B

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述方法包括：使用针对变延迟进动定制激发(DANTE)技术来生成所述第一RF激励脉冲(B

11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一RF激励脉冲(B

12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法包括：通过生成大幅度的第二激励RF脉冲(B

13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述失相脉冲梯度是由DC耦合的一组匀场线圈生成的。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其中，所述葡萄糖氢质子系综包括α-葡萄糖端基异构体

15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其中，所述方法包括：生成所述第二RF激励脉冲(B

16.根据从属于权利要求14时的权利要求15的方法，其中所述方法包括：在包括所述α-葡萄糖端基异构体

17.根据权利要求16所述的方法，其中α-葡萄糖端基异构体

18.根据权利要求1至17中任一项所述的方法，其中，所述方法包括：生成要被左旋圆极化的第二激励场(B

19.根据权利要求1至18中任一项所述的方法，其中，所述方法包括：施加所述第二激励场(B

20.根据权利要求1中任一项所述的方法，其中，所述方法包括：通过使用倾斜余弦线圈来生成所述第一激励场(B

21.根据权利要求14所述的方法，其中

在α端基异构体

22.根据权利要求21所述的方法，其中所述α和β端基异构体

23.根据权利要求1所述的方法，还包括：在检测FID信号之前，施加谱编辑以将葡萄糖共振与其他大分子生成的共振区分开。

24.根据权利要求23所述的方法，还包括：施加包括非选择性反转恢复序列(180°-td)的实频脉冲序列，其中td定义了恢复延迟。

25.根据从属于权利要求2时的权利要求14所述的方法，还包括：基于与共振频谱中的α-葡萄糖端基异构体

26.根据权利要求25所述的方法，其中确定所述样本中的葡萄糖浓度包括：使所述α-葡萄糖端基异构体

27.根据权利要求25所述的方法，其中确定所述样本中的葡萄糖浓度包括：确定所述α-葡萄糖端基异构体

28.根据权利要求1至27中任一项所述的方法，还包括：在施加所述第一RF激励脉冲(B

29.根据权利要求1至28中任一项所述的方法，还包括：在施加所述第一RF激励脉冲(B

30.根据权利要求1至29中任一项所述的方法，其中，使用磁共振测速(MRV)技术来将血液中流动的葡萄糖分子与静止的葡萄糖分子区分开。

31.根据权利要求1至30中任一项所述的方法，其中，所述葡萄糖浓度被确定为在0.95的统计学置信水平下小于+/-2％的误差。

32.一种用于对样本进行核磁共振(NMR)波谱法的便携式光谱仪，所述便携式光谱仪包括：

射频(RF)源，其被配置为生成具有同相分量和正交分量的脉冲RF信号；

发射单元，其被配置为接收所述脉冲RF信号并生成脉冲RF激励场(B

第一传输通路，其具有第一发射带通滤波器，所述第一发射带通滤波器具有至少一个第一发射电感线圈，所述至少一个第一发射电感线圈接收所述RF信号的同相分量并生成所述RF激励场的同相分量；和

第二传输通路，其具有第二发射带通滤波器，所述第二发射带通滤波器具有至少一个第二发射电感线圈，所述至少一个第二发射电感线圈接收所述RF信号的正交分量并生成所述RF激励场的正交分量；

接收单元，其被配置为接收响应于所述脉冲RF激励场(B

第一接收通路，其具有第一接收带通滤波器，所述第一接收带通滤波器具有接收所述共振信号的同相分量的至少一个第一接收电感线圈；和

第二接收通路，其具有第二接收带通滤波器，所述第二接收带通滤波器具有接收所述共振信号的正交分量的至少一个第二接收电感线圈；以及

处理器单元，其耦合到所述RF源、所述发射单元和所述接收单元，所述处理器单元被配置为：通过向所述RF源发送控制信号以生成所述脉冲RF信号并向所述发射单元发送所述脉冲RF信号以生成所述脉冲RF激励场(B

33.根据权利要求32所述的便携式光谱仪，其中，所述第一发射带通滤波器和第二发射带通滤波器以及所述第一接收带通滤波器和第二接收带通滤波器中的每个都是从三通拓扑低通滤波器合成的差分带通滤波器。

34.根据权利要求32至33中任一项所述的便携式光谱仪，其中所述第一发射带通滤波器的至少一个第一发射电感线圈、所述第二发射带通滤波器的至少一个第二发射电感线圈、所述第一接收带通滤波器的至少一个第一接收电感线圈和所述第二接收带通滤波器的至少一个第二接收电感线圈是容积线圈。

35.根据权利要求32至34中任一项所述的便携式光谱仪，其中：

所述第一发射带通滤波器和第二发射带通滤波器中的每个包括出站发射电感线圈和返回发射线圈，并且

所述第一接收带通滤波器和第二接收带通滤波器中的每个包括出站接收电感线圈和返回接收电感线圈。

36.根据权利要求32或35中任一项所述的便携式光谱仪，其中，所述发射带通滤波器和接收带通滤波器是至少三阶带通滤波器。

37.根据权利要求32至36中任一项所述的便携式光谱仪，其中，所述第一发射带通滤波器的至少一个第一发射电感线圈和所述第二发射带通滤波器的至少一个第二发射电感线圈中的每个都是相对于彼此同轴定位并相对于公共轴线在相反方向上倾斜的倾斜余弦线圈，以便生成RF激励场(B

38.根据权利要求32至37中任一项所述的便携式光谱仪，其中，所述第一接收带通滤波器的至少一个第一接收电感线圈和所述第二接收带通滤波器的至少一个第二接收电感线圈中的每个是相对于彼此同轴定位并且相对于公共轴线在相反的方向上倾斜的倾斜余弦线圈。

39.根据权利要求37和38中任一项所述的便携式光谱仪，其中，所述公共轴线与静磁场(B

40.根据权利要求32至39中任一项所述的便携式光谱仪，其中，所述共振信号是由横向平面中的磁化的衰减而生成的自由感应衰减(FID)信号。

41.根据从属于权利要求38时的权利要求40所述的便携式光谱仪，其中，所述接收单元使用由两个倾斜余弦线圈接收到的FID信号之和与之差来区分磁化在两个横向空间轴线上的投影。

42.根据权利要求32至41中任一项所述的便携式光谱仪，其中，所述第一接收通路和第二接收通路中的每个包括：

变压器，包括耦合到所述接收带通滤波器的输出的初级绕组，其中，所述变压器被配置为提供伽伐尼隔离、阻抗匹配和共模噪声抑制；

低噪声放大器(LNA)，其耦合到所述变压器的次级绕组的第一节点，其中，所述LNA被配置为在滤波后的共振信号中实现低噪声系数并提供均匀的频谱噪声分布；

可变增益放大器(VGA)，其耦合至所述低噪声放大器的输出，其中，所述VGA被配置为增强所述滤波后的共振信号并使总的接收器噪声最小化；

本地振荡器(LO)，其耦合至所述可变增益放大器的输出，其中，所述LO被配置为生成中频；以及

模数转换器(ADC)，其耦合到所述LO的输出。

43.根据权利要求42所述的便携式光谱仪，其中，所述变压器的次级绕组的第二节点被中心抽头以用于局部接地参考，并且其中，所述变压器的匝数比被选择用于最佳的阻抗匹配。

44.根据权利要求42或43所述的便携式光谱仪，其中，所述变压器包括宽带变压器巴伦。

45.根据权利要求42至44中任一项所述的便携式光谱仪，其中，所述LNA由GaAs E-pHEMT技术形成，并且被配置为提供低于1dB的噪声系数。

46.根据权利要求42至45中任一项所述的便携式光谱仪，其中，所述VGA包括自动增益控制器(AGC)，其被配置为自动减小所述VGA的增益以防止过载。

47.根据权利要求42至46中任一项所述的便携式光谱仪，其中，所述本地振荡器被配置用于至少100kHz的频率偏移。

48.根据权利要求32至47中任一项所述的便携式光谱仪，其中，由所述接收单元生成的噪声小于1.1nV/√Hz以作为参阅输入(RTI)。

49.根据权利要求32至48所述的便携式光谱仪，其中，所述处理器单元包括数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)中的至少一个。

50.根据权利要求32至49中任一项所述的便携式光谱仪，其中，所述第一发射带通滤波器和第二发射带通滤波器被配置为使包括至少一个同位素拉莫尔频率的第一频率通带范围通过。

51.根据权利要求50所述的便携式光谱仪，其中，所述第一频率通带范围包括两个同位素拉莫尔频率，并且所述发射带通滤波器被配置为支持异核测量。

52.根据权利要求51所述的便携式光谱仪，其中，所述两个同位素拉莫尔频率与氟(

53.根据权利要求50和52中任一项所述的便携式光谱仪，其中，所述第一频率通带范围在60MHz和80MHz之间。

54.根据权利要求32至53中任一项所述的便携式光谱仪，其中，所述第一接收带通滤波器和第二接收带通滤波器被配置为使包括至少一个同位素拉莫尔频率的第二频率通带范围通过。

55.一种使用便携式光谱仪对样本进行核磁共振(NMR)波谱法的方法，所述方法包括：

向所述样本施加静磁场(B

使用射频(RF)源生成具有同相分量和正交分量的脉冲RF信号；

将所述脉冲RF信号的同相分量发送至发射单元的第一发射带通滤波器，以生成滤波后的同相RF分量；

将所述脉冲RF信号的正交分量发送通过所述发射单元的第二发射带通滤波器以生成滤波后的正交RF分量，其中所述第一发射带通滤波器和第二发射带通滤波器具有第一带通范围，所述第一带通范围包括要测量的代谢物的至少一个拉莫尔频率；

通过将滤波后的同相RF分量施加到所述第一发射带通滤波器的至少一个第一发射电感线圈并将所述滤波后的正交RF分量施加到所述第二发射带通滤波器的至少一个第二发射电感线圈来生成脉冲RF激励场(B

将所述脉冲RF激励场(B

使用接收单元的第一接收带通滤波器的至少一个第一接收电感线圈来接收由所述样本生成的共振信号的同相分量；

使用所述接收单元的第二接收带通滤波器的至少一个第二接收电感线圈来接收由所述样本生成的共振信号的正交分量，其中，所述第一接收带通滤波器和第二接收带通滤波器具有第二通带范围，所述第二通带范围包括要测量的代谢物的至少一个拉莫尔频率；并且

使所述共振信号的同相分量通过所述第一接收带通滤波器以生成共振信号的滤波后的同相分量，并且使所述共振信号的正交分量通过所述第二接收带通滤波器以生成共振信号的滤波后的正交分量。

56.根据权利要求55所述的方法，其中，所述共振信号是由横向平面中的磁化的衰减生成的自由感应衰减(FID)信号。

57.根据权利要求55和56中任一项所述的方法，还包括：

使所述共振信号的同相分量和正交分量中的每个通过低噪声放大器、可变增益放大器、本地振荡器和模数转换器(ADC)。

58.一种紧凑磁体配件，用于跨便携式核磁共振(NMR)设备的孔生成均匀静磁场(B

绕对称轴(z轴)旋转的轴对称分段式永磁体配件，所述永磁体被配置为跨所述孔生成近空间均匀静磁场(B

顶部圆盘锥形磁体段，其在+z方向上堆叠在所述孔上方并且在所述+z方向上具有磁化；

底部圆盘锥形磁体段，其在-z方向上堆叠在所述孔下方并且在所述+z方向上具有磁化；

中心环形磁体段，其在+r方向上从所述孔径向向外(r)定位，并在所述-z方向上具有磁化，其中，中心环形磁体至少部分围绕所述孔，同时保持所述孔的进入口畅通无阻；

顶部环形磁体段，其在所述+z方向上堆叠在中心环形段上方，并在所述+r方向上从所述顶部圆盘锥形磁体段径向向外布置，其中，所述顶部环形磁体段在所述+r方向上具有磁化；以及

底部环形磁体段，其在所述-z方向上堆叠在所述中心环形段下方，并在所述+r方向上从所述底部圆盘锥形磁体段径向向外布置，

其中，所述顶部环形磁体段在所述-r方向上具有磁化，其中由每个磁体段生成的磁场的叠加生成了沿着所述对称轴跨所述孔的近空间均匀静磁场(B

匀场装置，其被配置为对近空间均匀静磁场提供空间磁场校正。

59.根据权利要求58所述的配件，其中，跨磁体孔生成的均匀静磁场(B

60.根据权利要求58所述的配件，其中，跨所述孔生成的均匀静磁场(B

61.根据权利要求58至60所述的配件，其中，所述均匀静磁场(B

62.根据权利要求61所述的方法，其中，所述静磁场(B

63.根据权利要求58至62中任一项所述的配件，其中，所述永磁体被表征为5高斯场线的三维约束。

64.根据权利要求58至63中任一项所述的配件，其中，所述永磁体配件的每个磁体段由硬质永磁合金形成，所述硬质永磁合金允许在所述永磁体配件中的每个磁体段生成的磁场叠加。

65.根据权利要求64所述的配件，其中，硬质永磁合金是钕(NdFeB)。

66.根据权利要求65所述的配件，其中，所述中心环形磁体段由N40等级的NdFeB形成以抵消高反向矫顽场，并且其中所述顶部和底部顶部环形磁体段由N40等级的NdFeB形成以提供最佳的场约束。

67.根据权利要求58至66中任一项所述的配件，其中，所述中心环形磁体段的面向所述孔的内表面包括校正磁体段，其径向向内弯曲并且被配置为改善跨所述孔生成的近空间均匀静磁场(B

68.根据权利要求67所述的配件，其中，所述校正磁体段是由高磁导率软钢形成的极片。

69.根据权利要求58至68中任一项所述的配件，其中，所述匀场装置由锂离子(Li-Ion)电池供电。

70.根据权利要求58至69中任一项所述的配件，其中，所述便携式核磁共振(NMR)设备以紧凑且便携式的形式提供，其适合于即时环境，并且适于鼓励糖尿病患者以及患有其他代谢物紊乱的其他患者更频繁地使用该设备，从而促进频繁地进行葡萄糖或其他代谢物测试。

71.一种匀场装置，被配置为对近空间均匀静磁场提供空间磁场校正，其中，所述匀场装置包括：

多个线性载流导体，其布置成圆形构造，并且其中所述多个线性载流导体围绕所述圆形构造的圆周均匀地间隔开。

72.根据权利要求71所述的匀场装置，其中，所述多个线性载流导体中的每个由相应的DC电流驱动，并且其中，所述多个线性载流导体中的每个具有均匀的密度。

73.根据权利要求72所述的匀场装置，其中，所述多个线性载流导体的相应DC电流的电流分布是DC电流的正弦分布，其根据所述线性载流导体围绕所述圆形构造的圆周的角位置而变化，并且其中，所述匀场装置被配置为生成高阶匀场模式。

74.根据权利要求73所述的匀场装置，其中：

所述近空间均匀静磁场被表示为具有n个第一系数的第一n阶多项式，

所述多个线性承载导体包含m个线性载流导体，其中，所述m个线性载流导体中的每个线性载流导体承载了幅度为n个电流模式的叠加的电流，其中每个电流模式主要对应于所述第一n阶多项式中的项。

75.根据权利要求74所述的匀场装置，其中：

由所述匀场装置生成的空间磁场校正被表示为具有n个第二系数的第二n阶多项式，所述n个第二系数对应于产生所期补偿n阶静态场(B

其中所述n个第一系数与所述n个第二系数之间存在线性关系。

76.一种匀场装置，被配置用于为具有近空间均匀轮廓的静磁场提供空间磁场校正，其中，所述匀场装置包括同心载流导体的第一集合和第二集合，其中：

所述同心载流导体的第一集合中的每个同心载流导体与载流导体的第二集合中的对应同心载流导体沿所述静磁场的轴线间隔开并对立布置，以形成多个载流导体配对，其中每个载流导体生成补偿磁场以校正所述静磁场的近空间均匀轮廓。

77.根据权利要求76所述的匀场装置，其中，所述多个载流导体中的每个由相应的DC电流驱动。

78.根据权利要求76所述的匀场装置，其中，至少一个载流导体配对被配置为使得所述载流导体配对中的每个线圈的线圈半径基本上等于导体配对的线圈之间的间隔，从而满足亥姆霍兹条件，并且所述导体配对在所述导体配对的线圈之间生成线性场梯度。

79.根据权利要求76所述的匀场装置，其中，所述多个载流导体耦合至DC-DC转换器，所述DC-DC转换器被配置为使来自DC电源的电流升压以将电流升压至所述多个电流导体中的每个，由此所述DC-DC转换器允许改变每个载流导体的匀场能力，以便所述匀场装置向所述静磁场提供更大的空间磁场校正。

80.根据权利要求76所述的匀场装置，其中，在所述第一集合和第二集合中的每个中的所述载流导体彼此偏移，并且所述偏移在大约10度和45度偏移之间的范围内。

81.根据权利要求80所述的匀场装置，其中，所述同心载流导体的第一集合和第二集合中的每个均以圆盘构造布置，并且所述圆盘构造具有圆盘半径，并且其中，每个载流导体的直径小于所述圆盘半径。

82.根据权利要求80所述的匀场装置，其中，所述同心载流导体的第一集合和第二集合中的每个均以圆盘构造布置，并且所述圆盘构造具有圆盘半径，并且其中，每个载流导体的直径大约等于所述圆盘半径。

83.根据权利要求80至82中任一项所述的匀场装置，其中，所述匀场装置被配置为产生针对静磁场的、随方位角变化的空间磁场校正。

84.根据权利要求76所述的匀场装置，其中，所述载流导体的第一集合和第二集合中的每个均包括多个嵌套的载流导体，每个载流导体均具有与所述静磁场(B

85.根据权利要求76所述的匀场装置，其中，由每个载流导体生成的磁场是使用球谐函数的多项式展开表示的，并且其中，每个载流导体都生成偶数和奇数多项式项。

86.根据权利要求85所述的匀场装置，其中，具有不同半径的载流导体生成了线性独立的多项式系数矢量，其允许在轴对称永磁体配件的磁体孔的体积内产生具有方位对称性的任何期望的补偿场，所述轴对称永磁体配件在所述磁体孔中生成所述静磁场。

87.一种使用便携式核磁共振(NMR)设备对样本中小分子代谢物的浓度进行体内和非侵入性定量的方法，所述方法包括：

从与所述代谢物相关联的多个共振特征中选择高分辨率共振特征子集；

施加均匀静磁场(B

使用频率选择性抑制来抑制由位于所述样本中的水的磁化而生成的水信号，其中抑制水信号包括：

施加第一RF激励脉冲(B

向水信号施加失相脉冲梯度以使其自旋进动的相干性失相；

向所述样本施加第二RF激励脉冲(B

检测由所述样本生成的自由感应衰减(FID)信号；并且

通过施加低连续波辐射脉冲而将同核去耦施加到所述样本，其中所述同核去耦至少部分地与检测所述FID信号同时施加。

88.根据权利要求87所述的方法，其中所述小分子代谢物包括以下中的至少一种：葡萄糖、糖原、BHB和酮症酸中毒标记物。

89.根据权利要求87和88中任一项所述的方法，其中，使用磁共振测速(MRV)技术来将血液中流动的小分子代谢物与静止的小分子代谢物区分开。

90.根据权利要求87至89中任一项所述的方法，其中，所述高分辨率共振特征子集被以高信噪比(SNR)表征。

91.根据权利要求87至90中任一项所述的方法，其中，相关联的多个共振特征包括与所述代谢物关联的多个化学位移共振。

92.一种紧凑型便携式NMR设备，包括：

外壳，其提供磁屏蔽；

永磁体配件，其布置在所述外壳内并具有沿所述永磁体配件的纵向轴线的一部分的孔，所述永磁体配件具有多个磁性元件，这些磁性元件一起提供轴对称磁化以生成沿所述纵轴定向的近均匀磁场B

中空框架，其布置在所述永磁体配件和所述外壳之间，并提供内部空间；

匀场配件，其具有被布置在所述纵轴处的线圈，以向所述近均匀磁场B

光谱仪，其布置在所述框架的中空空间内并耦合到所述磁孔，所述光谱仪具有控制单元，用于向所述样本施加磁激励脉冲并测量由所述样本内的氢质子系综生成的自由感应衰减信号。

93.根据权利要求92所述的设备，其中，所述外壳的尺寸适于被保持在桌面支架中，并且所述样本腔的尺寸适于接收保持所述样本的样本插入物。

94.根据权利要求92所述的设备，其中，所述外壳的尺寸适于被受试者的手握住，所述样本由所述受试者的手指或拇指提供，并且所述样本腔的尺寸适于接收所述受试者的手指。

95.根据权利要求92至94中任一项所述的设备，其中，所述设备还包括滑动门，以在测量期间选择性地允许进入所述样本腔。

96.根据权利要求92至95中任一项所述的设备，其中，所述设备还包括可以被触摸以激活所述设备的触摸传感器。

97.根据权利要求92至96中任一项所述的设备，其中，所述设备还包括显示器，用于提供用户界面并显示测量结果。

98.根据权利要求92至97中任一项所述的设备，其中，所述设备还包括通信模块，用于允许所述控制单元与远程装置通信并接收控制数据和测量结果。

99.根据权利要求92至98中任一项所述的设备，其中，所述控制单元被配置为执行根据权利要求1至31、55至57或87至91中任一项所述的方法。

100.根据权利要求92至99中任一项所述的设备，其中，根据权利要求32至54中任一项定义所述光谱仪。

101.根据权利要求92至100中任一项所述的设备，其中，根据权利要求58至68和70中任一项定义永磁体配件。

102.根据权利要求92至101中任一项所述的设备，其中，根据权利要求69、71至86中任一项定义所述匀场装置。