Utilización de Filtros Digitales y Oversampling en el Varian Inova 500 MHz |
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La aplicación de filtros digitales y oversampling (DSP) puede comportar una serie de ventajas con respecto la utilización de filtros de banda (fb), entre estas destacan:
El proceso requiere tres etapas. En la primera se efectúa un sobre muestreo del espectro de acuerdo con el valor del parámetro oversamp. Ello significa que se adquiere una ventana espectral mucho más amplia de lo necesaria. Por ejemplo con oversamp de 20 para un sw a detectar de 5kHz se adquiriría una ventana de 100 KHz. Una de las ventajas del sobremuestreo es que el ruido es menor, siempre y cuando nos encontremos en la situación en la que el factor limitante, en cuanto al ruido, sea el ruido proveniente del propio Fid y no del ADC. Esta situación se da fundamentalmente en muestras relativamente concentradas en las que el valor del gain es bajo. Una vez se ha adquirido el espectro con sobre nuestreo, es preciso aplicar un filtro digital de modo que se seleccione la ventana espectral requerida. De este modo se eliminan las señales y el ruido situadas fuera de la zona a observar. Los filtros digitales se definen mediante un algoritmo y por el número de coeficientes aplicados. Cuanto más coeficientes se utilicen más brusca es la forma de corte. No obstante, la utilización de numerosos coeficientes incrementa el tiempo necesario de calculo. La etapa final corresponde a un proceso de submuestreo, de modo que se reducen los puntos del Fid a los necesarios para poder analizar y procesar la ventana espectral seleccionada. Así, en el ejemplo anterior el submuestreo supondría a pasar de los 160 kw correspondientes a los 100 KHz a 8 kw para la ventana espectral de 5 kHz. Tipos de filtros digitales. En los equipos Varian existen tres posibilidades de utilización de los procesos de sobre muestreo y filtros digitales.
Todo el proceso se controla por medio del parámetro dsp que puede tener tres valores n (no se aplica el proceso), i (proceso inline), r (proceso en modo real). El parámetro dsp tiene un carácter global, afecta a todos los experimentos definidos. Independientemente de que el valor de dsp sea igual a i o r, cuando se ajusta sw y at el sistema cambia los valores de los parámetros de oversampling (oversamp) de modo que se efectué el máximo muestreo posible. En nuestro caso se ha comprobado que cuando el valor de sw no es muy pequeño el proceso falla si se utiliza un oversamp de 68. Así con un sw de 3500 Hz , dp=y y oversamp igual a 68 sólo se obtiene ruido en el espectro. Por el contrario cuando sw es igual a 1500 Hz es posible utilizar un oversamp de 68. Si desea eliminar el proceso de oversampling en un experimento determinado basta con poner el parámetro oversamp igual a n, en el caso de que se desee desactivarlo de un modo permanente para todos los experimentos es necesario que dsp sea igual a n (dsp=n). DSP real En este caso basta con poner dsp='r' , con esta orden también se activan el resto de los parámetros necesarios para todo el proceso. Estos parámetros son: Oversamp, que indica el grado de oversampling que se realizará, pudiendo tener valores desde 1 a 68. También acepta el valor n, que indica que en este experimento el proceso de oversampling está desactivado (a pesar de que dsp sea igual a y) Def_osfilt define el tipo de filtro digital utilizado, en este caso existen dos posibilidades: a (AnalogPlus) y b (Brickwall).
Resultados obtenidos en las pruebas de la utilización de filtros digitales A. DSP en modo real. La muestra utilizada para la realización de las pruebas ha sido la celobiosa disuelta en cdcl3 con una concentración aproximada de 15 mg/ml. El equipo utilizado ha sido un Varian Inova 500 con una pentaprobe. El espectro de referencia se efectúo con una ventana espectral de 3860 Hz dp=y gain 40 (calculado automáticamente) y se obtuvo una relación señal ruido aproximada de 7400 a 1 con cuatro acumulaciones.
Con las siguientes condiciones dsp=r def_osfilt=a fsq=n oversamp=68 sw=3860 gain=40 nt=4 se obtuvo un espectro con sólo ruido . Al diminuir el valor de ovesrsamp a 30 se obtuvo un espectro correcto con una relación SN de 7460. Para ello se utilizo un array de ganancia con valores comprendidos entre 10 y 50 con un oversampling de 30 y dsp en modo real.
En el caso del mismo experimento, pero sin utilizar el oversampling se obtuvieron los siguientes resultados:
En este caso se adquirieron una serie de experimentos manteniendo constante el valor de ganancia a 30 y variando el valor del oversamp Sólo se pretendía comprobar su efecto con respecto a la relación SN en estas condiciones (valor de gain medio-alto)
En este caso y debido a que la muestra requiere la utilización de un gain medio alto no se observa un incremento de la relación señal ruido al aumentar el valor del oversamp. En este caso se ha utilizado también muestras de celobiosa pero con concentraciones crecientes
Todos los espectros se han adquirido con cuatro acumulaciones un pulso de 70º y un tiempo de espera entre pulsos de 20 segundos. Como se puede apreciar en la tabla anterior el incremento de sensibilidad sólo es significativo cuando la concentración de las muestras es tal que es necesario utilizar valores de gain bajos (muestras muy concentradas o bien con señales muy intensas, agua, disolventes, etc).
Para ello se adquirieron una serie de espectros de la celobiosa utilizando diversas ventanas espectrales, en las que algunas señales no están incluidas. Ventana espectral para la observación de señales entre 6.4 y ppm (no incluye los metilos) Ventana espectral para la observación de señales entre y ppm (no incluye gran parte de las señales). En ninguno de los dos casos se observa folding de las señales excluidas. En cambio cuando se realiza un espectro en condiciones normales, pero excluyendo los metilos se observa en la zona central del espectro un rebote de gran intensidad de estos.
En la gráfica anterior se puede apreciar que en los espectros en los que se ha aplicado el filtro digital se produce una cierta distorsión de la línea de base que puede compensarse con un bc polinomial Se ha efectuado la misma comprobación con el experimento Cosy sw=1398 Hz oversamp=68, dsp=r def_osfilt=a, comparando con el correspondiente sin utilizar filtros digitales. En este ultimo caso al igual que sucedía en el espectro de 1D se observa un rebote de los metilos en la zona central del espectro que dificultan la interpretación de los resultados. En el caso del experimento realizado con dsp no se observa ningún rebote y tampoco los artefactos originados por la gran intensidad de las señales de los metilos.
Para ello se ha adquirido un espectro de la celobiosa con la ventana espectral reducida, de modo que la señal correspondiente al protón anómerico este situada en un extremo de la ventana espectral ( aproximadamente a unos 70 Hz). La integración del protón anomérico se ha comparado con la integración de un conjunto de señales (2H) situadas en la parte central del espectro. En la siguiente tabla se muestran los resultados obtenidos.
En todos los espectros se han adquirido cuatro acumulaciones con un pulso de 30ª y un tiempo de espera entre acumulaciones de 30 s Nota * El valor anómalo obtenido al utilizar el filtro tipo Brickwall se atribuye a la existencia de una deformación en la línea de base que no pudo corregirse completamente con la utilización del bc. B. DSP en línea
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C. Sobre muestreo/submuestreo en el procesado
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D. Comentarios de la utilización del sistema de filtros digitales Cuando se utiliza el DSP el ajuste de la ganancia tanto en el caso de los experimentos de 1D como en los de 2D no es tan critico ya que se obtiene una relación SN en un amplio margen de ganancia tal como se puede observar en la siguiente gráfica.. En el caso de muestras con una relación SN media-alta el factor del oversampling efectuado no influye sobre la relación SN obtenida. Aunque no se esté en la zona de gain (concentración de muestra) que permita un incremento de sensibilidad, la utilización del sistema de filtros digitales puede resultar muy conveniente por la facilidad de obtener una ganancia "optima" con mayor facilidad y por la posibilidad de reducir el valor de la ventana espectral sin problemas de rebotes Cuando se utiliza el filtro AnalogPlus puede producirse el rebote de algunas señales en el caso de que estas estén muy próximas al punto de corte, este efecto no tiene lugar cuando se utiliza el filtro Brickwall. En los experimentos de 2D y 1D la utilización de filtros digitales permite la eliminación total de rebotes (siempre que las señales excluidas no estén excesivamente próximas al punto de corte). Los problemas de distorsión de la línea de base pueden resultar perjudiciales en el caso de experimentos tipo noesy y roesy (en especial sí se utilizan pocos coeficientes en el filtro). Se observa una mejora de la integración, en especial en las señales situadas en los extremos de la ventana espectral. Cuando se intenta utilizar el dsp con ventanas espectrales superiores a 3000 Hz no es posible utilizar el máximo factor de oversampling En el caso de utilizar dsp=r la situación de ADC overflow se alcanza ligeramente antes que cuando no se aplica. En las pruebas efectuadas el gain de 36 frente a 40-42 en las condiciones standard. La utilización de la opción dsp=r puede ser no adecuada en el caso de que se pretendan realizar un gran número de acumulaciones (por ejemplo espectros de C13). En este caso la acumulación puede detenerse después de algunos cientos de acumulaciones (en el mejor de los casos miles) con el mensaje MAX Nª OF TRANSIENTS. Ello se debe a que con dsp=r la máxima capacidad de salida del ADC pasa de 16 (en condiciones normales) a 24 bits, mientras que la capacidad del ordenador se mantiene en 32 bits. Así con un ADC de 16 bits es posible realizar hasta 65536 acumulaciones, si la salida es de 254 bits el número máximo pasa a ser de sólo 256 acumulaciones. Este problema se puede soslayar utilizando los filtros digitales en línea dsp='i', ya que en este caso la capacidad de salida del ADC no se modifica y todo el proceso se realiza en el host. La única precaución que debe adoptarse es asegurarse que el tamaño del bloque no sea excesivamente pequeño. Más información en Manual de Varian Getting Started pag 197 Magnetic Moments (Varian) Vol VIII Nº 1 pag 7 Barcelona 2-12-1998
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