CN105785457B - 基于双极性脉冲的地面核磁共振横向弛豫时间的测量方法 - Google Patents
基于双极性脉冲的地面核磁共振横向弛豫时间的测量方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及核磁共振横向弛豫时间的测量领域，具体涉及基于双极性脉冲的地面核磁共振横向弛豫时间的测量方法，采用双极性自旋回波对横向弛豫时间T2进行测量，通过发射1号正极性90°脉冲和1号正极性180°脉冲采集第一实测信号和第二实测信号，再次发射2号负极性90°脉冲和2号正极性180°脉冲采集第三实测信号和第四实测信号，对第二实测信号和第四实测信号进行叠加，即可获得无自由感应衰减信号干扰的自旋回波信号。通过改变90°脉冲和180°脉冲之间的时间间隔τ，进行多次重复测量，可以获得多个自旋回波信号。本发明提高了地面核磁共振横向弛豫时间T2的测量精度，避免了T2较小时，CPMG序列采集的自旋回波信号个数少，测量精度受限的问题。
Description
技术领域
本发明涉及核磁共振横向弛豫时间的测量领域，具体涉及基于双极性自旋回波的一种地面核磁共振横向弛豫时间的测量方法。
背景技术
地面核磁共振(Magnetic Resonnance Sounding,MRS)信号的特征参数横向弛豫时间T2分布包括十分丰富的地层信息，直接反映了介质颗粒和孔隙大小，可以用于确定孔隙度、束缚水饱和度、渗透率、孔径分布、以及流体特性和含水量等水文地质参数。但是，目前国际上商业化的地面核磁共振找水仪一般采用单脉冲序列来获取自由感应衰减FID信号，因此只能获得横向弛豫时间T2的近似值-平均弛豫时间T2 *，在外磁场不均匀的情况下，大孔径的平均弛豫时间T2 *均小于横向弛豫时间T2，因而无法准确计算孔隙度、束缚水饱和度、渗透率和孔径分布等地层信息，严重制约了地面核磁共振技术在地下水资源勘察等领域的发展和应用。
目前，在核磁共振探测过程中，测量横向弛豫时间T2的方法主要有自旋回波SE序列和CPMG序列两种方法。基于自旋回波序列的核磁共振测量方案是在单脉冲激发的基础上，增加180°脉冲用于观测自旋回波信号SE信号，从而测量横向弛豫时间T2。该方法易于实现，但是存在下述缺点，发射90o脉冲产生一个FID信号，发射180°脉冲不仅产生自旋回波SE信号，同时也会产生第二个FID信号，第二个FID信号会干扰自旋回波SE信号，实测信号为FID信号和自旋回波SE信号的叠加信号，将掩盖真实的自旋回波SE信号的幅度和形状。同时，自旋回波SE序列只获取一个自旋回波SE信号，横向弛豫时间T2的测量精度低。CPMG序列是在自旋回波SE序列的基础上，多次施加180°硬脉冲，从而得到多个自旋回波信号。但是存在下述缺点，CPMG序列需要多次发射180°脉冲，需要消耗大量的时间；在T2较小时，CPMG序列采集的自旋回波信号较少，从而导致T2测量精度低。同时存在180°脉冲产生FID信号，干扰真实自旋回波信号的问题。
CN102096112A公开了一种基于阵列线圈的核磁共振地下水探测仪及野外探测方法，此发明由计算机通过串口线或网口线经控制单元、发射线圈与接收线圈连接组成，接收线圈是由25个接收单元连接构成阵列线圈，用阵列线圈作为接收单元的天线，并且为每个天线配备独立的接收单元。此发明的优点是：能够实现二维和三维地下水成像，不但可以实现高灵敏度采集和远距离的数据传输，而且可以在复杂地形地貌上进行铺设，提高了核磁共振探测在水平面上的精度，能够高效准确地确定打井井位，减少打干井的风险。但是，此发明的缺点是：该核磁共振地下水探测仪的发射脉冲为常规硬脉冲序列，只能获得平均弛豫时间T2 *，在外磁场不均匀的情况下，导致计算水文地质参数误差大，降低了找水效率。
CN103852794A公开了一种烃类污染浅层地下水磁共振检测装置及检测方法，此装置由发射逻辑及控制单元、MCU、信号采集卡，24V电池、DCDC模块，信号调理电路，储能发射单元、电压电流采集单元发射线圈和接收单元构成。此发明的优点是：实现了非侵入式定量定性测量，现场快速得到测试结果，用永磁体提高当地地磁场的强度，能够在电力干扰较严重的地方实施核磁共振测量，有效提高信噪比，打破因电力干扰严重而不能实施核磁共振探测的束缚，用自旋回波脉冲能够有效地克服磁场不均匀带来的结果不准确的缺点，能够快速准确地检测到地下5米内烃类污染。但是，此发明的缺点是：此发明发射的自旋回波脉冲即为CPMG脉冲，因此，此发明存在CPMG序列的缺点。同时，此发明的装置需在不充电的情况下，进行多次发射180°脉冲，电源电压下降，会导致发射脉冲未达到180°，不能准确测量横向弛豫时间T2。
因此，需要发明一种能够快速有效地测量横向弛豫时间T2的方法，以解决常规单脉冲测量的T2 *估算水文地质参数误差大的问题，以及在外磁场不均匀的情况下的T2的有效测量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于双极性脉冲的地面核磁共振横向弛豫时间的测量方法，以解决在外磁场不均匀的情况下，常规单脉冲测量平均弛豫时间T2 *估算水文参数误差大的问题，以及横向弛豫时间T2测量难题。
本发明是这样实现的，一种基于双极性脉冲的地面核磁共振横向弛豫时间的测量方法，
发射1号正极性90°脉冲，采集第一实测信号，
经过时间间隔τ，发射1号正极性180°脉冲，采集第二实测信号；
经过时间恢复后，发射2号负极性90°脉冲，采集第三实测信号；
经过相同时间间隔τ，发射2号正极性180°脉冲，采集第四实测信号；
对第二实测信号和第四实测信号进行叠加，获得消除了自由感应FID信号干扰的自旋回波SE信号；
将第一实测信号和第三实测信号叠加得到第一个自由感应FID信号；
通过改变90°脉冲和180°脉冲之间时间间隔τ，重复进行上述步骤，在重复测量期间获得多个自旋回波SE信号；
将第一个自由感应FID信号的初始幅度和每个自旋回波SE信号的峰值连接，形成一条指数衰减曲线，拟合获得横向弛豫时间T2。
进一步地，对第二实测信号和第四实测信号进行叠加为：将第二实测信号和第四实测信号相减除以2。
进一步地，将第一实测信号和第三实测信号叠加具体为：将第一实测信号和第三实测信号相减除以2。
进一步地，发射1号正极性90°脉冲为：在三维直角坐标系中，静磁场Bo沿三维直角坐标系的Z轴方向上，将发射线圈放置于地面上，在垂直于静磁场Bo方向的XY平面中的X轴方向向地下发射1号正极性90°脉冲。
进一步地，发射1号正极性180°脉冲为：在三维直角坐标系中，静磁场Bo沿三维直角坐标系的Z轴方向上，将发射线圈放置于地面上，在Z轴方向上向地下发射1号正极性180°脉冲。
进一步地，发射2号负极性90°脉冲为：在三维直角坐标系中，静磁场Bo沿三维直角坐标系的Z轴方向上，将发射线圈放置于地面上，在垂直于静磁场Bo方向的XY平面中的负X轴方向向地下发射2号负极性90°脉冲。
进一步地，发射2号正极性180°脉冲为：在三维直角坐标系中，静磁场Bo沿三维直角坐标系的Z轴方向上，将发射线圈放置于地面上，在Z轴方向上发射2号正极性180°脉冲。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：由于实际测区磁场分布通常具有不均匀性，所测的T2*小于横向弛豫时间T2，因此用T2*计算获得的束缚水、渗透率和孔径分布等地层信息与理论结果误差大。而自旋回波信号中的横向弛豫时间不会受到磁场不均匀性的影响，因此采用双脉冲自旋回波序列可以实现对横向弛豫时间T2的测量。通过发射双极性的90°脉冲，可以消除180°脉冲产生的FID信号对自旋回波SE信号的干扰，从而得到真实的自旋回波SE信号。通过改变90°脉冲和180°脉冲之间的时间间隔τ，进行多次发射，可以获得多个自旋回波信号，从而提高横向弛豫时间T2的测量精度。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1基于双极性自旋回波的地面核磁共振横向弛豫时间T2测量方法的流程图；
图2发射双极性自旋回波产生的FID信号和自旋回波SE信号的相位图；a为发射正极性90°脉冲和正极性180°脉冲采集的FID信号和SE信号的相位图，b为发射负极性90°脉冲和正极性180°脉冲采集的FID信号和SE信号的相位图，c为通过a和b叠加获得的FID信号和自旋回波SE信号。
图3基于双极性自旋回波的地面核磁共振横向弛豫时间T2测量方法的脉冲时序图，a为时间间隔为τ1的第一次测量，b为时间间隔为τ2的第二次测量，c为时间间隔为τ3的第三次测量，d为时间间隔为τn的第n次测量。
图4GPMG序列(a)和双极性自旋回波(b)获取横向弛豫时间T2的对比图；
图5双极性自旋回波消除自由感应衰减信号干扰的效果图，a为第一实测信号，b为第二实测信号，c为第三实测信号，d为第四实测信号，e为FID信号，f为自旋回波SE信号。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的一种基于双极性脉冲的地面核磁共振横向弛豫时间T2测量方法的实施例1的框图如图1和图3所示。当实测区域磁场不均匀时，需要采用双极性脉冲对横向弛豫时间T2进行测量。本发明基于双极性脉冲的地面MRS横向弛豫时间T2测量方法步骤如下：
步骤10：发射1号正极性90°脉冲；
在三维直角坐标系中，静磁场Bo沿三维直角坐标系的Z轴方向上，将发射线圈放置于地面上，在垂直于静磁场Bo方向的XY平面中的X轴方向向地下发射1号正极性90°脉冲，激励地下水中氢原子核，使其在地磁场中进行旋进运动，当激励停止后，氢原子核产生自旋弛豫现象(失相)，利用地面接收线圈采集到的信号为第一实测信号11；
步骤20：发射1号正极性180°脉冲；
经过步骤12时间间隔τ，在Z轴方向上发射1号正极性180°脉冲(激发时间是90°脉冲的两倍)，使失相的氢原子核重新聚焦进行旋进运动，当激励停止后氢原子核再次产生自旋弛豫现象，采集到的信号为第二实测信号21；
步骤30：发射2号负极性90°脉冲；
经过步骤22时间t，氢原子核恢复初始状态，在负X轴方向向地下发射2号负极性90°脉冲，当激励停止后，利用地面接收线圈采集到的信号为第三实测信号31；
步骤40：发射2号正极性180°脉冲；
经过步骤32时间间隔τ(与1号正极性90°脉冲和1号正极性180°脉冲之间的时间间隔τ相同)，在Z轴方向上发射2号正极性180°脉冲，当激励停止后，地面接收线圈采集到的信号为第四实测信号41。
步骤50：叠加获得自由感应FID信号；
参见图2，本发明双极性自旋回波产生的FID信号和自旋回波SE信号的相位图，根据核磁共振原理，发射一个90°脉冲产生第一个FID1信号，发射一个180°脉冲产生一个自旋回波SE信号，同时产生第二个FID2信号，FID2信号干扰自旋回波SE信号，地面接收线圈采集到的实测信号为FID2信号和自旋回波SE信号的叠加信号，此信号掩盖了真实的自旋回波SE信号的幅度和形状。因此，本发明采集的第一实测信号和第三实测信号为FID1信号，第二实测信号和第四实测信号为FID2信号和自旋回波SE信号的叠加信号，第二实测信号和第四实测信号掩盖了真实自旋回波SE信号的幅度和形状。
根据核磁共振原理，采集到的FID1信号和自旋回波SE信号的相位与90°脉冲的相位一致，发射180°脉冲采集到的FID2信号的相位与180°脉冲的相位一致。由于1号90°脉冲和2号90°脉冲的极性相反，因此第一实测信号和第三实测信号的FID1信号的相位相差180°，第二实测信号和第四实测信号中的自旋回波SE信号的相位相差180°，而第二实测信号和第四实测信号中的FID2信号的相位相同。因此，将第一实测信号和第三实测信号相减除以2即可得到FID信号51；
步骤60：叠加获得自旋回波SE信号；
根据步骤50中所述的核磁共振原理，第二实测信号和第四实测信号中FID2信号相位相同，SE信号相位相差180°，因此将第二实测信号和第四实测信号相减除以2即可得到消除自由感应FID信号的自旋回波SE信号61；
步骤70：改变时间间隔τ，多次重复发射；
参见图3基于双极性自旋回波的地面核磁共振横向弛豫时间T2测量方法的脉冲时序图，为了提高横向弛豫时间T2的测量精度，通过改变90°脉冲和180°脉冲之间时间间隔τ，重复进行步骤10、20、30、40、50和60，在重复测量期间获得多个自旋回波SE信号，从而实现准确横向弛豫时间T2的测量；
步骤80：拟合横向弛豫时间T2；
参见图4(b)双极性脉冲测量横向弛豫时间T2示意图，在时域上，自旋回波SE信号的包络近似表示为：
当实际应用时，表达式可以表达为：
其中Δt0.5是自旋回波SE信号的半宽度，即回波信号最大幅度的一半所占的包络宽度。
自旋回波SE信号的峰值VSE可用时域观测信号vSE通过表达式(2)拟合获得。将自由感应FID信号和每个自旋回波信号的峰值VSE连接，形成一条指数衰减曲线就是T2衰减曲线，因此可以利用这个峰值衰减规律来拟合T2值。
如图5所示，本发明双极性脉冲消除自由感应衰减信号干扰的效果图，根据核磁共振原理，发射双极性90°脉冲可以获得极性相反的FID1信号和SE信号，发射极性相同的180°脉冲，可以获得极性相同的FID2信号，将信号叠加即可得到消除FID2信号干扰的自旋回波SE信号。
综上所述，如图4所示，本发明GPMG序列和双极性脉冲获取横向弛豫时间T2的对比图，a图为CPMG序列采集横向弛豫时间T2示意图，当测量区域的横向弛豫时间T2很小时，如图所示，由于CPMG序列的90°脉冲和180°脉冲之间的间隔时间固定，在发射的多个180°脉冲中，只有前面少数180°脉冲可以采集到SE信号，自旋回波SE信号个数较少，影响横向弛豫时间T2的测量精度。b图为双脉冲变间隔的自旋回波序列采集横向弛豫时间T2示意图，通过改变90°脉冲和180°脉冲之间的时间间隔τ，可以采集多个自旋回波SE信号，明显地提高了横向弛豫时间T2的测量精度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于双极性脉冲的地面核磁共振横向弛豫时间的测量方法，其特征在于，包括：
发射1号正极性90°脉冲，采集第一实测信号，
经过时间间隔τ，发射1号正极性180°脉冲，采集第二实测信号；
经过时间恢复后，发射2号负极性90°脉冲，采集第三实测信号；
经过相同时间间隔τ，发射2号正极性180°脉冲，采集第四实测信号；
对第二实测信号和第四实测信号进行叠加，获得消除了自由感应FID信号干扰的自旋回波SE信号；
将第一实测信号和第三实测信号叠加得到第一个自由感应FID信号；
通过改变90°脉冲和180°脉冲之间时间间隔τ，重复进行上述步骤，在重复测量期间获得多个自旋回波SE信号；
将第一个自由感应FID信号的初始幅度和每个自旋回波SE信号的峰值连接，形成一条指数衰减曲线，拟合获得横向弛豫时间T2。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，对第二实测信号和第四实测信号进行叠加具体为：将第二实测信号和第四实测信号相减除以2。
3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，将第一实测信号和第三实测信号叠加具体为：将第一实测信号和第三实测信号相减除以2。
4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，发射1号正极性90°脉冲具体为：在三维直角坐标系中，静磁场Bo沿三维直角坐标系的Z轴方向上，将发射线圈放置于地面上，在垂直于静磁场Bo方向的XY平面中的X轴方向向地下发射1号正极性90°脉冲。
5.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，发射1号正极性180°脉冲具体为：在三维直角坐标系中，静磁场Bo沿三维直角坐标系的Z轴方向上，将发射线圈放置于地面上，在Z轴方向上向地下发射1号正极性180°脉冲。
6.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，发射2号负极性90°脉冲具体为：在三维直角坐标系中，静磁场Bo沿三维直角坐标系的Z轴方向上，将发射线圈放置于地面上，在垂直于静磁场Bo方向的XY平面中的负X轴方向向地下发射2号负极性90°脉冲。
7.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，发射2号正极性180°脉冲具体为：在三维直角坐标系中，静磁场Bo沿三维直角坐标系的Z轴方向上，将发射线圈放置于地面上，在Z轴方向上发射2号正极性180°脉冲。
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