CN108254588B - 核磁共振测量流体流速的方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种核磁共振测量流体流速的方法与装置，该方法应用于核磁共振测量流体流速的装置，该方法包括：预极化磁体段对待测流体样品进行预极化处理；射频天线在测量磁体段的作用下与预极化处理后的待测流体样品产生共振信号，并将共振信号传输至处理设备；处理设备根据共振信号计算待测流体样品的流速。本发明提供的核磁共振测量流体流速的方法与装置在待测流体样品具有较高流速时也能准确测量其流速，实现了对于不同流速范围的流体的流速的测量。
Description
技术领域
本发明涉及核磁共振技术，尤其涉及一种核磁共振测量流体流速的方法与装置。
背景技术
核磁共振流体分析仪是基于核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance，简称NMR)原理对流体进行识别的仪器，具有实时、快速和准确的优点，因而得到了广泛的应用。
核磁共振在流体流速测量中也有广泛的应用，目前，有两种NMR测量流速的方法：一种依赖于固定梯度场或者射频梯度场，通过流体流动产生的NMR信号相位偏移来得到流体流速信息。另外一种根据NMR信号大小变化来判断流体流速。
但是，现有技术的NMR测量流速的方法均只能测量流体流速较小的情况，不能实现对于不同流速范围的流体流速的测量。
发明内容
本发明提供一种核磁共振测量流体流速的方法与装置，用于解决现有技术中的NMR测量流速的方法不能实现对于不同流速范围的流体流速进行测量的问题。
一方面，本发明提供一种核磁共振测量流体流速的方法，该方法应用于核磁共振测量流体流速的装置，该装置包括：流体管、磁体、至少两个射频天线、高导磁外壳和处理设备；上述流体管位于上述高导磁外壳内；上述磁体包括预极化磁体段和测量磁体段，上述磁体套设在上述流体管的外部、且位于上述高导磁外壳和上述流体管之间；上述至少两个射频天线绕设于上述流体管的外壁、且位于上述测量磁体段和上述流体管之间；上述至少两个射频天线的输出端与上述处理设备连接；上述方法包括：
上述预极化磁体段对待测流体样品进行预极化处理；
上述射频天线在上述测量磁体段的作用下与预极化处理后的上述待测流体样品产生共振信号，并将上述共振信号传输至上述处理设备；
上述处理设备根据上述共振信号计算上述待测流体样品的流速。
进一步地，上述处理设备根据上述共振信号计算上述待测流体样品的流速，包括：
根据上述共振信号的回波串的衰减曲线特征，确定采用上述共振信号的至少两个回波的相位计算上述待测流体样品的流速；或者，
根据上述共振信号的回波串的衰减曲线特征，确定采用上述共振信号的回波串的衰减曲线特征计算上述待测流体样品的流速。
可选地，当上述待测流体样品处于流动状态时流体分子中的氢原子核被上述预极化磁体段极化，上述共振信号的至少两个回波中的奇数波的相位不完全重聚，上述至少两个回波中的偶数波的相位完全重聚；
上述处理设备采用上述共振信号的至少两个回波的相位计算上述待测流体样品的流速，包括：
上述处理设备根据上述共振信号的至少两个回波的相位，获取上述至少两个回波中的上述奇数波与上述偶数波的相位差；
根据上述至少两个回波中的上述奇数波与上述偶数波的相位差，获取上述待测流体样品的流速。
进一步地，上述根据上述至少两个回波中的上述奇数波与上述偶数波的相位差，获取上述待测流体样品的流速，包括：
采用如下公式获取上述待测流体样品的流速：
其中，
为上述奇数波和上述偶数波的相位差，γ为旋磁比，G为梯度磁场的磁场梯度，v为流速，TE为上述奇数波和上述偶数波的回波间隔。
可选地，上述采用上述共振信号的回波串的衰减曲线特征计算上述待测流体样品的流速，包括：
上述处理设备根据上述共振信号的回波串的衰减曲线特征，获取上述预极化处理后的上述待测流体样品的横向弛豫时间T2和纵向弛豫时间T1；
上述处理设备根据上述横向弛豫时间T2和纵向弛豫时间T1，获取上述待测流体样品的流速；
其中，上述横向弛豫时间T2和上述纵向弛豫时间T1采用如下公式获取：
其中，I(t)为t时刻的流体磁化矢量，I0为流体初始磁化矢量，t为流体衰减时间。
进一步地，上述处理设备根据上述横向弛豫时间T2和纵向弛豫时间T1，获取上述待测流体样品的流速，包括：
采用如下公式计算：
其中，I(v,t)为t时刻具有流速v的流体的磁化矢量，L为施加上述脉冲序列的射频天线的有效长度，β为上述待测流体样品的预极化效率，其中，
当t远远小于T2时，则计算上述待测流体样品的流速的公式为：
另一方面，本发明提供一种核磁共振测量流体流速的装置，包括：流体管、磁体、至少两个射频天线、高导磁外壳和处理设备；上述流体管位于上述高导磁外壳内；上述磁体包括预极化磁体段和测量磁体段，上述磁体套设在上述流体管的外部、且位于上述高导磁外壳和上述流体管之间；上述至少两个射频天线绕设于上述流体管的外壁、且位于上述测量磁体段和上述流体管之间；上述至少两个射频天线的输出端与上述处理设备连接；
上述流体管，用于容纳待测流体样品；
上述预极化磁体段，用于对上述待测流体样品进行预极化处理；
上述射频天线，用于在上述测量磁体段的作用下与预极化处理后的上述待测流体样品产生共振信号，并将上述共振信号传输至上述处理设备；
上述处理设备，用于根据上述共振信号计算上述待测流体样品的流速。
可选地，上述预极化磁体段包括至少三段磁体段；
上述至少三段磁体段包括：过极化磁体段、欠极化磁体段和稳定极化磁体段；
上述过极化磁体段的磁场强度大于上述测量磁体段的磁场强度，上述欠极化磁体段的磁场强度小于测量磁体段的磁场强度，上述稳定极化磁体段的磁场强度等于测量磁体段的磁场强度。
可选地，上述测量磁体段包括：均匀磁场磁体段和梯度磁场磁体段；
上述均匀磁场磁体段靠近上述预极化磁体段的一端的外部套设有上述至少两个射频天线中的第二天线线圈；上述均匀磁场磁体段用于产生均匀磁场，以使上述第二天线线圈能够在上述测量磁体段的作用下与预极化处理后的高速待测流体样品产生共振信号；
上述梯度磁场磁体段外套设上述至少两个射频天线中的第一天线线圈；上述梯度磁场磁体段用于产生梯度磁场，以使上述第一天线线圈能够在上述测量磁体段的作用下与预极化处理后的低速待测流体样品产生共振信号；
其中，上述高速待测流体样品为流速大于15cm/s的待测流体样品；上述低速待测流体样品为流速小于等于15cm/s的待测流体样品；
上述至少两个射频天线均可以用于发射脉冲序列和接收所述待测流体样品返回的核磁共振信号。
可选地，上述装置还包括第三天线线圈；
上述第三天线线圈套设在上述均匀磁场磁体段远离上述预极化磁体段的一端的外部，用于辅助测量上述待测流体样品的流体信息以区别流体类型。
本发明提供的核磁共振测量流体流速的方法与装置，该方法应用于核磁共振测量流体流速的装置，该装置包括：流体管、磁体、至少两个射频天线、高导磁外壳和处理设备。其中，磁体包括预极化磁体段和测量磁体段，当待测流体样品在流经预极化磁体段对应的流体管时，可以对待测流体样品进行预极化处理，经过预极化处理后的待测流体样品可以在测量磁体段的作用下与射频天线产生共振信号，并通过射频天线将共振信号传输至处理设备以进行流速计算。本发明提供的核磁共振测量流体流速的方法与装置由于对待测流体样品进行了预极化处理，这样可以保证在待测流体样品具有较高流速时也可以被准确测量，实现了对于不同流速范围的流体的流速的测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一核磁共振测量流体流速的方法流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一核磁共振测量流体流速的装置的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的核磁共振测量流体流速的方法采用的CPMG脉冲序列的示意图；
图4为本发明实施例提供的另一核磁共振测量流体流速的方法流程示意图；
图5为本发明实施例提供的低速待测流体样品流速的计算方法流程示意图；
图6为本发明实施例提供的待测流体样品处于流动状态时奇数波与偶数波的相位示意图；
图7为本发明实施例提供的低速待测流体样品核磁共振信号的回波串曲线；
图8为本发明实施例提供的高速待测流体样品流速的计算方法流程示意图；
图9为本发明实施例提供的高速待测流体样品核磁共振信号的回波串曲线；
图10为本发明实施例提供的另一核磁共振测量流体流速的装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。此外，说明书中的“第一”、“第二”仅是为了区分描述所指示的技术特征，而不能理解为指示或暗示相对重要性或描述特定的顺序，应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
图1为本发明实施例提供的一核磁共振测量流体流速的方法流程示意图，图2为本发明实施例提供的一核磁共振测量流体流速的装置的结构示意图。请参照图1中的核磁共振测量流体流速的方法，其中需要说明的是，该方法应用于图2所示的核磁共振测量流体流速的装置。
具体地，如图2所示，该装置包括：流体管11、磁体12、至少两个射频天线13、高导磁外壳14和处理设备(图中未画出)；流体管11位于高导磁外壳14内；磁体12包括预极化磁体段121和测量磁体段122，磁体12套设在流体管11的外部、且位于高导磁外壳14和流体管11之间；至少两个射频天线13绕设于流体管11的外壁、且位于测量磁体段122和流体管11之间；至少两个射频天线13的输出端与处理设备连接。
基于上述核磁共振测量流体流速的装置，本实施例所提供的核磁共振测量流体流速的方法包括：
S11：预极化磁体段对待测流体样品进行预极化处理。
具体地，由于上述核磁共振测量流体流速的装置的磁体包括预极化磁体段和测量磁体段，因此，在待测流体样品流经上述预极化磁体段时，待测流体样品会在上述预极化磁体段的磁场的作用下发生预极化。预极化处理可以使待测流体样品在被测量流速之前进行充分极化，由于流体的流速和流体极化程度对核磁共振信号都会产生影响：流体的流速越大，核磁共振信号衰减越快；核磁共振对流体极化非常敏感，极化程度越高，核磁共振效果越好。由于流体流速的影响不可避免，因此，为了提高核磁共振效果以实现对流速的准确测量，可以通过提高待测流体样品的极化程度以提高核磁共振效果。并且，由于在进行流速测量之前进行了预极化处理，因此对于高速待测流体样品也可以实现准确的流速测量。
可选地，预极化磁体段可以根据流体的性质和预极化程度的需求进行设计，例如：选择不同磁场强度的预极化磁体段、选择不同结构的预极化磁体段等。通过对预极化磁体段的设计可以实现本步骤中对待测流体样品预极化处理的效果。
S12：射频天线在测量磁体段的作用下与预极化处理后的待测流体样品产生共振信号，并将共振信号传输至处理设备。
具体地，射频天线用于在流体速度测量时发送脉冲序列和接收共振信号。当射频天线发送一脉冲序列于待测流体样品上时，由于待测流体样品位于测量磁体段内，测量磁体段存在一磁场，因此在测量磁体段的磁场的作用下，射频天线发送的脉冲序列与预极化处理后的待测流体样品作用而产生共振信号，即发生核磁共振，返回一核磁共振信号，并通过射频天线将该核磁共振信号传输至具有运算处理功能的处理设备。可选地，测量磁体段可以存在一均匀磁场和一梯度磁场，在梯度磁场位置，由于施加到待测流体样品上的磁场为梯度磁场，因此该位置可以满足待测流体样品的扩散系数的测量条件要求；在均匀磁场位置，由于施加到待测流体样品上的磁场为均匀磁场，因此该位置可以满足待测流体样品的核磁参数和/或流体信息的测量条件要求。
可选地，脉冲序列可以为CPMG(Carr-Purcel1-Meiboom-Gill，CPMG)脉冲序列，如图3所示，为本发明实施例提供的核磁共振测量流体流速的方法采用的CPMG脉冲序列的示意图，请参照图3，当射频天线发送CPMG脉冲序列进行核磁共振时，首先，一个90°脉冲将磁化矢量扳转至横向平面，即垂直于静磁场方向的平面，此时，磁化矢量由于受到磁场非均匀性等影响，磁化矢量逐渐散相，接着经过180°脉冲扳转后，散相的相位会得到反转，使得散相的磁化矢量逐渐重聚，此时，开始通过射频天线接收第一个回波信号。之后通过反复施加180°脉冲得到一系列回波而形成包含待测流体样品核磁共振信息的回波串，该回波串形成本申请实施例的共振信号。
S13：处理设备根据共振信号计算待测流体样品的流速。
具体地，处理设备具有分析和运算处理功能，在射频天线将共振信号返回至处理设备时，处理设备对该共振信号进行分析，并根据共振信号的特征进行运算处理以计算得到待测流体样品的流速并显示输出。可选地，处理设备可以为上位机，该上位机可以是具备处理功能的设备，例如个人计算机(Personal Computer，简称PC)等，当然，该处理设备也可以为其他的可以对共振信号进行分析和运算处理的实体装置，本申请实施例中对此并不做限制。
本实施例提供的核磁共振测量流体流速的方法，该方法应用于核磁共振测量流体流速的装置，采用该装置进行核磁共振测量流体流速，首先对待测流体样品进行预极化处理，经过预极化处理后的待测流体样品可以在测量磁体段的作用下与射频天线产生共振信号，并通过射频天线将共振信号传输至处理设备以进行流速计算。本实施例提供的核磁共振测量流体流速的方法由于对待测流体样品进行了预极化处理，这样可以保证待测流体样品的极化效果，在待测流体样品具有较高流速时也可以准确测量其流速，实现了对于不同流速范围的流体的流速的测量。
图4为本发明实施例提供的另一核磁共振测量流体流速的方法流程示意图，请参照图4，在上述实施例的基础上，步骤S13包括：
S131：根据共振信号的回波串的衰减曲线特征，确定采用共振信号的至少两个回波的相位计算待测流体样品的流速。
具体地，当待测流体样品为低速待测流体样品时，通过测量磁体段的梯度磁场磁体段对应的流体管外部绕设的射频天线返回共振信号，由于施加到待测流体样品上的磁场为梯度磁场，因此该位置可以满足待测流体样品的扩散系数的测量条件要求，且扩散系数影响待测流体样品的空间位置信息，待测流体样品在流动状态下，在核磁共振成像中，可以通过傅里叶变换将测量到的共振信号与流***置、流速与加速度信息相挂钩。因此，在一定条件下，由测量到的共振信号不仅可以得到信号的大小，而且还可以得到待测流体样品的空间位置、流速等信息。
当待测流体样品的流速稳定，在梯度场下测量流速，需要考虑到待测流体样品的空间位置信息与流速信息，这两个信息经傅里叶变换后可以转化为共振信号的相位信息。因此，根据共振信号的回波串的衰减曲线特征来进行判断，若回波串的衰减曲线特征为平缓的衰减趋势，即共振信号回波串的相对振幅均大于零，则可以确定待测流体样品为低速待测流体样品，此时，则采用共振信号的至少两个回波的相位计算待测流体样品的流速。
S132：根据共振信号的回波串的衰减曲线特征，确定采用共振信号的回波串的衰减曲线特征计算待测流体样品的流速。
具体地，当射频天线发送CPMG脉冲序列进行核磁共振时，首先，一个90°脉冲将磁化矢量扳转至横向平面，即垂直于静磁场方向的平面，此时，磁化矢量由于受到磁场非均匀性等影响，磁化矢量逐渐散相，接着经过180°脉冲扳转后，散相的相位会得到反转，使得散相的磁化矢量逐渐重聚。但是在重聚过程中，由于分子间偶极-偶极等相互作用的影响引起的散相的相位是不能得到重聚的，信号会有一部分损失，该部分损失流体为高速待测流体样品时相比于低速待测流体样品严重，因此，需要根据共振信号的回波串的衰减曲线特征来进行判断，若回波串的衰减曲线特征的衰减速度较快，在一定时间内共振信号回波串的相对振幅即衰减为零，则可以确定待测流体样品为高速待测流体样品，此时，对于高速待测流体样品，则需要根据共振信号的回波串的衰减曲线特征计算待测流体样品的流速。
图5为本发明实施例提供的低速待测流体样品流速的计算方法流程示意图，请参照图5，该计算方法包括：
S1311：处理设备根据共振信号的至少两个回波的相位，获取至少两个回波中的奇数波与偶数波的相位差。
具体地，当处理设备获取到共振信号的回波串后，也即获得了共振信号的回波的相位。同时，由于当待测流体样品处于流动状态时流体分子中的氢原子核被预极化磁体段极化，以及根据CPMG脉冲序列的特征，使得流体发生核磁共振返回的共振信号的回波在奇数波和偶数波有不同的表现形式，共振信号的至少两个回波中的奇数波的相位不完全重聚，至少两个回波中的偶数波的相位完全重聚，如图6所示，为本发明实施例提供的待测流体样品处于流动状态时奇数波与偶数波的相位示意图，由图6可以看出，当待测流体样品处于流动状态时，待测流体样品发生核磁共振返回的共振信号的回波中的奇数波的相位不完全重聚，偶数波的相位完全重聚。
同时，请继续参照图3，第一个180°脉冲之后返回的回波为奇数波，第二个180°脉冲之后返回的回波为偶数波，处理设备根据共振信号的至少两个回波的相位，获取至少两个回波中的奇数波与偶数波的相位差，具体为根据至少两个相邻的回波的相位，获取至少两个相邻的回波中的奇数波与偶数波的相位差。如图7所示，为本发明实施例提供的低速待测流体样品核磁共振信号的回波串曲线，其中，图7中曲线1为对比曲线，即为流速为零的固定流体的回波串曲线，曲线2为低速待测流体样品的回波串曲线。可以看出，流体在静止状态下，没有相位差，流体在流动时，奇数波与偶数波之间会有相位差。
另外，需要说明的是，本实施例中的至少两个回波为两个、四个、六个等的偶数个，通过偶数个回波中的相邻回波的相位获取相位差。
S1312：根据至少两个回波中的奇数波与偶数波的相位差，获取待测流体样品的流速。
具体地，共振信号的至少两个回波中的奇数波的相位不完全重聚，至少两个回波中的偶数波的相位完全重聚，由此而形成的奇数波与偶数波之间的相位差恰好与流速有关，因此，根据至少两个回波中的奇数波与偶数波的相位差，可以获取待测流体样品的流速。
进一步地，在上述实施例的基础上，根据至少两个回波中的奇数波与偶数波的相位差，获取待测流体样品的流速，包括：
采用如下公式获取待测流体样品的流速：
其中，
为奇数波和偶数波的相位差，γ为旋磁比，G为梯度磁场的磁场梯度，v为流速，TE为奇数波和偶数波的回波间隔。
在一种可能的实施方式中，若第一回波与第二回波为两相邻的回波，其中第一回波为奇数波，第二回波为偶数波，则可以根据第一回波和第二回波的相位差获取待测流体样品的流速。对于测量的回波信号，当第一回波幅度为A1，第二回波幅度为A2时，由公式
公式可求得第一回波和第二回波的相位差
将
带入上述公式则可求待测流体样品的流速。
在另一种可能的实施方式中，若四个相邻的回波依次为第一回波、第二回波、第三回波、第四回波，则可以根据第一回波、第二回波、第三回波、第四回波的相位差获取待测流体样品的流速。对于测量的回波信号，当第一回波幅度为A1，第二回波幅度为A2，第三回波幅度为A3，第四回波幅度为A4时，可以由如下公式：
求得上述四个连续回波的相位差
将
带入上述公式则也可求待测流体样品的流速。
同理，也可以根据多个回波的相位差，获取待测流体样品的流速，而需要说明的是，这里的多个为偶数个。
本实施例提供的核磁共振测量流体流速的方法，处理设备根据共振信号的至少两个回波的相位，获取至少两个回波中的奇数波与偶数波的相位差，然后根据至少两个回波中的奇数波与偶数波的相位差，获取待测流体样品的流速。本实施例的方法通过相位差可以实现对低速待测流体样品的流速的计算。
图8为本发明实施例提供的高速待测流体样品流速的计算方法流程示意图，请参照图8，该计算方法包括：
S1321：处理设备根据共振信号的回波串的衰减曲线特征，获取预极化处理后的待测流体样品的横向弛豫时间T2和纵向弛豫时间T1。
具体地，由上述的分析可知，在磁化矢量重聚过程中，由于分子间偶极-偶极等相互作用的影响引起的散相的相位是不能得到重聚的，信号会有一部分损失，该部分损失的信号受待测流体样品的横向弛豫时间T2和纵向弛豫时间T1影响。
其中，横向弛豫时间T2和纵向弛豫时间T1采用如下公式获取：
其中，I(t)为t时刻的流体磁化矢量，I0为流体初始磁化矢量，t为流体衰减时间。
如图9所示，为本发明实施例提供的高速待测流体样品核磁共振信号的回波串曲线，通过该曲线可以得到t时刻的I(t)/I0值，带入上述两个公式，则可计算出横向弛豫时间T2和纵向弛豫时间T1。
另外，通过图9也可以看出，高速流体的回波串曲线的衰减速度较快，在回波串的前几十个回波中，曲线呈线性衰减。同时，图9中示出了4个不同流速下的待测流体样品的衰减曲线特征，其中，流速越高，曲线衰减的速度越快。
S1322：处理设备根据横向弛豫时间T2和纵向弛豫时间T1，获取待测流体样品的流速。
当处理设备根据流体核磁共振信号的回波串的衰减曲线特征计算出横向弛豫时间T2和纵向弛豫时间T1后，可以根据横向弛豫时间T2和纵向弛豫时间T1，获取待测流体样品的流速。
具体地，由于随着流体的流动，一部分已经扳转至横向平面的磁化矢量会流出射频天线探测区域，因此，产生共振信号的流体的体积会越来越少，满足如下公式：
其中，V(t)为t时刻产生共振信号的流体体积，V(0)为初始时刻射频天线激发的样品体积，S为流体管横截面积，v为流体流速，L为施加脉冲序列的射频天线的有效长度。因此，根据磁化矢量与流体体积之间的拓扑关系，对于流动流体，其信号的衰减如下：
其中，I(v,t)为t时刻具有流速v的流体的磁化矢量。
此外，待测流体样品在高速流动时，其极化时间会变短，因而会导致其磁化矢量未达到完全极化状态，其预极化效率为：
其中，β为待测流体样品的预极化效率。
因此，最终得到的共振信号应包括横向弛豫时间T2、纵向弛豫时间T1以及待测流体样品的预极化效率的影响：
当t远远小于T2时，则计算待测流体样品的流速的公式为：
因此，通过上式，即可获取待测流体样品的流速。
本实施例提供的核磁共振测量流体流速的方法，处理设备根据共振信号的回波串的衰减曲线特征，获取预极化处理后的待测流体样品的横向弛豫时间T2和纵向弛豫时间T1，然后，再根据横向弛豫时间T2和纵向弛豫时间T1，获取待测流体样品的流速。本实施例的方法通过横向弛豫时间T2和纵向弛豫时间T1可以实现对高速待测流体样品的流速的计算。
进一步地，本发明还提供一种如图2所示的装置。如图2所示，该装置包括：流体管11、磁体12、至少两个射频天线13、高导磁外壳14和处理设备(图中未画出)。
流体管11位于高导磁外壳14内，用于容纳待测流体样品。可选地，高导磁外壳14为不容易被磁化的材料，例如钛合金等，高导磁外壳14起磁场屏蔽作用，防止装置外部磁场对测量过程的影响。
磁体12套设在流体管11的外部、且位于高导磁外壳14和流体管11之间，用于产生测量所需的磁场。磁体12包括预极化磁体段121和测量磁体段122，预极化磁体段121用于对待测流体样品进行预极化处理，使得本实施例的核磁共振测量流体流速的装置能够满足对于高速待测流体样品也可以实现准确的流速测量。
至少两个射频天线13绕设于流体管11的外壁、且位于测量磁体段122和流体管11之间。射频天线13的输出端与处理设备连接，用于在测量磁体段122的作用下与预极化处理后的待测流体样品产生共振信号，并将共振信号传输至处理设备。可选地，射频天线13可以为螺线管线圈、马鞍形线圈等线圈中的一种或多种，本实施例对于射频天线13的结构并不做限制。
处理设备，用于根据共振信号计算待测流体样品的流速，其计算方法采用上述任一实施例的方法。可选地，处理设备可以为上位机，例如个人计算机(Personal Computer，简称PC)等，当然，该处理设备也可以为其他的可以对共振信号进行分析和运算处理的实体装置，本申请实施例中对此并不做限制。
本实施例提供的核磁共振测量流体流速的装置，包括：流体管、磁体、至少两个射频天线、高导磁外壳和处理设备，由于磁体包括预极化磁体段和测量磁体段，使得在采用本实施例的装置对待测流体样品进行测量时，可以先对待测流体样品进行预极化处理，这样可以保证待测流体样品的极化效果，在待测流体样品具有较高流速时也可以准确测量其流速，因而能够实现对于不同流速范围的流体的流速的测量。
图10为本发明实施例提供的另一核磁共振测量流体流速的装置的结构示意图，请参照图10，在上述实施例的基础上，预极化磁体段121包括至少三段磁体段。其中，该至少三段磁体段包括：过极化磁体段1211、欠极化磁体段1212和稳定极化磁体段1213。
过极化磁体段1211的磁场强度大于测量磁体段122的磁场强度，欠极化磁体段1212的磁场强度小于测量磁体段122的磁场强度，稳定极化磁体段1213的磁场强度等于测量磁体段122的磁场强度。通过这种磁场强度呈高-低-高变化趋势的预极化磁体段可以实现对待测流体样品进行有效的预极化处理。可选地，预极化磁体段121包括至少三段磁体段，需要说明的是，这里的至少三段为三段、六段、九段等，且对于任一种情况的预极化磁体段均需满足从预极化磁体段的一端开始每三段相邻磁体段均需满足磁场强度呈高-低-高变化趋势，这样才能实现对待测量流体样品进行预极化处理。
进一步地，测量磁体段122包括：均匀磁场磁体段和梯度磁场磁体段。
其中，均匀磁场磁体段靠近预极化磁体段121，均匀磁场磁体段能够产生均匀磁场，由于在高速待测流体样品的流速测量中，需要流体的弛豫时间来获取流速，因此，该均匀磁场磁体段产生的均匀磁场可以满足对于横向弛豫时间T2和纵向弛豫时间T1的测量条件需求。
并且，均匀磁场磁体段靠近预极化磁体段的一端的外部套设有至少两个射频天线中的第二天线线圈13b。因此在该位置均匀磁场的作用下，当第二天线线圈13b向预极化处理后的高速待测流体样品施加脉冲序列时，可以使第二天线线圈13b与预极化处理后的高速待测流体样品产生共振信号。
梯度磁场磁体段远离预极化磁体段121，梯度磁场磁体段能够产生梯度磁场，由于在低速待测流体样品的流速测量中，需要根据共振信号的至少两个回波中的奇数波与偶数波的相位差，获取待测流体样品的流速，因此，该梯度磁场磁体段产生的梯度磁场可以满足扩散系数的测量条件需求。
并且，梯度磁场磁体段外套设至少两个射频天线中的第一天线线圈13a。因此在该位置梯度磁场的作用下，当第一天线线圈13a向预极化处理后的低速待测流体样品施加脉冲序列时，可以使第一天线线圈13a与预极化处理后的高速待测流体样品产生共振信号。
需要说明的是，高速待测流体样品为流速大于15cm/s的待测流体样品；低速待测流体样品为流速小于等于15cm/s的待测流体样品。
并且，至少两个射频天线均可以用于发射脉冲序列和接收待测流体样品返回的核磁共振信号。优选地，当测量低速待测流体样品的流速时，选择第一天线线圈13a发射脉冲序列并接收待测流体样品返回的核磁共振信号；当测量高速待测流体样品的流速时，选择第二天线线圈13b发射脉冲序列并接收待测流体样品返回的核磁共振信号。
请继续参照图10，在上述实施例的基础上，该装置还包括第三天线线圈13c。
具体地，第三天线线圈13c套设在均匀磁场磁体段远离预极化磁体段121一端的外部，用于辅助测量待测流体样品的流体信息以区别流体类型。并且，均匀磁场磁体段远离预极化磁体段121的一端的磁场强度最为均匀，通过第三天线线圈13c向待测流体样品施加一脉冲，进而在均匀磁场的作用下，使得第三天线线圈13c与待测流体样品产生共振信号，该共振信号可以满足流体信息的准确测量。其中，流体信息可以为流体类型，例如流体为原油或者水。通过第三天线线圈13c辅助测量流体类型，可以在测得流速后明确该流速为哪种类型流体的流速，进而实现对流体的区别。
本实施例提供的核磁共振测量流体流速的装置还包括用于辅助测量待测流体样品流体信息的第三天线线圈，使得本实施例的装置在测量流速的同时，还能够实现对流体类型的区别。
本发明实施例提供的装置用于执行前述方法实施例，其实现原理和技术效果类似。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种核磁共振测量流体流速的方法，其特征在于，所述方法应用于核磁共振测量流体流速的装置，该装置包括：流体管、磁体、至少两个射频天线、高导磁外壳和处理设备；所述流体管位于所述高导磁外壳内；所述磁体包括预极化磁体段和测量磁体段，所述测量磁体段包括均匀磁场磁体段和梯度磁场磁体段，所述均匀磁场磁体段靠近所述预极化磁体段的一端的外部套设有所述至少两个射频天线中的第二天线线圈；所述均匀磁场磁体段用于产生均匀磁场，以使所述第二天线线圈能够在所述测量磁体段的作用下与预极化处理后的高速待测流体样品产生共振信号；
所述梯度磁场磁体段外套设所述至少两个射频天线中的第一天线线圈；所述梯度磁场磁体段用于产生梯度磁场，以使所述第一天线线圈能够在所述测量磁体段的作用下与预极化处理后的低速待测流体样品产生共振信号，其中，所述高速待测流体样品为流速大于15cm/s的待测流体样品；所述低速待测流体样品为流速小于等于15cm/s的待测流体样品；所述至少两个射频天线均可以用于发射脉冲序列和接收所述待测流体样品返回的核磁共振信号，所述磁体套设在所述流体管的外部、且位于所述高导磁外壳和所述流体管之间；所述至少两个射频天线绕设于所述流体管的外壁、且位于所述测量磁体段和所述流体管之间；所述至少两个射频天线的输出端与所述处理设备连接；所述方法包括：
所述预极化磁体段对待测流体样品进行预极化处理；
所述射频天线在所述测量磁体段的作用下与预极化处理后的所述待测流体样品产生共振信号，并将所述共振信号传输至所述处理设备；
所述处理设备根据所述共振信号计算所述待测流体样品的流速；
所述处理设备根据所述共振信号计算所述待测流体样品的流速，包括：
根据所述共振信号的回波串的衰减曲线特征，确定采用所述共振信号的至少两个回波的相位计算所述待测流体样品的流速；或者，
根据所述共振信号的回波串的衰减曲线特征，确定采用所述共振信号的回波串的衰减曲线特征计算所述待测流体样品的流速。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述待测流体样品处于流动状态时流体分子中的氢原子核被所述预极化磁体段极化，所述共振信号的至少两个回波中的奇数波的相位不完全重聚，所述至少两个回波中的偶数波的相位完全重聚；
所述处理设备采用所述共振信号的至少两个回波的相位计算所述待测流体样品的流速，包括：
所述处理设备根据所述共振信号的至少两个回波的相位，获取所述至少两个回波中的所述奇数波与所述偶数波的相位差；
根据所述至少两个回波中的所述奇数波与所述偶数波的相位差，获取所述待测流体样品的流速。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述至少两个回波中的所述奇数波与所述偶数波的相位差，获取所述待测流体样品的流速，包括：
采用如下公式获取所述待测流体样品的流速：
其中，
为所述奇数波和所述偶数波的相位差，γ为旋磁比，G为梯度磁场的磁场梯度，v为流速，TE为所述奇数波和所述偶数波的回波间隔。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用所述共振信号的回波串的衰减曲线特征计算所述待测流体样品的流速，包括：
所述处理设备根据所述共振信号的回波串的衰减曲线特征，获取所述预极化处理后的所述待测流体样品的横向弛豫时间T2和纵向弛豫时间T1；
所述处理设备根据所述横向弛豫时间T2和纵向弛豫时间T1，获取所述待测流体样品的流速；
其中，所述横向弛豫时间T2和所述纵向弛豫时间T1采用如下公式获取：
其中，I(t)为t时刻的流体磁化矢量，I0为流体初始磁化矢量，t为流体衰减时间。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，
所述处理设备根据所述横向弛豫时间T2和纵向弛豫时间T1，获取所述待测流体样品的流速，包括：
采用如下公式计算：
其中，I(v,t)为t时刻具有流速v的流体的磁化矢量，L为施加所述脉冲序列的射频天线的有效长度，β为所述待测流体样品的预极化效率，其中，
当t远远小于T2时，则计算所述待测流体样品的流速的公式为：
6.一种核磁共振测量流体流速的装置，其特征在于，包括：流体管、磁体、至少两个射频天线、高导磁外壳和处理设备；所述流体管位于所述高导磁外壳内；所述磁体包括预极化磁体段和测量磁体段，所述磁体套设在所述流体管的外部、且位于所述高导磁外壳和所述流体管之间；所述至少两个射频天线绕设于所述流体管的外壁、且位于所述测量磁体段和所述流体管之间；所述至少两个射频天线的输出端与所述处理设备连接；
所述流体管，用于容纳待测流体样品；
所述预极化磁体段，用于对所述待测流体样品进行预极化处理；
所述射频天线，用于在所述测量磁体段的作用下与预极化处理后的所述待测流体样品产生共振信号，并将所述共振信号传输至所述处理设备；
所述处理设备，用于根据所述共振信号计算所述待测流体样品的流速；
所述测量磁体段包括：均匀磁场磁体段和梯度磁场磁体段；
所述均匀磁场磁体段靠近所述预极化磁体段的一端的外部套设有所述至少两个射频天线中的第二天线线圈；所述均匀磁场磁体段用于产生均匀磁场，以使所述第二天线线圈能够在所述测量磁体段的作用下与预极化处理后的高速待测流体样品产生共振信号；
所述梯度磁场磁体段外套设所述至少两个射频天线中的第一天线线圈；所述梯度磁场磁体段用于产生梯度磁场，以使所述第一天线线圈能够在所述测量磁体段的作用下与预极化处理后的低速待测流体样品产生共振信号；
其中，所述高速待测流体样品为流速大于15cm/s的待测流体样品；所述低速待测流体样品为流速小于等于15cm/s的待测流体样品；
所述至少两个射频天线均可以用于发射脉冲序列和接收所述待测流体样品返回的核磁共振信号。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述预极化磁体段包括至少三段磁体段；
所述至少三段磁体段包括：过极化磁体段、欠极化磁体段和稳定极化磁体段；
所述过极化磁体段的磁场强度大于所述测量磁体段的磁场强度，所述欠极化磁体段的磁场强度小于所述测量磁体段的磁场强度，所述稳定极化磁体段的磁场强度等于所述测量磁体段的磁场强度。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括第三天线线圈；
所述第三天线线圈套设在所述均匀磁场磁体段远离所述预极化磁体段的一端的外部，用于辅助测量所述待测流体样品的流体信息以区别流体类型。
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