CN105259198B - 二维核磁共振弛豫时间的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种二维核磁共振弛豫时间的测量方法，包括：向被测样品发射DEFIR脉冲序列，根据DEFIR脉冲序列的回波信号，获得纵向弛豫时间T1分布谱的第一幅值ADEFIR(logT1)；多次向被测样品发射FIR脉冲序列，根据FIR脉冲序列的回波信号，获得纵向弛豫时间T1分布谱的第二幅值AFIR(logT1)；将ADEFIR(logT1)和AFIR(logT1)带入第一公式中，得到T1分布与T1/T2分布的函数关系，根据T1分布与T1/T2分布的函数关系，推导获得T1‑T2分布。本发明的测量方法，只需要两次一维扫描就可以得到二维弛豫时间分布，在较短的时间内实现对二维核磁共振弛豫时间的精确测量，避免了现有技术中测量所需时间较长，容易导致在测量流动流体时，测量还未完成时探测区域内的流体就已经全部流出，导致测量结果不精确的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及流体的核磁共振测量，尤其涉及二维核磁共振弛豫时间的 测量方法。
背景技术
流动核磁共振弛豫测量是一种核磁共振弛豫测量方式，广泛应用于具 有时间依赖性的各类流程监测中。核磁共振中，通常使用核磁共振弛豫特 性来区分不同的流体类别，二维核磁共振弛豫是近年来比较常见的实验室 内描述孔隙介质结构或流体组成成分的方法，包括纵向弛豫时间T1和横 向弛豫时间T2，可有效区分一维核磁共振实验难以区分具备相同的T1组 分不同T2组分，或具备相同的T2组分不同T1组分的样品。
现有的二维核磁共振弛豫测量方法为，在流体样品流动的状态下进行 一组不同等待时间的CPMG脉冲序列测量，其中，等待时间是人为设定的， 针对不同的样品各有不同。
但是，传统的二维测量需要在不同的等待时间分别进行CPMG脉冲序 列测量，所需时间较长，容易导致在测量流动流体时，测量还未完成时探 测区域内的流体就已经全部流出，导致测量结果不精确。
发明内容
本发明提供一种二维核磁共振弛豫时间的测量方法，以克服现有的测 量方法，所需时间较长，容易导致在测量流动流体时，测量还未完成时探 测区域内的流体就已经全部流出，导致测量结果不精确的技术问题。
本发明提供一种二维核磁共振弛豫时间的测量方法，包括：
向被测样品发射DEFIR脉冲序列，根据DEFIR脉冲序列的回波信号， 获得纵向弛豫时间T1分布谱的第一幅值ADEFIR(logT1)；
多次向被测样品发射FIR脉冲序列，根据FIR脉冲序列的回波信号，获 得纵向弛豫时间T1分布谱的第二幅值AFIR(logT1)；
将ADEFIR(logT1)和AFIR(logT1)带入第一公式中，得到T1分布与T1/T2分 布的函数关系，所述第一公式为：
其中，T2为横向弛豫时间，τ1为样品的重复极化时间，τ2＝4τDE，τDE为半 回波间隔时间；
根据所述T1分布与T1/T2分布的函数关系，推导获得T1-T2分布。
进一步地，所述向被测样品发射DEFIR脉冲序列，具体包括：
多次向被测样品发射驱动平衡DE脉冲序列，测得被测样品的平衡磁化 矢量Meq，所述DE脉冲序列的数量为预设的第一数值，每次发射所述DE脉 冲序列的间隔时间为τ1；
向被测样品发射180度翻转脉冲；
多次向被测样品发射FIR脉冲序列，测得被测样品的一维T1分布函数， 所述第二FIR脉冲序列的数量为预设的第二数值，每次发射所述FIR脉冲序 列的间隔时间为TWFIR。
进一步地，所述向被测样品发射DE脉冲序列包括：
向被测样品发射90°脉冲，间隔半回波间隔时间后发射180°脉冲，间隔 一个回波间隔时间后发射180°脉冲，间隔半回波间隔时间后发射90°；
所述向被测样品发射FIR脉冲序列包括：
向被测样品发射90°脉冲，间隔半回波间隔时间后发射180°脉冲，间隔 一个回波间隔时间后发射180°脉冲，间隔半回波间隔时间后发射90°。
进一步地，所述根据DEFIR脉冲序列的回波信号，获得纵向弛豫时间 T1分布谱的第一幅值ADEFIR(logT1)，具体包括：
根据第二公式，计算获得所述第一幅值ADEFIR(logT1)，所述第二公式为：
其中，f1(log T1)表示一维T1分布函数，M0＝-Meq。
进一步地，所述根据FIR脉冲序列的回波信号，获得纵向弛豫时间T1分 布谱的第二幅值AFIR(logT1)，包括：
根据第三公式，计算获得所述第二幅值AFIR(logT1)，所述第三公式为
AFIR(log T1)＝2f1(log T1)；
其中，f1(log T1)表示一维T1分布函数。
进一步地，当对回波信号的测量时，0<TWFIR<T1。
本发明的技术效果是：通过向被测样品发射DEFIR脉冲序列，根据DEFIR 脉冲序列的回波信号，获得纵向弛豫时间T1分布谱的第一幅值ADEFIR(logT1)； 多次向被测样品发射FIR脉冲序列，根据FIR脉冲序列的回波信号，获得纵 向弛豫时间T1分布谱的第二幅值AFIR(logT1)；将ADEFIR(logT1)和AFIR(logT1) 带入第一公式中，得到T1分布与T1/T2分布的函数关系；根据所述T1分布与 T1/T2分布的函数关系，推导获得T1-T2分布。本发明的测量方法，只需要两 次一维扫描，利用两次扫描初始磁化矢量不同获得的幅值不同，得到二维弛 豫时间分布，可以在较短的时间内实现对二维核磁共振弛豫时间的精确测量， 避免了现有技术中测量所需时间较长，容易导致在测量流动流体时，测量还 未完成时探测区域内的流体就已经全部流出，导致测量结果不精确的技术问 题。
附图说明
图1为本发明二维核磁共振弛豫时间的测量方法实施例一的流程图；
图2为本发明二维核磁共振弛豫时间的测量方法实施例二的流程图；
图3为本发明DEFIR脉冲序列的示意图；
图4为DE脉冲序列测量得到的回波数据数值模拟结果；
图5为本发明DEFIR脉冲序列的FIR脉冲序列测量得到的回波数据数值 模拟结果；
图6为DEFIR脉冲序列测量多组分流体样品的T1-T2分布的数值模拟结 果；
图7为DEFIR脉冲序列受频率偏置影响的数值模拟结果；
图8为分别采用传统T1编辑脉冲序列和DEFIR脉冲序列测量多组分流 体样品的T1-T2分布的实验结果的对比。
具体实施方式
实施例一
图1为本发明二维核磁共振弛豫时间的测量方法实施例一的流程图，如 图1所示，本实施例提供的一种二维核磁共振弛豫时间的测量方法可以包括：
步骤101，向被测样品发射DEFIR脉冲序列，根据DEFIR脉冲序列的回 波信号，获得纵向弛豫时间T1分布谱的第一幅值ADEFIR(logT1)；
具体地，根据DEFIR脉冲序列的回波信号以后，进行1维T1反演得到 DEFIR脉冲序列的T1分布谱幅值ADEFIR(logT1)。
需要说明的是，T1、T2是物质的固有属性，对于同一种流体来说，在同 等测量条件，例如，温度、压力、磁场强度下得到的T1、T2是固定的。同 一样品T1分布幅值受多种因素的影响，包括初始磁化矢量，是否完全极化等。
步骤102，多次向被测样品发射FIR脉冲序列，根据FIR脉冲序列的回 波信号，获得纵向弛豫时间T1分布谱的第二幅值AFIR(logT1)；
具体地，测得回波信号以后，进行1维T1反演得到FIR脉冲序列的T1 分布谱幅值AFIR(logT1)。
步骤103，将ADEFIR(logT1)和AFIR(logT1)带入第一公式中，得到T1分布 与T1/T2分布的函数关系，所述第一公式为：
其中，T2为横向弛豫时间，τ1为样品的重复极化时间，τ2＝4τDE，τDE为半 回波间隔时间；
需要说明的是，τ1和τDE是需要操作人员输入的参数，单次测量时τ1和τDE设定好了不会变化，重新测量时可根据需要改变参数值。在DEFIR和FIR脉 冲序列的循环过程中，每一次循环的初始磁化矢量不清零，在上一次磁化矢 量磁化的基础上磁化τ1时间，作为下一次循环的初始磁化矢量。
步骤104，根据所述T1分布与T1/T2分布的函数关系，推导获得T1-T2分 布。
实施例中，通过向被测样品发射DEFIR脉冲序列，根据DEFIR脉冲序 列的回波信号，获得纵向弛豫时间T1分布谱的第一幅值ADEFIR(logT1)；多次 向被测样品发射FIR脉冲序列，根据FIR脉冲序列的回波信号，获得纵向弛 豫时间T1分布谱的第二幅值AFIR(logT1)；将ADEFIR(logT1)和AFIR(logT1)带入 第一公式中，得到T1分布与T1/T2分布的函数关系；根据所述T1分布与T1/T2分布的函数关系，推导获得T1-T2分布。本发明的测量方法，只需要两次一维扫描，利用两次扫描初始磁化矢量不同获得的幅值不同，得到二维弛豫时间 分布，可以在较短的时间内实现对二维核磁共振弛豫时间的精确测量，避免 了现有技术中测量所需时间较长，容易导致在测量流动流体时，测量还未完 成时探测区域内的流体就已经全部流出，导致测量结果不精确的技术问题。
实施例二
图2为本发明二维核磁共振弛豫时间的测量方法实施例二的流程图，请 参阅图2，本实施例在实施例一的基础上，对步骤101，进行进一步限定。
所述向被测样品发射DEFIR脉冲序列，可以包括：
步骤201，多次向被测样品发射驱动平衡DE脉冲序列，测得被测样品的 平衡磁化矢量Meq，所述DE脉冲序列的数量为预设的第一数值，每次发射所 述DE脉冲序列的间隔时间为τ1；
具体地，DE脉冲序列用于快速得到平衡磁化矢量，平衡磁化矢量包含了 T1和T2比值的信息。第一数值为循环发射的DE脉冲序列的次数。
其中，所述向被测样品发射DE脉冲序列包括：
步骤2011，向被测样品发射90°脉冲，间隔半回波间隔时间后发射180° 脉冲，间隔一个回波间隔时间后发射180°脉冲，间隔半回波间隔时间后发射 90°；
所述的，通过DE脉冲序列中的90°-180°-90°-180°四个脉冲这四个 脉冲的多次循环快速得到平衡磁化矢量。
图3为本发明DEFIR脉冲序列的示意图，请参阅图3，DEFIR脉冲序 列1包含一个DE脉冲序列2和一个FIR脉冲序列3。其中，DE脉冲序列 2为：90°-τDE-180°-2τDE-180°-τDE-90°-τ1，其中首个90°脉冲4将被测样品的 磁化矢量从+Z轴方向(静磁场B0方向)扳转至X-Y平面(垂直于静磁场 B0的平面)后等待半回波间隔时间τDE9，磁化矢量在X-Y平面上发生散 相；此时发射一个180°脉冲5，等待τDE时间9后磁化矢量重聚，采集回 波信号10；重聚后的磁化矢量再次散相，再等待τDE时间9后发射第二个 180°脉冲6，同样等待τDE9时间后磁化矢量再次重聚；此时发射一个与首 个90°脉冲4相差180°相位的第二个90°脉冲7，将磁化矢量扳转回+Z轴 方向，并重复极化τ1时间11；反复循环DE脉冲序列2最终磁化矢量会趋 于一个平衡值Meq14：
其中，M0是样品完全极化时的磁化矢量，T1、T2分别为样品的T1和 T2分布，τ2＝4τDE。可以得到，只与设置的τ111、τDE9和样品的T1/T2有关， 而与初始磁化矢量无关。即只要实验参数和样品不变，无论样品在开始 DE脉冲序列2测量之前磁化矢量是多少，最终的Meq14都是一个固定值， 如图4所示。
图4为DE脉冲序列测量得到的回波数据数值模拟结果，请参阅与4， 可以看到磁化矢量13经过反复震荡以后最终趋于平衡值Meq14，平衡态磁 化矢量Meq只与样品的T1/T2有关，而与初始磁化矢量无关。
步骤202，向被测样品发射180°翻转脉冲；
具体地，所述180°翻转脉冲紧跟DE脉冲序列后发射，不不参DE脉 冲序列和FIR脉冲序列的循环，在向被测样品发射DEFIR脉冲序列过程 中只发射一次，用于将发射DE脉冲序列后得到的平衡磁化矢量扳转180°。
步骤203，多次向被测样品发射FIR脉冲序列，测得被测样品的一维T1分布函数，所述FIR脉冲序列的数量为预设的第二数值，每次发射所述FIR 脉冲序列的间隔时间为TWFIR。
具体地，第二数值为循环发射的FIR脉冲序列的次数。
其中，向被测样品发射FIR脉冲序列包括：
步骤2031，向被测样品发射90°脉冲，间隔半回波间隔时间后发射180° 脉冲，间隔一个回波间隔时间后发射180°脉冲，间隔半回波间隔时间后发射 90°。
具体地，将发射DE脉冲序列后得到的平衡磁化矢量扳转180°后进入FIR 脉冲序列循环，FIR脉冲序列的作用是快速测得T1分布。FIR脉冲序列的本 质是DE脉冲序列和传统反转恢复(IR)脉冲序列的结合，将DE脉冲序列和 IR脉冲序列结合后可以节约重复极化时间，可以快速得到被测样品的T1分布。
测得被测样品的一维T1分布函数包括：采集回波信号的幅值之后，进行 1维T1反演得到T1分布谱幅值。
更为具体地，所述根据DEFIR脉冲序列的回波信号，获得纵向弛豫时间 T1分布谱的第一幅值ADEFIR(logT1)，具体包括：
根据第二公式，计算获得所述第一幅值ADEFIR(logT1)，所述第二公式为：
其中，f1(log T1)表示一维T1分布函数，M0＝-Meq。
通过将测得的一维T1分布数据带入上式中，经拉普拉斯变换后，可以获 得纵向弛豫时间T1分布谱的第一幅值ADEFIR(logT1)。
实施例中，通过多次向被测样品发射驱动平衡DE脉冲序列，测得被测 样品的平衡磁化矢量Meq；向被测样品发射180°翻转脉冲；多次向被测样品 发射FIR脉冲序列，测得被测样品的一维T1分布函数。在较短的时间内实现 对二维核磁共振弛豫时间的精确测量，避免了现有技术中测量所需时间较长， 容易导致在测量流动流体时，测量还未完成时探测区域内的流体就已经全部 流出，导致测量结果不精确的技术问题。
实施例三
本实施例在实施例一的基础上，对步骤102，进行进一步限定。步骤102， 多次向被测样品发射FIR脉冲序列，根据FIR脉冲序列的回波信号，获得纵 向弛豫时间T1分布谱的第二幅值AFIR(logT1)；
其中，向被测样品发射FIR脉冲序列包括：向被测样品发射90°脉冲， 间隔半回波间隔时间后发射180°脉冲，间隔一个回波间隔时间后发射180° 脉冲，间隔半回波间隔时间后发射90°。
具体地，FIR脉冲序列3为：90°-τFIR-180°-2τFIR-180°-τFIR-90°-TWFIR， 其原理与DE脉冲序列2类似，不同之处在于FIR脉冲序列每循环一次重 复极化时间TWFIR12就改变一次。
对已知流体的回波信号测量时，TWFIR的取值范围为0<TWFIR<T1。对未 知流体的回波信号测量时，由于T1不预先知道，将T1设置为4S，即0<TWFIR<4s。
图5为本发明DEFIR脉冲序列的FIR脉冲序列测量得到的回波数据 数值模拟结果。请参阅图5，可以看到DEFIR脉冲序列2下的磁化矢量 15和单独进行FIR脉冲序列3的磁化矢量16的恢复速度明显快于SR脉 冲序列17。
更为具体地，所述根据FIR脉冲序列的回波信号，获得纵向弛豫时间T1分布谱的第二幅值AFIR(logT1)，包括：
根据第三公式，计算获得所述第二幅值AFIR(logT1)，所述第三公式为：
AFIR(log T1)＝2f1(log T1) (3)；
其中，f1(log T1)表示一维T1分布函数。
实施例四
在上述实施例的基础上，为了进一步地解释上述实施例，本实施例中 列举了第一公式的推导过程。
具体的数学推导如下：
两次扫描样品磁化矢量MDEFIR,FIR随极化时间TWFIR12的变化可以表 示为:
其中，My＝0指进行FIR脉冲序列3测量时的初始磁化矢量，采用DEFIR 脉冲序列1测量时My＝0＝-Meq，单独进行FIR脉冲序列3测量时My＝0＝-M0。 由于单独进行FIR脉冲序列3测量时磁化矢量的变化比较简单，所以下面 只讨论DE脉冲序列2后进行FIR脉冲序列3测量时磁化矢量的变化，在 式5中引入T1分布的表达式可以得到：
其中ADEFIR(logT1)20和AFIR(logT1)21分别表示反演两次扫描所得到 T1分布的幅值，如图6(a)18。式(6)同样可以用二维分布函数f2(logT1,T1/T2) 来表示：
通常情况下，单一流体的T1/T2分布相对于坐标轴是一个很窄的带， 所以式(7)可以近似表达成：
比较式(4)和式(8)可以得到：
其中f1(log T1)表示一维T1分布函数。又由于采用FIR脉冲序列3直接测 量得到的T1分布包含完整的T1分布信息，即AFIR(logT1)＝2f1(log T1)，所 以可以计算得到：
其中，表示T1分布与T1/T2分布的函数关系。由式1可以知 道，通过两次FIR脉冲序列测量得到的T1谱的幅值可以换算得到T1/T2-T1分布，进而推导得到T1-T2分布19，如图6(b)19。
图6为DEFIR脉冲序列测量多组分流体样品的T1-T2分布的数值模拟 结果，具体地，从图7中可以看出，图7a是一维T1反演结果，其中两个 曲线的幅值分别对应式7中的AFIR和ADEFIR，有了这两个参数，结合理论 推导得到的最终的式7才能得出图7b,图7b就是最终需要得到的二维分布 结果。
本实施例中，对实际测量时DEFIR脉冲序列1受频率偏置进行了验 证DE脉冲序列2和FIR脉冲序列3均采用两个180°脉冲是为了减小该脉 冲序列受频率偏置27的影响。
验证过程为：由于核磁共振探头天线的发射脉冲并不可能绝对均匀， 天线发射脉冲所对应的自旋进动频率ωrf与B0场所对应的拉莫尔频率γ|B0| (γ是旋磁比，|B0|是静磁场场强)之间会有形成一个频率偏差Δω0：
Δω0≡ωrf-γ|B0| (9)
自旋核的实际章动频率可以表达为：
其中，ω1＝|B0|/2γ指的是归一化的射频场频率，理想状态下Ω＝ω1。假 设射频脉冲的持续时间tp远小于样品的弛豫时间，即tp<<T1和T2，就可以 在不考虑弛豫影响的前提下通过旋转矩阵R求解Bloch方程。设定90°脉 冲均沿着±X轴方向，180°脉冲均沿着Y轴方向，则空间上任意的磁化矢 量都可以描述为：
在旋转坐标系下可描述如下：
在最初的激励脉冲发射前，认为所有的磁化矢量都在Z轴方向上， 上述三个式子里只有式14有非零解，180°的描述方式类似。在任意时间 间隔ti内的自由弛豫可以描述为：
完全极化达到热平衡即完全极化时磁化矢量为M0，DE脉冲序列自循 环采集到的第x+1个回波的幅值mx+1：
mx+1＝[Φ(SE)R180yΦ(SE)R+90xΦ(1)R-90xΦ(SE)R180yΦ(SE)]{mx} (19)
图7为DEFIR脉冲序列受频率偏置影响的数值模拟结果。其中图7 (a)25是DE脉冲序列2受频率偏置27影响，图7(b)26是FIR脉冲 序列2受频率偏置27影响。模拟参数如下：T1＝T2＝1000ms，t1＝t2＝1.2ms， TWFIR从10ms至104ms对数布点30个，TE＝0.6ms。数值模拟结果说明， DEFIR脉冲序列1受频率偏置27的影响较小，DEFIR脉冲序列1较稳定 性。
图8为分别采用传统T1编辑脉冲序列和DEFIR脉冲序列1测量多组 分流体样品的T1-T2分布的实验结果的对比。实验样品为轻质原油。其中 DEFIR脉冲序列1在流体样品的流动状态下进行在线测量；作为对比，为 T1编辑脉冲序列在流体静止的状态下进行测量。实验结果表明，二者有较 好的一致性，即说明DEFIR脉冲序列1可用于在线测量流动流体的二维 核磁共振弛豫时间分布。
最后应说明的是：以上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精神和范围。
Claims (4)
1.一种二维核磁共振弛豫时间的测量方法，其特征在于，包括：
向被测样品发射DEFIR脉冲序列，根据DEFIR脉冲序列的回波信号，获得纵向弛豫时间T1分布谱的第一幅值ADEFIR(logT1)；
多次向被测样品发射FIR脉冲序列，根据FIR脉冲序列的回波信号，获得纵向弛豫时间T1分布谱的第二幅值AFIR(logT1)；
将ADEFIR(logT1)和AFIR(logT1)带入第一公式中，得到T1分布与T1/T2分布的函数关系，所述第一公式为：
其中，T2为横向弛豫时间，τ1为样品的重复极化时间，τ2＝4τDE，τDE为半回波间隔时间；
根据所述T1分布与T1/T2分布的函数关系，推导获得T1-T2分布；
其中，所述向被测样品发射DEFIR脉冲序列，具体包括：多次向被测样品发射驱动平衡DE脉冲序列，测得被测样品的平衡磁化矢量Meq，所述DE脉冲序列的数量为预设的第一数值，每次发射所述DE脉冲序列的间隔时间为样品的重复极化时间τ1；向被测样品发射180度翻转脉冲；多次向被测样品发射FIR脉冲序列，测得被测样品的一维T1分布函数，FIR脉冲序列的数量为预设的第二数值，每次发射所述FIR脉冲序列的间隔时间为TWFIR；
FIR脉冲序列每循环一次重复极化时间TWFIR就改变一次；0<TWFIR<T1；其中，当被测样品为已知类别时，T1为预设的已知样品的纵向弛豫时间；当被测样品为未知类别时，T1为4s；
所述方法，还包括：对DEFIR脉冲序列的频率偏置进行验证。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述向被测样品发射DE脉冲序列包括：
向被测样品发射90°脉冲，间隔半回波间隔时间后发射180°脉冲，间隔一个回波间隔时间后发射180°脉冲，间隔半回波间隔时间后发射90°；
所述向被测样品发射FIR脉冲序列包括：
向被测样品发射90°脉冲，间隔半回波间隔时间后发射180°脉冲，间隔一个回波间隔时间后发射180°脉冲，间隔半回波间隔时间后发射90°脉冲。
3.根据权利要求1所述的二维核磁共振弛豫时间的测量方法，其特征在于，所述根据DEFIR脉冲序列的回波信号，获得纵向弛豫时间T1分布谱的第一幅值ADEFIR(logT1)，具体包括：
根据第二公式，计算获得所述第一幅值ADEFIR(logT1)，所述第二公式为：
其中，f1(log T1)表示一维T1分布函数，M0为目标磁化矢量，M0＝-Meq。
4.根据权利要求1所述的二维核磁共振弛豫时间的测量方法，其特征在于，所述根据FIR脉冲序列的回波信号，获得纵向弛豫时间T1分布谱的第二幅值AFIR(logT1)，包括：
根据第三公式，计算获得所述第二幅值AFIR(logT1)，所述第三公式为
AFIR(logT1)＝2f1(logT1)；
其中，f1(log T1)表示一维T1分布函数。
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