CN1221783C - 磁性共振分析流量计及流量测量方法 - Google Patents

Abstract

一种简化的磁共振流量计和流量测量方法，它依据H₁ Larmor射频旋转场中自旋的静止时间，并利用周期性H₀场梯度来相位调制自旋以便测量邻近均匀速度分布中流动的平均速度，或在以图表示出非均匀速度分布中流动的速度。该法并不要求脉冲技术，相对地与驰豫和扩散参数无关。它由带有强H₀磁场的管子的磁化区段构成，上面带有接收区段，具有正交的周期性相调制梯度线圈，H₁ Larmor射频激励(回转)线圈，以及边带接收器线圈；利用解调和交互关联接收器以及控制系统，允许对成分的协调分析。

Description

磁性共振分析流量计及流量测量方法

发明背景

技术领域

本发明一般涉及流体与限定容积(如管子)之间相对流量的测量法，具体而言，则涉及用核子或电子磁共振测量流体流量及成分。

背景技术

利用磁共振研究流量的想法可回溯至早期先驱者的工作，例如在Mansfield.P；Morris.P.G.；的“NMR Imaging in Biomedicine”；Advances inMagnelic Resonances，Supplemeut 2；1982；Academic Press，Inc.Orlando32887；P.235.第7.3.5节中所描述的。先前用于流量测量或流量映射的已有技术装置依赖于两种所众知的方法，即饱和或非饱和自旋的“飞行时间”或利用沿流动方向上应用梯度区域的“相编码”。(Cho，Z.等人，“Foundations ofMedical Imaging；”John Wiley&Sons，Inc.，New York，1993，p.374-386)。“飞行时间”法的示范为属于Lew的美国专利号4,782,295，而“相编码”法的示范则为属于Maneval的美国专利号5,532,592。利用化学变换的化学成分分析在Slichter，C.P.Springer-Verlag，N.Y.1989所著“Principles ofMagnetic Resonance”中第三版第4章有所讨论。

发明概述

本发明的一较可取的方面是提供一种通用可应用的简化方法以便根据在包含有恒定且均匀的Larmor(拉莫尔)射频激励磁场H₁的限定空间以内的流自旋的静止时间来非侵入地测量各种流量范围的平均值或绘制出各种流量范围的速度分布图。

本发明的另一较可取的方面在于提供一测量或绘制信号图的方法，该信号接收自在连续存在H₁Larmor射频激励磁场中的限定空间以内运动着的自旋，其方法是通过周期性梯度场周期性地相调制H₀强主磁场以便引起自旋发射出围绕Larmor频率中心的线或带谱，其边带的振幅为自旋所发射的中心带Larmor频率信号的振幅的已知函数，所述发射的中心带Larmor频率信号则为在H₁Larmor激励磁场中限定空间以内的自旋静止时间的已知函数。

本发明的另一较可取的方面是提供一种方法，用以当存在十分强的H₁中心Larmor场时通过解调并然后将所接收到的信号同周期性梯度场的相调制频率的整倍数交互关联起来而连续地测量来自相调制过的自旋所发射信号的十分弱的边带。

在本发明的另一较可取的方面中，相调制H₀场的振幅在空间上加以有序化以允许从空间上绘制出在H₁激励Larmor场中的限定体积以内的自旋静止时间图。

在本发明另一较可取的方面中，将脉冲Larmor射频场和脉冲梯度场去除掉，从而减少或消除涡流、瞬变现象以及Gibbs剪切人工效应(truncationartifact)。

本发明的另一较可取方面提供一方法，用以从H₁Larmor激励场的限定部分的已知几何形状内的自旋静止时间的测量或分布图中测量或以图表示自旋的速度或矢量(perfusion vector)，所述已知几何形状最好由与H₁Larmor激励场线圈正交缠绕的接收器线圈加以限定以便使噪声和信号同H₁Larmor激励场的耦合基本上解除。

本发明另一较可取的方面是在H₁Larmor激励场限定部分的已知几何形状中提供流动速度或灌注矢量的测量或分布图，它构建自取决于用H₁Larmor频率激励场的已知可调强度加以测量的H₁Larmor频率激励场的限定部分内的自旋静止时间的测量，而并非显著地依赖于未知的T₁自旋晶格、未知的T₂自旋-自旋、未知的D扩散或影响自旋磁场、自旋扩散或自旋相干性的其他未知参数。根据本发明，这些未知参数影响本发明的测量的信噪比，但并不明显影响所限定的这些测量的终点。

本发明的再一个较可取的方面是同时执行对流动材料的化学和物理分析。

本发明的又一个较可取的方面是一种用以执行上述方法之一或多个方法的流量计。

附图说明

图1是按本发明一实施例构建的核磁共振流量计实施例的截面，该截面是沿包括流量通道中心轴在内的平面切取。

图2图解地示出H₀场的导电或超导电螺线管主磁体和正交的鸟笼状Larmor射频H₁线圈，后者可按本发明的另一实施例使用。

图3为图1流量计的截面图，示意性地说明用于在检测区段中产生调制场h_的梯度线圈的位置。

图4是图1中所示流量计检测区段的Larmor射频激励(回转)线圈的示意性说明。

图5是图1流量计检测区段的射频接收线圈的示意性说明。

图6为根据本发明一实施例，用于图1流量计的信号处理电路的方框图。

图7a-7i是说明本发明一实施例的图6电路工作的图形和公式。

图8为本发明一实施例的整个系统框图。

具体实施方式

图1示出一实施例，其中所有磁共振装置中均需要的强大而又相对均匀的H_O静磁场同流量的中轴垂直加以放置。图中示出按本发明原理所构建的核磁共振流量计实施例的截面，该截面沿包括流量通道的中心轴在内的平面切取。从管道4一末端2延伸至另一末端3的流量通道1延伸通过通常垂直于流体流动方向的恒定磁场，该恒定磁场由磁体组件5提供，该组件包含一对极面板6和7、永久性板磁体8和9以及相互连接的磁通道结构10和11。借助于两法兰12和13连同由非铁磁体材料制成的固定螺栓和间隔器14、15和16，将磁体组件5和管道4封装成一单个整合组件。提供流量通道1的管道4由三部分组成；两末端17和18由例如不锈钢、青铜、塑料或玻璃之类的非铁磁体材料制成，而NMR(核磁共振)检测区段19由例如氟碳塑料、玻璃或陶瓷材料之类的零比价(zero parity)非导电的抗磁性材料作成。NMR检测区段19包括绕在其外表面的发射线圈20和绕在靠近发射器线圈20入口的NMR检测区段19的外表面上或处于其内的接收器线圈21。将NMR检测区段19以防泄漏配置形式连接到两末端17和18，防泄漏配置可以包括环形密封22和23或结合耦合。极面板6和7是具有由例如硅钢一类高质量铁磁材料制成的抛光面的板，用它们来在流体流动的方向中的相当大的的长度上提供磁体两极面间均匀的磁场。包括元件10和11在内的磁通道结构同样由铁磁材料制成。

图2显示出另一种但等效的装置，其中H_O场同流量的中轴对齐。该图示出H_O场的典型导电或超导电螺线管主磁体和本领域众所周知的正交鸟笼状射频H₁线圈。

选择图1或图2中任一实施例的长度使得自旋速度测量范围的最快部分的经过时间比得上T₁自旋晶格弛豫时间，以便提供合适的磁化使得所检测到的信噪比在统计学上是可接受的。较长的磁体区段改善了测量的信噪比，增加构造的成本和装置的尺寸，但正如以下揭示中将会变得不言自明那样，并不明显影响理论的终点。图1仪器相似于Lew的美国专利号4,782,295中所述的仪器，而图2仪器则相似于Mistretta的美国专利号5,408,180中所描述的仪器。

图3描述一种方法，但并非仅有的方法，其中可为图1的实施例提供H_O的相调制周期性梯度分量h_。在本发明的较佳方面，相调制周期性梯度为极低频(ELF)或甚低频(VLF)的梯度场。图3说明一种方法，用以在对图1实施例较佳的检测区段中产生振幅h_的调制场24，在实施例中的周期性频率Ω场由通过梯度线圈25的周期性电流产生。可将由非导电的零比价顺磁材料制成的间隔器23用于确保检测区段。如本技术领域中众所周知的其他常规的梯度线圈配置可以与图1或图2相结合以便为H₀主磁场提供在空间上周期性有序化的分量(参见Shenberg，Itzhak；Macovski，Albert；“Applications of timevarying gradients in existing magnetic resonance imaging systems”Med.phys.，vol 13(2)，p164-169，Mar，1982，N.Y.，U.S.)

图4示出对图1实施例中检测区段较为可取的Larmor射频激励(回转)线圈20。图4示出H₁Larmor频率激励场如何能持续垂直施加到在图1的实施例中H₀主磁场。常规的各种不同配置的H₁射频激励线圈对于图1的配置和图2的配置为本技术领域中众所周知。如技术领域中众所周知，H₁场的强度可由流经电流放大器在射频线圈中的射频电流的振幅加以控制，而按照本发明，此电流强度可加以改变以改变接收器线圈中由自旋发射的信号分布。

图5说明用于图1配置的接收器线圈的较佳实施例。图5表明对图1实施例中检测区段较为可取的长度L₂的射频线圈21。此接收器线圈以及可适合于图1配置和图2配置的其他部件在本技术领域中是众所周知的。如本领域众所周知，最好是把图5的接收器线圈放置在靠近自旋流进入至H₁Larmor射频激励场的进口处，并且最好正交缠绕至H1激励场线圈的绕组上以使功率放大器噪声和信号之间的耦合基本去除。接收器线圈的长度最好足够短以使待测的最低流速的通过时间相对于T2*自旋-自旋和D扩散时间效应而言较短，T2*自旋-自旋和D扩散时间按指数律地减少信号的幅度。这影响了测量的信噪比，但按照本发明并不明显影响测量的理论终点。

图6示出边带解调制检测器27的较佳实施例，用于拒绝来自H₁Larmor频率射频激励场中的强中心带信号，并通过同参照相调制频率的整倍数的相互关系检测到相关边带的振幅。(属于Wollin的美国专利5,757,187，于此通过参考加以引入)。在图6中，将磁共振流量计接收器线圈21的天线100耦合至阻抗匹配电路102，经保护电路106馈送至噪声匹配前置放大器104。将噪声匹配前置放大器的输出馈送至射频放大器108，其输出21传送给双平衡解调器110、112。将双平衡解调器110、112的输出经加法放大器114馈送至交流积分器116和低频放大器118。如图8所示，每个解调器110和112由来自磁共振主射频振荡器28的正交输出提供输入。随后，将解调器的输出在加法器114相加以向积分器116(估计直流电J₀()项)和放大器118提供相关输入，放大器118依次又馈送另外的双平衡解调器120组，它们每个附加的相关的输出同样通过加法器122进行加法和积分器124加以积分，从而估计出频谱的每一边带成分的相对强度，J_n()。

图7a-7i提供图6的信号分析，示出解调和交互关联技术以及可从中测得和绘制出自旋流动速率的概括输出方程。如图7a-7i提供图6电路中信号处理的逐步数学分析。(Poularikas，Alexander D.，“The Transforms andApplications Handbook”，CRC-IEEE press，Boca Raton，Florida，1996；pages29，185，214，221)。

图8是本发明整体系统框图。在图8中，流量计组件26的接收器线圈输出馈送给同步解调器和交互联系检测器27，用以用振荡器28的Larmor射频ω₀进行同步解调以及与来自分频器29之相调制频率Ω的整数倍进行交互关联检测。将解调器-检测器27的输出馈送给控制射频功率放大器32的控制器30，放大器32的频率受Larmor射频ω₀振荡器28的控制，而其输出则调节流量计组件26的H₁Larmor射频线圈中的电流，以便调节解调器-检测器27的输出至所需水平，如控制器30所设定的水平。这种控制器回路是为快速响应加以设计，而射频放大器32的电流输出随后就如在此所述测量流量速度。分频器29馈自射频振荡器28并控制放大器31的频率Ω，馈送给流量计组件26中的相调制线圈25。如在伺服机构理论中众所周知，放大器31的增盖以强阻慢响应方式受控于控制器30的输出，以确保如本发明中所述的最高信噪比水平。ω₀Larmor频率振荡器28的频率同样以强阻甚低响应方式受控于控制器30的输出以确保通过对因物理变化或化学变换所引起H₁射频线圈上任何变化负载阻抗进行补偿，来保持最高的信噪比水平，如本领域所熟知(“Principles ofMagnetic Resonance”第三版，第4章，slichler，C.P.，Springer-Verlag，N.Y.1989，ch.2.8 p35-39)。Larmor射频功率放大器32的电流输出是所需的被测量数值，如此处所述，是平均流量速度的函数，并将它馈送给表计或其他合适的指示器或记录装置33。ω₀ Larmor频率振荡器29的频率是流动材料的化学和物理成分的量度(“Principles of Magnetic Resonance”，第三版，第4章，Slichter，C.P.，Springer-Verlag，N.Y.1989)。

以前技术的飞行时间技术比较复杂，要求重复Larmor射频脉冲，其间隔相对于随温度和分子成分而变化的T1(自旋晶格驰豫常数)是较短。以前技术的相编码技术要求自旋回波或受激回波序列中的梯度沿准静态的流量矢量。不采用脉冲技术的本发明，相对并不依赖于自旋驰豫和扩散，并且在高雷诺数测量模式下能快速地响应流量平均速度的变化，或在低雷诺数图形模式下能快速地响应速度分布的变化。

操作方法

在操作的测量模式中最好调节H₁Larmor频率射频线圈中电流的振幅来控制控检测电路中被测边带的振幅。连续地施加H₁场，且最好是非脉冲的。最大信号或最小的信号，或在所选边带的特定信号值最好作为用以测定速度分布平均值的终点加以选择；而达到所选信号电平要求的H₁射频线圈中电流的大小乃是被测参数，且正如将要在这里加以表明的那样，是已知的或接收器线圈的限定几何形状中自旋静止时间的被测函数。

另一方面，在制图模式中H₁Larmor频率激励场的幅度最好保持恒定，主强H₀场的相调制分量的幅度从空间上通过“梯度线圈”加以分布(Shenberg，Itzhak；Macovski，Albert，“Applications of time-varyinggradients in existing magnetic resonance imaging systems”；Med.Phys.，vol.13(2)，p1164-169，Mar，1982，N.Y.，U.S)并将所接收的边带用于图7(i)末尾方程式的矩阵近似中。转置矩阵或用Cramer定则解之就提供信号分布的空间图，正如属于Wollin的美国专利№5,757,187中更为全面加以描述的那样，这里通过参考完整加以引入。

正如图8所示，控制器30将设计者所选边带的推测的振幅同设计者所选的控制系统(也即最大值(式17)，最小值(式18，19)，或优化系统性能所选的某些中间值)相比较，并因而产生合理意义的误差信号来调节Larmor射频功率放大器32的增益以满足该设计条件。Larmor射频功率放大器32的输出电流和线圈20中Larmor射频激励(回转)场强H₁成比例，因此，是平均流量速度的一个量度(式17，18)。

一较慢的校正回路测量来自控制器30的均方误差信号输出，并调节相调制电流的幅度(按照式(25))。

相似地一甚低的校正回路调节Larmor射频主振荡器28的频率以补偿线圈负载中的变化，如本领域所熟知。(“Principles of Magnetic Resonance”，第三版，第4章，Slichter，C.P，Springer-Verlag，N.Y.1989)，允许对流动材料的化学和物理成分中的变化进行评估。

操作理论

众所周知，置于恒定磁场中具有非零自旋或非零比价抗磁材料的固体或流体按照下式磁化：

m＝K₁H₀(1-e^-t1/T1)  (1)

(参见Lew的美国专利4,901,018)

式中m为介质的磁化，K₁是磁化系数，H₀是邻近同质主磁场的较大静态强度，t₁为H₀场中自旋的平均静止时间，而T₁则为自旋晶格弛豫时间，它是能量自旋转移至周围介质的传送率的量度。在进入由H₁激励场所限定的测量区段之前，介质已在统计学上获得明显的磁化。从其输入到含有H₁激励场的测量区段的装置长度的选择要允许最快运动着的自旋足够磁化以产生在存在装置总噪声的情况下，获得适合的信号强度，使得操作的每一模式都允许对所需测量进行可靠的评估。这最好通过在较高流速下进行测量或绘制时，添加额外的相同磁化区段来实现。

H₀主磁场引起自旋旋进到大约为Larmor频率ω₀，其中

ω₀＝γH₀    (2)

γ为回旋磁性比，对每一自旋种类为一常数。如图3那样通过相调制线圈周期性地变化H₀，使ω₀周期性地变化以产生ω_，其中

ω_＝γ(H₀+h_cosΩt)  (3)

式中h_和Ω是H₀之周期性分量的振幅和临时频率，ω_而则为自旋围绕H₀轴旋进到的瞬时角速度。通过现有梯度线圈组的时间-变化激励可将振幅h_作成一空间函数，用以用图表示速度或灌注部分(Shenberg，Itzhak；Macovski，Albert，“Applications of time-varyinggradients in existing magnetic resonance imaging systems”；Med，Phys，vol13(2)，p.164-169，MAR 1982，N.Y.，U.S.和属于Wollin的美国专利5,412,322和5,757,187)。

H1激励场正交加以施加到H₀场，正如图4中所示，并具有频率ω₀。它产生一角频率ω₁的自旋激励或回转，其中

${\mathrm{\ω}}_1=\mathrm{\γ}{,H}_1=\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}...\left(4\right)$

此旋转产生一垂直于H₀场的磁化分量，它可通过其面积矢量垂直于H₀场的接收器线圈中由它感生的电压加以检测，这是根据Maxwell的第二定律(参见这里引入的Wollin的美国专利№5,412,323和5,757,187)，正如在图5所示范例的线圈中所检测得到的那样。

接收器线圈中感生的电压具有频带或线频谱。该谱由围绕中心Larmar频率平均分布的边带组成，相调制频率Ω的整数倍，Ω的振幅分布由对Sommerfeld积分的各种不同解加以限定，即Bessel，Neumann，或Hankel函数；而它的宽度正如图7中所分析的，由H₀静态场的不均匀性和任何所施加的或固有的静止梯度加以限定。

在H₁Larmor射频场存在下通过解调舍弃信号的中心ω₀频率，允许通过如图6和7所示同参考相调制频率Ω的整数倍的交互关联对边带幅度进行测定。这允许估计边带的幅度而无需利用脉冲技术，只要自旋在其传送经过由接收线圈所限定的几何体积期间保留明显的相干性即可。

在由H₁Larmor射频场激励期间或之后，自旋通过许多不同机构而迅速丧失其相位的相干性，其中某些是绝热的，因而不涉及熵的变化。那些并非绝热的则包括在局部磁场下的无源扩散(由热方程加以控制)，或者湍流置换或者随机更改。净的可检测器性m_t指与经过H₁场的传送时间t₂相关：

$m_t=K_2\left(m\sin \mathrm{\θ}\right)e^{-(t_2/T_2+{\mathrm{DK}}_3{t_2}^3)...\left(5\right)}$

式中θ为由H₁场产生的旋转的余纬度，T₂为自旋-自旋弛豫时间，D为介质的无源扩散常数，而K₃则为包含γ和局部梯度场强的系数。指数项的作用是使在H₁Larmor射频场中带有自旋的静止时间t₂的信号强度以指数方式降低，其作用表明，在慢的流量应用中采用短的接收器线圈。若干个这样短的线圈可以依次布置并串连起来以允许选择最低待测的流速范围。

图5中接收器线圈范例最好正交于H₁Larmor射频激励线圈加以缠绕以使激励射频功率放大器电路和接收器电路之间的噪声耦合激励信号耦合减至最少。

在经过H_1eLarmor射频激励场期间，自旋旋转经过余纬度角θ，正如在技术中众所周知的那样(Slichter，C.P.；“Principles of MagneticResonance”，Springer-Verlay，New York；第三版，1989，chapter2)。于是可检测到的横向磁化随H₁激励场以内自旋穿越收器线圈而变化，因为由式(4)可知

${\mathrm{\ω}}_1=\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\γ}{H}_1...\left(6\right)$

θ＝γH₁t₂                                      (7)

而由式(1)和式(5)

m_t＝K₁K₂H₀(1-e^--t1/T1)e^-t2/T2*sinγH₁t₂         (8)

式中T₂ ^*为有效T₂，它包括自旋-自旋弛豫、扩散和局部场的均匀性等，正如技术上大家都很多知道的那样。

定义

$t_2=\frac{l}{v};t_1=\frac{L_1}{v}...\left(9\right);\left(10\right)$

式中v为每一流域速度分布中每一分量的速度。

于是对每一v的分量，总的接收器线圈横向磁化M_T乃为

$M_T={\mathrm{KH}}_0(1-e^{\frac{-L_1}{{\mathrm{vT}}_1}})\underset{0}{\overset{L_2}{\∫}}{e}^{\frac{-1}{\mathrm{vT}2*}}\sin \left(\frac{{\mathrm{\γH}}_1}{v}l\right)\frac{\mathrm{dl}}{v}...\left(11\right)$

式中K是常数。

H₀为主磁场强度，设计常数。

H₁为激励磁场强度，装置中可以控制的。

L₁是H₀场的有效长度，对每一最大的流量范围进行选择。

L₂是接收器线圈的有效长度，对每一最小的流量范围进行选择。

l是由每一介质成分经接收器线圈的敏感体积所经过的距离；式(9)

T₁是介质的自旋-晶格弛豫时间，它典型地介于1-5秒间的范围。

T₂*是有效的自由感应衰减阻力系数，它典型地在50-500msec之间变化。

v是速度分布中每一分量的速度。

如果为L₁磁化区段足够长，即

L₁＞＞vT₁                              (12)

以及L₂接收器线圈足够短，即

L₂＜＜vT₂ ^*                             (13)则

$M_T={\mathrm{KH}}_0\left(\frac{1}{\mathrm{\γ}{H}_1}\right)(1-\cos \frac{\mathrm{\γ}{H}_1{L}_2}{v})...\left(14\right)$

对每一速度分布中速度v的每一分量。

对在接收器线圈以内平均值为v的速度分布，最大净磁化M_T(max)为：

$M_T={\mathrm{KH}}_0\left(\frac{1}{\mathrm{\γ}{H}_1}\right)\left(2\right)...\left(15\right)$ 当

$\frac{\mathrm{\γ}{H}_1{L}_2}{v}=\mathrm{\π}...\left(16\right)$ 或

$v=\left(\frac{{\mathrm{\γL}}_2}{\mathrm{\π}}\right)H_1...\left(17\right)$ 时。

最小净磁化为零或最小值，当

$\frac{{\mathrm{\γH}}_1{L}_2}{v}=2\mathrm{\π}...\left(18\right)$ 或

$v=\left(\frac{\mathrm{\γ}{L}_2}{2\mathrm{\π}}\right)H_1...\left(19\right)$

对质子 或

v＝(4.26×10⁷)(4π×10^-7)L₂H₃           (20)

v＝53.7L₂H₂

H₁以安培/米表示。例如，对4cm宽接收器线圈，

v＝2.14H₁米/秒.                         (21)

这样，调节H₁场强以获取特定的边带信号就产生流量的平均速度。

正如在Wollin的美国专利5,757,187中及为全面地加以表示的那样，对称偶数空间自旋信号分布只产生偶数序边带，而非对称奇数分布则仅产生奇数序边带；有图7(i)和

J_(-n)(z)＝-1ⁿJ_(n)(z)                    (22)

(Jahnke，E.；Emde，F.；函数表，第4版，Dover Publications，New York1945，p.128)。因此，若速度分布是对称的，则将只有偶数序边带存在，使得第2边带的检测较为可取，其最大值为：

或

和

相调制频率Ω的最小值必须大于Larmor频率的带宽Δω₀(Shenberg，Itzhak；Macovski，Albert，“Applications  of time-varyinggradients in existing magnetic resonance imaging systems”；Med，Phys.，Vol.13(2)，p.164-169，Mar.1982，N.Y，U.S.，eq.3)，它由主磁场H₀的均匀性和任何施加的或内在的静止梯度加以确定。Δω₀同样确定最小的Johnson-Nyquist噪声功率P_n，后者在图7(c)每一边带中匀相等于：

P_n＝K_bτΔω₀                        (26)

式中K_b是波尔曼(Boltzmann)常数，而τ则为绝对温度。

在流量分布总平均流速的测定要求有湍流。垂直于流动中轴的流体动量的线性分量并不明显地影响由平均磁场H₀引起的磁化，由均匀H₁激励射频Larmor场引起的自旋旋转，或者由短接收器线圈引起的信号接收，因为和平均的流体动量相比，这种线性分量很小。相对慢的旋转动量的分量允许绝热的自旋同主磁场H₀对齐(“Principles of Magnetic Resonance”第三版，chapter4，Slichter，C.P.，Springer-Verlag，N.Y.1989，p23)，且不应使自旋明显异相(dephase)，如果通过接收器线圈的经过时间短的话。然而，大家知道强的动量平移和旋转分量产生的“涡流”，这会导致信号衰减(Cho，Z.等人；“Foundations  of Medical  Imaging”，John Wiley&Sons，Inc.，NewYork，1993，P.374-386)，并且正如技术领域中那些熟练技术人员所知道的那样，如果需要，通过适合的量计管设计方法以及通过流动条件能避免上述衰减(Spitzer，David W.，“Industrial Flow Measurement”，Instrument Societyof America，1990，p.97)

对于低雷诺数下流动的较低层流动状态，可以图表示速度分布(Wollin的美国专利5,757,187)，或可如上测定平均值。然而，靠近管壁的十分慢的流动自旋将因T₁和T₂ ^*影响遭受信号衰减而倾向与使所测的平均流速增加。

对于较低雷诺数下非均匀的速度分布图，改变H₁对信号分布或信号平均值的影响则远为复杂得多，并在属于Maneval的美国专利5,532,592和属于Wollin的美国专利5,757,187中对给图或测量两者展开了更为全面的讨论。

因此，正如上述，控制H₁激励线圈中的电流以产生接收器电路输出中所选的边带幅度来测量平均的流速。不均匀的速度分布图可通过连续地倒置含有边带幅度的矩阵方程，近似图7(i)积分加以绘制(Wollin的美国专利5,757,187)。转动射频ω₀发生器到最大功率使之在H₁激励线圈和流动介质之间匹配，就产生流动材料的化学和物理成分的估计(Slichter，op，cit.)。

应指出虽然以上描述了核磁共振方法，但本发明的原理和实施例可适用于核子或者电磁共振。

虽然以上叙述涉及了用流量计测定管中流体的速度，但可用本发明较佳实施例的方法和装置来测定流体中运动着管子的速度(也即速度计)。所以，由于上述和在图1-3中示出的流量计测量管子和流体之间相对的速度，故可将流量计附于船或其他在流体中运动的物体来测定船或其他运动物体相对于固定或运体着流体的速度。

另外，本发明的原理和实施例不仅适用于在管中运动的液体或气体流体，而且也适用于其他流体材料的流动，例如混合物、泥浆、混凝土、风吹的微粒、粘性塑料以及适用于通过流量计装置的固体材料的运输。

本发明的较佳实施例现已加以叙述。那些熟练的技术人员将会明白，这样一些实施例旨在举例说明本发明。落在本发明的精神和范畴之内的本发明的各种不同的其它实施例将是不言自明的。

Claims (29)

1.非侵入地测量材料和容器之间平均相对流速值的方法，其特征在于，包含

对容器施加较强而不随时间变化的磁场H₀；

在容器的检测区段上对较强而不随时间变化的磁场H₀施加相调制的周期性场分量h_；

对所述容器的检测区段，施加拉莫尔射频激励场H₁，正交于H₀场；

接收来自在容器的检测区段中材料中旋转相调制过的磁共振自旋的信号；以及

从所接收的信号中确定在容器的检测区段中材料内的磁共振自旋的平均静止时间，并且从所述平均静止时间来确定平均流速。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述容器包含圆柱形管子，而所述检测区段则包含对其施加周期性场分量h_和场H₁的管子的区段。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述拉莫尔射频激励场H₁施加到邻近拉莫尔频率ω₀的接收器线圈的信号敏感的体积。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，进一步包含通过以比拉莫尔频率ω₀小得多的频率Ω，向场H₀施加相调制周期性场分量h_来周期性地调制检测区段中的场H₀，从而周期性地相位调制检测区段内磁共振自旋。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，还包含：

通过与拉莫尔频率ω₀激励磁场H₁的频率卷积，使来自由接收器线圈所接收的相位调制过的磁共振自旋的信号进行解调；以及

通过同相位调制周期性场分量h_的调制频率Ω的倍数交互关联来检测所解调的信号。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，调节拉莫尔射频激励H₁场的强度以产生由接收器线圈或线圈检测到的最大、最小信号或在其它限定的信号电平。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，进一步包含：

变换H₁激励场的一频率ω₀以产生匹配于容器内运动材料的阻抗。以及

测量由其拉莫尔频率变换带来的运动材料的化学和物理成分的变化。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，进一步包含调节磁场H₀的相调制周期性场分量h_的振幅以达到最大可得的所检测的信号输出。

9.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述材料包含沿着管子轴运动的液体或气体流体。

10.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述材料包含泥浆、泥浆土、风吹的微粒、粘性塑料或沿着管子轴运动的固体材料。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述容器可作为速度计，它相对于材料在运动，并且测量或以图显示容器的平均速度。

12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述容器可作为流量计，它相对于运动材料是静止的，并且测量或以图显示运动着材料的平均速度。

13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包含：

通过周期性场分量h_周期性地改变H₀主磁场以便相调制自旋并引起自旋发射出中心在拉莫尔频率的线或带谱，其边带振幅为由自旋所发射中心带拉莫尔频率信号的振幅的已知函数，所述发射的中心带拉莫尔频率信号振幅则是检测区段由位于靠近拉莫尔射频激励场H₁处接收线圈以内所含自旋静止时间的已知被测函数。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包含：

解调并且然后使所接收信号的边带同周期性场分量h_的相调制频率Ω的倍数交互关联以连续地测量或用图表示相对的平均速度。

15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，拉莫尔射频激励场H₁是连续的非脉冲的场。

16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包含从空间上使周期性相位调制场分量h_的振幅有序化以直接地从空间上以图表示检测区段内自旋的静止时间。

17.如权利要求3所述的方法，其特征在于，将接收器线圈正交缠绕于拉莫尔激励场H₁线圈，以便噪声以及使信号均从拉莫尔激励场H₁去耦合，以及

测量或以图表示接收器线圈的信号敏感体积内自旋的静止时间用来测量或以图表示自旋的流速或灌注矢量。

18.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包含：

通过调节H₁拉莫尔射频激励场的强度和分布测量检测区段内自旋的静止时间；以及

从那里构造流速分布图或估计出平均流速或灌注矢量；

其中所述方法并不明显地依赖于未知的T₁自旋晶格、未知的T₂自旋-自旋、未知的D扩散，或者其它影响自旋磁化、自旋扩散或自旋相干性的未知参数。

19.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用非脉冲场来测定平均速度。

20.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包含：

变换射频激励场H₁的频率以补偿材料中由化学变换引起的自旋磁共振频率的变化或补偿局部自旋环境内的磁化变化，以及

同时估计流动材料的物理和化学成分的变化。

21.一种流速测量仪器，其特征在于，包含：

圆柱形容器：

较强而不随时间变化的磁场H₀的源：

施加至靠近容器检测区段的较强而不随时间变化的磁场H₀的相调制周期性场分量h_源头；

靠近容器检测区段的拉莫尔射频激励场H₁的源头；

靠近容器检测区段的接收线圈；以及

电气耦合至接收线圈的流速测量电路，其中

所述较强而不随时间变化的磁场H₀的源包含位于靠近管子的永久或电阻性磁场或者缠绕在管子上的螺线管磁体；

所述相调制周期性场分量h_的源包含靠近所述管子的检测区段缠绕的线圈；

所述拉莫尔射频激励场H₁的源包含靠近所述管子的检测区段的射频发射线圈；而

所述流速测定电路包含：

拉莫尔频率振荡器；

提供参照相调制频率的分频器；

通过同参照相调制频率的整倍数交互关联来检测所接收信号的边带振幅的边带检测器；以及

提供输出速度信号的放大器。

22.如权利要求21所述的仪器，其特征在于，所述圆柱形容器包含管子。

23.如权利要求22所述的仪器，其特征在于，接收器线圈正交于拉莫尔射频激励场H₁发射线圈进行缠绕。

24.非侵入性地绘制运动速度现场的流速分布图，或测量其平均值的方法，其特征在于，所述方法包括：

直接确定材料内运动自旋的平均静止时间，所述材料处于限定的空间内遭受到连续的、非脉冲的H₁拉莫尔射频激励场的作用；

对材料施加H₀较强而不随时间变化的主磁场；

通过周期性梯度场h_周期性地改变H_-0强主磁场以便相位调制自旋，自旋于是发射出线或带谱，中心处在拉莫尔频率，其边带幅度是自旋所发射中心带拉莫尔频率信号的幅度的已知函数，所述发射的中心带拉莫尔频率信号幅度直接是H₁拉莫尔射频激励场中限定空间以内自旋的静止时间的已知函数。

25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，进一步包含解调和然后使所接收信号的边带同周期性梯度场h_的相调制频率Ω的整倍数交互关联而连续地测量或用图表示相对的平均速度。

26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，还包含从空间上使周期性梯度场h_进行排列，并直接从空间上以图表示自旋的平均静止时间。

27.如权利要求25所述的方法，其特征在于，接收器线圈正交缠绕在主H₁拉莫尔激励场线圈上以便使来自H₁拉莫尔激励场的噪声和信号均去耦合；以及

测量或绘制接收器线圈信号敏感体积中自旋的停止时间以测量或绘制自旋的流速或灌注矢量。

28.如权利要求24所述的方法，其特征在于，还包含：

通过调节H₁拉莫尔射频激励场的强度和分布测量限定空间内自旋的静止时间：以及

从中构造流动速度分布图或估计出平均的流速或灌注矢量；

其中所述方法并不明显依赖于未知的T₁自旋品格、未知的T₂自旋-自旋、未知的D扩散或者其它影响自旋磁化、自旋扩散或自旋相干性的未知参数。

29.如权利要求24所述的方法，其特征在于，还包含：

变换H₁射频激励场的频率以补偿因化学变换所引起材料中自旋磁共振频率的变化或局部自旋环境中磁化的变化。

同时估计在流动材料的物理和化学成分中的变化。

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