多维核磁共振测量方法技术

本发明专利技术提出了一种用于材料检测的多维核磁共振数据采集及处理的分析方法。该方法适用于不同场强不同配置下的核磁共振检测仪器。该方法涉及多种核磁共振脉冲序列，通过对得到的三维数据结构体进行相应数据处理，可分析得到检测材料的孔隙度、孔隙结构、饱含流体种类、骨架磁化系数以及非均质性等重要参数。

【技术实现步骤摘要】
多维核磁共振测量方法本专利技术是中国申请日为2017年3月27日，申请号为2017101862466，名称为“多维核磁共振测量方法”的分案申请。
本专利技术涉及核磁共振领域，尤其涉及一种多维核磁共振测量方法的实现过程及其数据处理的过程。技术背景核磁共振技术作为一种先进的无损探测手段，在医学、能源、材料、农林、食品、安全监测、化工等多个领域均有着极为广泛的应用。核磁共振常见的特性参数包括纵向弛豫时间T1、横向弛豫时间T2，另外通过核磁共振技术可以快速获得分子的扩散系数D或固体骨架的磁化系数χ。通过在脉冲序列的不同时间段内编辑相应核磁共振特性，可以在多个维度上关联这些核磁共振特性。由这些关联实验可以对孔隙介质性质进行全面的研究，得到更加丰富的信息。核磁共振弛豫特性被应用于探测孔隙介质的孔隙结构，孔隙连通性，孔隙空间结构组成；扩散系数被用于了解内部饱含流体种类以及原油的组分等。因此通过三维核磁共振技术能够在更高的维度上对孔隙介质的孔隙尺寸、内部磁场梯度及复杂流体的分子组成进行综合研究。孔隙介质内的核磁共振弛豫或扩散响应满足多指数衰减规律。由测量结果反演得到孔隙空间弛豫或扩散分布是一个病态问题。该反演过程的解不唯一，并且测量结果中小的扰动就会对求解结果造成较大影响。通过在求解过程中引入正则化项，对反演过程进行稳定处理。三维核磁共振的数据量大，按照一维数据处理思路进行反演耗时较长。通过对核函数分别压缩后进行张量积，对得到的新的核函数进行奇异值分解，截取满足设定条件数的奇异值，同时采用截取后的正交单位矩阵对三维数据进行压缩，加快反演速度。
技术实现思路
本专利技术的目的是阐述三种用于分析材料孔隙结构和内部填充流体特性的多维核磁共振测量方法，以及相应的多维核磁共振数据处理流程。第一种多维核磁共振测量方法，所述方法包括：步骤1、向被测样品施加90°射频脉冲将所述宏观磁化强度矢量M0扳转90°；步骤2、等待时间τ过后，向被测样品施加第二个90°脉冲，将恢复一定量的磁化矢量从沿着静磁场B0相同的方向再次扳转90°；步骤3、在等待TE/2的时间之后，向被测样品施加180°射频脉冲，相同的等待时间TE/2过后，会在ACQ通道采集产生自旋回波信号；步骤4、重复施加180°射频脉冲，会在ACQ通道采集产生重复多个自旋回波信号，得到回波串信号；步骤5、改变等待时间τ，重复所述步骤2-4以分别采集数个不同等待时间τ下产生的回波串信号；步骤6、根据采集到的所述回波串信号进行核磁共振数据处理。其中，步骤5所产生的回波串信号磁化矢量矩阵为：M(τ,nTE,mts)＝∫∫∫K1K2K3F(T1,T2,Δχ)dT1·dT2·dΔχ其中，τ为等待时间，n为180°脉冲个数，m为FID采集点数，ts为FID采集点时间间隔，F(T1,T2,Δx)为被测样品的三维T1–T2-Δχ特性矩阵，T1为纵向弛豫时间，T2为横向弛豫时间，Δχ为被测样品与内部填充流体的磁化系数差异，K1，K2，K3为三个核函数，其具体形式为：K1＝1-exp(-τ/T1)K2＝exp(-nTE/T2)K3＝exp(-γ·Δχ·B0·mts)其中，γ为质子的旋磁比，B0为静磁场强度。所述步骤6具体为，采用快速三维数据处理算法对多维核磁共振数据进行反演，通过选取合适的正则化因子，得到被测样品的三维T1–T2-Δχ分布信息。具体为：步骤1：采用数学张量乘积将前两个核矩阵函数K1和K2耦合为一个新的核函数矩阵K12：步骤2：将测量得到的三维核磁共振数据重新表达为：M＝K12FK3步骤3：对上述核函数矩阵K12和K3进行SVD分解及奇异值截取，进而对采集数据进行压缩处理，对核函数矩阵进行奇异值分解可得：K12＝U12·S12·V′12K3＝U3·S3·V′3其中S12和S3对角线元素值从大到小排列，且为对角矩阵，大小分别为s12×s12和s3×s3，其中s12为K12非零奇异值个数，s3为K3非零奇异值个数；U12、V12和U3、V3为正交单位阵；对对角矩阵S12和S3进行截取，使得核函数矩阵的条件数满足设定值C，即：假设C为1000；和分别对应K12和K3最大的奇异值，即对角矩阵S12和S3的第一个对角线元素，表示K12的第i个奇异值，表示K3的第j个奇异值；步骤4：用截取之后的奇异值分解的单位矩阵对回波串信号磁化矢量矩阵M进行压缩，降低数据内存，压缩后的磁化矢量为：其中，为压缩后的磁化矢量矩阵，为两个核函数K12和K3经过SVD分解和奇异值截取后的残余矩阵，U′12、V′12分别为K12经过SVD分解和奇异值截取后的矩阵U12、V12的转置，V′3为K3经过SVD分解和奇异值截取后的矩阵V3的转置；步骤5：数据压缩完成之后，采用Tikhonov正则化方法对数据矩阵进行反演，其中，正则化项为：其中，α是正则化因子，与采集数据的信噪比相关，K为反演过程中的核矩阵的一般形式，||·||项代表矩阵的Frobenius范数；步骤6：通过选取最优的正则化因子α，得到最终解fr，求解公式如下：其中，为压缩截取后残余矩阵的张量积矩阵，为的转置矩阵，αopt为最优正则化因子，I是单元矩阵，为压缩后的磁化矢量矩阵的一维矩阵形式，其中，第二种多维核磁共振测量方法，所述方法包括：步骤1、在TRS通道向被测样品施加90°射频脉冲将所述宏观磁化强度矢量M0扳转90°；步骤2、在GRD通道施加一个持续时间为δ的梯度脉冲；步骤3、随后在TRS通道施加180°射频脉冲后，在GRD通道施加第二个持续时间为δ的梯度脉冲。本步骤中的梯度脉冲起始时间与步骤2中的梯度脉冲起始相差Δ时间；步骤4、在整个系统等待前两个射频脉冲间隔相等的时间后，向被测样品施加90°射频脉冲，将一定量的磁化矢量从垂直静磁场B0相同的方向扳转90°；步骤5、施加小角度射频脉冲，在ACQ通道采集自由衰减信号；步骤6、等待时间ta后，重复施加小角度射频脉冲，会在ACQ通道重复采集到自由衰减信号；步骤7、改变GRD通道中的两个梯度脉冲的强度值，重复所述步骤4-6以分别采集不同脉冲强度下产生的自由衰减信号；步骤8、根据采集到的所述自由衰减串信号进行核磁共振数据处理。所述步骤7得到的自由衰减信号磁化矢量矩阵为：M(g,nta,mts)＝∫∫∫K1K2K3F(D,T1,Δχ)dD·dT1·dΔχ其中，g为静磁场梯度值，n为180°脉冲个数，ta为等待时间，m为FID采集点数，ts为FID采集点时间间隔，F(D,T1,Δχ)为被测样品的三维D-T1-Δχ特性矩阵，T1为纵向弛豫时间，D为被测样品自扩散系数，Δχ为被测样品与内部填充流体的磁化系数差异，K1，K2，K3为三个核函数，其具体形式为：K1＝exp(-Dγ2g2δ2(Δ-δ/3))K2＝exp(-nta/T1)K3＝exp(-γ·Δχ·B0·mts)通过改变D编辑中的脉冲梯度强度g，T1编辑中的小角度脉冲个数n，以及Δχ编辑中的采集点数m获取三维数据。采用快速三维数据处理算法对其进行反演，通过选取合适的正则化因子，得到被测样品的三维D-T1-Δχ分布信息。具体为：2.1、采用数学张量乘积将前两个核矩阵函数K1和K2耦合为一个新的核函数矩阵K12：2.2、将测量得到的回波串信号磁化矢量矩阵重新表达为：M＝K1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多维核磁共振测量方法，所述方法用于分析材料孔隙结构和内部填充流体特性，其特征在于，所述方法包括：(1)多维核磁共振脉冲序列的设计及多维核磁共振数据采集；(2)对多维核磁共振数据进行反演和解释。

【技术特征摘要】
1.一种多维核磁共振测量方法，所述方法用于分析材料孔隙结构和内部填充流体特性，其特征在于，所述方法包括：(1)多维核磁共振脉冲序列的设计及多维核磁共振数据采集；(2)对多维核磁共振数据进行反演和解释。2.根据权利要求1所述的一种多维核磁共振测量方法，其特征在于，所述步骤(1)包括如下步骤：1.1向被测样品施加90°脉冲将宏观磁化强度矢量M0扳转90°；1.2等待时间τ过后，向被测样品施加第二个90°脉冲，将恢复一定量的磁化矢量从沿着静磁场B0相同的方向再次扳转90°；1.3、在GRD通道施加一个持续时间为δ的梯度脉冲；1.4、随后在TRS通道施加180°射频脉冲后，在GRD通道施加第二个持续时间为δ的梯度脉冲；其中，步骤1.4中的梯度脉冲起始时间与步骤1.3中的梯度脉冲起始相差Δ时间；1.5、等待TE/2的时间之后，向被测样品施加180°射频脉冲，相同的等待时间TE/2过后，会在ACQ通道采集产生自旋回波信号；1.6、重复施加180°射频脉冲，会在ACQ通道采集产生重复多个自旋回波信号，称之为回波串信号，记录回波串信号尖峰值；1.7、改变GRD通道中的两个梯度脉冲的强度值，重复所述步骤1.4-1.6以分别采集不同脉冲强度下产生的回波串信号尖峰值；1.8、改变等待时间τ，重复所述步骤1.7以分别采集不同等待时间下产生的回波串信号尖峰值。3.根据权利要求2所述的一种多维核磁共振测量方法，其特征在于，所述步骤1.8得到的回波串信号尖峰值磁化矢量矩阵为：M(τ，g，nTE)＝∫∫∫K1K2K3F(T1，D，T2)dT1·dD·dT2其中，τ为等待时间，g为静磁场梯度值，n为180°脉冲个数，TE为回波间隔，F(T1，D，T2)为被测样品的三维T1-D-T2特性矩阵，T1为纵向弛豫时间，T2为横向弛豫时间，D为被测样品自扩散系数，K1，K2，K3为三个核函数，其具体形式为：其中γ为质子的旋磁比，g为脉冲梯度场梯度强度值，δ为单个脉冲梯度持续时间。4.根据权利要求1所述的一种多维...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘化冰，宗芳荣，汪正垛，孙哲，
申请(专利权)人：北京青檬艾柯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11