專利名稱：利用梯度場(chǎng)nmr手段進(jìn)行nmr頻譜分析的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
總體而言，本發(fā)明涉及用于核磁共振(NMR)頻譜分析的方法和裝置。
在該技術(shù)領(lǐng)域中，核磁共振測(cè)量裝置是眾所周知的。通常，核磁共振測(cè)量裝置包括形成一個(gè)靜態(tài)磁場(chǎng)的磁體和用于發(fā)射和接收射頻磁場(chǎng)的天線。天線通常是位于靠近所分析區(qū)域位置的螺線管線圈。Jackson等人的美國(guó)專利4,350,955和Taicher等人的美國(guó)專利4,717,877中公開(kāi)了核磁共振的例子。
核磁共振現(xiàn)象是由質(zhì)子和中子總數(shù)為奇數(shù)的原子核表現(xiàn)出來(lái)的。當(dāng)被放置在一個(gè)外部施加的靜態(tài)磁場(chǎng)B0中時(shí)，原子核趨于和所施加的磁場(chǎng)對(duì)齊，產(chǎn)生一個(gè)沿所加磁場(chǎng)方向的凈磁化強(qiáng)度M。原子核以一個(gè)特征NMR頻率ω(稱為拉莫頻率)圍繞所加磁場(chǎng)的進(jìn)動(dòng)，該頻率由下式給出ω＝γB0(1)其中γ為旋磁比。
具有與特定的原子核拉莫頻率相等的頻率分量并沿著垂直于靜態(tài)磁場(chǎng)B0的方向施加的時(shí)間相關(guān)(RF)磁場(chǎng)將使原子核吸收能量并章動(dòng)而偏離靜態(tài)磁場(chǎng)B0的軸線。如果章動(dòng)角達(dá)到90°時(shí)恰好關(guān)掉RF脈沖，則磁化強(qiáng)度落入垂直于B0方向的平面(x-y平面)中，凈磁化強(qiáng)度在該垂直平面內(nèi)以拉莫頻率圍繞靜態(tài)磁場(chǎng)B0進(jìn)動(dòng)。這樣的一個(gè)脈沖稱為90°脈沖。180°脈沖是使磁化強(qiáng)度180°章動(dòng)的脈沖，即使其反轉(zhuǎn)的脈沖。這兩種類型的RF脈沖形成了NMR頻譜分析的基本手段。
圖2a和2b顯示了通常用于NMR頻譜分析的脈沖序列。圖2a的上部圖象顯示的是上述的90°脈沖，以及下部圖象顯示的是檢測(cè)的信號(hào)。圖2b顯示的是自旋回波脈沖序列。一個(gè)90°脈沖首先施加到原子核系統(tǒng)。該90°脈沖將相應(yīng)的磁化強(qiáng)度旋轉(zhuǎn)到x-y平面中。該橫向磁化強(qiáng)度開(kāi)始相移。在該90°脈沖之后的某一時(shí)刻，施加一個(gè)180°脈沖。該脈沖使磁化強(qiáng)度圍繞x軸旋轉(zhuǎn)180°。該180°脈沖使磁化強(qiáng)度的至少部分地相移形成一個(gè)稱為回波的信號(hào)。因此，該180°脈沖被稱為是重新聚焦脈沖。圖2b中的下部圖形顯示的是檢測(cè)的信號(hào)。
不僅可采用90°脈沖。也可采用重復(fù)幾個(gè)小自旋翻轉(zhuǎn)角(＜90°)的RF脈沖，以產(chǎn)生較高的信噪比(S/N)。使用幾個(gè)小的自旋翻轉(zhuǎn)角的RF脈沖的優(yōu)勢(shì)是在RF脈沖之后，仍有沿z軸方向的剩余磁化強(qiáng)度。該剩余磁化強(qiáng)度可用于觀測(cè)下一個(gè)NMR信號(hào)。因此，可以重復(fù)施加另一個(gè)小翻轉(zhuǎn)角的RF脈沖，而無(wú)需等待沿z軸返回磁化強(qiáng)度。在RF脈沖之后磁化強(qiáng)度返回到z軸的時(shí)間常數(shù)被稱為是自旋-點(diǎn)陣馳豫時(shí)間(T1)。小的自旋翻轉(zhuǎn)角RF脈沖的應(yīng)用可以無(wú)需等待磁化矢量到達(dá)其平衡值而重復(fù)后續(xù)的RF脈沖。對(duì)于一個(gè)固定的時(shí)間，可以利用小翻轉(zhuǎn)角和小重復(fù)時(shí)間替代一個(gè)單一的90°RF脈沖，來(lái)獲得一系列的NMR信號(hào)。因此，利用一系列小翻轉(zhuǎn)角與利用一個(gè)單一的90°RF脈沖相比，可得到更大的信噪比(S/N)。
最佳的小翻轉(zhuǎn)角α和小翻轉(zhuǎn)角脈沖間隔τ與馳豫時(shí)間T1的關(guān)系如下式表示cosα＝exp(-τ/T1)眾所周知，觀測(cè)的NMR信號(hào)強(qiáng)度取決于翻轉(zhuǎn)角、重復(fù)時(shí)間和T1。FID信號(hào)的初始幅值由下式給出M＝M0[(1-E1)/(1-E1cosβ)]sinβ其中E1＝exp(-T/T1)T1＝自旋點(diǎn)陣馳豫時(shí)間T＝重復(fù)時(shí)間β＝翻轉(zhuǎn)角圖9顯示的是歸一化的FID幅度峰值的曲線，對(duì)于不同的T/T1值，與自旋翻轉(zhuǎn)角β的函數(shù)關(guān)系。
例如，當(dāng)重復(fù)時(shí)間為50％的T1時(shí)，采用50°的翻轉(zhuǎn)角，信號(hào)幅值為全幅值的50％。重復(fù)時(shí)間為5T1，自旋翻轉(zhuǎn)角為90°時(shí)重復(fù)時(shí)間為5T1，F(xiàn)ID的幅值最大。在一個(gè)5T1的時(shí)間內(nèi)，50°的翻轉(zhuǎn)角可以重復(fù)10次，信噪比增加58％。
實(shí)驗(yàn)中，利用一個(gè)軸線與靜態(tài)磁場(chǎng)B0垂直的調(diào)諧RF線圈來(lái)檢測(cè)NMR信號(hào)。同樣的用于勵(lì)磁的線圈也適于用來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，或者采用一個(gè)獨(dú)立的與上述線圈垂直的線圈。振蕩的NMR磁化強(qiáng)度在線圈中感應(yīng)一個(gè)電壓。可以檢測(cè)這些NMR信號(hào)或?qū)ζ溥M(jìn)行傅立葉變換，以導(dǎo)出受激原子核的NMR信號(hào)特性的頻率分量。
信號(hào)幅值隨時(shí)間的衰減是由于自旋-自旋馳豫現(xiàn)象和每個(gè)原子核都經(jīng)受一個(gè)略有不同的磁場(chǎng)所引起的。在信號(hào)最大值處，所有原子核一致進(jìn)動(dòng)。隨著時(shí)間的消逝，原子核之間的相位差越來(lái)越大，必然會(huì)出現(xiàn)各個(gè)原子核的磁化矢量的總體作用之和為零。
原子核彼此之間經(jīng)受不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度值通常是由于靜態(tài)磁場(chǎng)B0的不均勻性、化學(xué)位移所導(dǎo)致的，或由于內(nèi)部(試樣感應(yīng)的)磁場(chǎng)的不均勻性導(dǎo)致的。
靜態(tài)磁場(chǎng)B0的不均勻可能是由于相應(yīng)的磁場(chǎng)源的缺陷所導(dǎo)致。而且，隨著測(cè)量點(diǎn)遠(yuǎn)離靜態(tài)磁場(chǎng)源，靜態(tài)磁場(chǎng)B0的強(qiáng)度經(jīng)受一個(gè)跌落，如圖3所示。這稱為磁場(chǎng)梯度。該梯度具有一個(gè)由磁場(chǎng)強(qiáng)度的改變量除以距磁場(chǎng)源的距離所定義的斜率。磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著測(cè)量點(diǎn)遠(yuǎn)離磁場(chǎng)源而減小的梯度被規(guī)定為具有一個(gè)負(fù)斜率(dB/dx＜0)。磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著測(cè)量點(diǎn)遠(yuǎn)離磁場(chǎng)源而增加的磁場(chǎng)被規(guī)定為具有正斜率(dB/dx＞0)。
當(dāng)一個(gè)原子被放置在一個(gè)磁場(chǎng)中時(shí)，會(huì)產(chǎn)生化學(xué)位移現(xiàn)象。原子的電子圍繞所施加的磁場(chǎng)的方向旋轉(zhuǎn)，在原子核處產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，將對(duì)作用于原子核的磁場(chǎng)強(qiáng)度的總值產(chǎn)生影響。
內(nèi)部(試樣感應(yīng))的磁場(chǎng)的不均勻的例子是具有不同磁化率的媒質(zhì)之間的交界面，如土壤構(gòu)造中的顆?？紫读黧w界面。
可測(cè)量的信號(hào)(自由感應(yīng)衰減FID)僅和原子核進(jìn)動(dòng)持續(xù)一樣長(zhǎng)的時(shí)間。信號(hào)衰減到零的時(shí)間長(zhǎng)度被稱為自由感應(yīng)衰減時(shí)間。
可以注意到，信號(hào)隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律衰減，因此M(t)=M0e(-t/T2*)---(1)]]>其中M0為初始磁化矢量的模數(shù)，T2*被稱為衰減時(shí)間常數(shù)，為M0衰減到M0/e所需的時(shí)間。T2*的倒數(shù)(1/T2*)為M0的值在一個(gè)時(shí)間t內(nèi)衰減的比率。
如前所述，信號(hào)幅值的衰減可能是由于施加到受激區(qū)域的凈磁場(chǎng)的不均勻性所導(dǎo)致的。這些不均勻性可能是靜磁場(chǎng)的梯度、化學(xué)位移和試樣感應(yīng)的不均勻所產(chǎn)生的。上述每種現(xiàn)象均會(huì)產(chǎn)生各自的減少凈磁化矢量的比率。因此，1/T2*＝1/T2+1/T2′+γΔB0其中，例如，1/T2是由自旋-自旋馳豫引起的，1/T2’是試樣感應(yīng)不均勻的比例，γΔB0對(duì)應(yīng)于靜磁場(chǎng)的不均勻的影響。公式1可重寫(xiě)為M(t)=M0[e-t(1/T2+1/T2′+γΔB0)]---(2)]]>因此，90°RF脈沖的(FID)衰減時(shí)間可能是由靜磁場(chǎng)B0的磁場(chǎng)不均勻、自旋-自旋馳豫時(shí)間(T2)和試樣感應(yīng)不均勻時(shí)間(T2’)導(dǎo)致的，如公式2所示。
從位于RF信號(hào)輻照的試樣中的區(qū)域?qū)?huì)發(fā)射NMR信號(hào)。該區(qū)域被稱為受激區(qū)域。圖3顯示的是厚度為Δx的受激區(qū)域(12)。眾所周知，RF信號(hào)越強(qiáng)，Δx的值越大。Δx的值越大，意味著在受激區(qū)域上靜態(tài)磁場(chǎng)強(qiáng)度值下降得越多，靜態(tài)磁場(chǎng)強(qiáng)度(ΔB0)的不均勻性越大，由公式2可以看出，信號(hào)的衰減越快。因此，隨著RF場(chǎng)強(qiáng)度的增加，信號(hào)的持續(xù)時(shí)間將顯著減小。
然而，例如較厚的(Δx較大)受激區(qū)域?qū)?dǎo)致較高的可檢測(cè)信號(hào)，如CPMG序列(Carll-Purcell-Meiboom-Gill)回波信號(hào)。CPMG序列在每個(gè)回波產(chǎn)生之間包括一個(gè)90°脈沖，隨后有一個(gè)180°脈沖。
因此，在NMR檢測(cè)時(shí)，希望能夠進(jìn)行修正或均勻消除一個(gè)特定的對(duì)FID衰減時(shí)間的影響，諸如靜態(tài)磁場(chǎng)B0的磁場(chǎng)強(qiáng)度強(qiáng)度的不均勻。
而且，還希望修正施加到受激區(qū)域的凈靜磁場(chǎng)的梯度，以便一旦恢復(fù)所加的靜磁場(chǎng)B0的初始梯度，便可感應(yīng)回波信號(hào)。
本發(fā)明的另一個(gè)特征是提供一種用于核磁共振測(cè)量的方法。該方法包括施加一個(gè)靜態(tài)磁場(chǎng)對(duì)有待分析區(qū)域中的原子核進(jìn)行極化的步驟。該靜態(tài)磁場(chǎng)具有一個(gè)第一梯度。而且，向該區(qū)域施加一個(gè)射頻的磁場(chǎng)，使其中的原子核重新取向，還向所關(guān)注的區(qū)域施加一個(gè)梯度磁場(chǎng)。該梯度磁場(chǎng)具有一個(gè)和靜態(tài)磁場(chǎng)的梯度符號(hào)相反的第二梯度，其幅度選擇為使靜態(tài)磁場(chǎng)的梯度反號(hào)。最后，撤掉該梯度磁場(chǎng)，并檢測(cè)該區(qū)域的核磁共振信號(hào)。
另外，本發(fā)明的其它方面是提供在其中進(jìn)行核磁共振測(cè)量的方法。本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點(diǎn)從下面的說(shuō)明和所附的權(quán)利要求中可明顯看出圖2說(shuō)明的是施加和測(cè)得的信號(hào)。
圖3是施加的靜態(tài)磁場(chǎng)值的圖表。
圖4是依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案施加的磁場(chǎng)和測(cè)得的信號(hào)的圖表。
圖5是依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案施加的磁場(chǎng)和測(cè)得的信號(hào)的圖表。
圖6是依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案施加的磁場(chǎng)和測(cè)得的信號(hào)的圖表。
圖7是依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的測(cè)井工具的概要圖。
圖8是依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的測(cè)井工具的概要圖。
圖9顯示的是不同T/T1值時(shí)歸一化FID幅度峰值隨自旋翻轉(zhuǎn)角(β)變化的函數(shù)關(guān)系。


圖1顯示了一個(gè)在有待研究的材料(3)附近進(jìn)行核磁共振(NMR)(1)測(cè)量的裝置。NMR裝置(1)可以包含一對(duì)配置在一個(gè)縱軸(z)上的磁體(6)。磁體(6)的磁化矢量與縱軸z平行。螺線管線圈(8)在該區(qū)域中位于磁體(6)之間。磁體(6)產(chǎn)生一個(gè)靜態(tài)磁場(chǎng)B0，其感應(yīng)磁力線從中心向外。此外，梯度線圈(9)適于產(chǎn)生梯度磁場(chǎng)Bg。采用一個(gè)時(shí)變電流對(duì)線圈(8)進(jìn)行充電，以產(chǎn)生一個(gè)射頻(RF)磁場(chǎng)。例如，可以由該線圈對(duì)包含材料(3)的原子核所產(chǎn)生的感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。記錄之后，感應(yīng)信號(hào)數(shù)據(jù)即被轉(zhuǎn)換為一個(gè)NMR頻譜。該NMR頻譜提供有關(guān)材料(3)的成分的有價(jià)值信息。所參考的Poitzsch等人的美國(guó)專利6,246,236中介紹了如上所述的進(jìn)行核磁共振測(cè)量的裝置。
依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，線圈(9)可以是一個(gè)水平方位梯度線圈，這樣可以利用梯度磁場(chǎng)僅輻射選定的區(qū)域，以便獲得一個(gè)水平方位成像。例如，僅在線圈的前部檢測(cè)相應(yīng)的信號(hào)，可以抑制其余區(qū)域的信號(hào)。
本發(fā)明的某些實(shí)施方案包括將一個(gè)梯度磁場(chǎng)施加到承受靜態(tài)磁場(chǎng)B0的試樣上，以便消除或修正該靜態(tài)磁場(chǎng)導(dǎo)致的試樣響應(yīng)。在這些情況下，如圖4所示，F(xiàn)ID信號(hào)(13)不是由靜態(tài)磁場(chǎng)B0的梯度導(dǎo)致的。因此，在梯度磁場(chǎng)作用期間，由于其它磁場(chǎng)源的不均勻性，如在具有不同磁導(dǎo)率的不同媒質(zhì)的分界面(顆?？紫读黧w界面)處產(chǎn)生的化學(xué)位移、試樣感應(yīng)的不均勻，使原子核發(fā)生相移。如前所述，該現(xiàn)象的衰減時(shí)間(T2和T2’)很長(zhǎng)，因此FID信號(hào)將持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間。
FID信號(hào)檢測(cè)具有許多應(yīng)用，其中例如具有較低翻轉(zhuǎn)角(＜90°)RF脈沖和小重復(fù)時(shí)間的RF脈沖可用于獲得相當(dāng)高的信噪比(S/N)。而且還可檢測(cè)具有相當(dāng)短的衰減時(shí)間(T2)的FID信號(hào)。通過(guò)抑制其它區(qū)域的NMR信號(hào)，使用水平梯度線圈能夠?qū)x定的區(qū)域進(jìn)行分析。利用低翻轉(zhuǎn)角和水平梯度線圈獲得高S/N的水平方位NMR成像。
圖4是依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的在NMR信號(hào)中施加的磁場(chǎng)和測(cè)得的梯度的圖表。第一行和第二行顯示的是所施加的磁場(chǎng)。第三行是感應(yīng)的NMR信號(hào)。列I和III顯示的是依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的該方法的不同階段。圖4中圖示的方法包括首先向承受靜態(tài)磁場(chǎng)(14)B0的試樣施加一個(gè)90°持續(xù)時(shí)間為t0的RF磁場(chǎng)脈沖(11)(參見(jiàn)圖4中的第1行第1列)。隨后，向該試樣施加一個(gè)梯度磁場(chǎng)(16)Bg。該梯度磁場(chǎng)強(qiáng)度(16)Bg的值為當(dāng)與靜態(tài)磁場(chǎng)強(qiáng)度(14)B0合并時(shí)，所施加的凈磁場(chǎng)強(qiáng)度(18)Bnet具有一個(gè)在整個(gè)受激區(qū)域中恒定的幅值(參見(jiàn)圖4中第2行第2列)。由此，Bnet的梯度實(shí)際上為零。因此，原子核進(jìn)動(dòng)的相移僅由化學(xué)位移和/或內(nèi)部(試樣感應(yīng)的)磁場(chǎng)不均勻所產(chǎn)生。圖4的第3行第3列顯示了發(fā)出的FID信號(hào)(圖4中13)。在存在梯度磁場(chǎng)Bg時(shí)，原子核將以一個(gè)新的頻率γ(B0-Bg)進(jìn)動(dòng)。在沒(méi)有梯度磁場(chǎng)Bg時(shí)，原子核將以頻率γB0進(jìn)動(dòng)。因此，為了在梯度脈沖期間檢測(cè)NMR信號(hào)，必須將線圈(圖1中9)調(diào)諧到該新的頻率γ(B0-Bg)。圖4中的第3行第3列顯示了撤掉梯度磁場(chǎng)，因此施加于受激區(qū)域的凈磁場(chǎng)強(qiáng)度再次僅對(duì)應(yīng)于靜態(tài)磁場(chǎng)強(qiáng)度B0時(shí)的NMR信號(hào)。如圖4中第2行第4列所示。
利用FID信號(hào)進(jìn)行頻譜分析具有許多應(yīng)用，其中，例如包括散裝液體。散裝液體是不產(chǎn)生內(nèi)部試樣感應(yīng)的不均勻性的液體。
可以通過(guò)將獲取的衰減與利用CPMG信號(hào)產(chǎn)生的衰減相比較來(lái)得到更多的信息。CPMG的特征是自旋-自旋馳豫時(shí)間(T2)，而FID衰減的特征是除了T2還有T2’(試樣感應(yīng)的不均勻)。因此，將FID衰減和CPMG衰減相比較，可以獲得試樣感應(yīng)的不均勻信息。
圖5是一個(gè)依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案所加的磁場(chǎng)和測(cè)量的信號(hào)的示意圖。類似于圖4，第一行和第二行顯示的是所施加的磁場(chǎng)。第三行顯示的是感應(yīng)的NMR信號(hào)。第一列和第三列顯示的依照本發(fā)明的該實(shí)施方案的方法的不同階段。圖5中圖示的該方法包括首先向承受靜態(tài)磁場(chǎng)(20)B0的試樣施加一個(gè)90°的持續(xù)時(shí)間為t0的RF磁場(chǎng)脈沖(11)(參見(jiàn)圖5中的第1行2行，第1列)。隨后，向該試樣施加一個(gè)梯度磁場(chǎng)(24)Bg’。該梯度磁場(chǎng)強(qiáng)度(24)Bg’的值為當(dāng)與靜態(tài)磁場(chǎng)強(qiáng)度(20)B0合并時(shí)，所施加的凈磁場(chǎng)強(qiáng)度(22)Bnet具有一個(gè)符號(hào)與靜磁場(chǎng)(20)的B0相反，而絕對(duì)值比B0大的梯度(參見(jiàn)圖5中第2行第2列)。由此，當(dāng)僅施加靜磁場(chǎng)(20)B0時(shí)，原子核進(jìn)動(dòng)的相移與僅施加靜磁場(chǎng)(20)B0時(shí)的方向相反。
最后，撤掉梯度磁場(chǎng)Bg’(參見(jiàn)圖5中第二行第二列)，迫使原子核相位后移。因此，形成一個(gè)梯度回波信號(hào)。
圖5中第三列第三行顯示了發(fā)出的梯度回波信號(hào)(19)。在沒(méi)有施加梯度磁場(chǎng)Bg’時(shí)，檢測(cè)該梯度回波信號(hào)(19)。因此，在測(cè)量該該梯度回波信號(hào)(19)期間，原子核將按頻率γB0進(jìn)動(dòng)。因此必須將線圈(9)調(diào)諧到等于γB0的頻率。
可以利用下面的公式來(lái)計(jì)算形成梯度回波信號(hào)(19)的時(shí)間(te)(參見(jiàn)圖5中第三行第三列)te＝|(G0-Gg)|tg/|G0| (3)其中G0和Gg分別是靜態(tài)磁場(chǎng)B0的梯度和梯度磁場(chǎng)Bg的梯度。tg是梯度磁場(chǎng)Bg的施加時(shí)間。例如，當(dāng)梯度磁場(chǎng)Bg的梯度為磁場(chǎng)B0的梯度的兩倍時(shí)，形成梯度回波信號(hào)(19)的時(shí)間te等于梯度磁場(chǎng)Bg的作用時(shí)間tg。
梯度回波信號(hào)(19)的衰減僅由于自旋-自旋馳豫時(shí)間(T2)和試樣產(chǎn)生的內(nèi)部磁場(chǎng)不均勻(T2’)產(chǎn)生的。
梯度回波信號(hào)檢測(cè)具有多種應(yīng)用，其中，例如可以利用具有較低翻轉(zhuǎn)角(＜90°)RF脈沖來(lái)獲得相當(dāng)高的信噪比(S/N)。而且，也可以檢測(cè)具有相當(dāng)短的衰減時(shí)間(T2和T2’)的FID信號(hào)。使用水平方位梯度線圈能夠通過(guò)抑制其它區(qū)域中的NMR信號(hào)，對(duì)選定的區(qū)域進(jìn)行分析。利用低翻轉(zhuǎn)角和水平方位梯度線圈獲得高S/N的水平方位NMR成像。對(duì)于FID檢測(cè)，梯度回波信號(hào)提供了一個(gè)較高的信噪比S/N。
在梯度磁場(chǎng)Bg作用期間，受激區(qū)域的自旋相移正比于(G0-Gg)tg，由此可獲得公式3。梯度磁場(chǎng)Bg作用之后的相移正比于G0te。這兩個(gè)相移值應(yīng)當(dāng)相互抵消，以使信號(hào)重新聚焦(回波)。即(G0-Gg)tg+G0te＝0 (4)圖6中顯示了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案。在該實(shí)施方案中，重復(fù)上述的梯度回波信號(hào)若干次，直至梯度回波信號(hào)(23，27，…)消逝。最初，當(dāng)靜態(tài)磁場(chǎng)B0(28)對(duì)分析區(qū)域中的原子核進(jìn)行極化時(shí)，施加一個(gè)90°的RF磁場(chǎng)脈沖(26)(參見(jiàn)圖6中的第一行第一列)。隨后，向該區(qū)域施加一個(gè)梯度磁場(chǎng)(30)Bg’。該梯度磁場(chǎng)(30)Bg’的幅值使得當(dāng)與靜態(tài)磁場(chǎng)強(qiáng)度(28)B0合并時(shí)，所施加的凈磁場(chǎng)強(qiáng)度(32)Bnet’將與靜磁場(chǎng)B0(28)的梯度方向相反(參見(jiàn)圖6中第2行第2列)。因此，原子核進(jìn)動(dòng)的相移方向?qū)⑴c施加靜磁場(chǎng)B0時(shí)相反。重復(fù)進(jìn)行幾次該步驟(參見(jiàn)圖6中第二行第N-N+1列)。如圖中所見(jiàn)，發(fā)出的梯度回波信號(hào)(23，27)的幅度將減小，直至降為零。
可以利用發(fā)出的梯度回波信號(hào)(23，27)進(jìn)行NMR頻譜分析。剛好在施加相應(yīng)的梯度磁場(chǎng)(32)Bg’之前對(duì)梯度回波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)檢測(cè)的梯度回波信號(hào)(23，27，…)進(jìn)行傅立葉變換可以得到NMR頻譜。
利用梯度回波信號(hào)檢測(cè)進(jìn)行NMR頻譜分析具有多種應(yīng)用，例如對(duì)散裝液體進(jìn)行頻譜分析。而且如前所述，可以通過(guò)將獲取的衰減與利用CPMG信號(hào)和在MDT模塊中進(jìn)行的NMR頻譜分析產(chǎn)生的衰減相比較來(lái)得到更多的信息。對(duì)于FID NMR頻譜分析檢測(cè)，利用梯度回波信號(hào)檢測(cè)進(jìn)行NMR頻譜分析可以得到更高的信噪比。
例如，應(yīng)用置于被所分析的試樣包圍之中的NMR儀器適于本發(fā)明的實(shí)施。測(cè)井技術(shù)就是這種應(yīng)用。
圖7顯示的依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的測(cè)井工具(29)，安置在井(31)中的一個(gè)測(cè)井電纜(33)上。在測(cè)井工具中，如圖1中所示磁體是縱向放置的。電子電路(41)為螺線管(38和39)提供相應(yīng)的電流，分別產(chǎn)生一個(gè)梯度磁場(chǎng)和以特定頻率發(fā)出所需的RF磁場(chǎng)。而且，電子電路(41)設(shè)計(jì)用來(lái)調(diào)諧螺線管線圈(39)，以便接收形成土壤結(jié)構(gòu)的原子核所發(fā)出的NMR信號(hào)。電源系統(tǒng)(43)提供時(shí)變電流，來(lái)激勵(lì)線圈(39)和檢測(cè)NMR信號(hào)。圖7中的工具適于在一個(gè)測(cè)井電纜上傳送。
圖8顯示了一個(gè)依照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案的置于礦井(47)中的鉆井工具。如圖1中所示磁體是縱向放置的。電子電路(57)為螺線管線圈(56和55)提供相應(yīng)的電流，分別產(chǎn)生一個(gè)梯度磁場(chǎng)和以特定頻率發(fā)出所需的RF磁場(chǎng)。而且，電子電路(57)設(shè)計(jì)用來(lái)調(diào)諧螺線管(55)，以便接收形成土壤結(jié)構(gòu)的原子核所發(fā)出的NMR信號(hào)。電源系統(tǒng)(59)提供時(shí)變電流，來(lái)激勵(lì)線圈(55)和檢測(cè)NMR信號(hào)。本領(lǐng)域的熟練人員將會(huì)意識(shí)到，圖8所示的實(shí)施方案是隨鉆測(cè)量(MWD)的裝置。
參照有限數(shù)量的實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但本領(lǐng)域的熟練人員將會(huì)意識(shí)到，在不超出所述的本發(fā)明的范圍的前提下，可利用這里所公開(kāi)的內(nèi)容設(shè)計(jì)出其它的實(shí)施方案。因此，本發(fā)明的范圍僅受所附權(quán)利要求的限制。
權(quán)利要求
1.一種核磁共振測(cè)量方法，包括；施加一個(gè)靜態(tài)磁場(chǎng)，以對(duì)有待分析區(qū)域的原子核進(jìn)行極化，該靜態(tài)磁場(chǎng)具有一個(gè)第一梯度；向該區(qū)域施加一個(gè)射頻脈沖磁場(chǎng)，使其中的原子核重新取向；向所關(guān)注的區(qū)域施加一個(gè)梯度磁場(chǎng)，該梯度磁場(chǎng)具有一個(gè)第二梯度，與第一梯度基本上符號(hào)相反，大小相等；和檢測(cè)該區(qū)域的核磁共振信號(hào)。
2.依照權(quán)利要求1的方法，其中射頻磁場(chǎng)脈沖是處于該區(qū)域中原子核的拉莫頻率。
3.依照權(quán)利要求1的方法，其中射頻磁場(chǎng)脈沖具有一個(gè)選定的持續(xù)時(shí)間和幅值，使原子核在約90度內(nèi)重新取向。
4.依照權(quán)利要求1的方法，其中射頻磁場(chǎng)脈沖具有一個(gè)選定的持續(xù)時(shí)間和幅值，使該區(qū)域中的原子核在小于90度內(nèi)重新取向。
5.依照權(quán)利要求4的方法，其中射頻磁場(chǎng)脈沖至少重復(fù)一次。
6.依照權(quán)利要求5的方法，其中射頻磁場(chǎng)脈沖之間的時(shí)間間隔使得可以獲得較高的信噪比。
7.依照權(quán)利要求1的方法，其中梯度磁場(chǎng)由至少一個(gè)水平方位線圈產(chǎn)生。
8.依照權(quán)利要求7的方法，其中該水平方位線圈在至少一個(gè)選定區(qū)域中進(jìn)行輻照。
9.依照權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括對(duì)核磁共振信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。
10.依照權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括將一個(gè)核磁共振測(cè)井裝置下放到井中。
11.依照權(quán)利要求10的方法，其中將核磁共振測(cè)井裝置下放到電纜上。
12.依照權(quán)利要求10的方法，其中在鉆井時(shí)進(jìn)行核磁共振測(cè)量。
13.一種核磁共振測(cè)量方法，包括；施加一個(gè)靜態(tài)磁場(chǎng)，以對(duì)有待分析區(qū)域中的原子核進(jìn)行極化，該靜態(tài)磁場(chǎng)具有一個(gè)第一梯度；向該區(qū)域施加一個(gè)射頻磁場(chǎng)，以使其中的原子核重新取向；向該所關(guān)注區(qū)域施加一個(gè)梯度磁場(chǎng)，該梯度磁場(chǎng)具有一個(gè)第二梯度，該第二梯度與第一靜態(tài)磁場(chǎng)的梯度的符號(hào)基本相反，選定其幅值以使靜態(tài)磁場(chǎng)的梯度變換符號(hào)；撤去該梯度磁場(chǎng)，和檢測(cè)該區(qū)域的核磁共振信號(hào)。
14.依照權(quán)利要求13的方法，其中射頻磁場(chǎng)是處于該區(qū)域中原子核的拉莫頻率。
15.依照權(quán)利要求13的方法，其中射頻磁場(chǎng)具有一個(gè)選定的持續(xù)時(shí)間和幅值，使原子核在約90度內(nèi)重新取向。
16.依照權(quán)利要求13的方法，其中射頻磁場(chǎng)脈沖具有一個(gè)選定的持續(xù)時(shí)間和幅值，使該區(qū)域內(nèi)的原子核在約小于90度內(nèi)重新取向。
17.依照權(quán)利要求16的方法，其中射頻磁場(chǎng)脈沖至少重復(fù)一次。
18.依照權(quán)利要求17的方法，其中射頻磁場(chǎng)脈沖之間的時(shí)間間隔使得可以獲得較高的信噪比。
19.依照權(quán)利要求13的方法，其中由至少一個(gè)水平方位線圈產(chǎn)生梯度磁場(chǎng)。
20.依照權(quán)利要求19的方法，其中該水平方位線圈在至少一個(gè)選定區(qū)域中進(jìn)行輻照。
21.依照權(quán)利要求13的方法，進(jìn)一步包括對(duì)核磁共振信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。
22.依照權(quán)利要求13的方法，其中施加梯度磁場(chǎng)；撤掉該梯度磁場(chǎng)并檢測(cè)該區(qū)域的核磁共振信號(hào)，重復(fù)這兩個(gè)步驟直至核磁共振的幅值降到零為止。
23.依照權(quán)利要求13的方法，進(jìn)一步包括將一個(gè)核磁共振測(cè)井裝置下放到井中。
24.依照權(quán)利要求23的方法，其中核磁共振測(cè)井裝置被下放到電纜上。
25.依照權(quán)利要求23的方法，其中在鉆井時(shí)進(jìn)行核磁共振測(cè)量。
全文摘要
本發(fā)明涉及核磁共振測(cè)量方法；所述方法包括的步驟為施加一個(gè)第一靜態(tài)磁場(chǎng)，對(duì)試樣進(jìn)行極化；向試樣上發(fā)射一個(gè)射頻的脈沖。隨后，施加一個(gè)第二磁場(chǎng)，以便當(dāng)與第一靜磁場(chǎng)共同作用時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)第三靜態(tài)磁場(chǎng)。最后，在第二靜磁場(chǎng)作用期間或撤除之后，測(cè)量由試樣發(fā)出的NMR信號(hào)。最后，這些方法可以用于礦井中的核磁共振測(cè)量。
文檔編號(hào)G01N24/00GK1472543SQ0314903
公開(kāi)日2004年2月4日 申請(qǐng)日期2003年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月19日
發(fā)明者K·加尼桑, K 加尼桑 申請(qǐng)人:施盧默格海外有限公司