陳 逸，姜曉文，陸榮生，倪中華

(1.東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 211189)(2.江蘇省微納生物醫(yī)療器械設(shè)計(jì)與制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211189)

相比于設(shè)備體積龐大、費(fèi)用高昂、檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)的高場(chǎng)磁共振成像或譜分析技術(shù)，低場(chǎng)核磁共振檢測(cè)技術(shù)因其具有快速、易操作等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在生命科學(xué)、材料科學(xué)、石油化工、農(nóng)業(yè)食品等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)技術(shù)的相關(guān)研究主要集中于磁場(chǎng)、探頭、譜儀等方面，脈沖技術(shù)的研究進(jìn)展相對(duì)緩慢，尤其是低場(chǎng)核磁共振技術(shù)，其發(fā)展速度遠(yuǎn)落后于高場(chǎng)磁共振領(lǐng)域。目前低場(chǎng)核磁常用的脈沖技術(shù)與高場(chǎng)核磁脈沖技術(shù)一脈相承，卻又因條件限制僅能利用其中較基礎(chǔ)的部分，測(cè)試方法比較單一，處理算法也僅集中于對(duì)時(shí)域信號(hào)數(shù)據(jù)的分析，因此低場(chǎng)核磁脈沖技術(shù)還有廣闊的發(fā)展空間。

本文將對(duì)低場(chǎng)核磁共振領(lǐng)域現(xiàn)有的常用脈沖序列與處理算法做簡(jiǎn)要梳理。

1 低場(chǎng)核磁共振檢測(cè)常用脈沖序列

產(chǎn)生并測(cè)量核磁信號(hào)所需要的一組周期性重復(fù)的射頻脈沖與梯度脈沖組合及其時(shí)間關(guān)系構(gòu)成核磁共振脈沖序列。針對(duì)不同的目的，利用不同脈沖序列進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，已成為現(xiàn)代NMR檢測(cè)的普遍做法。然而，低場(chǎng)核磁共振技術(shù)因其發(fā)展較晚，存在分辨率不高、所能應(yīng)用的脈沖種類遠(yuǎn)不如高場(chǎng)核磁共振多等問(wèn)題，應(yīng)用面較為狹窄。

低場(chǎng)核磁共振技術(shù)按照檢測(cè)信號(hào)的不同大體上可分為基于信號(hào)幅值、基于圖像(信號(hào)分層二維分布)、 基于弛豫時(shí)間和基于擴(kuò)散系數(shù)的分析檢測(cè)，其中基于信號(hào)幅值的檢測(cè)因其可供分析的信息較少，應(yīng)用不廣泛；基于圖像的成像核磁共振方法研究主要著眼于如何在較低的磁場(chǎng)均勻性及信號(hào)分辨率下實(shí)現(xiàn)成像，所采用的脈沖序列也多以MRI(magnetic resonance imaging)序列為主。故本文主要介紹低場(chǎng)條件下檢測(cè)樣本的弛豫信息及擴(kuò)散信息所使用的脈沖序列。分析物質(zhì)的不同弛豫過(guò)程，得到兩個(gè)最為常見(jiàn)的參數(shù)為橫向弛豫時(shí)間T2和縱向弛豫時(shí)間T1。T2和T1分別提供原子自旋本身和自旋及其環(huán)境間相互作用的信息。時(shí)域NMR檢測(cè)中，測(cè)量橫向弛豫時(shí)間T2時(shí)應(yīng)用最為廣泛的是1958年Meiboom和Gill在自旋回波基礎(chǔ)上根據(jù)前人提出的CP(Carr-Purcell)序列[1]改進(jìn)而成的CPMG(Carr-Purcell-Meiboom-Gill)脈沖序列[2]，通過(guò)x軸上90°激發(fā)脈沖后y軸上的一系列180°脈沖回聚，避免了脈沖精度誤差積累，從而快速獲得較為準(zhǔn)確的T2時(shí)間。Borneman等[3]利用自旋動(dòng)力學(xué)理論詳細(xì)分析了CPMG序列的回波振幅衰減原理并給出了第N個(gè)回波信號(hào)的理論表達(dá)式，對(duì)于排除由于非均勻場(chǎng)或受擴(kuò)散作用的影響帶來(lái)的信號(hào)干擾具有重大作用?？v向弛豫時(shí)間T1的測(cè)量大多采用反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列(inversion recovery，IR)或飽和恢復(fù)序列(saturation recovery，SR)，由于這些序列是核磁共振學(xué)中最為基礎(chǔ)的部分，因此其原理不在此處贅述。

隨著低場(chǎng)核磁共振技術(shù)的發(fā)展與深入應(yīng)用，基礎(chǔ)的T2和T1測(cè)量逐漸不能滿足眾多研究者的需要，因此一些基于原有序列的改良或再創(chuàng)造的新型序列逐漸出現(xiàn)。

為表征具有復(fù)雜松弛組分和孔徑分布的地質(zhì)樣品，如致密油、氣頁(yè)巖和碳酸鹽樣品等， Ge等[4]在CPMG脈沖的基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)方法(如圖1)。為表征快弛豫分量，并削弱擴(kuò)散及內(nèi)部梯度的影響，一般會(huì)采用較短的回波時(shí)間τE，但隨之會(huì)不可避免地導(dǎo)致回波串?dāng)?shù)量大大增加，從而使得射頻脈沖持續(xù)時(shí)間及死時(shí)間的影響被大大放大，因此作者提出了這種根據(jù)需求變回波間隔的新型CPMG脈沖，每個(gè)部分的回波串的數(shù)量可以隨著樣本的固有屬性和先驗(yàn)知識(shí)而變化，從而用最小的信息冗余有效地檢測(cè)快、慢弛豫分量，利用比標(biāo)準(zhǔn)CPMG脈沖更少的回波數(shù)、更短的計(jì)算時(shí)間便可實(shí)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)CPMG脈沖幾乎相同的效果。

圖1 變回波間隔的改進(jìn)CPMG脈沖序列

為縮短等待時(shí)間，提高核磁共振測(cè)量油氣井的速度，車文華等[5]在CPMG脈沖序列基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，提出在一次CPMG脈沖結(jié)束后，在-x軸立即施加一個(gè)90°脈沖，使長(zhǎng)弛豫組分得到極化，從而使磁化強(qiáng)度矢量更快速地恢復(fù)至平衡位置，大大縮短等待時(shí)間，即可進(jìn)行下一次CPMG測(cè)量。

Grunewald等[6]在表面核磁共振非侵入性表征含水層的研究中，提出了一種適用于表面核磁共振、可提供深度剖析能力并消除可能干擾信號(hào)的核磁共振響應(yīng)的多脈沖CPMG序列(如圖2)，相比表面核磁現(xiàn)有的雙脈沖探測(cè)方法，測(cè)量時(shí)間大大縮短。

圖2 適用于表面核磁共振檢測(cè)的多脈沖CPMG序列

Hürlimann等[7]提出可以對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的短回波間隔CPMG序列進(jìn)行編輯，從而影響CPMG脈沖對(duì)擴(kuò)散(diffusion)的敏感性，通過(guò)將一系列不同擴(kuò)散編輯參數(shù)的信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)CPMG信號(hào)相比較，區(qū)別出信號(hào)的擴(kuò)散信息及弛豫信息(如圖3)。與標(biāo)準(zhǔn)短回波CPMG序列相比，擴(kuò)散編輯序列將前兩個(gè)回波間隔增加，此時(shí)擴(kuò)散作用造成的信號(hào)衰減將影響每個(gè)T2分量的相對(duì)幅度，通過(guò)設(shè)置不同的擴(kuò)散編輯參數(shù)，可獲得不同分量的T2-D分布，從而在識(shí)別井眼附近區(qū)域流體特征的研究中快速有效地區(qū)分油水相分布。

圖3 擴(kuò)散編輯脈沖序列

Washburn等[8]針對(duì)頁(yè)巖短T2難以測(cè)量而T1信號(hào)量低的問(wèn)題，提出了兩種新型脈沖技術(shù)——T1固體回波測(cè)量技術(shù)和T1-T2固體回波相關(guān)性測(cè)量技術(shù)。固體回波僅完全重聚焦孤立自旋對(duì)的同核偶極耦合，作者將IR反轉(zhuǎn)恢復(fù)(如圖4(a))與固體回波技術(shù)相結(jié)合，用于T1的測(cè)量(如圖4(b))；類似自旋回波構(gòu)成CPMG序列，將固體回波串與IR序列相結(jié)合(如圖4(c))，也可用于測(cè)量T1-T2相關(guān)(T1-T2correlation)。對(duì)于短τ測(cè)量，低黏度液體運(yùn)用固體回波，與普通自旋回波相比沒(méi)有太大差別，但對(duì)于高黏度和固體有機(jī)物質(zhì)的樣品則能顯示出明顯的差異，因此將兩種回波技術(shù)相結(jié)合，可以獲得更為全面的頁(yè)巖信息。

圖4 固體回波序列

對(duì)于硬件條件較好、可以滿足梯度場(chǎng)條件的低場(chǎng)核磁設(shè)備而言，新型脈沖的設(shè)計(jì)與改進(jìn)也具有更多可能，其中結(jié)合梯度脈沖的標(biāo)準(zhǔn)自旋回波和T1加權(quán)自旋回波序列最為基礎(chǔ)。如 Métais等[9]利用PFG-NMR(pulse-field-gradient NMR)(如圖5)在低場(chǎng)條件下對(duì)復(fù)雜食品中水分自擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行了測(cè)定，比較了標(biāo)準(zhǔn)自旋回波序列與T1加權(quán)自旋回波序列的測(cè)量效果。

圖5 T1加權(quán)自旋回波序列

對(duì)于在低場(chǎng)條件下測(cè)量乳劑液滴尺寸分布的擴(kuò)散(D)和弛豫(T1)問(wèn)題，由于在20 MHz頻率下儀器的分辨率無(wú)法完全區(qū)分水油信號(hào)，因此 van Duynhoven等[10]設(shè)計(jì)將180°反轉(zhuǎn)脈沖與PFG(pulse field gradient)結(jié)合，利用水相和油相的不同T1弛豫特性(圖6中T1過(guò)濾器)，可抑制油包水系統(tǒng)中的連續(xù)油相。而對(duì)于水包油系統(tǒng)，則通過(guò)在測(cè)量中設(shè)置使水信號(hào)幾乎完全衰減而剩余油信號(hào)足夠的初始梯度持續(xù)時(shí)間δ0，隨后不斷遞增梯度持續(xù)時(shí)間δ從而采集油成分的擴(kuò)散衰減(圖6中D過(guò)濾器)，基于水和油的不同自擴(kuò)散系數(shù)獲得水油分離信息。

圖6 擴(kuò)散-弛豫測(cè)量脈沖序列

隨著脈沖技術(shù)的進(jìn)步，二維NMR測(cè)量技術(shù)也在不斷發(fā)展并廣泛應(yīng)用于核磁測(cè)井、頁(yè)巖分析領(lǐng)域。一般的二維核磁脈沖可以看作是兩個(gè)簡(jiǎn)單一維脈沖的有機(jī)結(jié)合，如常用于測(cè)量T1-T2相關(guān)譜[11]的脈沖序列(如圖7)，其磁化矢量在反轉(zhuǎn)時(shí)間TI內(nèi)沿z軸(T1過(guò)程)衰減，在回波過(guò)程Techo時(shí)間內(nèi)又受T2影響衰減，通過(guò)獨(dú)立變量TI和Techoτ2采集衰減信號(hào)獲得二維數(shù)據(jù)集M(TIτ1，Techo)，由算法分析可獲得T1-T2的概率密度分布譜，從而通過(guò)T1-T2對(duì)應(yīng)關(guān)系分析水油分布。

圖7 T1-T2相關(guān)譜信號(hào)采集脈沖序列

T2-T2交換譜[12]可以幫助研究者們研究物質(zhì)的分子交換。通過(guò)將兩次連續(xù)時(shí)間上獲得的相同的核磁共振T2譜(脈沖序列如圖8)對(duì)應(yīng)得到二維數(shù)據(jù)集并進(jìn)行二維反演，所獲得的二維譜圖上的非對(duì)角峰值即可表征分子在不同弛豫時(shí)間孔隙之間的移動(dòng)、交換。

圖8 T2-T2交換譜信號(hào)采集脈沖序列

梯度場(chǎng)條件下的D-T2二維脈沖[13]由一個(gè)初始編輯序列和一系列標(biāo)準(zhǔn)180°脈沖組成(如圖9)，初始編輯序列對(duì)擴(kuò)散信息敏感，而180°回波串則負(fù)責(zé)采集T2信息?？梢酝ㄟ^(guò)多種方式改變初始編輯序列對(duì)擴(kuò)散的敏感性，如改變時(shí)間δ或τE,1。對(duì)于頁(yè)巖油氣勘探，通過(guò)擴(kuò)散系數(shù)及弛豫時(shí)間的差異，便可直觀區(qū)分流體性質(zhì)。

圖9 D-T2譜信號(hào)采集脈沖序列

鑒于二維NMR存在測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)硬件要求高等缺點(diǎn)，研究者們也在不斷尋找各種改進(jìn)方法。Mitchell等[14]提出了一種利用一維采集數(shù)據(jù)快速獲得二維弛豫時(shí)間的新型脈沖序列DECPMG(driven-equilibrium Carr-Purcell Meiboom-Gill，如圖10)。通過(guò)對(duì)弛豫過(guò)程的自旋動(dòng)力學(xué)分析，Mitchell等人發(fā)現(xiàn)通過(guò)特定激發(fā)脈沖組合(兩個(gè)反向90°脈沖重復(fù)若干次)，磁化矢量會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)與T1/T2相關(guān)的特定值，在此平衡狀態(tài)下疊加CPMG脈沖并將其信號(hào)與完全平衡態(tài)下的CPMG測(cè)量信號(hào)相比較，可獲得T1/T2比值與T2的對(duì)應(yīng)關(guān)系，再通過(guò)一系列數(shù)學(xué)變換獲得二維弛豫譜，實(shí)現(xiàn)二維 NMR的快速測(cè)量。

圖10 DECPMG脈沖序列

結(jié)合DE脈沖特點(diǎn)， Deng等[15]提出了一種新型脈沖序列DEFIR(driven-equilibrium fast inversion recovery)(如圖11)，在施加與DECPMG相同的DE段脈沖序列達(dá)到驅(qū)動(dòng)平衡后，再進(jìn)行快速反轉(zhuǎn)恢復(fù)FIR脈沖序列，獲得T1/T2比值與T1的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而快速獲得二維弛豫譜。該方法除具有與DECPMG類似的流體二維弛豫時(shí)間的快速測(cè)量功能外，還可實(shí)現(xiàn)慢速流體的流量測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了基于二維弛豫時(shí)間分布的快速黏度測(cè)量。

圖11 DEFIR脈沖序列

縱觀以上新型脈沖可以發(fā)現(xiàn)，CPMG脈沖組的使用相當(dāng)廣泛，大部分新型脈沖或改良脈沖均可歸納于“廣義CPMG脈沖”概念中。將標(biāo)準(zhǔn)CPMG脈沖中的90°激發(fā)脈沖替換為特性敏感的預(yù)脈沖，可以達(dá)到對(duì)相應(yīng)特性檢測(cè)的目的。通過(guò)對(duì)上述新型脈沖序列的介紹可以發(fā)現(xiàn)，其大多是為滿足特定應(yīng)用目的的需求而誕生，脈沖的作用也具有相當(dāng)?shù)尼槍?duì)性。由此可見(jiàn)，面對(duì)新的應(yīng)用需求，分析其需求特點(diǎn)，設(shè)計(jì)新的特性脈沖，已成為研究者們的一般思路。

2 低場(chǎng)核磁共振檢測(cè)常用處理算法

低場(chǎng)核磁共振檢測(cè)技術(shù)中，除了特定脈沖序列的實(shí)施，獲得原始數(shù)據(jù)后的處理算法也尤為重要。低場(chǎng)核磁雖然具有成本低、檢測(cè)速度快的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也有信息分辨率低的不足，實(shí)驗(yàn)采集的信號(hào)可能伴隨著一些噪聲或外在因素的影響需要算法矯正。除此以外，對(duì)復(fù)雜組分，由于低場(chǎng)限制下衰減曲線反演頻域譜峰寬包重合，簡(jiǎn)單的T2和T1信息處理可能會(huì)掩蓋相當(dāng)一部分的有效信息。同樣，針對(duì)一些新的特性脈沖，采集的數(shù)據(jù)也可能包含著特定提取的信息。因此，對(duì)不同數(shù)據(jù)處理算法的研究對(duì)于有效信息篩選、強(qiáng)干擾下的微弱信號(hào)放大具有非常重要的意義。

核磁信號(hào)處理方法包括降噪算法及反演算法。低場(chǎng)核磁因其磁場(chǎng)強(qiáng)度較弱，一般情況下采集的信號(hào)幅值不高，信噪比較低，因此要運(yùn)用有效的降噪方法，排除回波中的噪聲、放大有效信號(hào)顯得尤為重要。早在20世紀(jì)，研究者們就開(kāi)始關(guān)注核磁信號(hào)降噪問(wèn)題。1999年， Wood等[16]在MRI領(lǐng)域通過(guò)小波包分析顯著提高了圖像信噪比，且不會(huì)影響圖像邊緣清晰度。2004年，Cobas等[17]提出了一種適用于二維核磁共振數(shù)據(jù)集的快速小波壓縮算法，可以在盡量保證數(shù)據(jù)信息完整性的前提下實(shí)現(xiàn)最大可達(dá)800∶1的數(shù)據(jù)壓縮效率，為更高效的數(shù)據(jù)處理創(chuàng)造了條件。2010年，謝慶明等[18]針對(duì)儲(chǔ)層流體分析問(wèn)題，提出了一種多分辨率自適應(yīng)的SURE算法(基于小波變換的stein無(wú)偏風(fēng)險(xiǎn)估計(jì))，通過(guò)噪聲分量在不同尺度上的差異，采用最優(yōu)參數(shù)自適應(yīng)、軟閾值方法有效提高信噪比。作者還利用仿真回波信號(hào)比較了各種常用去噪算法，相比于現(xiàn)有常規(guī)方法存在的不足，如通用軟閾值法[19]對(duì)各分解層面采用統(tǒng)一的閾值，使得去噪效果不明顯，且可能掩蓋微孔的T2信息；模值極大值重構(gòu)法[20]存在誤將偽極值點(diǎn)作為真實(shí)信號(hào)小波系數(shù)的可能；空域相關(guān)法[21]對(duì)于信噪比本身較低的低場(chǎng)核磁可能導(dǎo)致去噪結(jié)果存在斷點(diǎn)等，采用特性閾值的新型SURE算法能夠在提高信噪比的同時(shí)保留微孔信息，大大提升去噪效果，更準(zhǔn)確地表征巖芯孔隙特征。2014年，Man等[22]為實(shí)現(xiàn)提高信噪比的同時(shí)避免線形失真，基于時(shí)域信號(hào)奇異值分解提出了一種Cadzow增強(qiáng)程序，這種降噪方法可同時(shí)應(yīng)用于FID(free induction decay)及雙脈沖等多種NMR系統(tǒng)，在不擴(kuò)大線寬的基礎(chǔ)上提高信號(hào)分辨率且節(jié)省時(shí)間。2015年，Ge等[23]提出了一種將改進(jìn)的小波閾值與EWMA(exponentially weighted moving average)相結(jié)合的衰減數(shù)據(jù)降噪方法，通過(guò)信息熵和白噪聲估計(jì)優(yōu)化小波基函數(shù)和分解級(jí)，開(kāi)發(fā)混合閾值函數(shù)以避免硬閾值和軟閾值函數(shù)的缺點(diǎn)。構(gòu)建基于信噪比和均方誤差(MSE)的非線性目標(biāo)函數(shù)以獲得不同層次的最佳閾值，將問(wèn)題轉(zhuǎn)化為尋求最優(yōu)解的任務(wù)。執(zhí)行EWMA以消除小波去噪信號(hào)不需要的峰值和鋸齒。作者通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出的方法能夠完美地降低T2衰變數(shù)據(jù)的噪聲。

針對(duì)反演算法的研究也非常多。眾所周知，時(shí)域低場(chǎng)核磁共振檢測(cè)中所獲得的原始數(shù)據(jù)是一條由若干點(diǎn)構(gòu)成的衰減曲線，而時(shí)域衰減轉(zhuǎn)為頻域譜圖的常規(guī)方法便是反演。近年來(lái)，除了數(shù)學(xué)領(lǐng)域原有的反演解法理論之外，針對(duì)核磁領(lǐng)域的多指數(shù)反演算法也吸引了大批研究者不斷對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)于最常使用的包含正則化的拉普拉斯反演算法求解病態(tài)問(wèn)題，Prange等[24]開(kāi)發(fā)了一種高效的蒙特卡羅算法，通過(guò)對(duì)求解問(wèn)題多種方案的統(tǒng)計(jì)特性分析，量化NMR解譜過(guò)程中的不確定性。王為民等[25]提出了奇異值分解算法(SVD)及變換反演算法，前者利用SVD分解求最小二乘解并以迭代法消去其中負(fù)組分，但求解受原始信噪比限制，對(duì)信噪比較低的巖芯核磁而言，解的自由度大，反演結(jié)果分辨率低，可能會(huì)存在T2譜不連續(xù)的問(wèn)題；而后者將T2頻域譜變換至?xí)r域譜求解，算法相對(duì)穩(wěn)定且易求解，但原始數(shù)據(jù)量較大時(shí)的處理速度較慢。姜瑞忠等[26]針對(duì)反演結(jié)果不連續(xù)的問(wèn)題對(duì)SVD反演算法進(jìn)行了改進(jìn)，新算法避開(kāi)了原有的矩陣奇異值分解，解算速度更快，可用于規(guī)模較小的原始數(shù)據(jù)信噪比的求解。除SVD算法及其相關(guān)改進(jìn)算法外，Lamanna等[27]針對(duì)非均勻樣品評(píng)估松弛和擴(kuò)散參數(shù)的分布，在進(jìn)行原始數(shù)據(jù)拉普拉斯變換時(shí)采用不同粒度的Fredholm積分的疊加，結(jié)果證實(shí)對(duì)于液體和固體樣相都存在的樣品來(lái)說(shuō)更為合適。潘克家等[28]利用最小二乘法求得弛豫時(shí)間組分?jǐn)?shù)，再由差分進(jìn)化方法求解帶非負(fù)約束的非線性優(yōu)化問(wèn)題(即多指數(shù)反演問(wèn)題的轉(zhuǎn)化形式)，從而避免初值的選取，簡(jiǎn)單快速即可獲得真實(shí)有效的T2譜。姚緒剛等[29]針對(duì)巖石與自由流體縱向、橫向弛豫測(cè)量信號(hào)多指數(shù)反演問(wèn)題，在Dines等[30]改善ART算法收斂性能的基礎(chǔ)上提出了一種整體迭代修正多指數(shù)反演方法，即SIRT迭代算法，其算法相對(duì)簡(jiǎn)單，無(wú)需用戶預(yù)先設(shè)置反演控制參數(shù)，迭代收斂快，反演效果佳，適用于較低信噪比的應(yīng)用需求。Ghosh等[31]針對(duì)解決反演不適定問(wèn)題，提出了一種客觀評(píng)估反演算法優(yōu)劣的方法，通過(guò)模擬技術(shù)和統(tǒng)計(jì)分析，可以評(píng)估各種反演參數(shù)對(duì)計(jì)算譜分布的影響。

針對(duì)近年來(lái)興起的二維核磁共振技術(shù)，其反演算法研究方興未艾。Babak等[32]為了在主要參數(shù)值有限的情況下產(chǎn)生易于解釋和唯一的NMR譜分布，引入了一種用于NMR反演的新方法。該方法綜合考慮多元數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)擬合優(yōu)度與保證反演的最小數(shù)量的參數(shù)值，使用前向逐步回歸選擇算法進(jìn)行核磁共振數(shù)據(jù)的反演。針對(duì)梯度場(chǎng)二維核磁測(cè)井，譚茂金等[33]基于非負(fù)最小二乘法和截?cái)嗥娈愔捣纸夥?，提出了一種求解大型稀疏矩陣方程的反演方法，并用數(shù)據(jù)仿真驗(yàn)證了混合反演算法相比單一算法的優(yōu)越性。同樣針對(duì)擴(kuò)散-橫向弛豫二維反演問(wèn)題，李新軍等[34]提出將復(fù)雜的二維反演轉(zhuǎn)化為兩個(gè)核心矩陣的奇異值分解問(wèn)題，既保證了反演結(jié)果的真實(shí)性，又極大提高了計(jì)算速度。Bortolotti等[35]將一維反演使用的統(tǒng)一懲罰(UPEN)算法擴(kuò)展到二維數(shù)據(jù)，二維懲罰算法通過(guò)使用可變平滑自動(dòng)計(jì)算局部適應(yīng)的正則化參數(shù)和未知NMR參數(shù)的分布，從而實(shí)現(xiàn)較高精度的二維數(shù)據(jù)反演。

縱觀低場(chǎng)核磁領(lǐng)域的算法研究現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn)，研究者們雖然積極在挖掘新方法，改進(jìn)舊方法的不足，但成果的應(yīng)用仍較為局限，不同算法間也缺少定量的優(yōu)劣評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，各類新方法要代替?zhèn)鹘y(tǒng)算法推廣至全行業(yè)應(yīng)用還有一段距離。

3 一些專題應(yīng)用研究

目前，低場(chǎng)核磁共振檢測(cè)技術(shù)常應(yīng)用于生命科學(xué)、材料科學(xué)、石油化工、農(nóng)業(yè)食品等領(lǐng)域。如2011年孫振平等[36]系統(tǒng)闡述了低場(chǎng)核磁共振技術(shù)在水泥基材料研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀，指出可利用低場(chǎng)核磁技術(shù)方便地探究水泥的不同水化進(jìn)程及摻合料、外加劑對(duì)其過(guò)程的影響，還可研究硬化漿體如混凝土材料中水分的擴(kuò)散、遷移行為及孔徑分布、比表面積等參數(shù)，但同時(shí)指出，低場(chǎng)核磁技術(shù)對(duì)于摻有順磁性物質(zhì)的水泥基材料的檢測(cè)精度還有待提高，在材料中水分的三維分布、擴(kuò)散過(guò)程的高精度直觀信息的獲取等方面還有較大的發(fā)展空間。2011年夏天蘭等[37]整理了低場(chǎng)核磁技術(shù)在肉與肉制品水分測(cè)定及其相關(guān)品質(zhì)特性中的應(yīng)用，T2檢測(cè)被主要運(yùn)用于檢測(cè)肉與肉制品的水分分布狀態(tài)、流動(dòng)性及其與食用品質(zhì)、特性間的相關(guān)性等，對(duì)快速、動(dòng)態(tài)地預(yù)測(cè)和控制肉與肉制品的質(zhì)量起到了重大技術(shù)支撐作用。2015年王志戰(zhàn)等[38]綜述了核磁共振技術(shù)在頁(yè)巖油氣層勘探開(kāi)發(fā)中的相關(guān)應(yīng)用，作者認(rèn)為目前現(xiàn)有的核磁共振技術(shù)對(duì)于常規(guī)頁(yè)巖油氣儲(chǔ)層來(lái)講能夠滿足對(duì)巖石物性、孔隙結(jié)構(gòu)、孔隙流體分布與飽和度的評(píng)價(jià)，但對(duì)于受納米級(jí)孔隙、復(fù)雜礦物成分、特殊孔隙結(jié)構(gòu)、較高有機(jī)質(zhì)含量、超低滲透性及內(nèi)部梯度和受限擴(kuò)散等因素影響的納米級(jí)頁(yè)巖儲(chǔ)層，現(xiàn)有技術(shù)及機(jī)理解釋模型還不夠全面，納米孔儲(chǔ)層的弛豫機(jī)理及提高二維譜的分辨率基礎(chǔ)研究仍需加強(qiáng)。生命科學(xué)領(lǐng)域的低場(chǎng)核磁技術(shù)的應(yīng)用則主要著眼于低場(chǎng)成像領(lǐng)域，如利用經(jīng)修飾的磁性納米粒子產(chǎn)生超弱磁場(chǎng)進(jìn)行空間成像等。目前，對(duì)較低分辨率的低場(chǎng)核磁譜圖的應(yīng)用還不廣泛。

4 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)有的低場(chǎng)核磁脈沖序列因硬件條件限制基礎(chǔ)還比較薄弱，使用最為廣泛的還是利用CPMG脈沖進(jìn)行的T2測(cè)量及利用SR或IR進(jìn)行的T1測(cè)量。從應(yīng)用角度而言，測(cè)井領(lǐng)域及巖芯孔隙檢測(cè)方向的新型脈沖開(kāi)發(fā)與應(yīng)用走在前列，生命科學(xué)領(lǐng)域?qū)Φ蛨?chǎng)核磁共振技術(shù)的運(yùn)用還不普及，食品領(lǐng)域的應(yīng)用則基本以標(biāo)準(zhǔn)T2測(cè)量為主。算法的創(chuàng)新與改進(jìn)則基本是基于幾種不同的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)理論各自在進(jìn)行，不同根基算法間的橫向比較及總結(jié)尚欠缺。

仔細(xì)研究低場(chǎng)核磁技術(shù)的發(fā)展歷程可以發(fā)現(xiàn)，研究者們大多立足于以實(shí)際應(yīng)用效果為目標(biāo)，基于檢測(cè)對(duì)象特征開(kāi)發(fā)相應(yīng)的特性敏感檢測(cè)方法，新脈沖序列、新算法的出現(xiàn)大多是為了滿足特定應(yīng)用目的的需求，脈沖的作用也具有相當(dāng)?shù)尼槍?duì)性。因此，面對(duì)新的應(yīng)用對(duì)象，分析其需求特點(diǎn)，找出其特性敏感點(diǎn)，并設(shè)計(jì)新的特性脈沖，可以作為研究者們的創(chuàng)新思路。