短脉冲表面核磁共振中脉冲形状与相位对核磁激发影响的优化研究

推荐：为解决短脉冲表面核磁共振（SNMR）中脉冲形状和相位对激发信号的影响问题，研究人员通过建立脉冲形状依赖的Bloch方程求解模型，提出高效查找表计算方案。研究揭示了非正弦脉冲的高次谐波分量及相位变化对信号幅相的影响，为短脉冲SNMR数据的高精度建模提供了新方法，显著提升了强结合水探测的准确性。

　　

在地球物理勘探和地下水探测领域，表面核磁共振（Surface Nuclear Magnetic Resonance, SNMR）技术因其对含水层的非侵入性探测能力而备受青睐。然而，传统SNMR方法对强结合水（如部分饱和土壤中的水）的探测灵敏度不足，主要受限于两个因素：激发脉冲后的死区时间以及脉冲本身的持续时间。为了缩短脉冲持续时间同时保持足够的探测深度，必须提高脉冲幅度，但这会引发Bloch-Siegert效应——即激发场的反向旋转分量和平行分量对核磁激发的显著影响。此外，当使用非调谐发射电路时，脉冲形状会呈现非正弦特性，进一步增加了信号建模的复杂性。

针对这一挑战，德国研究人员在《Magnetic Resonance Letters》发表论文，系统研究了短脉冲SNMR中脉冲形状和相位对核磁激发的影响机制。研究团队通过精确记录脉冲波形，建立基于Bloch方程的磁化矢量动态模型，并创新性地提出高效查找表计算方案，实现了对非正弦脉冲作用下核磁信号的快速精确模拟。

关键技术方法包括：1）采用水填充货箱模拟地下含水层，使用GMR-Flex设备记录非正弦脉冲波形；2）构建包含2,880,000个体素的圆柱坐标系模型，通过并行化LSODA求解器求解Bloch方程；3）开发基于脉冲形状和磁场分量的查找表优化算法，将计算效率提升数百倍。

脉冲形状与相位的双重影响
实验数据显示，非正弦脉冲的相位偏移（φ_Tx≈0.52π-0.77π）会显著改变信号幅相特性。傅里叶分析揭示脉冲波形包含明显的三次（3f_L）、五次（5f_L）等高次谐波，当这些谐波幅值达到B₀的10%时（对应B₁>0.5B₀），会对磁化矢量产生可观测影响。

查找表优化验证
通过对比直接求解Bloch方程与不同参数查找表的计算结果发现：采用200×400对数离散化查找表时，信号幅相误差可控制在1nV和3°以内；当最大场强阈值从30B₀降至10B₀时，仍能保持高精度建模，但继续降低至3B₀会导致高脉冲矩（q>0.1As）数据显著偏离。

结论与意义
该研究首次量化了短脉冲SNMR中脉冲形状与相位的耦合效应，证实高次谐波分量在B₁≥0.5B₀时不可忽略。所提出的查找表方案将计算耗时从数天缩短至数分钟，且适用于多脉冲序列建模。这一突破为发展基于预极化技术的T₁测量序列提供了理论基础，有望推动SNMR在土壤水分、冻土监测等强结合水检测场景的应用突破。研究还指出，对于弛豫时间较短的样品，需建立多弛豫参数查找表库以适应反演需求，这将成为未来技术优化的重要方向。