Frequency cycling for compensation of undesired off-resonance effects in surface nuclear magnetic resonance

Geophysics ◽  
2016 ◽  
Vol 81 (4) ◽  
pp. WB33-WB48 ◽  
Author(s):  
Denys Grombacher ◽  
Mike Müller-Petke ◽  
Rosemary Knight

To produce reliable estimates of aquifer properties using surface nuclear magnetic resonance (NMR), an accurate forward model is required. The standard surface NMR forward model assumes that excitation occurs through a process called on-resonance excitation, which occurs when the transmit frequency is set to the Larmor frequency. However, this condition is often difficult to satisfy in practice due to the challenge of accurately determining the Larmor frequency within the entire volume of investigation. As such, in situations where an undesired offset is present between the assumed and true Larmor frequency, the accuracy of the forward model is degraded. This is because the undesired offset leads to a condition called off-resonance excitation, which impacts the signal amplitude, phase, and spatial distribution in the subsurface, subsequently reducing the accuracy of surface NMR estimated aquifer properties. Our aim was to reduce the impact of an undesired offset between the assumed and true Larmor frequency to ensure an accurate forward model in the presence of an uncertain Larmor frequency estimate. We have developed a methodology where data are collected using two different transmit frequencies, each an equal magnitude above and below the assumed Larmor frequency. These data are combined, through a method we refer to as frequency cycling, in a manner that allow the component well-described by our estimate of the Larmor frequency to be stacked coherently, whereas the component related to the presence of an undesired offset is combined destructively. In synthetic and field studies, we have determined that frequency cycling is able to mitigate the influence of an undesired offset providing more accurate estimates of aquifer properties. Furthermore, the frequency-cycling method stabilized the complex inversion of surface NMR data, allowing advantages associated with complex inversion to be exploited.

Geophysics ◽  
2018 ◽  
Vol 83 (5) ◽  
pp. JM29-JM38 ◽  
Author(s):  
Denys Grombacher ◽  
Raphael Dlugosch ◽  
Elliot Grunewald ◽  
Mike Müller-Petke ◽  
Esben Auken

Adiabatic half-passage (AHP) pulses show great promise for significantly enhancing the signal-to-noise ratio of the surface nuclear magnetic resonance (NMR) free-induction decay measurement. Performing an AHP requires that the frequency sweep terminates when the transmit frequency is equal to the Larmor frequency, a condition that demands accurate knowledge of the true Larmor frequency. If the frequency sweep is terminated at an incorrect frequency, i.e., with an unknown offset between the transmit and Larmor frequency at the end of the pulse, the net excitation is affected and it can differ from that predicted by modeling that assumes a 0 Hz offset at the end of the sweep. Surface NMR surveys using a traditional single-frequency pulse have previously been shown to display degraded performance in the presence of an uncertain Larmor frequency estimate; the AHP pulse is also likely susceptible to such degraded performance. To ensure that reliable results can be produced by AHP pulses in the presence of an uncertain Larmor frequency estimate, we have developed an approach that adapts the frequency-cycling scheme for use with AHP pulses. We hypothesize that data collected using two similar AHP pulses, each with the exact same frequency sweep but where one sweeps toward the Larmor frequency from higher frequencies and the other from lower frequencies, can be stacked in such a manner that the impact of an unknown frequency offset is significantly reduced. We present synthetic and field results to demonstrate that frequency-cycling AHP pulse surface NMR data can ensure reliable performance even in the presence of an uncertain Larmor frequency estimate.


Geophysics ◽  
2014 ◽  
Vol 79 (6) ◽  
pp. E329-E339 ◽  
Author(s):  
Denys Grombacher ◽  
Jan O. Walbrecker ◽  
Rosemary Knight

Surface nuclear magnetic resonance (NMR) is a geophysical technique that provides the ability to noninvasively image water content in the subsurface. To improve the ability of this method to produce images representative of the true subsurface structure, we require high spatial resolution. We derive a method to provide improved spatial resolution through the use of novel excitation strategies designed to enhance and exploit the information content within the quadrature component of the NMR signal. In a traditional surface NMR experiment, the frequency of the perturbing magnetic field ([Formula: see text]) is chosen to equal the Larmor frequency of the hydrogen nuclei in the subsurface. In this case, it is assumed that the signal phase is determined entirely by the conductivity structure of the subsurface. Several studies have found that modeling the signal phase accurately and inverting a complex-valued NMR signal, can improve the spatial resolution of the surface NMR water content images. We propose alternative excitation schemes designed to generate a complex-valued signal, where the quadrature component can be controlled experimentally and was larger than that generated by the conductivity effects. This allowed a single excitation to provide two samplings of the subsurface properties, one stored in the real component and another in the quadrature component. To test if the alternative sampling strategies can provide improved spatial resolution in surface NMR, we evaluated a synthetic study contrasting the performance of three techniques. We contrasted two techniques designed to generate a complex-valued NMR signal during excitation, called off-resonance excitation and composite pulse excitation, to a traditional on-resonance excitation. We demonstrated that our proposed excitation schemes were able to better resolve boundaries between layers with contrasting properties, and we produced images with improved spatial resolution.


2017 ◽  
Author(s):  
Μαρία Φωτίου

Μελέτες υποδεικνύουν ότι ακόμη και ήπιες αποκλίσεις από ένα θρεπτικά-ισορροπημένο ενδομήτριο περιβάλλον, οι οποίες οφείλονται στη διατροφική κατάσταση και το μεταβολισμό της μητέρας, μπορεί να προκαλούν σοβαρές επιπτώσεις στην υγεία του απογόνου κατά την ενήλικη ζωή. Ο προσδιορισμός/ταυτοποίηση μεταβολιτών στο αμνιακό υγρό (ΑΥ) θα συνέβαλε στη διαλεύκανση των μηχανισμών, μέσω των οποίων η μητρική διατροφή επηρεάζει το ενδομήτριο περιβάλλον. Πράγματι, μελέτες σε ζώα έχουν δείξει ότι παρεμβάσεις στη μητρική διατροφή μεταβάλουν τη σύσταση του ΑΥ. Ωστόσο, τα δεδομένα που αφορούν στη συσχέτιση της διατροφής έγκυων γυναικών με τη συγκέντρωση μεταβολιτών στο ΑΥ είναι περιορισμένα. Σκοπός της διατριβής ήταν η διερεύνηση της επίδρασης της μητρικής διατροφικής κατάστασης στη σύσταση του ΑΥ έγκυων γυναικών. Το δείγμα αποτέλεσαν έγκυες που υποβλήθηκαν σε αμνιοπαρακέντηση για προγεννητικό έλεγχο. Η συλλογή δημογραφικών/ανθρωπομετρικών χαρακτηριστικών πραγματοποιήθηκε με χρήση ερωτηματολογίων, η καταγραφή της μητρικής διατροφικής πρόσληψης με ημιποσοτικό-ερωτηματολόγιο-συχνότητας-κατανάλωσης-τροφίμων, ενώ δεδομένα για την εξέλιξη/έκβαση της κύησης ελήφθησαν από ιατρικά αρχεία. Για την ανάλυση του ΑΥ χρησιμοποιήθηκαν συμβατικά αναλυτικά εργαλεία και πυρηνικός μαγνητικός συντονισμός (Nuclear Magnetic Resonance, NMR). Η διατριβή αποτελείται από 3 μελέτες. Στην 1η μελέτη διερευνήθηκε η συσχέτιση των συγκεντρώσεων γλυκόζης, ουρικού οξέος, και ιόντων φωσφόρου, καλίου και νατρίου στο ΑΥ με α. την ηλικία κύησης, β. δημογραφικά/ανθρωπομετρικά χαρακτηριστικά των εγκύων και γ. παραμέτρους νεογνικής ανάπτυξης. Από τα σημαντικότερα ευρήματα ήταν η συσχέτιση μεταξύ εβδομάδας κύησης και ιόντων φωσφόρου, η οποία αναδεικνύει το ρόλο του φωσφόρου στην εμβρυική ανάπτυξη/ωρίμανση. Επίσης, ο δείκτης-σωματικής-μάζας των εγκύων πριν την εγκυμοσύνη παρουσίασε στατιστικά σημαντική συσχέτιση με τη συγκέντρωση του ουρικού οξέος, ενώ η εκατοστιαία-θέση-βάρους των νεογνών με τη συγκέντρωση του ουρικού οξέος και των ιόντων φωσφόρου. Η 2η μελέτη περιγράφει την περίπτωση εγκύου της οποίας το ΑΥ κατά την 222/7 εβδομάδα κύησης παρουσίασε υπερβολικά υψηλή συγκέντρωση ουρικού οξέoς και καλίου, και υψηλή αναλογία κυστεΐνης/μεθειονίνη, σε σχέση με τις μέσες τιμές που αναφέρονται στη βιβλιογραφία για τη συγκεκριμένη εβδομάδα κύησης. Τη χρονική στιγμή της αμνιοπαρακέντησης, η έγκυος ήταν κλινικά υγιής. Ωστόσο, την 280/7 εβδομάδα, διαγνώστηκε προεκλαμψία. Το σημαντικότερο εύρημα αφορά στον υψηλό λόγο κυστεΐνης/μεθειονίνη που πιθανότατα απορρέει από τη μη κάλυψη των συστάσεων σε συγκεκριμένα μη-ενεργοφόρα θρεπτικά συστατικά που δρουν ως ρυθμιστές του μεταβολισμού στον κύκλο της μεθειονίνης (π.χ. φυλλικό οξύ). Στην 3η μελέτη διερευνήθηκε η υπόθεση ότι οι διατροφικές συνήθειες της μητέρας αντικατοπτρίζονται στο μεταβολομικό αποτύπωμα του ΑΥ. Μελετήθηκαν 2 διατροφικά-πρότυπα εγκύων, τα οποία διέφεραν στατιστικά σημαντικά ως προς το %ποσοστό της συνολικής ημερήσιας ενεργειακής πρόσληψης 10 ομάδων τροφίμων. Οι διατροφικές προτιμήσεις αποτυπώθηκαν και στην πρόσληψη ενεργοφόρων και μη-ενεργοφόρων θρεπτικών συστατικών. Με την εφαρμογή της μεταβολομικής (NMR) φάνηκε ότι οι διατροφικές συνήθειες της μητέρας αντικατοπτρίζονται στο ΑΥ, καθώς τα δύο διατροφικά πρότυπα διέφεραν στις συγκεντρώσεις γλυκόζης, αμινοξέων, ενδιάμεσων μεταβολιτών του κύκλου του κιτρικού οξέος, και μυρμηκικού οξέος. Η μελέτη ανέδειξε τη δυνατότητα εφαρμογής της μεταβολομικής-ανάλυσης σε συνδυασμό με τα διατροφικά-πρότυπα με στόχο τη διερεύνηση της επίδρασης της μητρικής διατροφής στην εξέλιξη της κύησης. Τα αποτελέσματα της διατριβής θα μπορούσαν να συμβάλουν στην αποσαφήνιση των μηχανισμών μέσω των οποίων η μητρική διατροφική κατάσταση επηρεάζει την έκβαση της κύησης, καθώς και στη διαμόρφωση διατροφικών συστάσεων.


Geophysics ◽  
2020 ◽  
Vol 85 (2) ◽  
pp. JM1-JM11 ◽  
Author(s):  
Jakob Juul Larsen ◽  
Lichao Liu ◽  
Denys Grombacher ◽  
Gordon Osterman ◽  
Esben Auken

Surface nuclear magnetic resonance (NMR) is emerging as a competitive method for aquifer exploration due to its direct sensitivity to subsurface water, but the method still has several shortcomings, for example, a signal-to-noise ratio that is often poor, long survey times, and bulky equipment. We have developed Apsu, a new surface NMR system designed for near-surface groundwater investigations. It provides several features such as a compact transmitter unit, separated, small receiver coils, wireless connections between multiple receivers, quasi-zero dead time, and robust phase determination. The transmitter unit is powered by a lightweight generator, and it drives a triangular current in an untuned [Formula: see text] transmitter coil. The peak current of the triangular waveform is up to 145 A, with an effective peak current of 105 A at a Larmor frequency of 2 kHz, corresponding to a 30 m depth of investigation. The frequency and amplitude in each half-oscillation of the transmit pulses can be modulated independently, which gives great flexibility in the pulse design. The receiver uses low-noise preamplifiers and multiple receivers linked to a central unit through Wi-Fi. The use of small receiver coils and wireless connections to multichannel receivers greatly improves the layout configuration flexibility and survey efficiency. The performance of the system under field conditions is demonstrated with high-quality data collected near Silkeborg, Denmark, using on-resonance and numerically optimized modulation pulses.


Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document