Спиновое эхо

Анимация спинового эха, показывающая реакцию спинов (красные стрелки) в синей сфере Блоха на последовательность зеленых импульсов.

В магнитном резонансе спиновое эхо или эхо Хана представляет собой перефокусировку спиновой намагниченности импульсом резонансного электромагнитного излучения . ^[1] Современный ядерный магнитный резонанс (ЯМР) и магнитно-резонансная томография (МРТ) используют этот эффект.

Сигнал ЯМР, наблюдаемый после первоначального импульса возбуждения, затухает со временем как из-за спиновой релаксации , так и из-за любых неоднородных спинов в образце эффектов, которые вызывают прецессию с разной скоростью. Первый из них — релаксация — приводит к необратимой потере намагниченности. Но неоднородную дефазировку можно устранить, применив инверсионный импульс на 180°, который инвертирует векторы намагниченности . ^[2] Примеры неоднородных эффектов включают градиент магнитного поля и распределение химических сдвигов . Если инверсионный импульс подается после периода t дефазировки, неоднородная эволюция сменит фазу, образуя эхо во время 2 t . В простых случаях интенсивность эха относительно исходного сигнала определяется выражением e ^{–2т/Т ₂} где T ₂ — постоянная времени спин-спиновой релаксации. Время эха ( TE ) — это время между импульсом возбуждения и пиком сигнала. ^[3]

Явление эха - важные особенности когерентной спектроскопии , которые использовались в других областях, помимо магнитного резонанса, включая лазерную спектроскопию. ^[4] и рассеяние нейтронов .

История

Эхо было впервые обнаружено при ядерном магнитном резонансе Эрвином Ханом в 1950 году. ^[5] и спиновое эхо иногда называют эхом Хана . В ядерном магнитном резонансе и -резонансной томографии магнитно радиочастотное чаще всего используется излучение.

В 1972 г. Ф. Мезей представил рассеяние нейтронов спин-эхо — метод, который можно использовать для изучения магнонов и фононов в монокристаллах. ^[6] В настоящее время этот метод применяется в исследовательских учреждениях с использованием трехосных спектрометров.

В 2020 году две команды продемонстрировали ^[7]^[8] что при сильной связи ансамбля спинов с резонатором последовательность импульсов Хана приводит не только к одному эху, но, скорее, к целой последовательности периодических эхо. В этом процессе первое эхо Хана действует на спины как перефокусирующий импульс, приводя к самостимулируемому вторичному эхо.

Принцип

Эффект спинового эха был обнаружен Эрвином Ханом , когда он применил два последовательных импульса под углом 90 °, разделенных коротким периодом времени, но обнаружил сигнал, эхо, когда импульс не применялся. Это явление спинового эха было объяснено Эрвином Ханом в его статье 1950 года: ^[5] и далее развит Карром и Перселлом , которые указали на преимущества использования импульса перефокусировки на 180 ° для второго импульса. ^[9] Последовательность импульсов можно лучше понять, если разбить ее на следующие этапы:

Вертикальная красная стрелка — средний магнитный момент группы спинов, например протонов. Все они вертикальны в вертикальном магнитном поле и вращаются вокруг своей длинной оси, но эта иллюстрация представлена во вращающейся системе отсчета , где вращения в среднем стационарны.
Был применен импульс 90°, который переворачивает стрелку в горизонтальную плоскость (x–y).
Из-за неоднородностей локального магнитного поля (изменений магнитного поля в разных частях образца, которые постоянны во времени), по мере прецессии чистого момента некоторые вращения замедляются из-за более низкой напряженности локального поля (и поэтому начинают постепенно отставать). в то время как некоторые ускоряются за счет более высокой напряженности поля и начинают опережать других. Это приводит к затуханию сигнала.

Теперь применяется импульс на 180 градусов, так что более медленные вращения опережают основной момент, а быстрые отстают.
Постепенно быстрые моменты догоняют главный момент, а медленные моменты возвращаются к главному моменту. В какой-то момент между E и F начинается выборка эха.
Произошла полная перефокусировка, и в это время точное Т2 _- можно измерить эхо при всех Т2 _-эхо.^* эффекты удалены. Совершенно отдельно возвращение красной стрелки к вертикали (не показано) будет отражать релаксацию Т ₁ . 180 градусов — это π радиан, поэтому импульсы 180 ° часто называют π-импульсами.

В этой последовательности используется несколько упрощений: декогеренция не учитывается, и каждый спин испытывает идеальные импульсы, во время которых окружающая среда не обеспечивает распространения. Выше показаны шесть вращений, и у них нет возможности существенно дефазироваться. Техника спин-эхо более полезна, когда вращения имеют более значительную дефазировку, как показано на анимации ниже:

Спиновое эхо с большим количеством вращений и большей дефазировкой. — A spin echo with more spins and more dephasing

Распад спинового эха

Эксперимент по затуханию эха Хана можно использовать для измерения времени спин-спиновой релаксации , как показано на анимации ниже. Размер эха регистрируется для разных интервалов между двумя импульсами. Это обнаруживает декогеренцию, которая не перефокусируется π-импульсом. В простых случаях измеряется экспоненциальное затухание , которое описывается временем Т ₂ .

Стимулированное эхо

Статья Хана 1950 года ^[5] показали, что другой метод генерации спинового эха состоит в применении трех последовательных импульсов под углом 90°. После первого импульса под углом 90° вектор намагниченности расширяется, как описано выше, образуя в плоскости xy то, что можно назвать «блинчиком». Распространение продолжается некоторое время. $\tau$ , а затем подается второй импульс под углом 90°, так что «блин» теперь находится в плоскости xz. Спустя еще время $T$ прикладывается третий импульс, и после некоторого ожидания наблюдается стимулированное эхо $\tau$ после последнего импульса.

Фотонное эхо

Эхо Хана также наблюдалось на оптических частотах. ^[4] Для этого резонансный свет воздействует на материал с неоднородно уширенным резонансом поглощения. Вместо использования двух спиновых состояний в магнитном поле фотонное эхо использует два энергетических уровня, которые присутствуют в материале даже в нулевом магнитном поле.

Быстрое спин-эхо

Быстрое спин-эхо (RARE, FAISE или FSE). ^[10]^[11]^[12]), также называемое турбоспин-эхо (TSE), представляет собой последовательность МРТ, обеспечивающую быстрое сканирование. В этой последовательности несколько 180 перефокусирующих радиочастотных импульсов доставляются в течение каждого интервала времени эха (TR), и между эхо-сигналами на короткое время включается градиент фазового кодирования. ^[13]Последовательность импульсов FSE/TSE внешне напоминает традиционную последовательность спинового эха (CSE), поскольку в ней используется серия импульсов перефокусировки на 180° после одного импульса на 90° для генерации последовательности эхо-сигналов. Однако метод FSE/TSE изменяет градиент фазового кодирования для каждого из этих эхо-сигналов (обычная последовательность мультиэхо собирает все эхо-сигналы в последовательности с одинаковым фазовым кодированием). В результате изменения градиента фазового кодирования между эхо-сигналами можно получить несколько строк k-пространства (т.е. этапов фазового кодирования) в течение заданного времени повторения (TR). Поскольку в течение каждого интервала TR регистрируется несколько строк фазового кодирования, методы FSE/TSE могут значительно сократить время визуализации. ^[14]

Рентгенограмма, показывающая подозрение на компрессионный субкапитальный перелом в виде радиоплотной линии.
КТ показывает то же самое, нетипично для перелома, поскольку кора головного мозга когерентна.
Т1-взвешенная турбоспин-эхо-МРТ подтверждает перелом, поскольку окружающий костный мозг имеет слабый сигнал от отека .

См. также

Ссылки

^ Дж. Э. Таннер и Э. О. Стейскал (2003). «Ограниченная самодиффузия протонов в коллоидных системах методом импульсного градиента спинового эха». Журнал химической физики . 49 (4): 1768. Бибкод : 1968JChPh..49.1768T . дои : 10.1063/1.1670306 .
^ Малкольм Х. Левитт ; Рэй Фриман (1979). «Инверсия населенности ЯМР с использованием составного импульса». Журнал магнитного резонанса . 33 (2): 473–476. Бибкод : 1979JMagR..33..473L . дои : 10.1016/0022-2364(79)90265-8 .
^ Дэн Джей Белл и Джей Юнг. «Время эха» . Радиопедия . Проверено 24 сентября 2017 г.
^ Jump up to: ^а ^б Курнит, Н.А.; Абелла, ID; Хартманн, СР (1964). «Наблюдение фотонного эха». Письма о физических отзывах . 13 (19): 567–568. Бибкод : 1964PhRvL..13..567K . дои : 10.1103/PhysRevLett.13.567 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Хан, Э.Л. (1950). «Спиновое эхо». Физический обзор . 80 (4): 580–594. Бибкод : 1950PhRv...80..580H . дои : 10.1103/PhysRev.80.580 .
^ Мезей, Ф. (1972), «Нейтронное спиновое эхо: новая концепция методов поляризованных тепловых нейтронов», Journal of Physics , 255 (2), стр. 146–160.
^ Вайхзельбаумер, Стефан; Зенс, Матиас; Золлич, Кристоф В.; Брандт, Мартин С.; Роттер, Стефан; Гросс, Рудольф; Хюбл, Ганс (2020). «Последовательности эха в импульсном электронном спиновом резонансе сильносвязанного спинового ансамбля» . Письма о физических отзывах . 125 (13): 137701. arXiv : 1809.10116 . Бибкод : 2020PhRvL.125m7701W . doi : 10.1103/PhysRevLett.125.137701 . ПМИД 33034465 . S2CID 119521123 .
^ Дебнатх, Каманасиш; Долд, Дэвид; Мортон, Джон Дж.Л.; Мёлмер, Клаус (2020). «Самостимулированные последовательности импульсных эхо от неоднородно расширенных спиновых ансамблей». Письма о физических отзывах . 125 (13): 137702. arXiv : 2004.01116 . Бибкод : 2020PhRvL.125m7702D . doi : 10.1103/PhysRevLett.125.137702 . ПМИД 33034472 . S2CID 214774750 .
^ Карр, HY; Перселл, Э.М. (1954). «Влияние диффузии на свободную прецессию в экспериментах по ядерному магнитному резонансу». Физический обзор . 94 (3): 630–638. Бибкод : 1954PhRv...94..630C . дои : 10.1103/PhysRev.94.630 .
^ Мелки, Филипп С.; Малкерн, Роберт В.; Панич, Лоуренс П.; Йолеш, Ференц А. (май – июнь 1991 г.). «Сравнение метода FAISE с обычными последовательностями двойного эха» . Журнал магнитно-резонансной томографии . 1 (3): 319–326. дои : 10.1002/jmri.1880010310 . ПМИД 1802145 . S2CID 26083556 .
^ Мелки, Филипп С.; Йолеш, Ференц А.; Малкерн, Роберт В. (август 1992 г.). «Планарная визуализация частичного радиочастотного эха методом FAISE. I. Экспериментальная и теоретическая оценка артефакта» . Магнитный резонанс в медицине . 26 (2): 328–341. дои : 10.1002/mrm.1910260212 . ПМИД 1513254 . S2CID 26351582 .
^ Мелки, Филипп С.; Йолеш, Ференц А.; Малкерн, Роберт В. (август 1992 г.). «Частичная радиочастотная эхо-планарная визуализация методом FAISE. II. Контрастная эквивалентность с последовательностями спин-эхо» . Магнитный резонанс в медицине . 26 (2): 342–354. дои : 10.1002/mrm.1910260213 . ПМИД 1513255 . S2CID 45145834 .
^ Вейсхаупт Д., Кёхли В.Д., Маринчек Б. (2008). «Глава 8: Последовательности быстрых импульсов» . Как работает МРТ?: Введение в физику и функции магнитно-резонансной томографии (2-е изд.). Springer Science & Business Media. п. 64. ИСБН 978-3-540-37845-7 .
^ «Что такое быстрое (турбо) спин-эхоизображение?» .

Дальнейшее чтение

Рэй Фриман (1999). Спиновая хореография: основные этапы ЯМР высокого разрешения . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-850481-8 .

Малкольм Х. Левитт (2001). Спиновая динамика: основы ядерного магнитного резонанса . Уайли. ISBN 978-0-471-48922-1 .

Артур Швайгер; Гуннар Йешке (2001). Принципы импульсного электронного парамагнитного резонанса . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-850634-8 .

Внешние ссылки

Анимации и симуляции

Моделирование спинового эха Scratch.mit.edu

[1] Дж. Э. Таннер и Э. О. Стейскал (2003). «Ограниченная самодиффузия протонов в коллоидных системах методом импульсного градиента спинового эха». Журнал химической физики . 49 (4): 1768. Бибкод : 1968JChPh..49.1768T . дои : 10.1063/1.1670306 .

[2] Малкольм Х. Левитт ; Рэй Фриман (1979). «Инверсия населенности ЯМР с использованием составного импульса». Журнал магнитного резонанса . 33 (2): 473–476. Бибкод : 1979JMagR..33..473L . дои : 10.1016/0022-2364(79)90265-8 .

[3] Дэн Джей Белл и Джей Юнг. «Время эха» . Радиопедия . Проверено 24 сентября 2017 г.

[PhotonEcho-4] Jump up to: ^а ^б Курнит, Н.А.; Абелла, ID; Хартманн, СР (1964). «Наблюдение фотонного эха». Письма о физических отзывах . 13 (19): 567–568. Бибкод : 1964PhRvL..13..567K . дои : 10.1103/PhysRevLett.13.567 .

[hahn-5] Jump up to: ^а ^б ^с Хан, Э.Л. (1950). «Спиновое эхо». Физический обзор . 80 (4): 580–594. Бибкод : 1950PhRv...80..580H . дои : 10.1103/PhysRev.80.580 .

[6] Мезей, Ф. (1972), «Нейтронное спиновое эхо: новая концепция методов поляризованных тепловых нейтронов», Journal of Physics , 255 (2), стр. 146–160.

[Weichselbaumer_PRL-7] Вайхзельбаумер, Стефан; Зенс, Матиас; Золлич, Кристоф В.; Брандт, Мартин С.; Роттер, Стефан; Гросс, Рудольф; Хюбл, Ганс (2020). «Последовательности эха в импульсном электронном спиновом резонансе сильносвязанного спинового ансамбля» . Письма о физических отзывах . 125 (13): 137701. arXiv : 1809.10116 . Бибкод : 2020PhRvL.125m7701W . doi : 10.1103/PhysRevLett.125.137701 . ПМИД 33034465 . S2CID 119521123 .

[Debnath_PRL-8] Дебнатх, Каманасиш; Долд, Дэвид; Мортон, Джон Дж.Л.; Мёлмер, Клаус (2020). «Самостимулированные последовательности импульсных эхо от неоднородно расширенных спиновых ансамблей». Письма о физических отзывах . 125 (13): 137702. arXiv : 2004.01116 . Бибкод : 2020PhRvL.125m7702D . doi : 10.1103/PhysRevLett.125.137702 . ПМИД 33034472 . S2CID 214774750 .

[9] Карр, HY; Перселл, Э.М. (1954). «Влияние диффузии на свободную прецессию в экспериментах по ядерному магнитному резонансу». Физический обзор . 94 (3): 630–638. Бибкод : 1954PhRv...94..630C . дои : 10.1103/PhysRev.94.630 .

[10] Мелки, Филипп С.; Малкерн, Роберт В.; Панич, Лоуренс П.; Йолеш, Ференц А. (май – июнь 1991 г.). «Сравнение метода FAISE с обычными последовательностями двойного эха» . Журнал магнитно-резонансной томографии . 1 (3): 319–326. дои : 10.1002/jmri.1880010310 . ПМИД 1802145 . S2CID 26083556 .

[11] Мелки, Филипп С.; Йолеш, Ференц А.; Малкерн, Роберт В. (август 1992 г.). «Планарная визуализация частичного радиочастотного эха методом FAISE. I. Экспериментальная и теоретическая оценка артефакта» . Магнитный резонанс в медицине . 26 (2): 328–341. дои : 10.1002/mrm.1910260212 . ПМИД 1513254 . S2CID 26351582 .

[12] Мелки, Филипп С.; Йолеш, Ференц А.; Малкерн, Роберт В. (август 1992 г.). «Частичная радиочастотная эхо-планарная визуализация методом FAISE. II. Контрастная эквивалентность с последовательностями спин-эхо» . Магнитный резонанс в медицине . 26 (2): 342–354. дои : 10.1002/mrm.1910260213 . ПМИД 1513255 . S2CID 45145834 .

[13] Вейсхаупт Д., Кёхли В.Д., Маринчек Б. (2008). «Глава 8: Последовательности быстрых импульсов» . Как работает МРТ?: Введение в физику и функции магнитно-резонансной томографии (2-е изд.). Springer Science & Business Media. п. 64. ИСБН 978-3-540-37845-7 .

[14] «Что такое быстрое (турбо) спин-эхоизображение?» .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]