Спиновое эхо
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 [ править ]
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 [ править ]
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:
 | |
|
|
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:
спинового Распад 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 [ править ]
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. , а затем подается второй импульс под углом 90°, так что «блин» теперь находится в плоскости xz. Спустя еще время прикладывается третий импульс, и после некоторого ожидания наблюдается стимулированное эхо после последнего импульса.
Фотонное эхо [ править ]
Эхо Хана также наблюдалось на оптических частотах. [4] резонансом поглощения воздействуют резонансным светом Для этого на материал с неоднородно уширенным . 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 [ править ]
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 [ править ]
- Ядерный магнитный резонанс
- Магнитно-резонансная томография
- Нейтронное спиновое эхо
- Электронный парамагнитный резонанс
- Фотонное эхо в полупроводниковой оптике
Ссылки [ править ]
- ^ 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.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: 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 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: 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 [ править ]
- 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 [ править ]
- Анимации и симуляции