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 эффектов, которые вызывают прецессию спинов в образце 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 –2t/T 2 , где T 2 – постоянная времени спин-спиновой релаксации. Время эха ( TE ) — это время между импульсом возбуждения и пиком сигнала. [3]
Явления эха являются важными особенностями когерентной спектроскопии , которые использовались в других областях, помимо магнитного резонанса, включая лазерную спектроскопию [4] и рассеяние нейтронов .
Эхо было впервые обнаружено при ядерном магнитном резонансе Эрвином Ханом в 1950 году [5] , а спиновое эхо иногда называют эхо Хана . В ядерном магнитном резонансе и магнитно-резонансной томографии чаще всего используется радиочастотное 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.
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 развито 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:
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 .
В статье Хана 1950 года [5] было показано, что другим методом генерации спинового эха является подача 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 прикладывается второй импульс под углом 90°, так что «блин» теперь оказывается в плоскости xz. Через некоторое время подается третий импульс, и после некоторого ожидания после последнего импульса наблюдается стимулированное 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 (RARE, FAISE или FSE [10] [11] [12] ), также называемое турбоспин-эхо (TSE), представляет собой последовательность МРТ, которая приводит к быстрому времени сканирования. 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]
