自旋回波

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自旋回波,是磁共振现象中的一种讯号来源,相对于第一个射频脉冲(RF pulse)激发后立刻出现的自由感应衰减(FID),自旋回讯是透过第二个射频脉冲之后,将失相的磁化向量重新聚焦(refocus)而长回来的讯号。“自旋回讯”是项历史名词,若从意义上来看,称之为射频回讯(RF echo)可能更为贴切,以其为射频聚焦造成的回讯,相对于利用梯度反转达成聚焦的梯度回讯(gradient echo)。

目录

历史

核磁共振(时称“核感应”,Nuclear induction)发现后不久,埃尔温·翰(Erwin L. Hahn)于1950年的《物理评论》杂志发表了一篇名为“自旋回讯”的文章,首次介绍了这个现象。为了纪念他,他所提出的“单一自旋回讯磁振脉冲序列”方法以及相应产生的讯号,也称作“翰回讯”(Hahn echo)[1]

机制

在射频激发之后,热平衡态的磁化向量(磁向量)M0部分或全部被翻转到垂直主磁场的横平面上,产生了自由感应衰减(FID)这种讯号。由于局部磁场不均匀、化学位移等等因素,使得自旋不完全是处在预想的共振频率上(由主磁场强度与核种决定),事实上有不同的共振频率与旋进速率。随着时间,这样的离共振现象使得横磁向量不再处在同一方向上,使得横磁向量的向量和变小,即造成讯号强度变小。这是自由感应衰减(FID)的机制。

自旋回讯的产生,是额外加上一个聚焦用的射频脉冲,传统是用翻转角180度的脉冲。其作用在于将不同旋进速率的自旋一下子反转,变成跑得快的在后,跑得慢的在前。随着时间,跑得快的渐渐追上跑得慢的,则横磁向量渐渐排在一起;当排在同一方向上时,可以发现此时自旋讯号强度达到最高峰。

整段过程讯号慢慢回复,到达最高峰,再慢慢消逝;相对于自由感应衰减是一激发就出现的自旋反应讯号,其与激发当下隔了一段时间,像个回音(echo)一样,而其又来自于射频聚焦,故应称为“射频回讯”,但因历史因素,多称为“自旋回讯”。

讯号强度

自旋回讯的模拟范例。

图左侧为自由感应衰减,向右经过一些时间后出现自旋回讯,并在回讯时间(TE)达到最高峰。

设定参数:横向弛缓时间(T2)为120毫秒,回讯时间(TE)为100毫秒。自由感应衰减最初强度设定为1。 自旋回讯最高峰的讯号强度(SISE,max)受到横向弛缓的影响,与FID最初时间点的讯号强度(SIFID)相比,呈现了与回讯时间(echo time, TE)以及横向弛缓时间(T2)相关的指数衰减:

SI_{SE,max}=SI_{FID} \cdot e^{-TE/T_2}

以右图的例子为例:TE为100毫秒,T2为120毫秒,则自旋回讯(最高峰)的强度衰减至原来FID的exp(-100/120) \approx 0.435

与梯度回讯的比较

请参见梯度回讯#与自旋回讯的比较|此条目段落。

其他意涵

自旋回讯也是一大类磁振脉冲序列的总称,包括有先前提过的“翰回讯”以及它的造影版本、“CP自旋回讯磁振脉冲序列”[2]、“CPMG自旋回讯磁振脉冲序列”[3],更广义的还包括了磁振造影中的“快速自旋回讯磁振脉冲序列”。其中,C是Carr字首、P是Purcell字首、M是Meiboom字首、G是Gill字首,是核磁共振历史中研究自旋回讯的几位贡献者姓氏。

另外,在磁振造影方面,单讲“自旋回讯磁振脉冲序列”通常是指“翰回讯”的造影版本。

参考文献

  1. ^ 翰回讯:Hahn EL “自旋回讯”("Spin Echoes") 《物理评论》杂志(Physical Review) 80 (1950): pp.580–594 Acrobat® PDF
  2. ^ CP自旋回讯:Carr HY, Purcell EM. "Effects of Diffusion on Free Precession in Nuclear Magnetic Resonance Experiments" 《物理评论》杂志(Physical Review) 94(1954): pp.630-638 Acrobat® PDF
  3. ^ CPMG自旋回讯:Meiboom S, Gill D. "Modified Spin-Echo Method for Measuring Nuclear Relaxation Time" The Review of Scientific Instruments 29(8) (1958): pp.688-691

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参考来源

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