自旋迴波

在脈衝核磁共振實驗中，通常採用自旋迴波法測量共振弛豫時間。

基本介紹

• 中文名：自旋迴波
• 外文名：Spin Echoes
• 定義：磁共振現象中的一種信號來源
• 分類：射頻回訊

簡介

自旋迴波的英文是Spin Echoes，自旋迴波是磁共振現象中的一種信號來源，相對於第一個射頻脈衝（RF pulse）激發後立刻出現的自由感應衰減（FID），自旋迴波是通過第二個射頻脈衝之後，將失相的磁化向量重新聚焦（refocus）而長回來的信號。“自旋迴波”是項歷史名詞，若從意義上來看，稱之為射頻回訊（RF echo）可能更為貼切，以其為射頻聚焦造成的回訊，相對於利用梯度反轉達成聚焦的梯度回訊（gradient echo）。

歷史

在核磁共振(時稱“核感應”，Nuclear induction)發現後不久，埃爾溫·翰(Erwin L. Hahn)於1950年的《物理評論》雜誌發表了一篇名為“自旋迴波”的文章，首次介紹了這個現象。為了紀念他，他所提出的“單一自旋迴波磁振脈衝序列”方法以及相應產生的信號，也稱作“翰回訊”(Hahn echo)。

機制

自由感應衰減(FID)的機制

在射頻激發之後，熱平衡態的磁化向量(磁向量)M0部分或全部被翻轉到垂直主磁場的橫平面上，產生了自由感應衰減(FID)這種信號。由於局部磁場不均勻、化學位移等等因素，使得自旋不完全是處在預想的共振頻率上(由主磁場強度與核種決定)，事實上有不同的共振頻率與旋進速率。隨著時間，這樣的離共振現象使得橫磁向量不再處在同一方向上，使得橫磁向量的向量和變小，即造成信號強度變小。這是自由感應衰減(FID)的機制。

自旋迴波的產生

自旋迴波的產生，是額外加上一個聚焦用的射頻脈衝，傳統是用翻轉角180度的脈衝。其作用在於將不同旋進速率的自旋一下子反轉，變成跑得快的在後，跑得慢的在前。隨著時間，跑得快的漸漸追上跑得慢的，則橫磁向量漸漸排在一起；當排在同一方向上時，可以發現此時自旋信號強度達到最高峰。

射頻回訊

整段過程信號慢慢回復，到達最高峰，再慢慢消逝；相對於自由感應衰減是一激發就出現的自旋反應信號，其與激發當下隔了一段時間，像個回音(echo)一樣，而其又來自於射頻聚焦，故應稱為“射頻回訊”，但因歷史因素，多稱為“自旋迴波”。

信號強度

自旋迴波最高峰的信號強度(SISE,max)受到橫向馳豫的影響，與FID最初時間點的信號強度(SIFID)相比，呈現了與回波時間(echo time, TE)以及橫向馳豫時間(T2)相關的指數衰減：

以自旋迴波的模擬範例圖的例子為例：TE為100毫秒，T2為120毫秒，則自旋迴波(最高峰)的強度衰減至原來FID的exp（-100/120）≈0.435 。

其它含義

自旋迴波也是一大類磁振脈衝序列的總稱，包括有先前提過的“翰回訊”以及它的造影版本、“CP自旋迴波磁振脈衝序列”、“CPMG自旋迴波磁振脈衝序列”，更廣義的還包括了磁振造影中的“快速自旋迴波磁振脈衝序列”。其中，C是Carr字首、P是Purcell字首、M是Meiboom字首、G是Gill字首，是核磁共振歷史中研究自旋迴波的幾位貢獻者姓氏。另外，在磁振造影方面，單講“自旋迴波磁振脈衝序列”通常是指“翰回訊”的造影版本。

參考文獻

1.^ 翰回波：Hahn EL “自旋迴波”("Spin Echoes") 《物理評論》雜誌(Physical Review) 80 (1950): pp.580–594 Acrobat® PDF

2.^ CP自旋迴波：Carr HY, Purcell EM. "Effects of Diffusion on Free Precession in Nuclear Magnetic Resonance Experiments" 《物理評論》雜誌(Physical Review) 94(1954): pp.630-638 Acrobat® PDF

3.^ CPMG自旋迴波：Meiboom S, Gill D. "Modified Spin-Echo Method for Measuring Nuclear Relaxation Time" The Review of Scientific Instruments 29(8) (1958): pp.688-691

相關條目

核磁共振

磁振造影

自由感應衰減

梯度回波

套用

自旋迴波磁共振測井

用自旋迴波磁共振測井這套系統測井可邊測井邊測量而不需要特殊的井孔處理。這套儀器採用靜磁場和射頻磁場以短的"死時間"進行井下自旋迴波磁共振測量。這樣的測量以前只有在實驗室才能做到。對地層孔隙空間所含流體的自旋迴波弛豫時間(T_2)衰減進行實時分析,提供與岩性無關的孔隙度、束縛水飽和度和流體擴散係數記錄。MRIL系統直接測量自旋—晶格弛豫時間(T_1)特性。研製的樣機已通過了幾個野外試驗,包括在俄克拉荷馬州紐開科大陸石油公司井孔測試設施試驗井中的兩次試驗。對井場數據及其精度和重複性的驗證作了討論。核磁共振記錄與岩心樣品的孔隙度和束縛水飽和度測量值對應得很好,也與標準密度和中子測井儀器獲取的孔隙度數據對應得很好。核磁共振記錄數據可用於測定孔隙度、束縛水飽和度,從而用以估算滲透率。

脈衝核磁共振

各種物質的質子磁共振可以採用脈衝式核磁共振技術與對自旋迴波的測量來研究。含質子（水，甘油等）物質被放置在一個均勻磁場，並受到一個與質子的拉莫爾進動頻率共振相近的5兆赫橫射頻磁場脈衝的作用。

自旋晶格和自旋弛豫時間常數通過對自由感應信號與各種射頻脈衝所導致的自旋迴波來測定。觀察甘油中的溫度效應，並測量水中順磁離子對弛豫時間常數的影響。從數據中求出質子及氟核的磁矩。

參考文獻

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是原文關於凝聚態物質的磁共振的一項。當前大多數核磁共振實驗是布洛赫所描述的實驗引申而來的。

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'其他'原文。雖然實際使用的方法-共振吸收-在核磁共振已經用的不多了，該論文有許多有價值的討論-特別是對弛豫時間。

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原來的自旋迴波論文。除了很詳細討論“普通”回波，該文有刺激回聲其中詳細描述只是偶爾有以下兩個使用數十年。

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對我們現在稱之為哈恩回波的一個比較'流行'的描述。該雜誌在該特別期刊的封面上給出了軌跡類比於自旋迴波的現今著名的演示圖。

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是我們現在稱為卡爾帕塞爾回波序列的原始論文。也是另一篇具有大量信息的論文（如偶數回波重置）

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一篇關於卡爾帕塞爾回波序列主要改進的短文。沒有此改進，是不可能產生長的回波佇列。早期套用於具有相移的複雜多脈衝序列，現今已成為一種常規的方法。
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儀器和技術

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這裡給出了一個如何設計和建立快速恢覆核磁共振探測和接收電路的一般性描述。所描述的四分之一波線雙工器仍然作為常用的方法用於傳輸和接收過程中接收器與發射器的去耦。

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