Спин-спиновая релаксация

редактировать

T2Кривая релаксации

T 1 {\ displaystyle T_ {1}}

T_ {1}

T 2 {\ displaystyle T_ {2}}

T_ {2}

времен релаксации.

In физика, спин-спиновая релаксация - это механизм, с помощью которого M xy, поперечная компонента вектора намагниченности, экспоненциально затухает по направлению к равновесное значение в ядерном магнитном резонансе (ЯМР) и магнитно-резонансной томографии (МРТ). Он характеризуется временем спин-спиновой релаксации, известным как T2, постоянной времени, характеризующей затухание сигнала. Оно названо в отличие от T 1, время спин-решеточной релаксации. Это время, необходимое для необратимого затухания сигнала магнитного резонанса до 37% (1 / e ) от его начального значения после его генерации за счет наклона продольной намагниченности в направлении магнитной поперечной плоскости. Следовательно, соотношение

M xy (t) = M xy (0) e - t / T 2 {\ displaystyle M_ {xy} (t) = M_ {xy} (0) e ^ {- t / T_ {2 }} \,}

M_ {xy} (t) = M_ {xy} (0) e ^ {- t / T_2} \,

T2релаксация обычно происходит быстрее, чем восстановление T 1, и разные образцы и разные биологические ткани имеют разные T 2. Например, жидкости имеют самый длинный T 2 (порядка секунд для протонов ), а ткани на водной основе находятся в диапазоне 40–200 мс, в то время как ткани на жировой основе находятся в диапазоне 10–100 мс. Аморфные твердые тела имеют T 2 в диапазоне миллисекунд, в то время как поперечная намагниченность кристаллических образцов спадает примерно за 1/20 мс.

Содержание

1 Источник
- 1.1 Определение параметров
2 Измерение
3 См. Также
4 Ссылки

Источник

Когда ядерные спины возбуждены, т.е. частично в поперечной плоскости - взаимодействуют друг с другом, измеряя локальные неоднородности магнитного поля на микро- и наномасштабах, их соответствующие накопленные фазы отклоняются от ожидаемых значений. Хотя медленная или неизменяющаяся составляющая этого отклонения является обратимой, некоторый чистый сигнал неизбежно будет потерян из-за кратковременных взаимодействий, таких как столкновения и случайные процессы, такие как диффузия в неоднородном пространстве. Распад

T2не происходит из-за наклона вектора намагниченности от поперечной плоскости. Скорее, это наблюдается из-за взаимодействий ансамбля спинов , сбрасывающих фазу друг от друга. В отличие от спин-решеточной релаксации, рассмотрение спин-спиновой релаксации с использованием только одной изохромата тривиально и неинформативно.

Определение параметров

Анимация, показывающая взаимосвязь между частотой Лармора и временами релаксации ЯМР T1 и T2. Обратите внимание, как мало влияет на T2.

Подобно спин-решеточной релаксации, спин-спиновая релаксация может быть изучена с использованием структуры молекулярного переворачивания автокорреляции. Результирующий сигнал затухает экспоненциально по мере увеличения времени эхо-сигнала (TE), то есть времени после возбуждения, при котором происходит считывание. В более сложных экспериментах несколько эхо-сигналов можно регистрировать одновременно, чтобы количественно оценить одну или несколько наложенных кривых затухания T 2. Скорость релаксации, испытываемая спином, которая является обратной величиной T 2, пропорциональна энергии переворачивания спина при разности частот между одним спином и другим; выражаясь менее математически, энергия передается между двумя спинами, когда они вращаются с частотой, аналогичной их частоте биений, $ω 1 {\ displaystyle \ omega _ {1}}$ $\ omega _ {1}$ на рисунке справа. Поскольку диапазон частот биений очень мал относительно средней скорости вращения $(1 / τ c) {\ displaystyle (1 / \ tau _ {c})}$ $(1 / \ tau_c)$ , спин-спиновая релаксация не сильно зависит от напряженности магнитного поля. Это прямо контрастирует со спин-решеточной релаксацией, которая происходит при частотах вращения, равных ларморовской частоте $ω 0 {\ displaystyle \ omega _ {0}}$ $\ omega _ {0}$ . Некоторые частотные сдвиги, такие как ЯМР химический сдвиг, происходят на частотах, пропорциональных ларморовской частоте, и связанный, но отличный параметр T2 может сильно зависеть от напряженности поля из-за сложности коррекции неоднородности в более сильных отверстиях магнита.

Анимация, показывающая взаимосвязь между временем корреляции молекулярного перемешивания и временами релаксации ЯМР T1 и T2.

Предполагая изотермические условия, спины, вращающиеся быстрее в пространстве, обычно имеют более длинное T 2. Поскольку более медленное вращение смещает спектральную энергию с высоких частот вращения к более низким частотам, относительно низкая частота биений будет испытывать монотонно возрастающее количество энергии как $τ c {\ displaystyle \ tau _ {c}}$ $\ tau _ {c}$ увеличивается, уменьшая время релаксации. Рисунок слева иллюстрирует эту взаимосвязь. Стоит еще раз отметить, что быстрые акробатические вращения, такие как в чистой воде, имеют одинаковое время релаксации T 1 и T 2, в то время как медленные акробатические вращения, например, в кристаллических решетках, имеют очень разные времена релаксации.

Эксперимент по измерению

A спинового эха может быть использован для обращения инвариантных во времени явлений дефазировки, таких как магнитные неоднородности миллиметрового масштаба. Результирующий сигнал экспоненциально затухает по мере увеличения времени эхо-сигнала (TE), то есть времени после возбуждения, при котором происходит считывание. В более сложных экспериментах несколько эхо-сигналов могут регистрироваться одновременно, чтобы количественно оценить одну или несколько наложенных кривых затухания T 2. В МРТ изображения, взвешенные по T 2, могут быть получены путем выбора времени эхо-сигнала в порядке T 2 различных тканей. Чтобы уменьшить количество информации T 1 и, следовательно, загрязнения в изображении, возбужденным спинам разрешено вернуться в состояние, близкое к равновесию по шкале T 1 перед снова возбужден. (На языке МРТ это время ожидания называется «временем повторения» и сокращенно TR). Последовательности импульсов, отличные от обычного спинового эха, также могут использоваться для измерения T 2 ; Последовательности градиентных эхо-сигналов, такие как установившаяся свободная прецессия (SSFP) и несколько последовательностей спиновых эхо-сигналов, могут использоваться для ускорения получения изображения или информации о дополнительных параметрах.

См. также

Ссылки

Рэй Фриман (1999). Хореография вращения: основные шаги в ЯМР высокого разрешения. Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-850481-8.
Малкольм Х. Левитт (2001). Спиновая динамика: основы ядерного магнитного резонанса. Вайли. 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.
МакРобби Д. и др. МРТ, от картинки к протону. 2003
Хашеми Рэй и др. МРТ, Основы 2ED. 2004.