スピン-スピン緩和

物理学において、スピン-スピン緩和とは、核磁気共鳴（NMR）および磁気共鳴画像法（MRI）において、磁化ベクトルの横方向成分M _xyが平衡値に向かって指数関数的に減衰するメカニズムである。これは、信号減衰を特徴づける時定数であるスピン-スピン緩和時間T _{2によって特徴づけられる。} ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}これは、スピン-格子緩和時間T ₁と対比して名付けられている。これは、縦方向磁化を磁気横方向平面に傾けることによって生成された磁気共鳴信号が、初期値の37%（1/ e ）まで不可逆的に減衰するのにかかる時間である。^{[ 4 ]}したがって、次の関係が成り立つ。

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

T2緩和_{は一般的に}T1回復よりも速く進行し、試料や生体組織によってT2_{値は異なります。例えば、液体は}T2値_が最も長く、水系組織は40～200ミリ秒の範囲、脂肪系組織は10～100ミリ秒の範囲です。非晶質固体はT2_値がミリ秒の範囲ですが、結晶性試料の横磁化は約1/20ミリ秒で減衰します。  

励起された核スピン（つまり、横平面に部分的に存在するスピン）が、マイクロスケールおよびナノスケールでの局所的な磁場不均一性をサンプリングすることによって互いに相互作用すると、それぞれの蓄積された位相は期待値からずれる。^{[ 4 ]}このずれの遅いまたは変化しない成分は可逆的であるが、衝突などの短寿命の相互作用や、不均一な空間を通る拡散などのランダムなプロセスにより、正味の信号の一部は必然的に失われる。

T _{2 の}減衰は、磁化ベクトルが横断面から傾くことによって起こるのではなく、互いに位相がずれるスピンの集合の相互作用によって観測される。 ^{[ 5 ]}スピン格子緩和とは異なり、単一のアイソクロマートのみを使用してスピン-スピン緩和を考慮することは自明であり、有益ではない。

パラメータの決定

スピン格子緩和と同様に、スピン-スピン緩和は分子回転自己相関フレームワークを使用して研究できます。^{[ 6 ]}結果として得られる信号は、エコー時間（TE）、つまり励起後に読み出しが行われる時間が増加するにつれて指数関数的に減衰します。より複雑な実験では、1つまたは複数の重ね合わされたT2減衰曲線を定量的に評価するために_、複数のエコーを同時に取得できます。^{[ 6 ]}スピンが経験する緩和率（ T2の逆数）は、_{1つのスピンと別のスピンの周波数}差でのスピンの回転エネルギーに比例します。より数学的でない表現では、2つのスピンがビート周波数とほぼ同じ周波数で回転するときに、2つのスピン間でエネルギーが伝達されます。$\displaystyle \omega _{1}}$右図に示すように。^{[ 6 ]}ビート周波数範囲は平均回転速度に比べて非常に小さい。${\displaystyle (1/\tau _{c})}$スピン-スピン緩和は磁場強度に大きく依存しない。これは、ラーモア周波数に等しい回転周波数で発生するスピン-格子緩和とは正反対である。$\displaystyle \omega _{0}}$[ ^{7 ]} NMR化学シフトなどの周波数シフトは、ラーモア周波数に比例する周波数で発生し、関連するが別のパラメータT2 _*^は、より強力な磁石ボアでの不均一性の補正が困難であるため、磁場強度に大きく依存する可能性がある。^{[ 4 ]}

等温条件を仮定すると、空間を高速で回転するスピンは一般的にT ₂が長くなります。回転速度が遅いと、高回転周波数のスペクトルエネルギーが低周波数にシフトするため、比較的低いビート周波数では、エネルギーが単調に増加します。$\displaystyle \tau _{c}}$増加し、緩和時間が減少します。^{[ 6 ]}左の図はこの関係を示しています。純水などの高速回転スピンは、T1と_T2の緩和時間が似ていますが、^{[ 6 ]}結晶格子などの低速回転スピンは、非常に異なる緩和時間を持っています_。

スピンエコー実験は、ミリメートルスケールの磁気不均一性などの時間不変の位相ずれ現象を反転させるために使用できます。^{[ 6 ]}結果として得られる信号は、エコー時間 (TE)、つまり、励起後に読み出しが行われる時間が増加するにつれて指数関数的に減衰します。より複雑な実験では、1 つ以上の重ね合わされたT ₂減衰曲線を定量的に評価するために、複数のエコーを同時に取得できます。^{[ 6 ]} MRI では、さまざまな組織のT ₂秒のオーダーのエコー時間を選択することによって、T ₂強調画像を取得できます。^{[ 8 ]} T ₁情報の量を減らし、したがって画像の汚染を減らすために、励起されたスピンは、再び励起される前に、 T ₁スケールでほぼ平衡状態に戻ることが許されます。(MRI 用語では、この待機時間は「繰り返し時間」と呼ばれ、TR と略されます)。従来のスピンエコー以外のパルスシーケンスも、 T ₂を測定するために使用できます。定常状態自由歳差（SSFP）や多重スピンエコーシーケンスなどの勾配エコーシーケンスは、画像取得を高速化したり、追加のパラメータに関する情報を提供したりするために使用できます。^{[ 6 ] [ 8 ]}

• 緩和（NMR）
• スピン格子緩和
• スピンエコー

• レイ・フリーマン（1999）。スピン・コレオグラフィー：高分解能NMRの基本ステップ。オックスフォード大学出版局。ISBN 978-0-19-850481-8。
• マルコム・H・レヴィット（2001）。スピンダイナミクス：核磁気共鳴の基礎。ワイリー。ISBN 978-0-471-48922-1。
• アーサー・シュヴァイガー、グンナー・イェシュケ（2001）。パルス電子常磁性共鳴の原理。オックスフォード大学出版局。ISBN 978-0-19-850634-8。
• McRobbie D. 他著「MRI：画像から陽子へ」 2003年
• Hashemi Ray 他著『MRIの基礎第2版』2004年。