スピンエコー

磁気共鳴では、スピンエコーまたはハーンエコーは、共鳴電磁放射のパルスによるスピン磁化の再集束である。^{[ 1 ]}現代の核磁気共鳴（NMR）および磁気共鳴画像法（MRI）はこの効果を利用している。

初期励起パルスの後に観測されるNMR 信号は、スピン緩和と、試料中のスピンが異なる速度で歳差運動する原因となる不均一効果の両方により、時間とともに減衰します。これらのうち最初の緩和は、不可逆的な磁化の喪失につながります。しかし、不均一な位相ずれは、磁化ベクトルを反転させる180°反転パルスを適用することで除去できます。^{[ 2 ]} 不均一効果の例としては、磁場勾配や化学シフトの分布などがあります。位相ずれの期間tの後に反転パルスを適用すると、不均一な変化は再位相して、時間2tでエコーを形成します。単純な場合、初期信号に対するエコーの強度はe ^{–2t/T ₂}で与えられます。ここで、T ₂はスピン-スピン緩和の時定数です。エコー時間( TE ) は、励起パルスと信号のピークの間の時間です。^{[ 3 ]}

エコー現象はコヒーレント分光法の重要な特徴であり、磁気共鳴以外の分野、例えばレーザー分光法^{[ 4 ]}や中性子散乱にも利用されている。

エコーは1950年にエルヴィン・ハーンによって核磁気共鳴で初めて検出され^{[ 5 ]} 、スピンエコーはハーンエコーと呼ばれることもある。核磁気共鳴および磁気共鳴イメージングでは、無線周波数放射が最も一般的に使用される。

1972年、フェレンツ・メゼイは、単結晶中のマグノンとフォノンを研究するために使用できる技術であるスピンエコー中性子散乱を導入した。 ^{[ 6 ]}この技術は現在、三軸分光器を使用する研究施設で応用されている。

2020年に2つのチームが^{[ 7 ] [ 8 ]}スピンの集合を共振器に強く結合すると、ハーンパルスシーケンスは単一のエコーだけでなく、周期的なエコーの列全体を引き起こすことを実証しました。このプロセスでは、最初のハーンエコーが再収束パルスとしてスピンに作用し、自己刺激二次エコーを引き起こします。

スピンエコー効果は、エルヴィン・ハーンが短い時間間隔で連続して2つの90°パルスを印加した際に、パルスを印加していないときに信号（エコー）を検出したことで発見されました。彼は1950年の論文^{[ 5 ]}でこの現象を説明しました。このテーマは、ヘルマン・カーとエドワード・ミルズ・パーセルによってさらに研究され、彼らは2番目のパルスに180°再収束パルスを使用する利点を指摘しました^{[ 9 ]} 。パルスシーケンスは、次のステップに分解することでよりよく理解できます。

このシーケンスではいくつかの簡略化が用いられています。デコヒーレンスは考慮されておらず、各スピンは環境による広がりがない完全なパルスを経験します。上に示した6つのスピンは、大きく位相がずれる機会を与えられていません。スピンエコー法は、下の動画のようにスピンの位相が大きくずれている場合に、より有効です。

下の動画に示すように、ハーンエコー減衰実験を用いてスピン-スピン緩和時間を測定できます。2つのパルスの間隔を変えてエコーの大きさを記録します。これにより、πパルスによって再収束されないデコヒーレンスが明らかになります。単純なケースでは、_T2時間で表される指数関数的な減衰が測定されます。

ハーンの1950年の論文^{[ 5 ]}は、スピンエコーを生成する別の方法として、3つの連続した90°パルスを印加することを示した。最初の90°パルスの後、磁化ベクトルは上述のように広がり、xy平面上で「パンケーキ」のようなものを形成する。この広がりは一定時間続く。$\displaystyle \tau }$そして、2回目の90°パルスが印加され、「パンケーキ」がxz平面内に位置するようになる。さらに時間が経過すると${\displaystyle T}$3番目のパルスが印加され、一定時間待った後に刺激エコーが観測される。$\displaystyle \tau }$最後の脈拍の後。

ハーンエコーは光周波数でも観測されている。^{[ 4 ]}このためには、不均一に広がった吸収共鳴を持つ物質に共鳴光を照射する。光子エコーは、磁場中の2つのスピン状態を使用する代わりに、ゼロ磁場でも物質中に存在する2つのエネルギー準位を使用する。

高速スピンエコー（RARE、FAISE、FSE ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}）は、ターボスピンエコー（TSE）とも呼ばれ、高速スキャン時間を実現するMRIシーケンスです。このシーケンスでは、各エコー時間（TR）間隔中に複数の180°再収束無線周波数パルスが照射され、位相エンコード勾配はエコー間で短時間オンになります。^{[ 13 ]} FSE/TSEパルスシーケンスは、単一の90°パルスの後に一連の180°再収束パルスを使用してエコー列を生成するという点で、従来のスピンエコー（CSE）シーケンスと表面上は似ています。ただし、FSE/TSE技術では、これらのエコーのそれぞれに対して位相エンコード勾配を変更します（従来のマルチエコーシーケンスでは、すべてのエコーを同じ位相エンコードで収集します）。エコー間の位相エンコード勾配を変化させることにより、所定の繰り返し時間（TR）内で複数のk空間ライン（すなわち位相エンコードステップ）を取得できます。各TR間隔中に複数の位相エンコードラインが取得されるため、FSE/TSE技術は撮像時間を大幅に短縮できます。^{[ 14 ]}

• 
  X線画像では、放射線不透過性の線として、圧迫性頸椎骨折が疑われる所見が認められる。
• 
  CTスキャンでも同様の所見が認められるが、皮質が連続しているため、骨折としては非典型的である。
• 
  T1強調ターボスピンエコーMRIでは、周囲の骨髄が浮腫により低信号を示していることから、骨折が確認された。

• 核磁気共鳴
• 磁気共鳴画像法
• 中性子スピンエコー
• 電子常磁性共鳴
• 半導体光学における光子エコー

• 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。

アニメーションとシミュレーション

• スピンエコーシミュレーション scratch.mit.edu