صدى الدوران

في التصوير بالرنين المغناطيسي ، يُعرف صدى الدوران أو صدى هان بأنه إعادة تركيز مغنطة الدوران بواسطة نبضة من الإشعاع الكهرومغناطيسي الرنيني . ^{[ 1 ]} ويستفيد التصوير بالرنين المغناطيسي النووي (NMR) والتصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) الحديثان من هذه الظاهرة.

تتلاشى إشارة الرنين النووي المغناطيسي (NMR) المُلاحظة بعد نبضة إثارة أولية بمرور الوقت نتيجةً لاسترخاء اللف المغزلي وأي تأثيرات غير متجانسة تُسبب دوران اللف المغزلي في العينة بمعدلات مختلفة. يؤدي الاسترخاء، وهو أول هذه التأثيرات، إلى فقدان غير قابل للعكس للمغنطة. ولكن يمكن إزالة التلاشي غير المتجانس بتطبيق نبضة انعكاس بزاوية 180 درجة تعكس متجهات المغنطة . [ 2 ] تشمل أمثلة التأثيرات غير المتجانسة تدرج المجال المغناطيسي وتوزيع الإزاحات الكيميائية . إذا طُبقت نبضة الانعكاس بعد فترة t من التلاشي، فإن التطور غير المتجانس سيعود إلى طوره ليشكل صدى عند الزمن 2t . في الحالات البسيطة، تُعطى شدة الصدى بالنسبة للإشارة الأولية بالعلاقة e - 2t/T² ، حيث T² هو ثابت الزمن لاسترخاء اللف المغزلي. زمن الصدى ( TE ) هو الزمن بين نبضة الإثارة وذروة الإشارة. [ 3 ]

تُعد ظاهرة الصدى من السمات المهمة لعلم الأطياف المتماسك والتي تم استخدامها في مجالات أخرى غير الرنين المغناطيسي بما في ذلك علم الأطياف الليزري ^{[ 4 ]} وتشتت النيوترونات .

تم رصد الصدى لأول مرة في التصوير بالرنين المغناطيسي النووي بواسطة إروين هان عام 1950، ^{[ 5 ]} ويُشار أحيانًا إلى صدى الدوران باسم صدى هان . في التصوير بالرنين المغناطيسي النووي والتصوير بالرنين المغناطيسي ، يُستخدم الإشعاع الراديوي بشكل شائع.

في عام 1972، قدم فيرينك ميزي تقنية تشتت النيوترونات بالصدى الدوراني، وهي تقنية يمكن استخدامها لدراسة الماغنونات والفونونات في البلورات الأحادية. ^{[ 6 ]} تُطبق هذه التقنية الآن في مرافق البحث باستخدام مطيافات ثلاثية المحاور.

في عام 2020، أثبت فريقان ^{[ 7 ] [ 8 ]} أنه عند ربط مجموعة من اللفات المغناطيسية بقوة مع رنان، فإن تسلسل نبضات هان لا يؤدي إلى صدى واحد فحسب، بل إلى سلسلة كاملة من الأصداء الدورية. في هذه العملية، يؤثر صدى هان الأول على اللفات المغناطيسية كنبضة إعادة تركيز، مما يؤدي إلى أصداء ثانوية ذاتية التحفيز.

اكتشف إروين هان ظاهرة صدى الدوران عندما طبّق نبضتين متتاليتين بزاوية 90° تفصل بينهما فترة زمنية قصيرة، لكنه رصد إشارة، هي الصدى، عند عدم تطبيق أي نبضة. وقد شرح هذه الظاهرة في بحثه المنشور عام 1950 ^{[ 5 ]} ؛ ثمّ تعمّق هيرمان كار وإدوارد ميلز بورسيل في دراسة الموضوع ، مشيرين إلى مزايا استخدام نبضة إعادة تركيز بزاوية 180° للنبضة الثانية ^{[ 9 ]} . ويمكن فهم تسلسل النبضات بشكل أفضل من خلال تقسيمه إلى الخطوات التالية:

يشير السهم الأحمر العمودي إلى متوسط ​​العزم المغناطيسي لمجموعة من اللفات المغزلية، مثل البروتونات. جميعها عمودية في المجال المغناطيسي العمودي وتدور حول محورها الطولي، ولكن هذا الرسم التوضيحي مُصوَّر في إطار مرجعي دوار حيث تكون اللفات المغزلية ثابتة في المتوسط. تم تطبيق نبضة بزاوية 90 درجة تعمل على قلب السهم إلى المستوى الأفقي (س - ص). بسبب عدم تجانس المجال المغناطيسي الموضعي (التغيرات في المجال المغناطيسي في أجزاء مختلفة من العينة والتي تبقى ثابتة مع الزمن)، ومع دوران العزم المغناطيسي الكلي، تتباطأ بعض اللفات بسبب انخفاض شدة المجال الموضعي (وبالتالي تبدأ بالتخلف تدريجيًا)، بينما تتسارع لفات أخرى بسبب ارتفاع شدة المجال وتبدأ بالتقدم على اللفات الأخرى. وهذا ما يؤدي إلى اضمحلال الإشارة.

يتم الآن تطبيق نبضة بزاوية 180 درجة بحيث تتقدم الدورات الأبطأ على اللحظة الرئيسية وتتخلف الدورات السريعة عنها. تدريجياً، تلحق اللحظات السريعة باللحظة الرئيسية، بينما تعود اللحظات البطيئة باتجاه اللحظة الرئيسية. وفي لحظة ما بين النغمتين E و F، تبدأ عملية أخذ عينات الصدى. تمت إعادة التركيز بالكامل، وفي هذه المرحلة، يمكن قياس صدى T2 بدقة مع إزالة جميع تأثيرات T2 * . وبشكل منفصل، فإن عودة السهم الأحمر نحو الوضع الرأسي (غير موضح) تعكس استرخاء T1 . 180 درجة تساوي π راديان ، لذا تُسمى نبضات 180 درجة غالبًا بنبضات π.

تُستخدم عدة تبسيطات في هذا التسلسل: لا يُؤخذ فقدان الترابط في الحسبان، وتتعرض كل دورة مغناطيسية لنبضات مثالية لا يُسبب فيها الوسط المحيط أي تشتت. تظهر ست دورات مغناطيسية أعلاه، ولم تُمنح هذه الدورات فرصةً لفقدان الطور بشكل ملحوظ. تُعد تقنية صدى الدوران أكثر فائدةً عندما تفقد الدورات المغناطيسية طورها بشكل ملحوظ، كما هو موضح في الرسوم المتحركة أدناه.

يمكن استخدام تجربة اضمحلال صدى هان لقياس زمن استرخاء اللف المغزلي ، كما هو موضح في الرسوم المتحركة أدناه. يُسجل حجم الصدى عند فواصل زمنية مختلفة بين النبضتين. يكشف هذا عن فقدان الترابط الذي لا يُعاد تركيزه بواسطة نبضة π. في الحالات البسيطة، يُقاس اضمحلال أسي يُوصف بزمن _T² .

أظهرت ورقة هان البحثية لعام 1950 ^{[ 5 ]} أن هناك طريقة أخرى لتوليد صدى الدوران، وهي تطبيق ثلاث نبضات متتالية بزاوية 90 درجة. بعد النبضة الأولى بزاوية 90 درجة، ينتشر متجه المغنطة كما هو موضح أعلاه، مشكلاً ما يمكن اعتباره "قرصًا" في المستوى xy. ويستمر هذا الانتشار لفترة من الزمن.${\displaystyle \tau }$ثم يتم تطبيق نبضة ثانية بزاوية 90 درجة بحيث يصبح "السطح المسطح" الآن في المستوى xz. بعد فترة أخرى${\displaystyle T}$يتم تطبيق نبضة ثالثة ويتم رصد صدى محفز بعد الانتظار لفترة من الزمن${\displaystyle \tau }$بعد النبضة الأخيرة.

لوحظت أصداء هان أيضًا عند الترددات الضوئية. ^{[ 4 ]} ولتحقيق ذلك، يُسلط ضوء رنيني على مادة ذات رنين امتصاص متسع بشكل غير متجانس . وبدلًا من استخدام حالتين دورانيتين في مجال مغناطيسي، تستخدم أصداء الفوتون مستويين من الطاقة موجودين في المادة حتى في غياب المجال المغناطيسي.

تقنية صدى الدوران السريع (RARE، أو FAISE، أو FSE ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]} )، والمعروفة أيضًا باسم صدى الدوران التوربيني (TSE)، هي تسلسل تصوير بالرنين المغناطيسي ينتج عنه أوقات مسح سريعة. في هذا التسلسل، تُرسل عدة نبضات ترددات راديوية لإعادة التركيز بزاوية 180 درجة خلال كل فترة صدى (TR)، ويتم تشغيل تدرج ترميز الطور لفترة وجيزة بين الصدى. ^{[ 13 ]} يشبه تسلسل نبضات FSE/TSE ظاهريًا تسلسل صدى الدوران التقليدي (CSE) من حيث استخدامه سلسلة من نبضات إعادة التركيز بزاوية 180 درجة بعد نبضة واحدة بزاوية 90 درجة لتوليد سلسلة من الصدى. مع ذلك، تُغير تقنية FSE/TSE تدرج ترميز الطور لكل صدى من هذه الصدى (يجمع تسلسل الصدى المتعدد التقليدي جميع الصدى في سلسلة واحدة بنفس ترميز الطور). نتيجةً لتغيير تدرج ترميز الطور بين الصدى، يمكن الحصول على عدة خطوط من فضاء k (أي خطوات ترميز الطور) خلال فترة تكرار محددة (TR). وبما أنه يتم الحصول على عدة خطوط ترميز طور خلال كل فترة TR، فإن تقنيات FSE/TSE قد تقلل بشكل كبير من وقت التصوير. ^{[ 14 ]}

• 
  صورة الأشعة السينية تُظهر احتمال وجود كسر انضغاطي تحت رأس عظم العضد على شكل خط كثيف إشعاعيًا
• 
  أظهر فحص الأشعة المقطعية نفس النتيجة، وهو أمر غير معتاد بالنسبة للكسر لأن القشرة العظمية متماسكة.
• 
  يؤكد التصوير بالرنين المغناطيسي بتقنية الصدى الدوراني السريع الموزون T1 وجود كسر، حيث أن نخاع العظم المحيط به لديه إشارة منخفضة بسبب الوذمة .

• الرنين المغناطيسي النووي
• التصوير بالرنين المغناطيسي
• صدى دوران النيوترون
• الرنين المغناطيسي الإلكتروني
• صدى الفوتون في البصريات شبه الموصلة

• راي فريمان (1999). تصميم الدوران: الخطوات الأساسية في الرنين النووي المغناطيسي عالي الدقة . مطبعة جامعة أكسفورد. ISBN 978-0-19-850481-8.

• مالكولم إتش. ليفيت (2001). ديناميكيات اللف المغزلي: أساسيات الرنين المغناطيسي النووي . وايلي. ISBN 978-0-471-48922-1.

• آرثر شفايغر؛ غونار ييشكه (2001). مبادئ الرنين المغناطيسي الإلكتروني النبضي . مطبعة جامعة أكسفورد. ISBN 978-0-19-850634-8.

الرسوم المتحركة والمحاكاة

• محاكاة صدى الدوران scratch.mit.edu