T2-релаксация

T2-релаксация, также известная как спин-спиновая релаксация или поперечная релаксация, представляет собой прогрессирующую дефазировку вращающихся диполей, приводящую к спаду намагниченности в поперечной плоскости (M_xy). После радиочастотного импульса этот тип релаксации происходит с постоянной времени T2 (также известной как константа экспоненциального спада T2), где T2 — это время, необходимое для того, чтобы вектор поперечной намагниченности уменьшился до 1/e, или 37% от своего начального значения. T2-релаксация обусловлена тканеспецифическими характеристиками, главным образом теми, которые влияют на скорость движения протонов, большинство из которых находится в молекулах воды.

Обсуждение

В последовательностях спин-эхо сразу после 90°-импульса все вращающиеся диполи в пределах среза находятся строго в одной фазе. Практически сразу же они теряют когерентность, поскольку некоторые из них вращаются чуть быстрее других. Этот эффект расфазировки сравнивают с раскрытием китайского веера. В результате M_xy -компонента вектора намагниченности экспоненциально уменьшается в зависимости от постоянной времени T2 (Рисунок 1).

Факторы, влияющие на T2-релаксацию

Каждый магнитный диполь находится в уникальном микроокружении ткани, к которой он принадлежит. Во всех тканях существуют слабые магнитные поля (~1mT), создаваемые вращающимися ядрами водорода (протонами). T2-релаксация происходит в изменяющемся локальном магнитном поле при переносе энергии между диполями, ориентированными параллельно и антипараллельно внешнему магнитному полю, что приводит к их взаимной переориентации в противоположных направлениях. Скорость этой переориентации или переноса энергии между спинами или диполями возрастает по мере того, как частота изменений локального магнитного поля приближается к ларморовской частоте. Это связано со скоростью вращательного и поступательного движения молекул воды или соседних диполей. Диполь-дипольное взаимодействие также усиливает напряженность локального поля, которая зависит от близости соседних диполей. 

В чистой воде T2 является продолжительным и составляет около 3–4 секунд, поскольку молекулы воды движутся значительно быстрее ларморовской частоты. Такое быстрое движение приводит к тому, что в чистой воде T1 и T2 практически одинаковы. 

В растворах макромолекул и в тканях скорость релаксации значительно выше, т. е. время T2 короче. Отчасти это связано с более медленным движением протонов как в макромолекулах, так и в молекулах воды, притягиваемых к поверхности макромолекулы. Это более медленное движение ближе к ларморовской частоте. Примеры значений T1 и T2 в биологических тканях: ЦСЖ, T1 = 1,9 секунды и T2 = 0,25 секунды; белое вещество головного мозга, T1 = 0,5 секунды и T2 = 0,07 секунды (70 мс).

По мере того как движение и, следовательно, флуктуации локального поля в тканях и сухожилиях снижаются ниже ларморовской частоты, диполи, ориентированные вдоль основного магнитного поля, начинают вносить вклад в T2-релаксацию, вызывая локальные вариации скорости прецессии. Результирующее короткое время T2 приводит к тому, что сухожилия и другие полутвёрдые ткани выглядят тёмными на T2-взвешенных изображениях. Жидкости с длинным T2 и малым количеством макромолекул, такие как вода, моча и ЦСЖ, будут выглядеть яркими на T2-взвешенных изображениях.

Потеря сигнала и тёмный вид на T2-взвешенных изображениях кортикальной кости, зубов и конкрементов в первую очередь обусловлены низким содержанием воды (низкой протонной плотностью), в отличие от сухожилий и связок. Вода, содержащаяся в костях, зубах и конкрементах, в основном является связанной (например, с коллагеном), имеет очень короткую постоянную времени T2 и выглядит тёмной. Небольшая разница магнитной восприимчивости между костной и мягкими тканями также может способствовать тёмному отображению на границах раздела сред, например между костным мозгом и костными трабекулами. Это особенно заметно на изображениях градиентного эха.

Примечание: T2-релаксацию не следует путать с T2*, которая представляет собой более широкое явление и включает в себя эффекты статического магнитного поля в дополнение к тканеспецифичной T2-релаксации.