Кратко и по сути.
1) Что такое T1 и T2 (формулы)
- T1 — время продольной (спин‑решётка) релаксации: восстановление продольной магнитизации к равновесию
$$M_z(t)=M_0(1-e^{-t/T_1})$$ (для инверсионного начала: $M_z(t)=M_0(1-2e^{-t/T_1})$, нулевой момент достигается при $TI=T_1\ln 2$).
- T2 — время поперечной (спин‑спин) релаксации: затухание поперечной компоненты вследствие дегазации фаз
$$M_{xy}(t)=M_{xy}(0)e^{-t/T_2}.$$ - T2* — эффективное поперечное время с учётом статических неоднородностей: $\frac{1}{T_2^{\ast }}=\frac{1}{T_2}+\frac{1}{T_{2,\text{inhom}}}.$
2) Микроскопические процессы
- T1 (спин‑решётка): обмен энергии спинов с окружающей средой через флуктуации локальных магнитных полей, индуцируемых тепловым движением молекул (диполь‑дипольные взаимодействия, движения молекул, взаимодействия с парамагнитными ионами). Эффективность релаксации зависит от спектра флуктуаций на частоте Лармора ${\omega }_0$. Классическое приближение:
$$R_1=\frac{1}{T_1}\propto \frac{{\tau }_c}{1+({\omega }_0{\tau }_c{)}^2},$$ где ${\tau }_c$ — корреляционное время молекулярных флуктуаций. Резюме: релаксация T1 наиболее эффективна, когда ${\omega }_0{\tau }_c\sim 1$.
- T2 (спин‑спин): потеря когерентности фаз между спинами из‑за внутренних статических и динамических локальных полей (стационарные неоднородности поля, диполь‑дипольные взаимодействия, химический обмен, флуктуации низких частот). Приближённо
$$R_2=\frac{1}{T_2}\propto {\tau }_c$$ для медленного движения; статические неоднородности дают вклад в T2*, но могут быть частично восстановлены спин‑эхо.
3) Зависимость от состава ткани
- Вода в свободном состоянии (CSF, отёк): большие ${\tau }_c$ малые? На практике: T1 и T2 длинные (CSF яркая на T2, тёмная на T1).
- Связанная вода (вокруг белка/миелина): короткие T2 (быстрое затухание) и уменьшенные T1 (в сравнении с свободной водой) — сильное влияние макромолекул и поверхностей.
- Жир: короткий T1 (быстрое восстановление) и относительно короткий T2 → жир ярко выглядит на T1‑взвешенных.
- Миелин/белое вещество: много связаной воды и макромолекул — короче T1 и особенно T2 по сравнению с серым веществом.
- Железо/гемосидерин/кальций: парамагнитные/ферромагнитные вещества сильно укорачивают T2 и T2* (гипоинтенсивность на T2/T2*), меньший эффект на T1.
- Контрастные агенты (гадолиний): парамагнитные, увеличивают $R_1$ и $R_2$: $\Delta (1/T_1)=r_1[\text{Gd}],\Delta (1/T_2)=r_2[\text{Gd}]$. В клинике при обычных дозах доминирует эффект T1‑удлинения (подсветка тканей на T1‑взвешенных).
4) Зависимость от поля (B0)
- При увеличении B0 ${\omega }_0$ растёт, поэтому для многих тканей $T_1$ увеличивается (из‑за уменьшения эффективности механизма при фиксированном ${\tau }_c$); $T_2$ обычно незначительно уменьшается, а $T_2^{\ast }$ заметно уменьшается (больше чувствительности к неоднородностям).
5) Практические последствия для диагностических протоколов
- Формирование контраста: выбирают TR и TE:
- T1‑взвешенные: короткий TR, короткий TE → подчёркиваются различия в T1 (жир яркий, свободная вода тёмная).
- T2‑взвешенные: длинный TR, длинный TE → подчёркиваются различия в T2 (вода/отёк яркие).
- Инверсионные схемы:
- FLAIR (инверсия с TI≈$T_1\ln 2$ для CSF) подавляет сигнал жидкости, выделяя перивентрикулярные поражения.
- STIR для подавления жира (инверсионное время, соответствующее нулю жирового сигнала).
- Spin‑echo vs gradient‑echo:
- Spin‑echo компенсирует статические неоднородности (более истинный T2).
- Gradient‑echo чувствителен к T2* (используется в BOLD‑фМРТ, SWI, для выявления микро‑кровоизлияний).
- Контрастные агенты: используют для повышения контраста в T1‑взвешенных изображениях (опухоли с нарушенным гематоэнцефалическим барьером), а ферримагнитные частицы/хемосуспензии — для T2/T2*‑контраста.
- Патологии:
- Отёк/воспаление: ↑T1, ↑T2 — яркость на T2, гипоинтенсивность на T1.
- Демиелинизация: ↑T1 и ↑T2 локально; магнитно‑резонансная томография с протоколами T2/FLAIR чувствительна.
- Кровоизлияние: временно меняет T1/T2 в зависимости от продуктов распада гемоглобина; острые/хронические стадии различимы по T1/T2/T2*.
- Жировые поражения: ярко на T1; используют подавление жира для диагностики.
- Количественные карты $T_1$ и $T_2$: позволяют объективно отслеживать патологии и сравнивать между центрами; важны для терапевтического мониторинга.
6) Итог (практическая интуиция)
- T1 отражает обмен энергии спинов с веществом и чувствителен к подвижности молекул и парамагнетикам — используется для подчёркивания тканей с коротким T1 (жир, усиленные участки).
- T2 отражает потерю фазовой когерентности из‑за локальных взаимодействий и неоднородностей — чувствителен к свободной воде, макромолекулам и магнитным включениям; важен для обнаружения отёка, воспаления и продуктів кровоизлияний.
- Выбор последовательности (TR/TE/TI, spin‑echo/gradient‑echo, контраст) делается исходя из того, какие изменения $T_1$, $T_2$ и $T_2^{\ast }$ ожидаются при данной патологии.