Bases físicas de la resonancia magnética nuclear
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Este documento describe los fundamentos físicos de la resonancia magnética nuclear. Explica que los núcleos atómicos como los protones pueden alinearse con un campo magnético externo y resonar a una frecuencia específica cuando son excitados por una onda de radiofrecuencia. También describe los tiempos de relajación T1 y T2 que caracterizan cómo los tejidos emiten señales después de la excitación y que permiten diferenciarlos en las imágenes.
Bases físicas de la resonancia magnética nuclear
- 1. Bases Físicas de la Resonancia Magnética Nuclear Aurelio Montoya Bañuelos R2 Centro Médico ISSEMyM Toluca Imagenología Diagnostica y Terapéutica
- 2. HISTORIA O En 1946 fue descrita matemáticamente la magnetización transversal y la longitudinal del spin por Bloch en Stanford y Purcel en New York recibiendo el premio nobel en 1952. O En 1971 Damadian muestra que los tejidos cancerosos emiten una señal distinta a los sanos.
- 3. O En 1972 Lauterbur y Mansfield realizan imágenes en dos dimensiones. O Hahn, Carr Purcell, Meiboom Gill, trabajan en la secuencia Eco Spin.
- 7. El magnetismo O Los imanes tienen dos polos, norte (-) y sur (+) O Los polos de signo inverso se atraen, los del mismo signo se rechazan. O Alrededor de los polos de los imanes hay un campo magnético.
- 8. O Una corriente eléctrica crea un campo magnético, el que a su vez tiene una dirección, un sentido, un punto de origen y una magnitud.
- 9. O La tierra es un imán. Su campo magnético es de 0.05 Gauss O En RM los campos utilizados van de 400 a 2000 Gauss O10,000 Gauss=1 Tesla
- 10. El átomo O Los electrones pasan de una orbita a otra absorbiendo o liberando cantidades fijas de energía, características del átomo y de la capa considerada, todo electrón excitado tiende a volver a su estado base
- 11. O PROTONES O NEUTRONES O A causa de sus cargas eléctricas, los protones y los neutrones se comportaran como dipolos O Entre el polo + y el – existe un campo eléctrico, que esta orientado en cierta dirección y reacciona ante toda fuerza eléctrica exterior O Esta relación esta asociada a lo que se llama el momento eléctrico
- 12. O El momento magnético posee una dirección (de un polo a otro), un sentido (de sur a norte), una magnitud que posee una dirección y un sentido que se llama vector
- 13. N S
- 14. O Si se coloca en un campo magnético, el dipolo se alineara en dirección de él. O El núcleo gira sobre si mismo a una gran velocidad (espín) O La tierra gira sobre si misma O El espín es una propiedad intrínseca de las partículas
- 15. O Según el valor de su espín una partícula puede responder o no a un campo magnético, que puede ser nulo o no nulo O El espín se alinea en dirección del campo magnético O El momento magnético angular de spin es simplemente llamado spin
- 16. OEl mas simple de los núcleos es el del hidrogeno O El átomo mas abundante del cuerpo humano O El único que se utiliza para la imágenes de RM
- 17. O Cuando la suma de protones y de neutrones es par sus spins se anulan O Solo los átomos en los que la suma de protones y neutrones es impar tendrán un momento magnético angular global no nulo y podrán servir en RM y en la realización de imágenes.
- 18. O Protón del hidrogeno posee un spin no nulo, si se coloca sobre un campo magnético, el spin va alinearse puesto que se comporta como un imán. O Pero tiene la posibilidad de elegir entre dos posiciones O Alinearse de sur a norte en posición PARALELA O Alinearse de norte a sur en posición ANTIPARALELA
- 19. O Los protones no tienen otra posibilidad O Estas posiciones corresponden a diferentes niveles de energía O MENOR ENERGIA POSICION PARALELA O MAYOR ENERGIA POSICION ANTIPARALELA
- 20. O Entre las dos posiciones la paralela y la antiparalela existe una diferencia de energía. O Esta diferencia de energía es lo que hace posible la detección de la señal de RM
- 21. O Cuando aumentamos la intensidad del campo magnético, aumenta la diferencia de energía, haciendo esto se aumenta la señal
- 22. O Cuando los protones son colocados en un campo magnético entran en un estado de equilibrio O En este estado, los protones están sometidos a la influencia de la temperatura exterior
- 24. Esta es llamada la danza de los protones
- 25. ¿Qué es la resonancia? O Es un fenómeno físico en el que hay transferencia de energía entre dos sistemas que oscilan a la misma frecuencia. O En todos los fenómenos de resonancia se trata de una onda que representamos como un sinusoide que tiene frecuencia y amplitud propias.
- 26. O Las ondas de RF usadas en RM son de 1-100 MHz, se emiten por una bobina en la cual dispositivos electrónicos provocan oscilaciones eléctricas. O La recepción se realiza también con una bobina o antena. Que puede adoptar la forma de solenoide o en silla de montar.
- 27. Para recibir una señal de un tejido, debe estar dentro de un campo magnético y recibir una onda de RF útil, que se determina por: O LA NATURALEZA DEL TEJIDO. O LA INTENSIDAD DEL CAMPO MAGNETICO. O EL NUCLEO DEL ATOMO ESPECIFICO.
- 28. O Los protones entran en resonancia cuando son excitados por una onda de radiofrecuencia de longitud de onda apropiada O Bascular de una posición a otra O Se debe de aportar exactamente la cantidad de energía necesaria: la diferencia entre sus estados de energía ∆E
- 30. O Es necesario una onda electromagnética cuya frecuencia sea igual a la frecuencia de resonancia del núcleo O Para el protón de un campo magnético de 1 T = 42.5Mhz (situada en las ondas de radio) O Una onda de RF de frecuencia característica produce la resonancia de los núcleos cuando sus spins son previamente alineados en un campo magnético
- 31. O El protón resuena a 21.2 Mhz en 0.5 T O a 42.5 Mhz en 1 T O a 63.8 Mhz en 1.5 T
- 32. O Esta onda sinusoide se caracteriza por tres parámetros O Su frecuencia: es la frecuencia de resonancia O Su amplitud de partida O La pendiente de la curva de disminución
- 33. O Después de la excitación de los núcleos alineados en un campo magnético por una onda de RF de frecuencia característica se recoge una señal que es caracterizada por una curva de caída libre (FID)
- 39. El canto de los protones O Los protones tienen un momento magnético o spin O Se representa como una flecha perpendicular al movimiento de rotación del protón sobre si mismo y por la letra µ
- 40. O Giran alrededor del eje a gran velocidad, como un trompo, este movimiento se llama precesión
- 42. O La velocidad a la que se mueve el protón alrededor de su eje es diferente para cada elemento (constante giro magnética γ), siendo para el Hidrogeno de 42.5 millones de veces en un segundo dentro de un campo magnético de 1 T. O Movimiento de precesión: rotación de un núcleo alrededor del eje del campo magnético principal. O Entre mayor sea la fuerza del campo magnético mayor será la Frecuencia de precesión (ω).
- 43. O Los protones no solo pueden estar orientados hacia el norte o el sur sino a la derecha o izquierda, adelante o atrás. O Cada protón precesa por su propia cuenta, estando desfasados unos de otros.
- 44. Cuando el campo magnético externo Bo es nulo, los spines se orientan en forma aleatoria. Resultando una magnetización neta M igual a cero. M=0
- 46. Cuando el campo magnético externo Bo no es nulo, los spines se orientan en forma paralela o antiparalela al campo Bo. Existe una muy pequeña mayoría de ellos que se orientan en forma paralela a Bo. Dicha mayoría crece cuando crece Bo. Es por esto que cuanto mayor sea el campo externo, mayor será la intensidad de la señal recibida de los protones por el equipo de MR. S N M m m = m B0 =
- 49. O Representaremos el campo magnético B0 con Z y su eje ecuatorial como XY, el vector M representa la suma de los protones que apuntan en dirección de Z y que precesan alrededor de él. O El vector de magnetización longitudinal Mz alcanza su máximo en estado de equilibrio y el vector transversal Mxy es nulo en equilibrio porque los protones están desfasados y su ∑ se anula. O VECTOR Mz= Magnetización longitudinal O VECTOR Mxy= Magnetización transversal
- 50. ECUACION DE LARMOR. O Sirve para calcular la frecuencia de precesión (en Hz o MHz) del protón. O γ es la constante giro magnética. O B es la intensidad del campo magnético (en Teslas). Es la ecuación fundamental de RM y muestra que para un núcleo dado, la frecuencia de precesión es proporcional a la intensidad del campo magnético.
- 52. • Al aplicar la onda de RF los protones comenzaran a precesar en fase y su ∑ deja de ser nula. • Al aumentar el nivel de energía, el vector de magnetización longitudinal disminuye hasta desaparecer. • Este movimiento en espiral se llama nutación z yx a Mw RF yx M0
- 53. O Pulso de radiofrecuencia
- 54. O P1 representa una situación donde la mitad del exceso de spin del estado de base es pasada al estado de excitación. O La onda de RF que posee la energía requerida para llegar a este resultado es llamada pulso de 90°
- 55. O Un pulso de RF apropiado anula o invierte Mz y aumenta Mxy O Al detenerse el pulso de RF, el retorno al equilibrio se acompaña por una parte de la recuperación de la magnetización longitudinal (T1) y por la otra de una disminución de la magnetización trasversal (T2)
- 56. O La onda de RF requerida para que la magnetización transversal Mz llegue a P1 fue de 90º o π/2 y para llegar a P2 fue de 180º o π.
- 57. MEDICION DE LA SEÑAL MR O RELAJACION: Cuando el pulso de RF es retirado, los protones vuelven a su estado inicial, emitiendo la energía que absorbieron cuando el pulso de RF estaba presente. z MZ M MXY B0 yx V t pulso de RF Verctor Mxy
- 58. O La relajación depende mucho del medio histo químico en el que se encuentra el núcleo. O La energía restituida se disipa en forma de calor y 1/5 en forma de onda que puede ser recogida y medida por antenas receptoras. MEDICION DE LA SEÑAL MR
- 60. La relajación de los protones O El retorno de los protones de su posición de equilibrio, al final de la excitación provocada por el pulso de RF se llama RELAJACION. O ESTOS SON LOS TIEMPOS DE RELAJACION O Los protones ceden la energia que han absorbido
- 61. O T1 es el tiempo necesario para que la magnetización longitudinal haya recuperado un 63% de su magnetización. O T2 es el tiempo necesario para que la magnetización transversal haya perdido un 63% de su magnetización.
- 62. OT1
- 63. TIEMPO DE RELAJACION T1 O También conocido como spin-red o tiempo de relajación longitudinal. O El tiempo que requiere Mz para volver al 63% de su valor inicial 63% MZ T1 ms3×T1 5×T1 t 2×T1 4×T1 M0
- 64. O Se define como el tiempo en que tarda la componente longitudinal en llegar al 63% de su valor inicial. O Es dependiente del tipo de tejido en el que se encuentren “inmersos” los protones, por dicha razón es específico del tejido que se esté excitando. 240 ms 809 2500680 63% 100% Sustanciablanca Materiagris CSF GrasaMZ
- 66. O La relajación T1 es el proceso por el cual los protones ceden su energía para volver a su valor inicial
- 67. OT2
- 68. TIEMPO DE RELAJACION T2 O La relajación del componente transversal, esta determinado por la interacción entre protones (los spines se anulan entre ellos al desfasarse). Se llama relajación spin-spin. O Se define como el tiempo en que tarda la componente transversal en decaer al 37% de su valor inicial. t T2 MXY 37%
- 69. RELAJACION T2 O Los protones pierden la coherencia de fase, desplegándose y dejando de estar orientados en la misma dirección y por lo tanto disminuyendo su magnetización transversal.
- 70. RELAJACION T2 O Si graficamos la magnetización transversal en función del tiempo obtenemos una curva en descendente ya que la magnetización desaparece con el tiempo, también es constante de cada tejido. O T1 es de 2 a 10 veces más largo que T2, siendo de 300 a 2000 mseg y de 30 a 150 msg respectivamente.
- 71. O Este tiempo T2 también es dependiente del tipo de tejido en el que se encuentren “inmersos” los protones, por dicha razón también es específico del tejido que se esté excitando. CSF (1400 ms) > 37% 10 70% 100% 10% 30 50 100 150 200 250 50% 30% ms Materiablanca CSF Grasa Materiagris 9080 MXY
- 72. TIEMPOS DE RELAJACION O El agua/líquidos tienen un T1/T2 largos. La grasa tiene un T1 corto y un T2 más corto que el agua, el T2 del agua es más largo que el de los líquidos impuros que contienen moléculas más grandes. O El T1 varía con la intensidad del campo magnético siendo más largo en campos más intensos. O Los tejidos enfermos (edematosos al tener más contenido de agua tienen tiempos de relajación más largos.
- 81. La relajación T1 O Es el tiempo de vuelta al equilibrio de un tejido determinado después de la excitación O Es el tiempo que tardan los diferentes protones en alinearse cuando se introducen en un campo magnético.
- 82. O En un solido o en la grasa la red de enlaces moleculares es abundante, los intercambios de energía son muy rápidos y su tiempo de relajacion T1 es corto y su señal elevada
- 83. O En el liquido puro como el agua o el LCR los enlaces son menos abundantes y la perdida de energía es menos rápida su tiempo de relajación T1 es mas largo y su señal es débil
- 84. O Para un campo magnético de 1 Tesla OGrasa 240 ms OSustancia blanca 680 ms OSustancia gris 800 ms OLCR 2500 ms
- 85. La relajación T2 O Es el tiempo de desfase de los espines de un tejido determinado O Cuando acaba el pulso de RF los espines se desfasan entre si O La disminución de la magnetización transversal T2 depende del desfase de los espines
- 86. O La interacción de los espines varia con el tejido O En un liquido puro los espines quedan en fase mas tiempo, tendrán una señal mas intensa (T2 largo) O Los solidos al contrario tienen T2 extremadamente cortos O Por esta razón el hueso no da señal en RM O El T2 de los tejidos biológicos es alrededor de 10 veces mas corto que su T1
- 87. El eco O La señal recogida por la antena es debida a la magnetización transversal T2. O Curva de decrecimiento de la inducción libre o FID
- 88. O Esta señal desaparece rapidamente a causa del desfase de los espines O La disminucion de la curva es dependiente de la homogeneidad del campo magnetico
- 89. O Para obtener una señal aprovechable se debe generar una segunda señal que fuera un eco de la primera
- 90. O Tras un pulso inicial de 90°, la nueva puesta en fase se obtiene mediante un impulso de RF de 180° que da una imagen en espejo de los spines O El impulso se aplica cuando los spines han comenzado ha desfasarse, van a ponerse en fase antes de desfasarse de nuevo
- 91. O Este modelo define la secuencia spin-eco por que la segunda señal es un eco de los espines O El tiempo que separa el impulso de salida de la lectura se llamara tiempo de eco
- 92. OEl eco spin es la secuencia mas utilizada en RM
- 93. O La elección del tiempo de eco ejerce una influencia en la imagen O Un TE largo refleja mejor las diferencias de T2 y por consiguiente la ponderación en T2 O Un TE corto favorece la ponderación en T1
- 96. Imagen potenciada en T2
- 97. EFECTOS BIOLOGICOS DE LA RM O Existen riesgos relacionados con el empleo de campos magneticos O No se debe someter a RM O Marcapasos O Implantes cocleares O Cuerpos extraños ferromagneticos situados en un lugar peligroso (ojo) O Clips vasculares
- 98. O Prótesis oculares O Catéter de Swan-Ganz O La mujeres embarazadas pueden someterse a RM si es indispensable O Consentimiento informado O El estado actual de la ciencia no ha demostrado ningún efecto perjudicial en el ser humano, pero ello no asegura lo que pueda ocurrir en el futuro
- 99. La obtención de la imagen
- 101. O Para obtener una señal de los tejidos del paciente, se debe superponer un segundo campo magnético más débil que tiene diferentes intensidades en diferentes secciones. O Este campo esta producido por bobinas de gradiente, por lo tanto en los cortes diferentes se experimenta diferente intensidad del campo magnético y tienen frecuencias de precesión distintas, siendo estimulados por pulsos de RF distintos. O El gradiente de campo que nos permite examinar un corte especifico se llama gradiente de selección de corte.
- 102. O Podemos seleccionar un grosor de corte si enviamos un amplio rango de RF, entre más amplio más grueso el corte. También podemos modificar la pendiente del corte manteniendo la misma RF y obtenemos un grosor distinto. O Utilizando el mismo pulso de RF obtenemos un corte más delgado o más grueso.
- 103. O El gradiente de selección de corte consiste en enviar otro gradiente de campo que disminuye ya sea de Izq. a Der o viceversa. O Esto hace que cada columna de protones emita las señales con una frecuencia diferente.
- 104. O Utilizando un gradiente de campo adicional (gradiente de codificación de fase) que es más intenso en la parte de arriba que en la de abajo por un breve momento, por lo que el protón de arriba precesara más rápido que el de en medio y el de abajo, al interrumpir este gradiente todo retoman la misma frecuencia pero en distinta fase.
- 105. LA TRANSFORMACION DE FOURIER. O Es la operación matemática que permite hacer inteligible la señal recogida por la antena, ya que originalmente la diferencia de frecuencias están mezcladas. O Si expresamos la señal con relación a la frecuencia y no al tiempo obtenemos dos picos, cada uno especifico a un tipo de protones.
- 106. O El resultado final de aplicar todos estos gradientes es una mezcla de señales diferentes con diferentes frecuencia y diferentes fases, que por medio de la transformación de Fourier se puede asignar a estas señales una cierta localización del corte. O Obteniendo así la imagen de RM. PERMITE PASAR LA SEÑAL DEL TIEMPO A LA FRECUENCIA CONSERVANDO LA INTENSIDAD.
- 107. LA TRANSFORMACION DE FOURIER O La propiedad de núcleos idénticos de resonar a una frecuencia diferente según el medio molecular en el que se encuentren se llama desplazamiento químico. O La espectroscopia por RM es el estudio del desplazamiento químico de los núcleos.
- 108. MEDIOS DE CONTRASTE O PARAMAGNETICOS: El más usado es el Gadolinio un metal lantánido que en estado libre es toxico pero se une a DTPA como quelante, induce interacciones dipolo-dipolo acortando T1. El disprosio Dy se encuentra en experimentación para estudiar perfusión cerebral.
- 109. MEDIOS DE CONTRASTE O SUPERPARAMAGNETICOS: los óxidos de Fe pueden formar nano partículas magnéticamente ordenadas creando en los tejidos una gran heterogeneidad magnética (↓T2 dosis dependiente). O Se componen de una parte central (F2O3 magnetita, Fe3O4 Maghemita, FeOOH Oxihidroxidos) y una cubierta que determina su farmacocinética determina su vida media que va desde 15 minutos hasta 3 días. SPIO: Superparamagnetic Iron Oxide. USPIO: Ultrasmall Superparamagnetic Iron Oxide. VSOP: Very small Superparamagnetic Iron Oxide. (ensayados en Andio R-M) MION: Monocrystalline Iron Oxide Nanoparticles. 4.6-1.2 nm.
- 110. SUPERPARAMAGNETICOS.
- 111. MEDIOS DE CONTRASTE O Las sustancias QUELANTES encapsulan al ion para que se libere la menor cantidad de él, su tamaño, estructura y composición regula su biodistribución. O Los de bajo peso molecular (menos de 10 000 D) después de la inyección intravascular atraviesa la circulación pulmonar y son distribuidos por el sistema arterial al espacio intersticial y a través de los glomérulos renales se excretan por la orina. No constituyen un pool sanguíneo ni tienen especificidad en los tejidos.
- 112. O Agentes de bajo peso molecular con estructura diferente pueden ser específicos, siendo eliminados por vía hepato-biliar y renal. O Quelantes de alto peso molecular ( 100 000 D) difunden poco a través de los capilares, por lo que constituyen un pool sanguíneo de contraste magnético.AGENTES SIN ESPECIFICIDAD TISULAR.
- 113. O Macromoléculas con Gd: con un peso molecular de hasta 100 000 Dalton difunde muy poco a través de los capilares, pueden recircular en la sangre durante varias horas, permitiendo obtener desde angiogramas, medidas cuantitativas de volumen, flujo y permeabilidad. O Si hay daño endotelial, se escapa al espacio intersticial, pudiendo caracterizar el daño tisular, monitorizar procedimientos intervencionistas, predecir dosis-tiempo de quimioterapia. O NUEVOS COMPUESTOS: Gadomer-17 (se une a la albumina) y MS-325.
- 115. O OXIDOS DE Fe: del torrente sanguineo pasan a los organos del SER, son biodegradables incorporandose al Fe del organismo, potencian T2/T2*. • SPIO: de 50-200nm, vida media de 5-15 min, son fagocitados rapidamente por el SER. Ej: AMI-25, Feridex, Feridex I.V, SHU 555. • USPIO: son captados por nodulos linfaticos. Ej: AMI- 227, Combidex, Sinerem. • MION: nanoparticulas recubiertas de dextrano, internalizadas por macrofagos en el bazo, higado, ganglios linfaticos, celulas tumorales, celulas neuronales.
- 117. LOS IMANES O Tienen intensidades de campo entre 0.5 y 1.5 T. O El campo debe ser homogéneo y esto se expresa con ppm (partes por millón). Cualquier inhomogeneidad produce diferencias en la frecuencia de precesión por lo que se pueden realizar ajustes eléctricos y mecánicos que mejoran esto (shimming).
- 118. TIPOS DE MAGNETO O Permanentes O aleaciones ferromagnéticas O Inestabilidad térmica :Campos no uniformes varía con la temperatura O Grandes tamaños, pesados. 100 ton para 0.3 T. O Resistivos O Bobina atravesada por una corriente eléctrica . O Presentan resistencia al paso de corriente eléctrica por lo que se calientan y requieren s. de enfriamiento. O B máx. 0.2 T O Híbridos O Núcleo de Fe. B0 B0
- 119. MAGNETO SUPERCONDUCTOR. O Superconducción O Son los más utilizados, utilizan electricidad con un conductor especial. O R= 0 a temperatura de – 269 ºC . O Una vez ingresada, la corriente continúa indefinidamente circulando sin necesidad de fuente alguna. O He y N líquido. O Si falla el sistema de enfriamiento hay un aumento brusco de la resistencia al flujo de corriente. Enfriador Pantalla 80K Pantalla 20K Bobinas Recarga De Helio Tubo de Quench Válvula de Quench (15 psi) Manómetro Válvula de alivio 1/3 psi 0 -0.5 .5 1 psi A la atmósfera Válvula de despresurización Torreta de Service Cubierta Críostato
- 120. MAGNETO SUPERCONDUCTOR • CAMPO MAGNETICO ALTO: Mejor resolución espacial, se puede usar en espectroscopia. • CAMPO MAGNETICO BAJO: Mejor contraste y menor costo.
- 121. TIPOS DE MAGNETO AltoHorizontal (z)>1.5Superconductor MedioVertical (y)0.6Hibrido MedioVertical (y)0.3Permanente BajoVertical (y)0.2Resistivo CostoDirección del campo Máximo Campo (T) Tipo
- 122. LAS BOBINAS O De VOLUMEN: rodean completamente la parte del cuerpo que se desea estudiar, del tamaño aproximado del paciente, la bobina de cabeza actúa como receptora y la corporal es la que trasmite las ondas de RF. O De COMPENSACION (shimming): dan mejor homogeneidad al campo magnético. O De GRADIENTES: producir campos magnéticos lineales variables., permiten seleccionar el corte y obtener la información espacial, son tres juegos.
- 123. LAS BOBINAS O De GRADIENTES: 3 bobinas ortogonales. O Sirven para ubicar espacialmente el origen de los pulsos. O Son las responsables del ruido dentro del iman. B0 I B0 I Bobinas X e Y Bobina Z Y X
Notas del editor
- #82: La relajacion de T1 es una exponencial ascendente caracterizada por una constante T1 que corresponde al tiempo que tarda un tejido determinado en recuperar el 63% de su posicion de equilibrio.
- #86: Es una curva exponencial decreciente caracterizada por una constante que es el tiempo que tardan en desfasarse el 63% de los espines de un tejido determinado. Solo persiste el 37% de la magnetizacion inicial