Fundamentos Físicos y Equipos de Resonancia Magnética S8

Fundamentos Físicos y Equipos de Resonancia Magnética

Caracterización de los equipos de resonancia magnética (RM)

1. Introducción.
2. Comportamiento del spin nuclear en un CM.
3. Generación de la señal de resonancia.
4. Sala de exploración de RM.
5. Equipos de RM abiertos y cerrados.
6. Imanes: tipos y clasificación.

RM Tejidos Spin-proton (1H) Campo magnético externo Bo Imán Manetización unidad de volumen Plano de corte Bobinas de gradiente Precesión Pulso de RF Antena Excitación DP Relajación Liberación de energía T1 T2 Imagen Procesamiento informático

Introducción a la Resonancia Magnética

La Resonancia Magnética (RM) o Resonancia Magnética Nuclear es un efecto físico que consiste en hacer entrar en resonancia los núcleos de algunos elementos sometiéndolos a un intenso campo magnético (onda electromagnética de radiofrecuencia) y captar la energía que liberan estos núcleos para obtener imágenes diagnósticas.

Ventajas de la Resonancia Magnética

• No usa radiaciones ionizantes.
• No se han observado efectos perjudiciales para el ser humano.
• Permite obtener imágenes tomográficas en cualquier dirección del espacio.
• Es la técnica que ofrece mayor contraste entre tejidos blandos.
• Es muy sensible al movimiento de los líquidos.
• Permite realizar estudios angiográficos sin necesidad de medios de contraste.

Comportamiento del spin nuclear en un campo magnético

Los átomos constan de un núcleo y una corteza: en la corteza se sitúan los electrones (e-) rodando en órbitas alrededor del núcleo y en en núcleo se sitúan los protones (p+) y los neutrones (n).

En el núcleo, neutrones y protones tienden a aparear sus spines de forma que el spin nuclear es 0 y es el estado de mayor estabilidad.

Los núcleos atómicos más activos son aquellos cuyo spin no anula porque está desapareado. Esto ocurre en aquellos elementos que tienen un número impar de protones en el núcleo (1H, 13C, 15N, 17O, 19F, 23Na, 31P)

La RM se centra, principalmente, en el comportamiento de los protones de los átomos de H.

Los p+ tienen carga eléctrica positiva y se comportan como un planeta, giran sobre si mismos alrededor de un eje. Este movimiento se llama spín.

Como los p+ tienen carga, al estar en movimiento, se comportan como imanes o dipolos creando un campo magnético a su alrededor. ("Toda carga eléctrica en movimiento crea corriente eléctrica y, por tanto, crea campo magnético").

b N C¿Qué les pasa a los protones de un tejido cuando los sometemos a un CM externo?

Orientación de los spines de los protones

A. Si un paciente no esta sometido a un campo magnético externo B0, los spines de los protones están orientados al azar y giran aleatoriamente.

B. Si un paciente se somete a un campo magnético B0, los spines de sus núcleos de H se alinean con este campo magnético en: · Paralelo o en estado spín up: a favor del campo magnético y de E. · Antiparalelo o en estado spín down: en sentido contrario y de 1 E.

Normalmente, el estado preferido de alineación es aquel que necesita menor energía. Por tanto, siempre hay más p+ en el nivel de menor energía (estado paralelo o spín up).

+ x x 1 x 007 x × x × × x IAparte del estado paralelo o antiparalelo que adquieren los spines, cuando están sometidos a un campo magnético adquieren un movimiento de precesión (giro peonza) en el que la frecuencia a la que sucede es directamente proporcional a la intensidad del campo magnético, según la ecuación de Larmor:

f = x · Bo

F: frecuencia a la que giran los espines. y: constante de proporcionalidad o giromagnética, propia de cada núcleo. B0: campo magnético al que se someten los núcleos.

b Si extrapolamos a un sistema de coordenadas, vemos que el p+ tiene dos movimientos característicos: · Alrededor de si mismo (spín). · Alrededor del eje z (peonza, precesión)

Z Y X bRespecto al sistema de coordenadas, en un equipo de RM se considera que el eje Z corresponde al campo magnético principal o externo con el que tienden a alinearse los protones y es llamado componente longitudinal.

El plano XY corresponde al componente transversal.

Z AZ Bo M M y Plano XY X x

Generación de la señal de resonancia

Spines sin campo magnético

NO CAMPO MAGNÉTICO: Spines al azar y girando aleatoriamente.

Spines con campo magnético (Bo)

SI CAMPO MAGNÉTICO (Bo)

Paralelo o up: Los spines se alinean con el campo magnético en la misma dirección y sentido. Estado de baja E. Normalmente, înúm spines en paralelo que en antiparalelo (es de -E y cuesta menos).

Antiparalelo o down: Los spines se alinean con el campo magnético en sentido contrario. Estado de alta E.

Magnetización longitudinal

MAGNETIZACIÓN LONGITUDINAL Los p+ antiparalelos y paralelos pueden cancelarse entre ellos, pero como hay mayor número en paralelo, algunos no se cancelan y se adquiere magnetización longitudinal. Esta magnetización no se puede medir porque se adquiere en la misma dirección del CM y resulta muy débil.

Z B A A' B + Y X

Excitación por ondas de RF

Se administra E en forma de ondas de RF: EXCITACIÓN. Suceden dos cosas:

Los p+ captan E y aquellos que estaban en up pasan a down (1E), por lo que se PIERDE la magnetización longitudinal.

Los p+ que estaban de forma aleatoria pasan a precesar en fase (todos en la misma dirección y sentido pero de forma distinta a la del CM (dirección transversal)). Se ADQUIERE magnetización transversal.

Los núcleos adquieren un movimiento en espiral respecto a la dirección del campo magnético principal (B0) separándose de su posición de equilibrio y adquiriendo un ángulo de inclinación a (tip angle, flip angle, FA) que depende de la potencia y de la duración del pulso.

Se pierde la magnetización longitudinal. Movimiento en espiral hacia abajo por el eje Z.

Z Z T RF pulse DY 1 Y X a b

Se adquiere la magnetización transversal. Movimiento circular hacia el eje Y.

Relajación y liberación de energía

Cesa la E en forma de ondas de RF: RELAJACIÓN. Suceden dos cosas:

Los p+ vuelven a su posición up (IE) y RECUPERAN la magnetización longitudinal.

Los p+ dejan de precesar en fase y PIERDEN la magnetización transversal.

En esta relajación de los p+, se libera una cierta cantidad de E que ya es captada por las antenas receptoras: FID (Free induction decay, caída de inducción libre).

Pero cada tejido tiene unos tiempos de relajación diferentes debido a sus moléculas.

Por tanto, existen:

T1: tiempo de relajación longitudinal: Tiempo que tardan los p+ en recuperar la MAGNETIZACIÓN LONGITUDINAL y pasar de down a up.

T2: tiempo de relajación transversal: Tiempo que tarda en perderse la MAGNETIZACIÓN TRANSVERSAL.

Recuperación y pérdida de magnitud

Durante la relajación, la recuperación de la magnitud longitudinal y la pérdida de la magnitud transversal sucenden al mismo tiempo. En una gráfica, comprobaremos que la curva para T1 es ascendente (ya que se recupera con la relajación) y la curva para T2 es descendente (porque se pierde con la relajación).

90º Valor de equilibrio 63% 37% Relajación transversal (T2) Relajación longitudinal (T1) Tiempo Tiempo

Sabemos que T1 es más largo que T2 (de 2 a 10 veces), por lo que juntando las dos gráficas se obtiene la siguiente.

Hay que tener en cuenta que no se conoce con exactitud la finalización de la relajación, por lo que T1 y T2 no son valorables al finalizar la relajación.

magn. T1 T2 time

Potenciaciones en RM

Potenciar significa aumentar los efectos de la relajación, de forma que se establecen diferencias de intensidad o contraste entre tejidos de la imagen.

Recordemos que el eje del campo magnético es el eje longitudinal z y el plano perpendicular a éste es el plano XY, por tanto:

Diferenciamos 4 tipo de potenciaciones: · Potenciaciones T1 y D (o DP): cuando estudiamos la relajación en el eje Z. · Potenciaciones T2* y T2: cuando estudiamos la relajación en el plano XY.

La señal que libere un tejido dependerá de 2 factores: · Su densidad protónica. . Sus constantes T1 y T2, que tendrán un valor determinado para cada tejido.

Potenciación en DP (Densidad protónica)

Densidad D o densidad protónica DP: cantidad de núcleos de H que hay en un volumen de tejido.

A 1D (o DP), 1magnetización alcanza en el equilibrio, îseñal emitirá. Depende de cada tejido. En la imagen se ve la magnetización para dos tejidos con distinta DP durante la relajación.

- Tejido A Tejido B -

La potenciación en D indica la magnetización que ha alcanzado un tejido cuando ésta llega al equilibrio y está relacionada con la cantidad de E o nivel de señal que va a proporcionar un tejido durante la relajación.

Al terminar la relajación, distintos tejidos tendrán distintos niveles de señal y por tanto, distintos brillos: A 1D, 1 brillo del tejido en la imagen.

En la potenciación D conviene dejar que finalice el proceso de relajación (a diferencia de la potenciación T1) para que cada tejido alcance su máxima magnetización.

Las imágenes potenciadas en D tienen: · TR largos. · TE cortos.

Potenciación en T1

Cuando se inicia la relajación, el vector de magnetización longitudinal tiene un valor de 0 (porque se había perdido con el pulso de RF) y va aumentando hasta llegar a un valor máximo Mo (valor en el que los núcleos vuelven a su estado de equilibrio).

T1 es el tiempo de relajación longitudinal del tejido o tiempo de relajación spín-red y representa el tiempo que tarda la magnetización longitudinal (ML) en alcanzar el 63% de su valor en equilibrio tras un pulso de RF (NO es el tiempo que tarda en producirse la relajación, pero sí indica la velocidad a la que se produce la vuelta de la magnetización longitudinal (ML) en volver a su estado de equilibrio).

Cada tejido o materia tendrá un valor distinto para T1, porque cada uno tardará un tiempo determinado en llegar a su estado de equilibrio (63% de Mo).

T1 depende de la facilidad que tenga cada núcleo para ceder su E al medio: · Si el spin de los núcleos tiene dificultad para liberar E- 1T1 (1tiempo, { rapidez,+lenta), î oscuridad imagen. · Si el spin de los núcleos tiene facilidad para liberar E- IT1 (+ tiempo, î rapidez), 1 brillo imagen.

M_ recovery (% original M.) 100 White matter Fat Grey matter 80 Cerebrospinal fluid (CSF) 60- M2 = 63% M. 40- 20 - 0 3 4 5 6 T1 Fat T1 T1 Time (s) Grey matter CSF T1 White

Vemos que en cada instante, cada tejido presenta un nivel de señal distinto y por tanto, un nivel de brillo diferente, por lo que podemos conseguir un gran contraste entre los distintos tejidos.

Pero si dejamos que los tejidos lleguen a la relajación completa, no obtendremos contraste ya que todos presentarán el mismo nivel de señal.

M2 recovery (% original M.) 100 White matter Fat Grey matter 80- Cerebrospinal fluid (CSF) 60- M2 = 63% Mp 40 - 20 - 0 3 4 5 6 T1 Fat T1 T1 Time (s) Grey matter CSF T1 White

Se llaman: • Tiempo de repetición (TR): tiempo entre dos pulsos sucesivos de 90º. Tiempo de eco (TE): tiempo entre el pulso de 90° y la recogida de la señal. •

Las imágenes potenciadas en T1 tienen: · TR cortos. · TE cortos.