Download - r Mn Principio s 2014
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Ctedra: Tecnologa de las Imgenes III
Resonancia Magntica Nuclear: Principios Fsicos
Docente:
Bioing. Gustavo Bizai
1 Cuatrimestre de 2014
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Temas a desarrollar
OBJETIVOS:
Comprender los fundamentos fsicos de la Resonancia Magntica Nuclear (RMN)
Interpretar el concepto de contraste por T1, T2 y Densidad Protnica
Aprender las secuencias bsicas de pulsos
AGENDA:
Qu es la RMN?
Origen de la seal
Descripcin del fenmeno
Generacin de la seal de RMN
Secuencias bsicas de eco: SE, FE, IR
Principios DO 2
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Antecedentes histricos
Fundamentos de DO 3
1945 - Flix Bloch y asociados hacen primeras experiencias sobre lquidos en la Universidad de Stanford
1946 - Edward Purcell hace las primeras pruebas con objetos slidos, en la Universidad de Harvard
1952- Purcell y Bloch comparten Nobel de Fsica por sus trabajos en RMN
1967 Jasper Jackson aplica los descubrimientos de la espectroscopa en organismos vivos.
1972 - Paul Laterbur logr, inicialmente, crear una imagen de los protones en una muestra de agua. Despus, obtuvo reproducciones de limones, pimientos, animales y, finalmente, seres humanos vivos!.
1978 Se accede a los primeros escneres para estudiar el cerebro humano aparecieron, seguidos muy poco tiempo despus por los escneres de cuerpo completo.
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Qu es la RMN?
Fundamentos de DO 4
Fenmeno fsico por el cual ciertos ncleos atmicos (aquellos con un nmero impar de protones) pueden absorber selectivamente energa de RF al ser colocados bajo un intenso campo magntico.
Resonancia: Respuesta amplificada ante un estmulo de la misma frecuencia natural.
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Resonancia
Fundamentos de DO 5
Resonancia en sonido
Violn >>> Arpa Frec. Violn = Arpa
Resonancia en vibracin mecnica
Rfagas peridicas hacen resonar al puente
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Fuentes de seal: NUCLEOS
6 Principios DO
Slo unos pocos ncleos atmicos son de utilidad clnica
Protn (H1) por su abundante distribucin en los tejidos biolgicos (agua y grasa)
90 % del cuerpo humano compuesto por agua o grasa
Sin protones, no hay seal
Hueso, grasa, LCR, tejidos, etc. diferencian su comportamiento segn su entorno bio-qumico
Espectroscopa: H1 y P31
Otros en fase experimental Ej: Na23
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7 Principios DO
Descripcin bsica del fenmeno
NUCLEOS H1
(protones H1)
Absorcin de energa
Liberacin de energa
Imagen (IRM) / Espectroscopia (ERM)
Campo
Magntico
Radio
Frecuencia
(1) Absorcin de energa: RESONANCIA
(2) Liberacin de energa: RELAJACIN
(3) Captacin de seal de RF (ECO)
(4) Procesamiento de la seal de ECO
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8 Principios DO
El ncleo de hidrogeno H1
Imaginemos los ncleos de H1 como pequeas esferas girando sobre si mismas: SPINES
SPINNING: Movimiento de giro sobre su propio eje (trompo).
Por tener el ncleo una carga elctrica, el movimiento de Spinning implica la existencia de un Momento Magntico.
Debido a esto, los spines vern afectado su comportamiento bajo un campo magntico externo.
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Fundamentos de DO 9
La generacin de seal en 4 pasos
(1) Sin campo magntico (B0)
Spines orientados al azar
(2) Cuando B0 es aplicado
Spines se orientan con B0
(3) Spines son excitados con RF
Absorcin de energa
(4) Relajacin de los spines
Liberacin de energa >> ECO
1T=10000G Campo magntico terrestre=0.5G
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(2) Cuando B0 es aplicado
Con B0, los spines se alinean en la direccin del campo (paralelo o anti-paralelo)
Inician un movimiento de precesin, con frecuencia definida segn la ecuacin de Larmor (f B0)
Spines separados en dos niveles posibles de energa
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Paralelo & Anti Paralelo
Fundamentos de DO 11
Muy pequea diferencia en el numero de spines paralelos & anti paralelos
Algunas ppm de diferencia >>> muy dbil magnetizacin
A mayor campo magntico, mayor es la diferencia neta
A mayor diferencia neta, mayor seal podr obtenerse
Se genera una magnetizacin muy dbil en la direccin de B0
B0
paralelo
anti - paralelo
[ 8/2.000.000 para 1,5T ]
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(3) & (4) Excitacin y Relajacin
Fundamentos de DO 12
Excitacin Al aplicar energa de RF (B1) sobre los spines a
la frecuencia de precesin, algunos de ellos cambiaran su estado energtico de paralelo a anti-paralelo y vice-versa
Es un proceso de absorcin energtica
Relajacin Cuando se quita B1, los spines retornan a su
estado de equilibrio original, liberando la energa almacenada a su entorno, a la misma frecuencia de resonancia y mediante comportamientos de tipo logartmico con constantes de tiempo T1 & T2.
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13 Principios DO
La ecuacin de Larmor
0 = . B0
0 : Frecuencia de Larmor (MHz)
: Cte.Giromagntica
(42,6 MHz/Tesla)
B0: Intensidad de campo (Tesla)
Solo hay resonancia si la RF es aplicada al valor de frecuencia definido por Larmor
Se requiere de un campo magntico muy homogneo y estable
La frecuencia de excitacin y relajacin depende de B0
1.5 T: 63.9 MHz, 0.5 T: 21.3 MHz
De aqu deriva el principio bsico de la IRM para distinguir entre dos puntos y conformar la imagen espacialmente
Modificar el campo magntico B0 empleando un sistema de gradientes magnticos en las 3D
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Magnetizacin Neta M
14 Principios DO
Lo que podr observarse no es la seal individual de cada spin sino la magnetizacin macroscpica (M), suma vectorial de los momentos magnticos indivi-duales de cada spin del voxel
En equilibrio, M esta alineado con la direccin de B0, (recordar el exceso de spines en estado de menor energa o paralelo)
A mayor intensidad de campo, mayor magnetizacin M
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Fundamentos de DO 15
Sistema de Coordenadas
Asumiendo el eje z para la direccin del campo B0, entonces M est tambin a lo largo de Z
El proceso de excitacin y relajacin puede describirse por medio del comportamiento de M
Mz: componente longitudinal de M (a lo largo de z)
Mxy: componente transversal de M (sobre el plano x-y)
x
y
Magnetizacin
M
z
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Mz y Mxy
Fundamentos de DO 16
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Fundamentos de DO 17
Excitacin (Modelo de magnetizacin)
Cuando B1 (RF) se aplica en otra direccin (ej. x), M comienza a rotar sobre el eje x desde el eje z hacia el y
La onda de RF (su campo magntico) crea una fuerza de torsin en el plano transversal en que se esta aplicando
ngulo de rotacin: Flip Angle
FA *B1*t donde (*B1) es el campo de RF en Hz y (t) el ancho del pulso de RF en mseg
Debemos rotar M para poder medirlo
B1 proviene del transmisor de RF Frecuencia: 0
Direccin: perpendicular
a B0
Rotacin medida desde el eje z
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Pulsos de RF 90 /180
Fundamentos de DO 18
Controlando la energa de B1( RF) podemos controlar el ngulo (FA)
Pulso de 90. Es el mayormente utilizado en RMI M pasa de z a y
Brinda la mxima seal
La potencia de RF requerida depende del paciente y del sistema de bobinas
Pulso de 180
M pasa de z > -z
No genera seal
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Relajacin T1
Fundamentos de DO 19
Proceso de recuperacin de Mz, desde 0 (en plano x-y) a su posicin original de equilibro (sobre eje z) una vez finalizada la emisin de RF
Transferencia de la energa absorbida a su entorno qumico
Las variaciones de M pueden ser captadas por bobinas receptoras
Relajacin Spin-Red Spin-lattice relaxation (en ingls)
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Fundamentos de DO 20
Curva de Relajacin T1
Mz
Tiempo
Grasa 260 ms
Sustancia gris 920 ms
LCR (CSF) 4000 ms
Mz (t) = M0*(1-exp(-t/T1))
T1= tiempo en que se recupera el 63 % de Mz
T1 corto >> Rpida recuperacin
Distintos tejidos diferencian su comportamiento segn entorno qumico del protn
En imgenes potenciadas en T1, tejidos con T1 corto brindan mayor seal
Contraste T1
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Curva de Relajacin T1
Fundamentos de DO 21
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Significado fsico de T1
Fundamentos de DO 22
Proceso de transferencia de energa de los spines a su entorno bioqumico (red)
Tiempo de relajacin spin-red
Protones con eficiente transferencia energtica poseen T1 corto
Un protn completamente aislado requiere aos para relajarse > T1en el orden de aos
Protones rodeados por agua tienen un T1 en el orden de segundos (agua libre)
Protones cercanos a macromolculas tienen un T1en el orden de fracciones de segundo (grasa)
A mayor intensidad de campo, mayor valor de T1
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Relajacin T2
Fundamentos de DO 23
Proceso de extincin de Mxy, desde su mximo (en fase) a 0 (completamente desfasado) una vez finalizada la RF
Spines comienzan a desfasarse debido a interacciones entre spines, luego de haber sido excitados por un pulso de 90
Relajacin Spin-spin
Las variaciones de M pueden ser captadas elctricamente
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Curva de Relajacin T2
Fundamentos de DO 24
MXY
Tiempo
Grasa 80 ms
Sustancia gris 100 ms
LCR (CSF) 2000 ms
Mxy(t) = M0*exp(-t/T2) T2 es el tiempo en que la excitacin inicial
decae al 37 %
T2 largo >> decaimiento lento
Distintos tejidos diferencian su comportamiento segn entorno qumico del protn
En imgenes potenciadas en T2, tejidos con T2 largos brindan mayor seal
Contraste T2
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Fundamentos de DO 25
Curva de Relajacin T2
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Fundamentos de DO 26
Concepto de la Relajacin T2
Spines estn en fase justo luego de un pulso de 90
Los spines se desfasan, produciendo el decaimiento del vector suma Mxy a 0
Este decaimiento se va a medir por medio de bobinas de recepcin para obtener la seal de RM (eco)
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Fundamentos de DO 27
Significado fsico de T2
Proceso de defasaje de los spines debido a interacciones entre spines
Estn perfectamente en fase luego de ser excitados
Tiempo de relajacin Spin-spin
Agua libre (CSF, jugos gstricos) tienen T2 largos, prximos a T1
Lento decaimiento de seal
Slidos con alta viscosidad presentan T2 cortos, mas cortos que T1
Tendn, hueso compacto
Rpido decaimiento de seal
Los valores de T2 no se ven mayormente afectados por la intensidad del campo magntico.
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Formulacin Matemtica
Fundamentos de DO 28
Dos procesos independientes de tipo exponencial con constantes de tiempo T1 y T2
Relajacin T1 o longitudinal (Spin-lattice o spin-red)
Mz (t) = M0*(1-exp(-t/T1))
Define el comportamiento a lo largo del eje z (en la direccin del campo magntico)
Relajacin T2 o transversal (Spin-spin)
Mxy(t) = M0*exp(-t/T2)
Define el comportamiento en el plano transversal xy
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USACH - Tomografa Computarizada
VII.
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Observando la Seal de Eco
La bobina receptora o de paciente capta una seal elctrica muy dbil durante la relajacin
Debe ser perpendicular a B0
La seal recibida es luego procesada por el sistema
Esta seal captada por la bobina de paciente recibe el nombre FID (free induction decay)
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La seal FID
Fundamentos de DO 30
Arriba:
Seal senoidal debida a una rotacin de M con velocidad y amplitud constante
Abajo:
FID (Free Induction Decay). La seal se extingue debido al decaimiento de la componente Mxy
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Principio de formacin de imagen Mxy & Mz
Fundamentos de DO 31
Se realizan repetidas excitaciones y relajaciones para obtener los datos necesarios para formar una imagen
Depende de la resolucin espacial requerida por el usuario
Solo Mxy contribuye a la FID y a la intensidad de seal de eco captada
Mz aporta al Mxy en la siguiente excitacin y contribuye de ese modo a la siguiente seal FID
M
Mxy
Mz
xy
z
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Proceso completo de imagen
32 Principios DO
Excitacin Relajacin
X
Y
Z
X
Y
Recepcin Computo Display
RF
ECO
Z
Y
X
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Fundamentos de DO 33
Curva de Relajacin T1
Mz
Tiempo
Grasa 260 ms
Sustancia gris 920 ms
LCR (CSF)
4000ms
Contraste T1 Mz (t) = M0*(1-exp(-t/T1))
T1 corto >> Rpida recuperacin. En imgenes potenciadas en T1, tejidos con T1 corto brindan mayor seal
T1 es el tiempo en que se recupera el 63 % de Mz
Se utilizan T1 intermedios (recuperacin parcial de Mz) para generar distintos contrastes entre los tejidos
63%
100%
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Curva de Relajacin T2
Fundamentos de DO 34
MXY
Tiempo
Grasa 80 ms
Sustancia gris 100 ms
LCR (CSF) 2000 ms
100%
37%
Contraste T2
T2 largo >> decaimiento lento. En imgenes potenciadas en T2, tejidos con T2 largos brindan mayor seal
T2 es el tiempo en que la excitacin inicial decae al 37%
Se utilizan T2 intermedios para distintos contrastes entre tejidos
Mxy(t) = M0*exp(-t/T2)
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Fundamentos de DO 35
T1 y T2 de diferentes tejidos
T1/1.5T T1/0.5T T2
CSF >4000 >4000 >2000
Sustancia gris 920 660 100
Sustancia
blanca
790 540 90
Bazo 780 560 62
Rion 650 450 58
Higado 490 320 40
Musculo 870 600 50
Grasa 260 220 80
T2 mas cortos en abdomen que en cerebro T1 & T2 largos en CSF y lquidos T1 corto en la grasa
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Cambios de T1 y T2 segn anormalidad
Fundamentos de DO 36
T2 Largo
Corto
T1
Msculo
Deshidratacin Grasa
Largo
Corto
Degeneracin
grasa
rganos
Tumor
Inflamacin
Edema
Desnaturalizacin
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T1/T2W en cerebro
Fundamentos de DO 37
Imagen ponderada en T2 (Izquierda)
CSF (T2=2000 ms)
GM (T2=100 ms)
WM (T2=90 ms)
Imagen ponderada en T1 (Derecha)
WM (T1=540 ms)
GM (T1=660 ms)
CSF (T1=4000 ms)
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Seal intensa en imgenes T1W
Fundamentos de DO 38
Grasa
Sustancia blanca: acortamiento de T1 debido a mielina & agua
Acortamiento de T1 por efecto paramagntico (derecha)
Gd (Agente de contraste)
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Seal dbil en imgenes T1W
Fundamentos de DO 39
Baja densidad protnica: Pulmones, gas en sist. digestivo, cavidades
Baja movilidad protnica: Hueso, calcificacin, tendn, ligamentos
Agua libre: CSF, saliva, jugos gstricos, liquido sinovial
Inflamacin, edema, tumor
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Seal intensa en imgenes T2W
Fundamentos de DO 40
Agua libre: CSF, saliva, jugos gstricos, liquido articular
Inflamacin, edema, tumor
Varias clases de anormalidades
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Seal dbil en imgenes T2W
Fundamentos de DO 41
Baja densidad protnica: Pulmones, gas en sist. digestivo, cavidades
Baja movilidad protnica: Hueso, calcificacin, tendn, ligamentos
Acortamiento de T2 por efectos paramagnticos
Hierro, sangre (tumor, derrame)
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Fundamentos de DO 42
T2* (T2 estrella aparente)
Varias razones producen defasaje de los spines
Intrnsecas al tejido (relajacin Spin-spin, T2)
Externas: Variaciones de campo magntico
o In homogeneidad (usualmente el efecto dominante)
o Susceptibilidad magntica (habilidad para magnetizarse)
o Corrimiento qumico (diferencias en la frecuencia de resonancia debido a diferentes entornos de las molculas)
Todo esto resulta en un acortamiento del T2 (T2* aparente) y en prdida de seal
T2 mas importante que T2* >> Spin Eco
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Fundamentos de DO 43
Comportamiento luego de la Excitacin
Los spines se mantienen en fase si ignoramos los efectos de T2 y T2*
Si cada spin esta expuesto a diferente intensidad de campo B0, estos comenzaran a separarse al rotar a distinta velocidad
B0-2B: -2f
B0-B: -f
B0: Se mantiene igual
B0+B: +f
B0+2B: +2f
y
x
x
+2B
+B
y
x
x
+2B
+B
y
x
x
+2B
+B
y
x
x
+2B
+B
y
-2B
-B
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Fundamentos de DO 44
T2 & T2*
Signal decrease after
excitation (FID signal)
Echo signal
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Fundamentos de DO 45
T2 & T2*
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Indicaciones de la RMN
Afectacin del SNC: proporciona mayor resolucin que la TAC, en especial en afectacin de la sustancia blanca, fosa posterior y tronco del encfalo. Se usa para el estudio de estas estructuras afectadas por tumores, trombosis venosas, placas de desmielinizacin (esclerosis mltiple), infartos cerebrales, etc.
Afectacin de mdula espinal.
Tumorales: alteraciones tumorales de cualquier tipo y en cualquier rgano
Cardiovasculares: se puede estudiar el corazn as como su circulacin, las arterias, incluyendo la aorta y las diferentes venas.
Otorrinolaringologa: enfermedades de odos, senos, boca y garganta.
Sistema musculoesqueltico: Es muy til para el diagnstico de lesiones musculares, articulares y ligamentosas.
Fundamentos de DO
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Contraindicaciones de la RMN
Marcapasos cardaco.
Materiales ferromagnticos y diamagnticos (el Ti es compatible con la RMN)
Grapas implantadas mediante ciruga, para tratamiento de aneurisma intracraneal.
Cuerpos metlicos en los ojos.
Implantes metlicos en los odos.
Prtesis articulares.
Vlvulas artificiales metlicas en el corazn.
Aparatos dentales mviles.
Cualquier objeto extrao ferromagntico.
Claustrofobia magnetos abiertos!
Alergia a contrastes.
Embarazo (sobre todo durante primer trimestre).
Fundamentos de DO 47
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Atencin del paciente
Suele indicarse una dieta de 6 horas antes de la exploracin, pero en general no necesita estar en ayunas.
Debe ser firmado un consentimiento escrito de aceptacin de riesgos.
No debe de llevarse objetos metlicos (anillos, collares, pendientes, etc.) en ninguna parte del cuerpo, inclusive aparatos dentales mviles.
Permitirle que vaya al bao antes del estudio (duracin habitual promedio de hora).
Debe permanecer quieto durante la exploracin.
Encierro en gantry y exposicin a ruidos molestos.
Prevenir al paciente sobre movimiento de la camilla.
Fundamentos de DO 48
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Ventajas y Desventajas de la RMN
Ventajas Desventajas
Es muy segura ya que no produce radiacin ionizante.
Puede producir claustrofobia.
No es invasiva para el paciente. El ruido intenso puede llegar a ser muy molesto.
No hay dolor ni necesidad de punciones (slo inyeccin de contraste segn estudio)
Es relativamente cara respecto a otras tcnicas de radiodiagnstico.
Gran capacidad de resolucin de contraste (3 imgenes diferentes T1W, T2W y PD)
En algunos casos puede ser necesario inyectar contraste.
Diferenciacin de tejidos blandos
CUIDADO materiales ferromagnticos
Cortes en el espacio sin necesidad de posicionar al paciente
Fundamentos de DO 49