r mn principio s 2014

Ctedra: Tecnologa de las Imgenes III

Resonancia Magntica Nuclear: Principios Fsicos

Docente:

Bioing. Gustavo Bizai

1 Cuatrimestre de 2014

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

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.

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.

Resonancia

Fundamentos de DO 5

Resonancia en sonido

Violn >>> Arpa Frec. Violn = Arpa

Resonancia en vibracin mecnica

Rfagas peridicas hacen resonar al puente

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

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

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.

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

10

(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

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 ]

(3) & (4) Excitacin y Relajacin


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.

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

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


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

Mz y Mxy



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

Pulsos de RF 90 /180


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

Relajacin T1


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)


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

Significado fsico de T1


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

Relajacin T2


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



MXY

Tiempo

Grasa 80 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


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)


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.

Formulacin Matemtica


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

USACH - Tomografa Computarizada

VII.

29

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)

La seal FID


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

Principio de formacin de imagen Mxy & Mz


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

Proceso completo de imagen

32 Principios DO

Excitacin Relajacin

X

Y

Z

X

Y

Recepcin Computo Display

RF

ECO

Z

Y

X



Mz

Tiempo

Grasa 260 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%



MXY

Tiempo

Grasa 80 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)


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

Cambios de T1 y T2 segn anormalidad


T2 Largo

Corto

T1

Msculo

Deshidratacin Grasa

Largo

Corto

Degeneracin

grasa

rganos

Tumor

Inflamacin

Edema

Desnaturalizacin

T1/T2W en cerebro


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)

Seal intensa en imgenes T1W


Grasa

Sustancia blanca: acortamiento de T1 debido a mielina & agua

Acortamiento de T1 por efecto paramagntico (derecha)

Gd (Agente de contraste)

Seal dbil en imgenes T1W


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

Seal intensa en imgenes T2W


Agua libre: CSF, saliva, jugos gstricos, liquido articular

Inflamacin, edema, tumor

Varias clases de anormalidades

Seal dbil en imgenes T2W


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)


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


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


T2 & T2*

Signal decrease after

excitation (FID signal)

Echo signal


T2 & T2*

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).


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.


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


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