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LA FÍSICA DE LA IRM
HGAL-CIENFUEGOS-CUBA 2017 DEPTO IMAGENOLOGÍA
Dr. Josué Perdomo Rodríguez.Especialista en Imagenología.
57 años de existencia de la RMN 30 años de existencia de la IRM
Magnetización de haces moleculares.
Zavoiskii, U. de Kazán. Resonancia Paramagnética Electrónica.
F. Bloch y col. en Harvard, E. Purcell y col. en Stanford. Resonancia en líquidos y sólidos.
1946
Peter Mansfield y Paul Laterbur. Imágenes con Resonancia Magnética aplicadas a la Medicina. .
1973
1944
1932
¿ Resonancia Magnética Nuclear ?
Por sus siglas:
•R: Resonancia es hacer coincidir sus 2 fuentes de energía: la frecuencia interna que provoca el Imán en el cuerpo humano, con la frecuencia externa, que producen los Pulsos de Radiofrecuencia.
•M: Magnética, el Imán, uno de los causantes de este fenómeno.
•N: Nuclear, proviene del estudio del núcleo del átomo.
Nota. En la actualidad se utiliza el término de Imagen por Resonancia Magnética (IRM).
En la física, ¿¿ que diferencia, a la IRM de las restantes técnicas imagenológicas y a quien
se parece ??Es la única que utiliza 2 fuentes de energías diferentes:
•El Imán, casi totalmente homogéneo (Frecuencia interna). La intensidad del campo magnético se mide en Tesla (1T:10,000 Gauss), El campo magnético de la Tierra está entre 0,3 y 0,7 Gauss.
•Los pulsos de Radiofrecuencia (Frecuencia externa). Se mide en mseg.
•Se auxilia de antenas o bobinas emisoras y receptoras (de volumen, corporal o localizada, de compensación o shimming, de gradientes con 3 juegos y las de superficie. Requiere de aislamiento constructivo.
•Se parece a una Emisora de Radio o TV.
¿ Cuál es el concepto físico de Resonancia Magnética ?
Es la absorción y liberación de energía, que ocurre cuando
los núcleos de los átomos o moléculas que tienen movilidad,
situados de un campo magnético externo (Imán), son
expuestos a una energía de radiofrecuencia (Pulsos de RF).
La frecuencia a la cual absorben la energía es la llamada
frecuencia de resonancia (FR).
Bloch y Purcell reciben el Premio Nobel por explicar el
fenómeno de la RM en sólidos y líquidos en el año 1946 y
Peter Mansfield y Paul Laterbur en 1973, in vivo.
¿ Cuales son los pasos a realizar para obtener una imagen de IMR ?
Colocar al paciente dentro de un Imán, con un campo magnético externo potente y casi homogéneo.
Contar con antenas o bobinas que puedan emitir pulsos de RF (bobinas emisoras) y que puedan recoger las señales o ecos procedentes de los tejidos (bobinas receptoras). Un ordenador capaz de transformar las señales eléctricas emitidas, en señales digitales (Procesador de imágenes).
Imán Bobinas que emiten pulsos de RF
Bobinas receptoras de señales Procesador de imágenes
¿ Qué sucede cuando colocamos a un paciente en el interior del Imán de un equipo de RM ?
Para ello debemos recordar algo de la Física de los átomos y en especial del protón H
Los átomos constan de un núcleo y una corteza.
En el núcleo, además de otras estructuras, existen los protones, pequeñas partículas que tienen una carga eléctrica positiva.
Los protones (1H) son similares a pequeños planetas, que al igual que la Tierra, están girando constantemente, realizando un movimiento de spín, alrededor de su eje, o sea los protones poseen un espín y su carga eléctrica positiva realiza el mismo movimiento del spín, por tanto crean una corriente eléctrica.
Una corriente eléctrica en movimiento, induce un campo magnético.
En conclusión el protón (H) tiene su propio campo magnético y se puede considerar como un pequeño imán.
Los protones son similares a pequeños planetas y están girando constantemente.
El protón H posee un spin y tiene su propio campo magnético (pequeño Imán).
m1
m2
m3m4
m5
Tejido no magnetizado
m1
m2
m3m4
m5
Tejido magnetizado
Magnetismo en los tejidos
N
S
m
imán nuclear
Agua
1H
más usado
señal más intensa
Dentro de un campo magnético externo los protones móviles, al igual que la brújula en el campo magnético de la Tierra, se tienden a alinear, aunque los protones se disponen en sentido paralelo y antiparalelo, lo que se corresponde con diferentes niveles de energía.
N
S
El estado preferido de alineación de los protones móviles es aquel que necesita menos energía. Este grado de diferencia depende de la intensidad del campo magnético.
Cuando un trompo está terminando de girar lo hace con un movimiento, en giro cónico, que se conoce como precesión. Lo mismo le sucede a los protones dentro de un campo magnético. La velocidad y frecuencia varían con la intensidad del campo magnético
¿Qué otra cosa le pasa a los protones cuando se colocan dentro de un campo magnético homogéneo?.¿ Qué es la precesión ?
N
S
¿ Qué es la frecuencia de precesión. Ecuación de Larmor ?
W0: frecuencia de procesión ( Hz o MHz)
B0: intensidad del campo magnético externo (T)
Y: constante giromagnética ( para el protón H es de 42,5 MHz/T)
Sistema de coordenadas que facilita describir el movimiento del protón en el campo magnético. A la derecha se ve el eje de la Z en la dirección de las líneas del campo magnético. A la izquierda se ha quitado el
campo magnético y se representan a los protones como vectores de fuerza (cabezas de flechas).N
S
Vector magnético resultante de la
suma de los protones
orientados en el plano de las Z.
Paciente magnetizado en
dirección longitudinal,
alineado con el campo
magnético externo y por lo
tanto no podemos medirlo.
¿ Qué sucede después de colocar al paciente dentro del imán ?
• Le enviamos ondas electromagnéticas, en el rango
de las ondas de radio, que se conocen como pulsos
de RF, con el propósito de perturbar los protones
que están precesando tranquilamente.
• Se requiere un pulso de RF que pueda intercambiar
energía con el protón, para cambiar su alineación,
por lo que es necesario la misma velocidad del
pulso de RF, que la frecuencia de precesión.
Pulso RF Señal RMSeñal RM
NN
SS
Resonancia Magnética. Principios Físicos
Cuando los protones y el pulso de RF tienen la misma frecuencia es posible el intercambio de energía (Fenómeno de resonancia).
Esto no ocurre cuando no hay la misma velocidad de frecuencia
El pulso de RF (al igual que un látigo), provoca además, que los protones procesen de modo sincrónico, o sea, entren en fase, estableciéndose una nueva magnetización en el plano X Y.
El pulso de RF disminuye progresivamente la magnetización longitudinal y crea de modo progresivo a la magnetización transversal en el plano X Y, que se mueve junto a los protones precesando.
La magnetización longitudinal no puede medirse. Es necesaria una magnetización transversal al campo magnético.
¿ Cómo podemos medir el grado de magnetización ?
Cuando cesa el sonido del látigo (Pulso de RF), los ositos, que estaban ordenados (en fase) quieren regresar al corral (estado de menor energía) para descansar, pero lo hacen de modo desordenado, chocando entre si (TR T2) y con las vayas (TR T1). Si el domador quiere ganarse mas aplausos, puede repetir el latigazo mas fuerte (Pulso de 180º) y logra que los ositos inviertan su dirección, de manera ordenada, durante mayor tiempo, para luego regresar a la jaula.
¿ Qué pasa si ahora se aplica un pulso de 180º y cual es su finalidad ?
Después de interrumpir el pulso de RF los protones se desfasan (a c).
Si ahora se aplica un pulso de 180º, hace que los protones precesen en dirección opuesta, en fase, lo que prolonga el examen, provocando una señal mas intensa con mayor información (Spin eco).
¿ Qué sucede cuando se interrumpe el estímulo de radiofrecuencia (RF) ?
Las partículas se relajan y vuelven al estado de reposo,
liberando la energía acumulada en forma de RF, lo que
induce una señal eléctrica en una antena o bobina
receptora.
Esta señal es procesada por un principio matemático,
que permite obtenerla imagen de RM.
El vector de magnetización transversal se mueve acercándose y alejándose de una antena y puede inducir una corriente eléctrica o campo magnético, que puede recogerse en forma de una señal (FID) y siempre con la frecuencia de precesión. Por medio de la frecuencia podemos asignar la señal a una determinada localización (relacionar el sonido con su localización).
Información espacial de la Magnetización transversal.
Protones rotando sincrónicos.
Señal de Resonancia Magnética, Campana.
La antena es como un micrófono y el vector magnético suma tiene una campana en su extremo. Ello permite obtener una señal definida, de ahí el término de intensidad de señales.
Si en la TAC se habla de densidades y en el US se habla de ecogenidad, ¿ Cuál es el término utilizado en la IRM ?
El término es de SEÑALES, que pueden ser iso, hipo o hiperintensas en relación con los tejidos vecinos y que varía con la técnica empleada.
Los tejidos que no contienen protones libres no ofrecen señales (aparecen negros en las imágenes), como sucede con el pulmón, la cortical ósea, ligamentos, fibrocartílagos, etc.
¿ Qué son los Tiempo de relajación T1 y T2 ?
El T2 es una constante de tiempo que caracteriza la
pérdida de la magnetización en el plano XY (choque
entre los protones defasados). Tiene su origen en la
transferencia de energía entre los espines del sistema y
es característico de cada tejido. Siempre el T2 < =T1.
El T1 es también una constante de tiempo que se
caracteriza por el regreso de los protones al estado de
reposo y expresa la transferencia de energía con los
protones de la red vecina (choque de los protones con
el intersticio para regresar al estado de menor energía).
Gráfica que muestra la magnetización transversal en función del tiempo (curva T2 o espin - espin).
Gráfica que muestra la magnetización longitudinal en función del tiempo (curva T1. Tiempo de relajación longitudinal. Cambio de energía térmica).
¿ Como se representan en gráficas, los tiempos de relajación T1 y T2 ?
¿ Cuando comienzan el T2 y el T1 ?¿ De qué dependen ?
El T2 comienza a ocurrir al mismo tiempo que el T1. Los protones liberan su energía de forma asincrónica, ya que las partículas cargadas que las bordean, generan pequeñas variaciones del campo magnético entre ellos, a lo que se suma la no homogeneidad completa del campo magnético externo (Imán), lo que defasan a los protones: es la llamada interacción spin-spin (protón - protón), que define el T2.
El tiempo de relajación T1 comienza de modo simultáneo al T2, aunque es diferente e independiente y representa el intercambio de energía térmica de los protones con el medio que los rodea (spin-intersticio). Es muy dependiente de intensidad del campo magnético.
Una imagen está potenciada en T2 cuando el agua libre en reposo (ventrículos cerebrales) aparece blanca.
Los TR T1 y T2 son constantes e independientes. El T1 es aproximadamente de 2 a 10 veces mas largo que el T2. En los tejidos biológicos el T1 oscila de 300 a 2,000 mseg y el T2 de 30 a 150 mseg.
El T1 se define cuando se alcanza el 63% de la ML y el T2 cuando la MT ha decrecido hasta el 37% de sus valores originales.
Definición cuantitativa del T1 y T2
Tiempos de relajación de algunos tejidos humanos normales in vivo
140 - 170140 - 170
T1--
T2
250 - 290250 - 290 --
225 - 250225 - 250 80 - 13080 - 130
250 - 275250 - 275 90 - 13090 - 130
120 - 140120 - 140 --
350 - 1500350 - 1500 330 - 1500330 - 1500
Hígado
Bazo
Sustancia blanca
Sustancia ggris
Grasa
LCR (Agua)
Nota. El agua (edema) tiene un T1 y un T2 largo. La grasa tiene un T1 corto
Secuencia de pulsos de Spin Eco
Tiempo de Repetición (TR):
Tiempo de aplicación entre 2 pulsos de excitación (90o).
Tiempo de repetición de la secuencia de impulsos.
Tiempo de Eco (TE):
Tiempo desde el comienzo de la relajación transversal hasta que se mide la magnetización.
Tiempo desde el pulso de 90º hasta la aparición del Eco o Señal.
El médico o Licenciado que trabaja en la IRM es similar a un director de orquesta porque puede elegir diferentes secuencias de pulsos para modificar las señales, que a su vez son influidas por diferentes parámetros (modificar el TR y el TE).
¿ Por qué es necesario un equipo tan complejo para obtener imágenes del organismo ?
1. En la realización de cada experimento hay que hacer una pausa. entre la excitación y la relajación de los protones, para recibir la información.
2. Durante este proceso gran número de protones anulan sus fuerzas y solo un pequeñísimo número de ellos se pueden aprovechar.
3. Hay que escoger, de forma selectiva, los volúmenes de excitación.
¿ Cómo se mide el Tiempo de adquisición de las imágenes ?
Ta: Tiempo de adquisición.TR: Tiempo de repetición de pulsos.N: No. de pixeles.Nex: No. de excitaciones.
Nex (no de excitacionesTa: TR x N x Nex
Utilizando un TR largo y mientras esperamos la aparición del Eco en A, podemos hacer medidas en uno u mas cortes diferentes (cortes B, C y D). Cuanto mas largo sea el TR mas cortes podemos excitar en el mismo tiempo. A diferencia de la TAC y como inconveniente, las imágenes aparecen al final de la exploración.
¿ Cómo reducir el Tiempo de adquisición de las imágenes ?
¿ Cómo podemos seleccionar el corte y el plano de corte que queremos examinar sin mover al
paciente?
Se logra colocando un segundo campo magnético al
campo magnético externo (Bobina), lo que consigue que
el campo magnético, sea más fuerte o más débil, en un
lugar que en otro.
Este campo magnético llamado Gradiente de campo, se
logra con las bobinas de gradientes, que pueden
superponerse en cualquier dirección, lo que permiten
seleccionar los cortes y los diferentes planos.
Selección del corte y plano de corte que queremos examina. Bobinas de gradientes.
Utilizando gradientes de campo o de selección de cortes, o de planos de cortes, con las bobinas de gradientes, que pueden superponerse en cualquier dirección. Se requiere seleccionar el pulso de RF de una cierta frecuencia, con lo que determinamos la localización de la región a estudiar.
Selección del grosor de corte con un pulso de RF que no tiene una frecuencia específica, sino cierto rango de frecuencia (anchura de banda).
Cuanto mas amplio sea el rango de frecuencia, más grueso será el corte.
Selección del grosor de corte con un gradiente de campo variable que provoca una diferencia en la intensidad del campo magnético entre el nivel de los pies y la cabeza o sea el gradiente de campo es más marcado.
¿ Cómo podemos seleccionar el grosor del corte ?
En a y c se utiliza un pulso de RF de la misma anchura de banda, con frecuencia entre 60 y 68 MHz en a, y entre 56 y 72 en c. Al tener una mayor diferencia de gradiente de campo (56 a 72), el grosor de corte en c, es mas fino que en a
¿¿ Cómo podemos determinar de donde viene la señal en un determinado corte para construir la imagen?? R: Gradiente de codificación de frecuencia.Gradiente de codificación de frecuencia.
En A hay 9 protones en un mismo corte. Se envía un pulso de RF y todo los protones, precesan a la misma frecuencia. En B se superpone un gradiente de campo magnético superpuesto al campo magnético externo, que disminuye en intensidad de izquierda a derecha (gradiente de codificación de frecuencias), lo que permite diferenciar los protones, y emiten señales con frecuencias diferentes. Sin embargo todos los protones de una columna emitirán sus señales con la misma frecuencia. ¿¿ Que hacer ??
¿ Cómo localizar de que parte de la columna, con la misma frecuencia, viene una determinada señal ?
R: Gradiente de codificación de fase.
Ahora se aplica un gradiente de campo vertical, que es mas intenso arriba, y si bien los protones precesan con la misma frecuencia, pero lo hacen en diferentes fases y con diferentes señales. Es el llamado gradiente de codificación de fase. El procesador de la computadora, utiliza un proceso matemático (transformada de Fourier), que analiza esta información, pudiendo reconstruirse la imagen.
Ilustraciones de las técnicas de RM cuantitativas, que utilizamos en Erlangen con el equipo de 1,5 T.
Hallazgos de las técnicas de IRM especializadas en las neoplasias intraxiales del cerebro
Hallazgos en la IRMNeoplasias
Primarias Secundarias
Espectroscopia
Señal de los lípidos (ppm)
Elevado entre 0,9 y 1,3. Elevada entre 0,9 y 1,3.
Señal del lactato (ppm)Elevado 1,33 en los tumores muy agresivos. Elevado 1,33
Señal de NAA (ppm) Reducida 2,2 en las lesiones muy agresivas
Elevada por encima de 2,02
Señal de la colina y creatina (ppm). Relación.
Elevada por encima de 3,2 en tumores muy agresivos
Elevada 3,2
Señal del mioinositol (ppm)
Elevada a 3,55 en los tumores muy agresivos -
Difusión Valor del ADC Variable 0,82 - 2,73 x 10-3 mm2/seg
Elevado
Perfusión Valor del rTBV Tiende a aumentar con el grado de agresividad
Elevado
RecordatorioRecordatorio de algunos de los parámetros utilizados por nosotros (Erlangen) en la RM
cuantitativa.
IRM de Difusión en un paciente con una metástasis cerebral
Hombre de 73 años con metástasis cerebral por un hipernefroma. a. IRM T1 Gd CA. Hay una pequeña masa heterogénea en la parte posterior del lóbulo
frontal izquierdo, que estaba rodeada de una extensa área hiperintensa en T2 (no mostrada).
b. IRM difusión CA. Hay una difusión aumentada con una pequeña área de restricción a la difusión, con un valor de ADC (Coeficiente de difusión aparente) alterado: de 0,82 - 2,73 x 10-3 mm2/seg
ADC = coeficiente de difusión aparente.
Espectroscopia y Perfusión en un astrocitoma frontal
• NAA = N-acetilaspartato.• Cr = Creatina.• Cho = Colina• Relaciones Cho/Cr y NAA/Cr
• LAC =Lactato
• Mio=Mioinositol
IRM Gd. IRM de Perfusión y Espectrocopia en un paciente con un Oligoastrocitoma anaplásico
b. IRM con mapeo del rCBV, aparece elevado el volumen relativo de sangre tumoral (rTBV) cuando se comprara con el lado opuesto normal, en especial en la porción posterior periférica.c. IRM-Espectroscopia. Hay disminución en el pico del NAA (a 2.02 ppm) y de la Cr (a 3.0 ppm) y elevación del pico de la Cho (a 3.2 ppm). d. Se ilustra el mapa del espectro color de la relación NAA/Cr.
ADC = coeficiente de difusión aparente. NAA = N-acetilaspartato.rCBV = volumen relativo de sangre cerebral. rTBV = volumen relativo de sangre tumoral.Cr = creatina.Cho = colina
Paciente de 39 años portador de un un oligoastrocitoma anaplásico del lóbulo frontal comprobado por biopsia.
a. IRM T1 Gd CA. Se aprecia una masa tumoral frontal que se intensifica poco.
IRM de Perfusión en un paciente con un Glioblastoma recidivante. Estudio evolutivo favorable.
Hombre de 64 años con glioblastoma recidivante.
a. IRM de perfusión con mapeo a color que muestra un área con aumento del rTBV (flecha).
b. IRM T1 Gd. Se aprecian masas recidivantes en el lóbulo parietal derecho.
c. IRM de perfusión con mapeo color a las 6 sem de Tto que muestra como el rTBV retorna a cifras normales.
d. IRM T1 Gd. Hay evidente reducción de las señales en el tumor.
(rCBV = volumen relativo de sangre cerebral)
¿¿ POR QUÉ ES TAN IMPORTANTE LA IRM ?
EN LAS IMÁGENES ¿¿ QUÉ LA DIFERENCIA DE LA TAC-M ?
¿ Cuales son las ventajas y desventajas de la IRM sobre la TAC ?
Ventajas
1. La IRM no utiliza radiaciones, sólo se basa en la manipulación del magnetismo corporal y de los Pulsos de RF.
2. Ofrece mayor resolución de contraste, salvo para detectar el calcio.
3. Es una técnica con capacidad multiplanar directa sin movilizar al paciente.
4. Permite realizar diferentes experimentos (morfológicos y cuantitativos).
1. La exploración es más prolongada, aunque los equipos modernos son más rápidos. Si el paciente se mueve 1 ves, todas les imágenes de esa secuencia aparecen con artefactos.
2. Puede provocar claustrofobia, por lo que se introdujeron los magnetos abiertos.
3. Hay dificultades en los niños pequeños y en los pacientes no cooperativos, que requieran anestesia.
4. No puede utilizarse en los pacientes con marcapasos, clips metálicos intracraneales, implantes cocleares y en algunos pacientes con prótesis valvulares cardiacas.
Desventajas
Resumen de la HC del niño GPS de 8 años, confeccionada por el Dr en Física FMN, del Hospital Universitario de Erlangen (RFA) y remitida al Neurocirujano VHN de Cuba.
Estimado Profesor VHN. Se trata de un niño de 8 años con historia de salud anterior, que desde hace 48 horas presenta un síndrome cerebeloso con convulsiones ocasionales. Al niño se le había realizado, en otro Hospital, una TAC-HM con un equipo de 256 canales, que incluía una AngioTAC y una TAC de perfusión cerebral, donde se sospechaba una lesión expansiva de línea media del cerebelo, pobremente vascularizada, con una ligera dilatación supratentorial de los ventrículos. Por todo ello se remite a nuestro Servicio, en Erlangen (RFA), para realizarle un estudio de IRM, el cual se inicia en un equipo con Imán permanente de 0,35 T, de tipo abierto, previa sedación rectal del niño, permaneciendo la madre junto al paciente. Este equipo tiene una frecuencia de precesión de 14 MHz.Se realizan CA, CC y CS con técnicas de TR de 200 mseg y TE de 15 mseg y TR de 2000 mseg y TE de 180 mseg. Luego se realizan técnicas de FLAIR para la supresión del LCR, técnicas en T1 con SG y de GE en T1 y T2. Además se hace técnica T2* en busca de metahemoglobina. A continuación se realiza técnica de TOF para el estudio de los vasos vecinos a la lesión y por último AngioRM con Gd, previo conocimiento de la función renal. Estas técnicas aportan datos muy valiosos para el diagnóstico, pero el Neuroradiólogo necesitaba mayor información, con fines quirúrgicos.
En ese mismo momento se había acabado de instalar, en el Hospital de Erlangen, un equipo Superconductivo (cerrado) de 3 T, con una frecuencia de procesión de los protones de 50 MHz. Se había comprobado la seguridad de la cámara Faraday y el imán se había llenando con Helio y Nitrógeno, por lo que se decide completar el estudio en este equipo. El niño comienza a presentar convulsiones incontrolables, por lo que se decide darle anestesia general, disponiéndose de un equipo anestésico no ferromagnético con un tubo endotraqueal de iguales características, señalando el anestesista que solo disponía de 30 min para terminar el examen. A pesar de lo limitado del tiempo, se decide repetir todas las secuencias anteriores y además se hacen estudios cuantitativos de RM, que incluyen IRM de Difusión, Difusión/Tensión, Tractografía, Relaxometría, Magnetización transferida, IRM de perfusión y Espectroscopia, terminándose el examen a los 28 min.Se anexa el informe de estas investigaciones y algunas de las imágenes obtenidas, en que se plantea un tumor de origen pluripotencial, de gran agresividad.
Saludos respetuosos
FMN. Dr en Física Médica. Erlangen. RFA.
Se anexan algunos de los hallazgos de RM cuantitativa realizados en Erlangen, con nuestro equipo superconductivo de 1,5 Tesla que utilizamos de modo habitual en estos pacientes.
Imágenes de IRM convencionales del niño GPS
IRM GE CS Gd. (a), técnica de difusión CA IRM de Difusión (b). Se
aprecia una gran masa en línea media de la FP, con restricción a la difusión en lo porción sólida del tumor.
IRM T1 Gd CS y de Difusión CA
GRACIAS
