RESONANCIA MAGNETICA NUCLEAR FUNDAMENTOS FISICOS Y TECNOLOGICOS Msc. Ingeniero Guillermo Avendaño Cervantes Se agradece a empresas (Siemens, Imotion, Philips, G. E y otras que proporcionaron imágenes y fotos ESCUELA DE TECNOLOGIA MEDICA UNIVERSIDAD DE VALPARAISO

IMAGEN TRIDIMENSIONAL RMN

CONTENIDO DE LA PRESENTACION Esta presentación no puede cubrir todos los aspectos, se limitara a: Los principios físicos fundamentales La obtención de señales procedentes de un ser vivo Sistema general de exploración Fundamentos de la formación de imagen Algunas imágenes diagnósticas Visión de la seguridad involucrada

TEMAS RELATIVOS A LA RMN La RMN involucra diversos tipos de conocimientos: MATEMÁTICAS Y FÍSICA ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES COMPUTACIÓN Y FORMACIÓN DE IMAGEN ANATOMÍA Y FISIOLOGÍA INTERPRETACIÓN Y DIAGNÓSTICO FUNCIONALIDAD Y MANTENIMIENTO

CONCEPTOS MATEMATICOSY FISICOS FUNDAMENTALES VECTORES FUNCIONES TRIGRONOMETRICAS FUNCIONES EXPONENCIALES DERIVACION INTEGRACION TRANSFORMADA DE FOURIER CONVOLUCION

FUNCIONES TRIGONOMETRICAS Los funciones trigonométricas tienen gran importancia en la emisión y detección de ondas de radiofrecuencia involucradas en la RMN.

FUNCIONES EXPONENCIALES Muchos procesos naturales y también artificiales como los que se provocan en la RMN tienen una atenuación progresiva de acuerdo a leyes llamadas exponenciales (x está como exponente)

CONCEPTO DE VECTORES Un vector es una cantidad que tiene magnitud y dirección como el caso del spin nuclear en un campo magnético, representado como originado en el centro de un sistema de coordenadas

TRANSFORMACION DE COORDENADAS Un sistema de ejes coordenados representan las dimensiones (dos o tres dimensiones), es posible hacer transformaciones de coordenadas correspondientes a procesos físicos que se desplazan

CONCEPTO DE DERIVACION LA CURVA Y=F(X) AL SER DERIVADA SE CONVIERTE EN LA PENDIENTE DE LA FUNCION EN CADA PUNTO (RECTA DE ABAJO)

CONCEPTO DE INTEGRACION LA INTEGRAL ES UNA SUMA DE INFINITESIMOS VALORES QUE SE CONSIDERAN ENTRE UN RANGO DADO, REPRESENTA EL ÁREA BAJO LA CURVA

CONCEPTO DE CONVOLUCION Se pueden convolucionar dos funciones, esto equivale a desplazar una onda sobre otra como la de color negro sobre la de color azul, el resultado será la onda convulucionada en rojo

TRANSFORMADA DE FOURIER Una onda de forma compleja está compuesta por numerosas ondas sinusoidales de frecuencias crecientes y amplitudes decrecientes, puede ser representada en su componentes

PROPIEDADES DEL NÚCLEO Ciertos núcleos poseen un “momento angular” o SPIN Como los núcleos tienen carga poseen un momento magnético , vector que expresa la dirección y fuerza del campo magnético El núcleo magnético se comporta como una imán microscópico

LOS NUCLEOS Y EL CAMPO MAGNETICO En ausencia de Campo magnético los núcleos (spins) están en giro aleatorio (como en el organismo vivo). pero al introducirse en un campo magnético tienden a orientarse según las líneas de fuerza del campo. El análisis se hace con el spin más simple el hidrógeno

ORIENTACION MAGNETICA Los Spin no se alinean exactamente con el campo magnético, se desvían un cierto ángulo  Según la mecánica cuántica establece que hay dos estados ( paralelo y antiparalelo) correspondientes a estado de alta energía y baja energía

¿QUE OCURRE CUANDO SE COLOCAN LOS SPINS EN UN CAMPO MAGNETICO? Cuando el protón es situado en un campo magnético externo, el vector del spín de la partícula, se alinea con el campo externo (como una partícula en un imán) Existe una configuración de BAJA energía cuando los polos se alinean N-S-N-S y de ALTA energía si lo hacen N-N-S-S

EFECTO DE LA INTENSIDAD DE CAMPO MAGNETICO A medida que el campo magnético se intensifica los protones (núcleos) se distribuyen entre alta y baja energía en forma similar aunque incrementando la diferencia de energía

ORIGEN DE LA PRECESION Al situar los protones en un CM externo, se crea un movimiento precesional producido por la interacción del momento magnético con el campo magnético externo, en forma similar a la acción de un trompo en presencia de la gravedad

ECUACION FUNDAMENTAL DE LA PRECESION Se demuestra que la frecuencia de precesión depende de la intensidad del campo magnético y de la naturaleza del núcleo, entonces se tiene una constante de cada núcleo llamada  RAZON GIROMAGNETICA La ecuación mostrada se llama relación de LARMOR

PROPIEDADES DE RESONANCIA MAGNETICA DE ALGUNOS NUCLEOS

MAGNETIZACION MACROSCOPICA Los núcleos no existen solos, por ello se aprovecha la inmensa cantidad de átomos de hidrógeno en el ser vivo para formar imágenes De todos los núcleos mas de la mitad están en estado de baja energía (En un cm 3 de agua hay de H). La punta de los vectores de cada momento magnético están en cualquier dirección, al juntarse todos dan una magnetización macroscopica M

EL CAMPO MAGNETICO DE RADIOFRECUENCIA El alineamiento de los vectores individuales (momentos magnéticos) crea una magnetización macro M a lo largo del eje del campo externo, los componentes transversales de los spins individuales se cancelan (por aleatoriedad) Si la componente M queda paralela no puede inducir un voltaje en una bobina introducida en el campo

VECTOR RESULTANTE Y SU POSICION DENTRO DEL IMAN Aplicando a la RMN los conceptos de sistemas de coordenadas el campo externo, el vector de magnetización macroscopico M se representa en estado de equilibrio a lo largo del eje Z.

¿COMO SE INDUCE UNA TRANSICION ENTRE NIVELES DE ENERGIA Las transiciones son inducidas por medio de energía irradiada con una magnitud correspondiente a la de los estados E 1 y E 2 En equilibrio existe un ligero exceso de población de spins P 1, es decir P 1 >P 2

CONCEPTO DE RESONANCIA Se puede definir como una vibración de muy alto nivel causada por un estímulo relativamente pequeño pero con la condición de tener el mismo o cercano periodo de la vibración natural del sistema Existe un balance dinámico natural entre los dos niveles de energía, determinados por el campo magnético y la temperatura (“equilibrio térmico”). Este equilibrio se cumple cuando el número de transiciones de alta energía a baja son iguales a las de baja energía hacia la alta La resonancia induce transiciones entre los dos niveles, esto ocurre cuando se aplica una radio frecuencia con valor dado por Larmor, permutando los momentos magnéticos de paralelo (baja) hacia el estado de antiparalelo (alta)

RESONANCIA (CONTINUACION) Sin resonancia no hay señal detectable La absorción de resonancia magnética sólo puede ser detectada si se crea una magnetización transversal dependiente del tiempo de acuerdo a la ley de Inducción electromagnética de Faraday Por el contrario la magnetización longitudinal en equilibrio térmico es estática y no cumple los requisitos para provocar inducción magnética La conclusión de esto es la necesidad de OBTENER UNA ALTERACIÓN DEL ALINEAMIENTO DE LOS SPINS, esto sólo se puede lograr haciendolos resonar a su frecuencia característica

¿COMO LOGRAR LA MAGNETIZACION TRANSVERSAL? La Mag. Transv. se logra con un pequeño campo electromagnético B 1 de radiofrecuencia, el cual rota sincronicamente con los spins en precesión Cuando el campo B 1 actúa perpendicular al campo principal Bo, provoca la llamada NUTACIÓN o desviación espiral del vector M lejos de su estado de reposo

CONCEPTO DE NUTACION Si la duración del campo B 1 es suficiente para producir la inclinación en rotación (NUTACION), de la magnetización en 90 º el vector de la magnetización completa termina en el plano transversal

COHERENCIA DE FASE Amenos que B 1 rote sincrónicamente con la magnetización en precesión, no se produce resonancia Siguiendo al pulso de RF, la magnetización transversal M xy precesiona alrededor del eje del campo externo con el resultado de producir una inducción en la bobina receptora situada en el plano transversal al apagar el pulso de RF

PRECESION LIBRE O POSTEXCITACION Al retirar la RF el momento magnético induce un voltaje en la bobina receptora, este periodo se llama “precesión libre” La magnetización M xy se extingue creando una señal llamada “decaimiento de inducción libre “ FID

FUNDAMENTO DE LA CREACION DE IMAGEN La amplitud de la señal es  a la magnetización transversal, la cual es a su vez  al número de núcleos excitados en un volumen dado del tejido. Son discernibles las diferentes densidades de H para formar con ellas una imagen, el núcleo ve así diferentes campos de acuerdo a su posición espacial

NECESIDAD DE GRADIENTES Si se altera el campo externo con otro campo lineal que varia a lo largo de un eje ( x), la frecuencia de resonancia dependerá de la localización del elemento de volumen (VOXEL) que nos interesa con respecto al eje x Esto implica que diferentes elementos de volumen del mismo elemento pueden tener decaimiento de inducción libre (FID) diferentes, con lo cual podemos distinguirlos.

DEMOSTRACION CON FANTOMAS DE AGUA Dos cilindros de agua “sienten” el mismo campo si no existe gradiente, así la FID tiene una sola frecuencia. (Fig a) Con gradiente las dos muestras sensan dos campos distintos, el resultado es una FID compuesta por dos frecuencias (Fig b)

ANALISIS MATEMATICO DE LAS SEÑALES Las señales son múltiples y de diferentes localizaciones, entonces para determinar las frecuencias individuales se hace un análisis matemático complejo con un computador por medio de la transformada de Fourier La FID representa la evolución en el tiempo de la magnetización transversal mientras que la Transformada representa su distribución en frecuencias

SECUENCIA EN EL TIEMPO DE LA FORMACION DE IMAGENES La secuencia de la imagen en el tiempo contiene pulsos selectivos de cada tajada de tejido (a 90º), pulsos codificadores de codificación de gradiente Pulsos codificadores en frecuencia de gradiente La señal obtenida Los pulsos de las tres gradientes representan amplitud y duración de los campos magnéticos de gradiente.

PRINCIPIO DE LA FORMACION DE IMAGEN Se requiere gradientes tanto en X como en Y Las proyecciones de señal se obtienen a partir de las muestras (agua) situadas en el plano XY, estas requieren de adquisición de señal en presencia de gradiente x y gradiente Y.

RETROPROYECCION El principio de reconstrucción de imagen por R.P. exige que las señales se puedan adjudicar a posiciones inequívocas. Se requieren tres perfiles para reconstruir la procedencia y así la forma de las muestras.

EXCITACIÓN SELECTIVA DE UNA SECCIÓN Se forma una imagen con la combinación de pulsos selectivos en función de la frecuencia y la presencia de un gradiente z, así la excitación puede ser confinada a una tajada ( slice) de grosor  z

IMÁGENES POR TIEMPOS DE RELAJACION Las imágenes que se obtuvieron con el principio anterior, son mapas de densidad de protones contenidos en en el tejido La RMN permite también obtener imágenes basadas en las características dinámicas de los protones, o sea en sus tiempos de relajación

TIEMPO DE RELAJACION SPIN RETICULADO El reticulado o ambiente nuclear con el que el protón intercambia energía, en una analogía termodinámica se considera “frio” y al spin “caliente”, el intercambio a través del tiempo de relajación depende del tejido, esto se realiza a través de dos tiempos T 1 ( Spin- reticulado) y T 2 (spin-spin)

LOGRO DE CONTRASTE EN FUNCION DE LOS TIEMPOS DE RELAJACION En función del incremento de la atenuación de la señal (tiempo de relajación), del líquido céfaloraquideo con respecto al cerebro, se tiene un mejor contraste en la imagen

TIEMPO T 2 SPIN SPIN La componente transversal decae y hace que la señal inducida se desvanezca, pero las señales no son iguales porque el campo nunca es perfecto, así se puede usar el efecto de la interacción entre núcleos lo cual causa efecto en M xy independiente de la calidad del campo magnético. El tiempo T 2 detecta dicha interacción sin ser afectada por las imperfecciones técnicas del campo

RELAJACION TRANSVERSAL EFECTIVA Algunos vectores de magnetización son mas rápidos que otros, entonces se produce una perdida de coherencia de fase a medida que pasa el tiempo, hasta que finalmente se tienen una anulación de la magnetización

CONCEPTO TECNICO EN BLOQUES

RESONADOR DE TIPO ABIERTO ESTE CONCEPTO DE GANTRY ABIERTO REDUCE LA SENSACION DE CLAUSTROFOBIA Y NO REQUIERE SEDAR AL PACIENTE

RESULTADO DE UNA RECONSTRUCCION

ESTUDIO DE TEJIDO BLANDO ESTUDIO MAMOGRAFICO DE ALTA CALIDAD DIAGNOSTICA

ANALISIS ESPECTRAL ADICIONAL A LA FORMACION DE IMAGEN EL PEAK DE COLINA INDICA EL GRADO DE MALIGNIDAD DEL TUMOR DE LA IMAGEN MAMOGRAFICA PREVIA

IMÁGENES DE ALTA RESOLUCION

ESTUDIOS CRANEALES

ESTUDIOS ANGIOGRAFICOS LA INTRODUCCIÓN DE UN MEDIO DE CONSTRASTE MAGNETICO, COMO EL GADOLINIO PERMITE HACER ESTUDIOS SELECTIVOS DE LOS VASOS

MODALIDADES TIME OF FLIGHT Y DSA

ACCESORIOS TECNOLOGICOS LAS BOBINAS CAPTADORAS DE LAS SEÑALES DEBEN TENER UNA FORMA ADECUADA A LA REGIÓN QUE SE QUIERE EXPLORAR

BLINDAJE ELECTROMAGNETICO LA ALTA CALIDAD DEL BLINDAJE PERMITE ELIMINAR LAS CORRIENTES DE EDDY

SISTEMA DE RMN FLUOROSCOPICA

EQUIPO DE ULTIMA GENERACION PARA QUIROFANO IMRIS equipo de 1.5 Tesla de tecnología canadiense

Equipo que permite realizar operaciones

ACCIDENTES POR EL ALTO CAMPO MAGNETICO

ASPIRADORA INCRUSTADA EN EL GANTRY

TUBO DE OXIGENO INCRUSTADO

TUBO DE EQUIPO DE SOLDADURA

¿CAPTURA DE TIGRE ?