RESONANCIA MAGNÉTICA FUNCIONAL Introducción y Principios Físicos

¿Qué es la RMN? Nuclear: Pertenece al núcleo de ciertos átomos. Magnética: Utiliza el momento magnético de ciertos átomos. Resonancia: La efectiva emisión o absorción de energía en una determinada frecuencia. La RMN es una técnica espectroscópica basada en la absorción o emisión de fotones.

Propiedades Nucleares Los protones tienen una propiedad que se llama espín que se manifiesta como una rotación sobre su eje. Como el protón tiene carga eléctrica positiva, al girar genera corriente eléctrica. Esta corriente eléctrica induce una torsión (llamada momento magnético) cuando se sitúa en un campo magnético. Como la masa del protón gira alrededor de su eje, también tiene momento angular que se define como el producto de su masa por velocidad angular. Sólo los núcleos atómicos que tienen ambos, momento magnético y momento angular, tienen capacidad de resonancia magnética nuclear. Los núcleos atómicos impares tienen resonancia magnética nuclear, mientras que los pares no la tienen. El hidrógeno tiene un núcleo atómico formado por un protón, tiene la propiedad de RMN y es muy abundante en el cuerpo humano, la RMf está fundamentalmente basada en el comportamiento de este átomo.

Espin, una propiedad intrínseca Se entiende mejor por analogía (izquierda) El espín nuclear tiene características cuánticas, sólo son posibles estados discretos. En el átomo de H sólo son posibles dos estados. “arriba” y “abajo” o “paralelo” y “antiparalelo”

La naturaleza cuántica del espín sólo tiene lugar en presencia de un campo magnético externo, en otras situaciones el espín nuclear es aleatorio. En un campo magnético, sólo tiene dos orientaciones posibles: paralela o antiparalela a B0

Núcleos en un campo magnético Si el espín se alinea con B0, su energía es baja. Si se alinea en contra de B0, su energía es alta. Los estados de baja energía son los preferidos

Analogía gravitacional Una barra de metal en una pared puede estar colocada hacia arriba (alta energía) o hacia abajo (baja energía) a causa de la fuerza de la gravedad

Magnetización neta Nos interesa considerar el comportamiento de grandes conjuntos de núcleos (un volumen) Llamamos magnetización neta a la diferencia entre espines en orientación paralela y antiparalela. La describimos como un único vector, M, alineado con B0

Magnetización neta y B0 .Efecto Zeeman La diferencia de energía (ΔE) entre el estado paralelo y el antiparalelo aumenta de forma lineal en función de la fuerza del campo magnético. A medida que aumenta ΔE, más probable es que los espines permanezcan en el estado de baja energía

Precesión nuclear Precesión es el desplazamiento del eje de giro de un cuerpo giratorio Los núcleos atómicos presentan la propiedad de precesión en torno al eje de un campo magnético.

En qué consiste la diferencia de energía? La frecuencia con que el núcleo efectúa su giro de precesión alrededor del eje del campo magnético externo se llama frecuencia de precesión de Larmor Se puede demostrar que la frecuencia de Larmor representa también la cantidad de energía necesaria que los núcleos emiten o absorben cuando pasan de un estado de energía a otro.

La Frecuencia de Larmor. Depende exclusivamente de dos factores: La constante giromagnética del protón del núcleo de H, cuyo valor es 42, 6 MHz. La potencia del campo magnético externo medida en Tesla. La relación es multiplicativa. Para un scanner de 3T sería 127,8 MHz. Va a determinar la frecuencia de la onda que se va a utilizar para perturbar el estado de los núcleos atómicos haciéndolos pasar de un estado de baja a otro de alta energía (Excitación)

El Experimento de RMN Polarizar: crea una diferencia de energía Excitar: Aplica fotones de RF Detecta: Registra los fotones de RF emitidos

Excitación: puntos clave Los espines pueden absorber energía debido a la diferencias de energía en la población causada por B0 Fotones a la frecuencia resonante (RF) son aplicados, lo que provoca absorción de energía El campo magnético de los fotones tiene que actuar perpendicularmente a la dirección de B0 La diferencia en la población desaparece de forma que existen tantos éspines en estado de alta energía como en estado de baja energía.

Excitación: El pulso de RF Tomamos como referencia un marco rotatorio a la frecuencia Larmor. La magnetización neta M 0, se convierte en una cantidad estacionaria a lo largo de la dirección z (magnetización longitudinal) La excitación proporcionada por el pulso B1, resulta una simple rotación del vector de magnetización desde la dirección z hacia el plano transversal (x – y) z, z’ y’ x’ B0 B1

Magnetización después de la excitación: Despues de un pulso de 90, la proyección transversal, M, está alineada a lo largo de x’ A causa de movimientos térmicos (interacción de unos núcleos con otros) en la muestra el vector M no permanece fijo. Unos núcleos giran más rápidos otros más lentos. La proyección transversal pierde coherencia z, z’ y’ x’ B0

Detección: puntos clave Cuando cesa los pulso de RF, los átomos inician la vuelta a la situación inicial pasando de un estado alto de energía a uno bajo. Durante este proceso, la energía emitida por los átomos es registrada por una bobina de recepción. El proceso recibe el nombre de relajación. Es un proceso de decaimiento progresivo durante un periodo de tiempo

Relajación Dos factores contribuyen a la relajación de los núcleos. La relajación longitudinal: es la recuperación de la magnetización neta a lo largo de la dirección longitudinal cuando los núcleos vuelven al estado paralelo. El tiempo que tarda esta recuperación se conoce como recuperación T1. La relajación transversal: es la pérdida de magnetización neta en el plano transversal debida a la pérdida de coherencia de fase de los núcleos. El tiempo que dura este decaimiento se le llama decaimiento T2.

Decaimiento de inducción libre La señal recibida se llama señal FID (Free Induction Decay) La constante de decaimiento es T2. T2 caracteriza todos los intercambios de energía entre núcleos. No cambios en energía neta.

La relajación y el cerebro Los tiempos de relajación, T1 y T2, varían de unos tejidos a otros y son estas diferencias las que utiliza la RM como base para construir la imagen del cerebro. En RMf se utiliza preferentemente un tiempo de relajación, T2*, que incluye el decaimiento debido a las mismas causas que T2 más el debido a faltas de homogeneidad en el campo magnético local. T2*, es siempre más corto que T2.

Valores promedio de T1 y T2 en el cerebro humano (en ms) Tejido 1,5 Tesla 3 Tesla 4 Tesla Sustancia blanca T1 640 860 1040 Sustancia gris T1 880 1200 1410 Sustancia blanca T2 80 50 Sustancia gris T2 110