3.3 Resonancia Magnética Nuclear (Formulas & Ejercicios) Dr. Willy H. Gerber, Dr. Constantino Utreras Instituto de Física, Universidad Austral Valdivia, Chile Objetivos: Comprender la técnica de resonancia magnética nuclear. www.gphysics.net – UACH-Física en la Odontologia–3-3-Resonancia Magnética Nuclear - Versión 06.09

Oscilaciones y Resonancia El prototipo es el sistema masa-resorte: cuerpo de masa m (kg), unido a un resorte de constante elástica k (N/m); x(t) es desplazamiento c/r a la posición de equilibrio, • La fuerza elástica, debida al resorte, es (Ley de Hooke) (1) • La ecuación de movimiento de Newton es (2) en que a es la aceleración del cuerpo. • La solución de la ecuación es (3) www.gphysics.net – UACH-Física en la Odontologia–3-3-Resonancia Magnética Nuclear - Versión 06.09

Oscilaciones y Resonancia La solución se expresa en función de • La amplitud • La frecuencia angular , (4) • La fase inicial • La frecuencia (5) • El período (6) Periodo Amplitud Tiempo www.gphysics.net – UACH-Física en la Odontologia–3-3-Resonancia Magnética Nuclear - Versión 06.09

Oscilaciones y Resonancia • Amortiguación por roce viscoso, (7) • La ecuación de movimiento es (8) Sobre amortiguado Amortiguacion critica Sub amortiguado www.gphysics.net – UACH-Física en la Odontologia–3-3-Resonancia Magnética Nuclear - Versión 06.09

Oscilaciones y Resonancia • agregamos la fuerza sinusoidal (9) (10) • la intensidad media es proporcional a ( ) (11) • esta curva tiene un máximo en : Resonancia • si el ancho de banda es estrecho, entonces , la resonancia se identifica fácilmente. Ancho de Banda www.gphysics.net – UACH-Física en la Odontologia–3-3-Resonancia Magnética Nuclear - Versión 06.09

Conceptos de Magnetismo • Ejercen fuerzas magnéticas sobre cargas Eléctricas (12) Para el caso de que es el ángulo entre y y ambos están en un plano perpendicular a (13) • y sobre corrientes (14) que en el caso de un alambre de largo en que el campo es constante a lo largo de el y es el vector unitario perpendicular al disco que forma el alambre (15) Nota: regla de la mano derecha www.gphysics.net – UACH-Física en la Odontologia–3-3-Resonancia Magnética Nuclear - Versión 06.09

Conceptos de Magnetismo • el campo magnético ( ) se mide en Tesla (T), o en Gauss (G), 1 (T) = 104 (G) (16) • El campo magnético terrestre es B ≈ 1 (G) • Solenoide vueltas, largo , corriente (17) = 1.2566×10−6 Tm/A www.gphysics.net – UACH-Física en la Odontologia–3-3-Resonancia Magnética Nuclear - Versión 06.09

Conceptos de Magnetismo • un anillo (radio , área ) con corriente es una espira • esta espira se comporta como un dipolo magnético, generando un campo magnético de tipo dipolar • el momento (dipolar) magnético es , en que y es normal al plano de la espira • en presencia de un campo magnético externo, la espira experimenta un torque (18) (19) www.gphysics.net – UACH-Física en la Odontologia–3-3-Resonancia Magnética Nuclear - Versión 06.09

Conceptos de Magnetismo • la fuerza sobre un dipolo es , (20) o en forma aproximada para una variación en la dirección del dipolo sobre la distancia (21) es decir, si el campo es uniforme • la energía es (22) www.gphysics.net – UACH-Física en la Odontologia–3-3-Resonancia Magnética Nuclear - Versión 06.09

Conceptos de Magnetismo • A mediados del siglo XIX, Faraday descubrió que un campo magnético variable en el tiempo es capaz de producir un campo eléctrico • específicamente, demostró experimentalmente que, en un circuito que enlaza un flujo magnético (23) o para un campo a través de una superficie tipo disco de radio (24) www.gphysics.net – UACH-Física en la Odontologia–3-3-Resonancia Magnética Nuclear - Versión 06.09

Conceptos de Magnetismo • Variable en el tiempo, se induce una fuerza electro-motriz (fem) ε, dada por (25) o para pequeños tiempos (26) • aplicaciones: dinamos, motores eléctricos (de inducción), ondas • Maxwell: las ondas luminosas son un fenómeno electromagnético, • es posible emitir y detectar ondas electromagnéticas: Hertz (1883) www.gphysics.net – UACH-Física en la Odontologia–3-3-Resonancia Magnética Nuclear - Versión 06.09

Spin Nuclear y NMR • El momento angular (spin) y el momento magnético son proporcionales, (27) • es la razón geomagnética. • la teoría clásica da (28) con masa del protón. • como , entonces (spines libres) (29) • por relajamiento los spines se alinean con el campo magnético www.gphysics.net – UACH-Física en la Odontologia–3-3-Resonancia Magnética Nuclear - Versión 06.09

Spin Nuclear y NMR • los spines precesan a la frecuencia de Larmor, (30) • Las ecuaciones de Bloch describen la relajación de los spines. • Hay similaridad entre el trompo en campo gravitacional y los spines en el campo magnético. www.gphysics.net – UACH-Física en la Odontologia–3-3-Resonancia Magnética Nuclear - Versión 06.09

Spin Nuclear y NMR • Los espines se relajan al valor de la magnetización (en presencia del campo externo ), que es el valor de equilibrio. El se deja calcular con la susceptibilidad magnética que es un parámetro propio del material mediante: (31) • Mz es la componente longitudinal y Mx , My son las componentes transversales • T1 describe la relajación longitudinal y T2 la transversal. • T1 y T2 dependen del medio en que se encuentran los núcleos. www.gphysics.net – UACH-Física en la Odontologia–3-3-Resonancia Magnética Nuclear - Versión 06.09

Spin Nuclear y NMR • Los spines son alineados por el campo magnético estático intenso (0.3 T a 3 T) Los spines nucleares son excitados por un campo magnético variable en el tiempo (31) El campo excitante (32) a la frecuencia de resonancia de spines y perpendicular al campo principal En MRI se utiliza la frecuencia del hidrogeno (protón) y Precesión Pulso alta frecuencia www.gphysics.net – UACH-Física en la Odontologia–3-3-Resonancia Magnética Nuclear - Versión 06.09

Spin Nuclear y NMR • el ángulo de rotación del spin es (33) • un pulso de 90 o es un pulso que produce que los spines se orienten perpendicular a ~ B0, y tiene una duración tal que , (34) • por lo tanto, precesan formando un ángulo de 90 o con • los spines emiten radiación al relajarse en presencia de www.gphysics.net – UACH-Física en la Odontologia–3-3-Resonancia Magnética Nuclear - Versión 06.09

Spin Nuclear y NMR • Cuando se relaja Mz, la componente z de la magnetización, el tiempo característico es T1, alcanzando el valor final asintóticamente • Corresponde a la interacción de los spines nucleares con la red o átomos vecinos (35) www.gphysics.net – UACH-Física en la Odontologia–3-3-Resonancia Magnética Nuclear - Versión 06.09

Spin Nuclear y NMR Valores de los tiempos de relajación para tejido humano. • T1 y T2 dependen del tipo de tejido • T2 está entre 40 ms y 100 ms • T1 está entre 200 ms y 900 ms • en general T1 >> T2, además T1 depende de B0, pero T2 es independiente de B0 Tejido T2 (ms) T1 (ms) a 0.5 T T1 (ms) a 1T T1 (ms) a 1.5T Músculo 47±13 550±100 730±130 870±130 Corazón 57±16 580±90 750±120 870±120 Hígado 43±14 330±70 430±90 500±90 Riñones 58±24 500±130 590±160 650±160 Bazo 67±27 540±100 680±130 780±130 Grasa 84±36 219±60 240±70 270±70 Materia gris 101±13 660±110 810±140 920±140 Materia blanca 92±22 540±90 680±120 790±120 www.gphysics.net – UACH-Física en la Odontologia–3-3-Resonancia Magnética Nuclear - Versión 06.09

Ejercicios Considerando la analogía mecánica; si un resorte tienen una constante de 10 N/m y una masa de 10g, ¿cual es la frecuencia angular propia con la que oscilaría el resorte? (31.623 rad/s) ¿Con que frecuencia oscilaría el resorte del ejercicio anterior? (5.033 Hz) ¿Cual es el periodo de la oscilación de los ejercicios anteriores? (0.199 s) Si el roce es proporcional a la velocidad y la coeficiente de roce viscoso es de 0.003 Ns/m, ¿cual es el ancho de banda? (0.15 Hz) ¿Cual es la intensidad media para los ejercicios anteriores en las frecuencias angulares 0, ¼, ½, ¾, 1, 2, 4, 10, 100 veces la frecuencia angular de resonancia? (2.25x10-5,4.00x10-5,9.00x10-5,3.60x10-4,1.00,2.25x10-5,2.50x10-6, 2.78x10-7,2.29x10-9) ¿Cual es el campo magnético de una bobina de 5 cm de largo, 100 vueltas y corriente de 1 A? (2.513x10-3 T) Si un electrón (carga 1.6x10-19 C, masa 9.11x10-31 kg) entra con el 90% de la velocidad de la luz (3x10+8 m/s) en forma perpendicular al campo del ejercicio anterior, ¿que aceleración experimenta y en que dirección? (1.19x10+17 m/s2, perpendicular al campo y dirección de movimiento – regla de la mano derecha) ¿Cual es la fuerza que genera un campo magnético como el calculado en el ejercicio 6 sobre un alambre de largo 10 cm perpendicular a este y por el que circula una corriente de 1 A? (2.51x10-4 N) www.gphysics.net – UACH-Física en la Odontologia–3-3-Resonancia Magnética Nuclear - Versión 06.09

Ejercicios ¿Cual es el momento magnético generado por una corriente en una bovina de radio 1 cm con 10 vueltas? (3.14x10-3 Cm2/s) Si la bovina del ejercicio anterior se encuentra en un campo magnético de 1 T con siendo el ángulo entre el momento magnético y dicho campo de 30º, ¿cual es el torque que sufre la bovina? (1.57x10-3 Nm) ¿Cual es la energía del momento magnético si se orienta paralelo al campo?, ¿cual si se orienta anti paralelo? (-2.72x10-3 J, +2.72x10-3 J) Cual es la razón giro magnética? Considere la carga del protón como 1.6x10-19 C y la masa 1.67×10−27 kg. (4.79x10+7 C/kg) ¿Cual seria la frecuencia angular de Larmor para un campo estático de 1T? (47.9 MHz) ¿Cual es el momento magnético del agua si el cuerpo se encuentra en un campo magnético de 1 T y la susceptibilidad del agua es -9.035x10-6? (-7.19 Am2) Si asumimos que el momento magnético calculado en el ejercicio anterior aplica para muestras con musculo y grasa con tiempos de relajamiento de 0.73 [s] y 0.24 [s] respectivamente, ¿que magnetización existe a los 1 [s] para cada caso? (-5.36 Am2,-7.08 Am2) www.gphysics.net – UACH-Física en la Odontologia–3-3-Resonancia Magnética Nuclear - Versión 06.09