Introducción a la RM de difusión Antonio Tristán Vega

La RM frente a “otras” modalidades de imagen RM: ¿en qué se basa? ¿Y por qué es tan versátil? Medios anisótropos y tensores La difusión como proceso anisótropo El tensor de difusión La difusión en un sentido estadístico Medida cuantitativa de la difusión Gradientes de difusión Interpretación diagnóstica de la RM de difusión Marcadores de integridad Color por orientación Tractografía Limitaciones

La RM frente a “otras” modalidades de imagen Limitaciones importantes en cuanto a resolución Adquisiciones muy largas Precio muy elevado Problemas de compatibilidad con instrumental

La RM frente a “otras” modalidades de imagen Excelente contraste en tejidos blandos sin agentes externos. Contraste “potenciable” Proporciona información anatómica, funcional, de conectividad, perfusión, movimiento…

RM: ¿en qué se basa? Spin: propiedad cuántica de los núcleos de hidrógeno (agua) A nivel macroscópico se manifiesta como un campo magnético giratorio “En reposo” su orientación es aleatoria y no produce ningún efecto observable

RM: ¿en qué se basa? El efecto es “aprovechable” cuando se aplica un campo magnético externo B0 (imán) Los spines se alinean. La dirección paralela es ligeramente más probable que la antiparalela y aparece una magnetización neta El giro de los spines (osciladores) se produce a la frecuencia de Larmor. La fase es aleatoria

RM: ¿en qué se basa? Resonancia magnética: los núcleos absorben energía EM a su frecuencia natural de oscilación La fase se sincroniza con la excitación externa y aparece un campo transversal neto El ángulo de precesión aumenta, y el campo longitudinal disminuye

RM: ¿en qué se basa? Resonancia magnética: cuando se elimina la excitación se libera la energía absorbida, y el campo transversal neto puede captarse con una antena El campo transversal desaparece exponencialmente con constante de tiempo T2 El campo longitudinal vuelve a su estado inicial exponencialmente con constante T1

RM: ¿en qué se basa? Formación de la imagen: variando el campo B0 (gradientes) variamos : la información espacial se codifica en frecuencia: transformada de Fourier

RM: ¿por qué es tan versátil? El proceso físico no depende sólo de las características del material (PD, T1, T2), sino también de factores externos. La señal captada por la antena depende de:  CODIFICACIÓN ESPACIAL La fase de los diferentes spines La condición inicial del campo longitudinal Modificando los factores externos podemos modificar el tipo de información que se adquiere

Medios anisótropos y tensores Tensores: asociados a fenómenos dependientes de la orientación (tensor de elasticidad, tensor de inercia…).

Medios anisótropos y tensores

La difusión como proceso anisótropo La sustancia blanca del cerebro no es amorfa, sino que se estructura en fibras nerviosas cubiertas de vainas de mielina El movimiento de las moléculas de agua es más fácil a lo largo de las fibras que a través de sus paredes Estudiando la difusión del agua puede inferirse la estructura de las fibras nerviosas

El tensor de difusión De nuevo tenemos una matriz 3x3 (simétrica, definida positiva): Autovectores: direcciones principales de difusión Autovalores: difusividad en cada dirección del espacio

El tensor de difusión En la práctica:

La difusión en un sentido estadístico El movimiento de las moléculas de agua es aleatorio (movimiento browniano) El tensor de difusión no es una constante de proporcionalidad entre magnitudes vectoriales Cuando la ley de probabilidad del movimiento se puede considerar gaussiana (de media 0), el tensor es la matriz de covarianzas

Medida cuantitativa de la difusión ¿Cómo podemos estimar este parámetro estadístico en la práctica? gradientes de difusión (PGSE) Manipulamos de forma controlada la fase de precesión de los spines Aumentando el campo B0 momentáneamente (δ) aumenta la frecuencia de giro: los spines sometidos a más campo “se adelantan” Pasado un tiempo Δ, se modifica el campo B0 de forma inversa, por lo que los spines “se retrasan de forma ordenada”

Medida cuantitativa de la difusión Si el gradiente se alinea con la fibra, la señal que procede del campo transversal se atenúa.

Medida cuantitativa de la difusión De forma cuantitativa, el primer gradiente cambia la frecuencia de giro de forma selectiva, produciendo un “adelanto” neto: Transcurrido un tiempo Δ la partícula ya no estará en su posición inicial, sino que se habrá desplazado por difusión:

Medida cuantitativa de la difusión La señal radiada por el spin, y captada por la antena, será una versión desfasada de la señal original: Pero el spin es una propiedad cuántica, por lo que sólo tiene sentido considerar la señal promedio en un sentido estadístico:

Medida cuantitativa de la difusión Al introducir los gradientes de difusión en la secuencia se muestrea la transformada de Fourier tridimensional de la ley de probabilidad de difusión

Medida cuantitativa de la difusión

Medida cuantitativa de la difusión Cuando la difusión es gaussiana, su transformada de Fourier es también exponencial: Basta realizar siete medidas para estimar las 6 componentes libres de D:

Interpretación diagnóstica Marcadores de integridad: Difusividad media: cuánto se difunde el agua Anisotropía fraccional: cómo de direccional es la difusión

Interpretación diagnóstica Color por orientación: los canales R, G, B son las componentes de la dirección principal de difusión (e1) en los ejes X, Y, Z

Interpretación diagnóstica Tractografía: desde un punto “semilla”, se sigue la dirección de difusión principal para trazar aproximaciones de los tractos nerviosos

Limitaciones Ruido y artefactos Tiempo de adquisición ¿Qué ocurre cuando la difusión no es gaussiana? Modelos multitensor Hipertensores Modelos no paramétricos Múltiples “bes” Interpretación de los marcadores Dependencia con los parámetros de adquisición Dependencia con la tecnología de adquisición

¿Preguntas?