Introducción a la Física de la Resonancia Magnética

 

Resonancia Magnética Nuclear
Puntos clave
Dentro de un campo mágnetico BO, la suma total de los espines da una magnetización neta alineada con BO. Esta magnetización macroscópica es la resultante de un leve exceso en el número de espines en estado paralelo en conjunto con una magnetización transversal nula como resultado de que los espines se encuentran en desfase.
La frecuencia de precesión, o Frecuencia Larmor, de los protones es proporcional al nivel de intensidad del campo magnético.
Una radiofrecuencia (RF) igual a la frecuencia de precesión altera el equilibrio de los espines, dando lugar un intercambio de energia y una disminución del vector de magnetización neto. El ángulo de inclinación depende de la intensidad, longitud de onda, y duración del RF.
Se conoce como Relajación al proceso físico dinámico en el cual el sistema de espines vuelve al estado de equilibrio. Podemos subdividir el proceso de Relajación en:
*Recuperación de la magnetización longitudinal, alineada con BO, seguida de una curva exponencial caracterizada por la constante T1
*Decaimiento de la magnetización transversal debido al desfase de los espines en concordancia con una curva exponencial caracterizada por la constante T2
Espín Nuclear
Los núcleos de Hidrógeno (protones) exhiben propiedades magnéticas llamadas Espines Nucleares. Estos se comportan como pequeños imanes rotatorios representados por vectores.
A la suma total de los campos magnéticos de cada uno de los espines se le conoce como magnetización neta o magnetización macroscópica. Normalmente, la orientación de dichos vectores se da de forma aleatoria, por lo que la suma de todos los espines resulta en una magnetización neta nula.
En el caso de encontrarse dentro de un campo magnético externo de mayor tamaño (llamado BO), los espines nucleares se alinean con éste. Algunos de los espines se alinearan de forma paralela y otros de forma anti-paralela.
Captación de imagen nuclear en la IRM en humanos.
En el campo de la IRM clínica, el núcleo de hidrógeno es el más utilizado en imagenología debido a la abundancia del mismo en los tejidos biológicos.
Otros tipos de núcleos tales como 13C, 19F, 31P, o 23Na también exhiben un espín nuclear neto y pueden ser captados en imagen de RMN. Sin embargo, a nivel de los tejidos biológicos, estos núcleos son mucho menos abundantes que el hidrógeno y requieren de una cadena de RF dedicada y sintonizada con la frecuencia de resonancia de los mismos.
Precesión y frecuencia Larmor
Los espines bambolean en torno al eje del campo BO describiendo un cono. A esto se le llama precesión. Los protones giratorios actúan como peonzas o trompos girando en torno a su eje. La precesión se corresponde con el giramiento del eje rotatorio de un cuerpo giratorio en torno a un eje intersectante.
La frecuencia de resonancia, llamada frecuencia Larmor (ω0) o frecuencia precesional, es proporcional a la intensidad del campo magnético principal: (ω0) = Y BO.
El vector magnético de los espines giratorios puede ser subdividido en dos componentes ortogonales: un componente longitudinal, o componente Z, y un componente transversal, el cual yace sobre el plano XY.
La precesión se corresponde con la rotación del componente transversal en torno al eje longitudinal.
Dentro del campo magnético BO encontramos más espines alineados en paralelo (estado energético bajo) que espines en anti-paralelo (estado energético elevado). Debido a este ligero exceso de espines en paralelo, la magnetización neta, o magnetización macroscópica, presenta un componente longitudinal (a lo largo del eje Z) alineado con BO.
Ya que los espines no giran en fase, la suma de todas las magnetizaciones transversales microscópicas de cada uno de los espines resulta en una magnetización transversal macroscópica nula.
Al intercambio de energía, sobre una frecuencia específica, entre dos sistemas se le conoce como resonancia.
Solamente los protones que giren con la misma frecuencia que la del pulso de radio frecuencia electromagnético (RF) serán estimulados por dicho pulso, causando una modificación en el equilibrio de los espines y una absorción de energía electromagnética a nivel del núcleo atómico. A este proceso se le conoce como excitación. Cuando el sistema vuelve al estado original de equilibrio (proceso de relajación), tiene lugar una liberación de energía electromagnética.
La excitación modifica los niveles de energía y las fases de los espines. A nivel cuántico, un protón pasa a un estado energético más elevado, o sea, pasa de estar en paralelo a posicionarse en anti-paralelo.
Desde la perspectiva de la rotación, durante la excitación, el vector de magnetización neto cambiará su orientación y girará hasta apuntar hacia abajo. Este ángulo de inclinación o basculación se mantiene en función de la intensidad y duración del pulso de RF electromagnético.
El vector de magnetización neto se puede subdividir en dos componentes: Uno longitudinal alineado con el campo BO a lo largo del eje Z, y uno transversal que descansa sobre el plano XY.
Durante la excitación, la magnetización longitudinal disminuye y aparece la magnetización transversal (excepto para ángulos de inclinación de 180°).
La magnetización longitudinal resulta de la diferencia entre el total de espines posicionados en paralelo y los que están en anti-paralelo.
Si tomamos en cuenta un estado de excitación con un ángulo de inclinación de 90°, y cuando el transmisor de RF está apagado, entonces:
No hay magnetización longitudinal ya que existe una proporción equitativa de espines en paralelo y en anti-paralelo
Se da a lugar una magnetización transversal ya que los espines están en fase y existe una coherencia de fases completa
Puntos clave
El vector de magnetización neta cambia de orientación hacia abajo durante la excitación. Por el otro lado, los vectores de magnetización microscópicos mantienen su dirección original. Los cambios en los niveles de energía y en las fases de los espines dependen de la intensidad, longitud de onda, y duración del pulso de RF.
La magnetización longitudinal resulta de la diferencia entre el número de espines en paralelo y los espines en anti-paralelo.
La magnetización transversal se debe a un estado más o menos de fase de los espines.
Estado de Relajación y sus Características: T1 y T2
La vuelta a un estado de equilibrio de la magnetización neta se le llama Relajación. Durante la Relajación toma lugar una retransmisión de la energía electromagnética. A dicha emisión de RF se le conoce como señal de RMN. La Relajación es una combinación de dos tipos de mecanismos distintos:
La relajación longitudinal se corresponde con la recuperación de la magnetización longitudinal.
La relajación transversal se corresponde con el declive de la magnetización transversal.
La relajación longitudinal resulta del intercambio de energía entre los espines y el enrejado adyacente (relajación espín-enrejado), lo que reestablece el equilibrio térmico. A la misma vez que los espines van pasando de un estado energético elevado a uno de baja energia, se va liberando y transmitiendo energía RF al enrejado adyacente.
La recuperación de la magnetización longitudinal sigue una curva exponencial y el ritmo de recuperación está caracterizado por una constante de tiempo tejido-específica llamada T1. Al final de T1, la magnetización longitudinal se encuentra a un 63% de su valor total final. Con un campo de intensidad de 1,5, los valores de T1 se situan entre los 200 y los 3000 ms. Los valores para T1 son más extensos para intensidades más elevadas.
La relajación transversal es el resultado de un estado de desfase de los espines. Mientras los espines se mueven en conjunto, sus campos magnéticos interactúan (interacción espín-espín) de forma que el ritmo de precesión se ve ligeramente alterado. Estas interacciones son de tipo aleatorio y temporal. Consecuentemente, el proceso de relajación espín-espín da lugar a una pérdida acumulada de energía en estado de fase, lo que resulta en un decaimiento de la magnetización transversal.
El decaimiento de la magnetización transversal se describe por una curva exponencial caracterizada por la constante T2. A final de T2, la magnetización transversal ha perdido un 63% de su valor original.
T2 es también una constante tejido-específica y en todo caso siempre más corta que T1. A su vez, la relajación transversal es más rápida que la relajación longitudinal.

 

 

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