Física de l'image per resonància magnètica

Archiu:Modern 3T caps block 0

Escàner de resonància magnètica.

La física de l'image per resonància magnètica (IRM) es referix a les consideracions físiques fonamentals de les tècniques de IRM i als aspectes tecnològics dels dispositius de IRM. La resonància magnètica és una tècnica d'image mèdica que s'utilisa sobretot en radiologia i medicina nuclear per a investigar l'anatomia i fisiologia del cos i detectar patologies com a tumors, inflamacions, afeccions neurològiques com el ictus, trastorns musculars i articulares i anomalies en el cor i els gots sanguíneus, entre unes atres. Es poden injectar agents de contrast per via intravenosa o en una articulació per a millorar l'image i facilitar el diagnòstic. A diferència de el TAC i els rajos X, la RMN no utilisa radiació ionizante i és, per tant, un procediment segur i adequat per al diagnòstic en chiquets i carreres repetides. Hui en dia, els pacients en implants metàlics específics no ferromagnéticos, implants coclears i marcapasos cardíacs també poden sometre's a una RMN a pesar dels efectes dels forts camps magnètics. Açò no s'aplica als dispositius més antics, els detalls per als professionals mèdics són proporcionats pel fabricant del dispositiu.

Certs núcleus atòmics són capaços d'absorbir i emetre energia d'radiofrecuencia quan es coloquen en un camp magnètic extern. En la resonància magnètica clínica i d'investigació, els àtoms d'hidrogen s'utilisen en major freqüència per a generar una senyal d'radiofrecuencia detectable que és rebuda per antenes situades molt prop de l'anatomia que s'examina. Els àtoms d'hidrogen abunden de forma natural en les persones i atres organismes biològics, especialment en l'aigua i el greix. Per esta raó, la majoria de les exploracions per RMN tracen essencialment l'ubicació de l'aigua i el greix en el cos. Els polsos d'ones de radi exciten la transició d'energia de l'espin nuclear i els gradient del camp magnètic localisen la senyal en l'espai. En variar els paràmetros de la seqüència de polsos, es poden generar diferents contrasts entre els teixits en funció de les propietats de relaixació dels àtoms d'hidrogen que contenen.

Quan estan dins del camp magnètic (B₀) de l'escàner, els moments magnètics dels protones s'alineen per a ser paralels o antiparalelos a la direcció del camp. Encara que cada protón individual només pot tindre una de les dos alliniacions, el conjunt de protones sembla comportar-se com si poguera tindre qualsevol alliniació. La majoria dels protones s'alineen en paralel a B₀, ya que es tracta d'un estat d'energia més baix. A continuació, s'aplica un pols d'radiofrecuencia, que pot excitar als protones de l'alliniació paralela a la antiparalela, només esta última és rellevant per al restant de la discussió. En resposta a la força que els torna a la seua orientació d'equilibri, els protones experimenten un moviment de rotació (precesión), molt semblat al d'una roda que gira baix l'efecte de la gravetat. Els protones tornaran a l'estat de baixa energia pel procés de relaixació de la ret d'espin. Açò apareix com un fluix magnètic, que produïx un voltage canviant en les bobines del receptor per a donar la senyal. La freqüència a la que resona un protón o un grup de protones en un voxel depén de la força del camp magnètic local al voltant del protón o del grup de protones, un camp més fort correspon a una major diferència d'energia i a fotons de major freqüència. Per mig de l'aplicació de camps magnètics adicionals (gradient) que varien linealment en l'espai, es poden seleccionar corts específics per a l'obtenció d'imàgens, i s'obté una image prenent la transformada de Fourier bidimensional de les freqüències espacials de la senyal (espai k). Per la força magnètica de Lorentz de B₀ sobre la corrent que fluïx en les bobines de gradient, estes tractaran de moure's produint forts sons d'golpetear, per als que els pacients necessiten protecció auditiva.

Història

L'escàner de resonància magnètica va ser desenrollat entre 1975 i 1977 en l'Universitat de Nottingham pel professor Raymond Andrew FRS FRSE a raïl de les seues investigacions sobre la resonància magnètica nuclear. L'escàner de cos sancer es va crear en 1978.

Magnetisme nuclear

Les partícules subatòmiques tenen la propietat mecànica quàntica de l'espin. Alguns núcleus, com el 1H (protones), el 2H, el 3He, el 23Na o el 31P, tenen un espin distint de zero i, per tant, un moment magnètic. En el cas dels cridats núcleus d'espin-1⁄2, com el 1H, existixen dos estats d'espin, a voltes denominats dalt i avall. Els núcleus com el 12C no tenen neutrons ni protones no apareados, i no tenen espin net; no obstant, l'isòtop 13C sí ho té.

Quan estos espin es coloquen en un fort camp magnètic extern, precesan al voltant d'un eix a lo llarc de la direcció del camp. Els protones s'alineen en dos estats propis d'energia (efecte Zeeman): un de baixa energia i un atre d'alta energia, que estan separats per una energia de separació molt menuda.

Resonància i relaixació

La mecànica quàntica és necessària per a modelar en precisió el comportament d'un sol protón, no obstant, la mecànica clàssica pot utilisar-se per a descriure adequadament el comportament del conjunt de protones. De la mateixa manera que en atres partícules d'espin {displaystyle 1/2}1/2, quan es medix l'espin d'un sol protón només pot tindre un dels dos resultats comunament cridats paralel i antiparalelo. Quan parlem de l'estat d'un protón o protones nos referim a la funció d'ona d'eixe protón que és una combinació llineal dels estats paralel i antiparalelo.

En presència del camp magnètic, B₀, els protones semblaran precesar a la freqüència de Larmor determinada per la relació gire-magnètica de la partícula i l'intensitat del camp. Els camps estàtics utilisats més comunament en la RMN provoquen una precesión que correspon a un fotó d'radiofrecuencia (RF).

La magnetisació llongitudinal neta en equilibri termodinàmic es deu a un chicotet excés de protones en l'estat de menor energia. Açò dona lloc a una polarisació neta que és paralela al camp extern. L'aplicació d'un pols de RF pot inclinar este vector de polarisació neta cap a un costat (en, per eixemple, un pols de 90°), o inclús invertir-ho (en un pols de 180°). Els protones entraran en fase en el pols de RF i, per tant, entre sí.

La recuperació de la magnetisació llongitudinal es denomina relaixació llongitudinal o T₁ i ocorre exponencialment en una constant de temps T₁. La pèrdua de coherència de fase en el pla travesser es denomina relaixació travessera o T₂. T₁ s'associa aixina a l'entalpia del sistema d'espin, o al número de núcleus en espin paralel front als antiparalelos. El T₂, en canvi, s'associa a la entropía del sistema, o al número de núcleus en fase.

Quan el pols d'radiofrecuencia s'apaga, la component vectorial transversal produïx un camp magnètic oscilante que induïx una chicoteta corrent en la bobina del receptor. Esta senyal es denomina decaiguda per inducció lliure (FID). En un experiment de resonància magnètica nuclear idealizado, la FID decau aproximadament de forma exponencial en una constant de temps T₂. No obstant, en la pràctica de la RMN existixen chicotetes diferències en el camp magnètic estàtic en diferents ubicacions espacials ("inhomogeneidades") que fan que la freqüència de Larmor varie en el cos. Açò crea una interferència destructiva que acurta la FID. La constant de temps per a la decaiguda observada de el FID es denomina temps de relaixació T* 2 i sempre és més curta que T₂. Al mateix temps, la magnetisació llongitudinal comença a recuperar-se exponencialment en una constant de temps T₁ que és molt major que T₂ (vore més alvance).

En la RMN, el camp magnètic estàtic s'aumenta per mig d'una bobina de gradient de camp per a que varie a lo llarc de la regió escanejada, de modo que les diferents localisacions espacials s'associen en diferents freqüències de precesión. Només les regions en les que el camp és tal que les freqüències de precesión coincidixen en la freqüència de RF experimentaran excitació. Per lo general, estos gradient de camp es modulen per a agranar a través de la regió que es va a escanejar, i és la varietat casi infinita de seqüències de polsos de RF i gradient lo que dona a la RM la seua versatilitat. El canvi de gradient de camp difon la senyal FID que respon en el domini de la freqüència, pero esta pot recuperar-se i medir-se per mig d'un gradient de reenfoque (per a crear el cridat "eco de gradient"), o per mig d'un pols d'radiofrecuencia (per a crear el cridat "eco d'espin"), o en el postprocesamiento digital de la senyal difosa. Tot el procés pot repetir-se quan s'ha produït certa relaixació en T₁ i s'ha restablit més o menys l'equilibri tèrmic dels espin. El temps de repetició (TR) és el temps entre dos excitació successives del mateix tall.

Normalment, en els teixits blans T₁ és d'al voltant d'un segon, mentres que T₂ i T* 2 són d'unes decenes de milisegons. No obstant, estos valors poden variar molt entre diferents teixits, aixina com entre diferents camps magnètics externs. Este comportament és un dels factors que conferixen a la IRM el seu enorme contrast en els teixits blans.

Els agents de contrast de la RM, com els que contenen gadolini (III), actuen alterant (acurtant) els paràmetros de relaixació, especialment el T₁.

Bibliografia

• Pykett IL (1 May 1982). "NMR Imaging in Medicine" (PDF). Scientific American. 246 (5): 78–88. Bibcode:1982SciAm.246i..78P. doi:10.1038/scientificamerican0582-78. PMID 7079720. Archived from the original (PDF) on 10 March 2016.
• Sprawls P (2000). Magnetic Resonance Imaging: Principles, Methods, and Techniques. Medical Physics Publishing. ISBN 978-0-944838-97-6.
• Haacke EM, Brown RF, Thompson M, Venkatesan R (1999). Magnetic resonance imaging: Physical principles and sequence design. New York: J. Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-35128-3.
• Mansfield P (1982). NMR Imaging in Biomedicine: Supplement 2 Advances in Magnetic Resonance. Elsevier. ISBN 978-0-323-15406-2.
• Fukushima I (1989). NMR in Biomedicine: The Physical Basis. Springer Science & Business Mija. ISBN 978-0-88318-609-1.
• Blümich B, Kuhn W (1992). Magnetic Resonance Microscopy: Methods and Applications in Materials Science, Agriculture and Biomedicine. Wiley. ISBN 978-3-527-28403-0.
• Blümer P (1998). Blümler P, Blümich B, Botto RE, Fukushima I (eds.). Spatially Resolgau Magnetic Resonance: Methods, Materials, Medicine, Biology, Rheology, Geology, Ecology, Hardware. Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-29637-8.
• Liang Z, Lauterbur PC (1999). Principles of Magnetic Resonance Imaging: A Signal Processing Perspective. Wiley. ISBN 978-0-7803-4723-6.
• Schmitt F, Stehling MK, Turner R (1998). Tire-Planar Imaging: Theory, Technique and Application. Springer Berlin Heidelberg. ISBN 978-3-540-63194-1.
• Kuperman V (2000). Magnetic Resonance Imaging: Physical Principles and Applications. Academic Press. ISBN 978-0-08-053570-8.
• Blümich B (2000). NMR Imaging of Materials. Clarendon Press. ISBN 978-0-19-850683-6.
• Jin J (1998). Electromagnetic Analysis and Design in Magnetic Resonance Imaging. CRC Press. ISBN 978-0-8493-9693-9.