viernes, 28 de marzo de 2014

Resonancia Magnética Nuclear

A continuación se van a explicar los mecanismos en los que se fundamenta la detección y reconstrucción de la imagen en la RMN. Su comprensión no resulta sencilla, empezando porque la base que permite este tipo de imagen es de naturaleza cuántica y siguiendo porque hacen falta herramientas de procesado de señal como la transformada de Fourier. Después de haber buscado información en diversas fuentes y de haber hecho discusión, aquí están las conclusiones.


Los pulsos electromagnéticos son clave en el proceso de obtención de imágenes por resonancia magnética nuclear. El objetivo de estos pulsos es variar la dirección de los núcleos, que es la dirección del eje formado por todos los puntos en los que el Spin atómico o momento angular intrínseco es 0. Para que los pulsos RF consigan cambiar esta dirección deben de estar emitidos a una frecuencia concreta llamada frecuencia de “resonancia”. Esta frecuencia también llamada de precesión o de Larmor depende de dos puntos, primero de la intensidad de campo magnético externo al que están sometidos los núcleos, que se puede establecer desde menos de 1 a más de 20 Teslas, y por otro lado de la naturaleza del elemento nuclear (número atómico). Es evidente además que para que el proceso se pueda producir el número de protones o de neutrones ha de ser impar, de forma que el Spin neto del núcleo no sea 0 (en todos los casos será múltiplo de +- ½). El elemento para el que se calibra el sistema en RMN es casi siempre el hidrógeno, por ser un elemento abundante y distribuido de forma homogénea dentro del organismo. Existen fundamentalmente tres técnicas con las que se pretenden obtener la densidad de protones, y los tiempos T1 y T2 que dan información sobre la composición bioquímica del tejido dónde se encuentran dichos protones, de manera que se amplían las opciones de contraste.

SATURACION-RELAJACIÓN
Los pulsos RF se emiten con una fase de Pi/2. Esto quiere decir que el pulso es de una duración determinada, la suficiente para variar la dirección del voxel en 90º. La distancia entre dos pulsos consecutivos se puede variar, dependiendo si se quiere esperar a que el voxel recupere su estado total de equilibrio (dirección magnética) o no, el contraste de las imágenes obtenidas varía dependiendo de la frecuencia de los pulsos, por ello a veces esta frecuencia respeta el tiempo de decaimiento exponencial de TR (que mide la densidad de protones fundamentalmente)  y otras veces no, todo depende de lo que se pretenda ver.

INVERSIÓN-RECUPERACIÓN
Mediante esta técnica se pretende conocer el tiempo T1 que influye directamente en la forma de la curva exponencial que describe la recuperación de la dirección de los núcleos. Esta forma (y por tanto T1) es característica de cada tejido, y por ello este método es adecuado para mejorar el contraste entre tejidos que tengan una densidad de protones similar. Lo que se hace primero, al igual que en todas las técnicas de RMN es someter a los tejido a un fuerte campo magnético para ordenar todos los núcleos en la misma dirección, después se invierte la dirección 180º mediante el pulso RF de duración y frecuencia determinadas, se deja que recupere de forma parcial su dirección durante un tiempo de inversión (TI), que se establece según la importancia que se quiera dar al T1. Tras esto se emite otro pulso de 90 grados de inversión y se mide el tiempo de recuperación, al igual que en la técnica saturación-relajación.




SPIN – ECO
Esta técnica persigue medir T2. Primero se envía un pulso de 90º, se espera un tiempo t y después se manda otro pulso de 180º, tras esperar otra vez el tiempo t se mide la señal. Este método en dos fases se hace para que la falta de homogeneidad en el campo magnético externo afecte lo menos posible a la medida (la velocidad en la recuperación de la dirección de un voxel varía dependiendo de la magnitud del campo magnético). Es posible obtener un número superior de ecos, de forma que se ve potenciada la señal T2, para ello hay que esperar desde la primera medida t y mandar un pulso de 180º, volver a esperar t y medir, de manera que la distancia entre pulsos y entre medidas es 2t en cada eco obtenido.


RECONSTRUCCIÓN Y CODIFICACIÓN DE LA IMAGEN
Además del electroimán principal que crea el campo magnético para la ordenación de los núcleos, existe otro par de imánes que crean un campo magnético de gradiente (B) en el eje Z (longitudinal a lo largo del cuerpo), que se suma al campo principal. Este gradiente tiene dos funciones:
·      Por un lado en la fase de excitación, como ya se ha dicho, solo reaccionan a las ondas RF los núcleos que tengan una frecuencia de precesión igual a la frecuencia de los pulsos de ondas. Como esta frecuencia de precesión varía con los gradientes de campo magnético, solo una pequeña franja del eje Z  (la que tenga el B que produzca la frecuencia de precesión coincidente con el pulso RF) se va a ver excitada.
·      Por otro lado en la fase de codificación, el FID detectado por el receptor RF (que puede ser la misma antena que produce los pulsos) será diferente dependiendo de la parte del gradiente que haya afectado al voxel responsable de dicho FID. En este sentido es claro que cuanto mayor sea el campo B menor va ser la longitud significativa de la señal FID, ya que el voxel volverá a su estado de equilibrio de una forma más acelerada. Además al hacer la transformada de Fourier (si el campo magnético suplementario tiene la suficiente pendiente) se puede ver la información de vóxeles pertenecientes a distintos cortes de forma separada en el dominio frecuencial.

Una vez que se ha seleccionado el corte hay que extraer la información correspondiente a los ejes X e Y correspondientes a los píxeles fila y píxeles columna que tendrá la imagen reconstruida. Esto se hace creando nuevos gradientes de menor intensidad en los ejes mencionados, lo que produce que las fases del espectro cambien en las columnas y se produzca una dispersión frecuencial en las filas. Al final se consigue que cada voxel quede bien caracterizado en una base ortogonal de exponenciales complejas. Mediante técnicas de integración espectral inversa (IDFTs básicamente) se extrae la información relativa a los niveles de gris de cada voxel.

Por último cabe indicar que cuanto mayor es la pendiente del gradiente creado, mayor serán las diferencias entre vóxeles adyacentes, permitiendo hacer cortes más finos. Todo ello se traduce en una imagen de mayor calidad y resolución, a costa eso sí, de que la prueba requiera un tiempo más largo.

Daniel Moral y Saúl Barrio

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