CONTENIDO DE LA UNIDAD
RESONANCIA MAGNÉTICA
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Actividades de aprendizaje
FUNDAMENTOS DE LA RESONANCIA MAGNÉTICA
FUNDAMENTOS DE LA RM
La resonancia magnética (RM) representa actualmente una técnica de obtención de imágenes fundamental en medicina, incluida en múltiples protocolos diagnósticos, ya que permite obtener imágenes con información morfológica y funcional, con alta resolución y detalle anatómico, y todo ello sin utilizar radiaciones ionizantes. Sin embargo, es una de las técnicas que presenta mayores dificultades conceptuales debido a sus complicados principios físicos, los cuales vamos a intentar resumir de forma didáctica en los diferentes apartados que componen esta unidad.
Pero, antes de emprender la andanza por sus fundamentos, es esencial echar la vista atrás en un breve recorrido histórico y recordar a aquellos que contribuyeron esencialmente en el desarrollo de la RM tal y como se la conoce hoy en día. Uno de los cimientos no solo de la RM, sino también de la tomografía computarizada y de gran parte de la tecnología actual, es la transformada de Fourier, expresión perteneciente a la obra Théorie analytique de la chaleur publicada en 1822 por el famoso matemático francés Jean Baptiste Joseph Fourier, más de un siglo antes de que Bloch y Purcell, considerados por algunos los padres de la RM, fueran galardonados en 1952 con el Premio Nobel de Física.
Otro concepto fundamental, que ya desde 1920 empezaron a plantear varios físicos, es el del espín nuclear. Uno de estos físicos, Wolfgang Pauli, propuso su existencia y la del momento magnético del protón en un intento de explicar la estructura hiperfina del espectro atómico. En 1940, Felix Bloch publicó un método cuantitativo para medir el momento magnético del núcleo, pero la Segunda Guerra Mundial interrumpió de forma temporal las investigaciones en este campo. Una vez finalizada la guerra, dos grupos independientes de investigadores, capitaneados por el físico Felix Bloch (Universidad de Stanford) y el ingeniero eléctrico Edward M. Purcell (Universidad de Harvard), retomaron sus anteriores trabajos sobre la medición de la resonancia magnética en materia condensada.
Ambos investigadores llegaron a conclusiones similares, y describieron que algunos núcleos atómicos colocados en un campo magnético y estimulados con una onda de radiofrecuencia son capaces de absorber energía. Posteriormente, estos núcleos liberan la energía excedente, con lo que transmiten ondas de radio que pueden ser captadas mediante una antena; precisamente en esto se basa la imagen por RM. Los dos trabajos se publicaron simultáneamente y obtuvieron un gran reconocimiento que les sirvió para ganar el Premio Nobel. En las dos décadas siguientes, varios científicos partieron de este punto para realizar progresos significativos en la aplicación de la RM en medicina, estudiando los tiempos de relajación en la sangre y el músculo, el concepto de difusión y la adquisición de señales en modelo animal. Entre ellos, el médico estadounidense Raymond Damadian demostró en su trabajo «Tumor detection by nuclear magnetic resonance», publicado en la revista Science en 1971, que los tiempos de relajación del agua presente en tumores de hígado y riñón de ratas diferían de los del tejido normal, resultados que posteriormente corroboró en tejido humano.
En 1973, Paul Lauterbur (Universidad de Nueva York) planteó la codificación espacial de la señal aplicando gradientes magnéticos en tres planos; gracias a ello consiguió las primeras imágenes tomográficas de objetos obtenidas mediante técnicas de RM. De forma simultánea, el físico inglés Peter Mansfield hizo una descripción matemática de la transformación de una señal temporal en una representación espacial e introdujo el concepto del espacio K. Estos hallazgos revolucionaron el mundo de la imagen, y trazaron el camino a seguir por otros investigadores. Así, por ejemplo, Vahan Damadian construyó en 1976 un tomógrafo de RM de cuerpo entero, publicó en Science la primera imagen de un tumor en una rata y años más tarde reconstruyó la imagen de un tórax, y en 1979 Bill Moore obtuvo las primeras imágenes tomográficas de la cabeza. Por estos trabajos y su posterior trascendencia, Peter Mansfield y Paul C. Lauterbur fueron galardonados con el Premio Nobel de Fisiología y Medicina en 2003, y Damadian quedó al margen, motivo de gran polémica.
El primer equipo para obtener imágenes por RM se instaló en 1981, y en 1983, el American College of Radiology consideró la RM como una técnica estándar en el campo del diagnóstico clínico. A partir de entonces, las grandes compañías comerciales vieron el potencial de la RM, hecho que aceleró los estudios en nuevas técnicas y equipamiento. Así, en 1986, Herning y su equipo empezaron a desarrollar las secuencias rápidas denominadas eco de espín, y casi simultáneamente, las aún más rápidas, llamadas eco de gradiente. Desde ese momento hasta la actualidad, la evolución tecnológica en el ámbito de la RM no ha tenido pausas, y cada vez las máquinas son más potentes, los estudios más rápidos, la resolución más precisa y los cortes más finos.
PRINCIPIOS FÍSICOS BÁSICOS DE LA RM
El objetivo de este capítulo consiste en realizar una breve introducción de la física básica y conceptos teóricos y técnicos de la RM, en un intento de facilitar la comprensión del mecanismo mediante el cual se obtienen las imágenes. Para empezar, es preciso familiarizarse con la definición de RM e ir desarrollando a posteriori algunos conceptos más específicos.
La RM es un fenómeno físico fundamentado en las propiedades mecánico-cuánticas de los núcleos atómicos y se basa en la inducción de transiciones entre diferentes estados de energía. Ocurre al someter partículas (electrones y protones) de núcleos atómicos de número impar a un potente campo magnético, de forma que estos puedan absorber selectivamente energía en la frecuencia de ondas de radio (8 a 130 MHz) dentro del espectro electromagnético. Por otro lado, la imagen por RM en medicina (RM clínica) es una técnica diagnóstica en la que se introduce al paciente en un campo magnético creado por un gran imán y mediante la aplicación de ondas electromagnéticas se consigue la «resonancia» de los núcleos de sus átomos y posteriormente se recoge la energía liberada en forma de señal. Se basa en este caso en la interacción de los núcleos de hidrógeno, presentes en muy alta concentración en el agua, y en menor cantidad en la grasa, con un potente campo magnético externo (el imán) y con pulsos de radiofrecuencia para su excitación.
La RM es una interacción entre un campo magnético externo, ondas de radiofrecuencia y núcleos atómicos. Cuando se somete a un cuerpo a un campo magnético y posteriormente se lo estimula mediante ondas electromagnéticas (ondas de radiofrecuencia), se consigue la resonancia de los núcleos de sus átomos. Las imágenes de RM van a ser el resultado de la señal que emiten los protones de los átomos de hidrógeno que forman parte del agua y de la grasa. Propiedades de la materia.
Diamagnetismo y paramagnetismo
Según el comportamiento de un material al ser sometido a un campo magnético, se puede clasificar en tres categorías: paramagnético, diamagnético y ferromagnético. Los materiales paramagnéticos son débilmente atraídos hacia la zona más intensa del campo magnético. Este alinea todos los momentos magnéticos ya existentes que componen el material, y produce un momento magnético global que se suma al del campo magnético. Los materiales diamagnéticos son aquellos que son débilmente repelidos hacia las regiones de menor campo magnético. Cuando se introduce un material diamagnético en un campo magnético, se induce en él un momento magnético de sentido opuesto al campo. Por último, los materiales ferromagnéticos son fuertemente atraídos hacia la zona de mayor intensidad del campo.
Campos magnéticos y electricidad
Gran parte de los fenómenos observables en la naturaleza se pueden entender en forma de interacciones entre fuerzas, como es el caso del electromagnetismo. De forma resumida, esta interacción se basa en el hecho de que los campos magnéticos se generan por partículas cargadas eléctricamente que están en movimiento. La carga eléctrica es una propiedad intrínseca y fundamental de las partículas elementales que forman la materia. Habitualmente, la materia posee el mismo número de cargas positivas que negativas, por lo que es neutra. Un cuerpo está cargado eléctricamente cuando posee un exceso de carga en uno u otro sentido, y entonces es capaz de ejercer una fuerza eléctrica con otros cuerpos cargados (las partículas con cargas iguales se repelen y con cargas contrarias se atraen). Cuando, además, estas partículas se encuentran en situación de movimiento, aparece la fuerza magnética. Toda fuerza lleva asociado un campo. Se habla en este contexto de campo magnético y campo eléctrico. Tanto las fuerzas como sus campos asociados son magnitudes vectoriales, y para ser definidas necesitan una magnitud, una dirección y un sentido. La carga es el elemento básico del campo eléctrico, mientras que el dipolo o momento dipolar magnético es el elemento básico del campo magnético. El momento magnético es un vector perpendicular a la dirección del movimiento que tienen las cargas que lo han generado. Un ejemplo de ello son los electrones girando en torno al núcleo. Como se verá más adelante, el núcleo del átomo se comporta como un campo magnético similar al de un imán en barra debido a sus protones con carga positiva (fig. 1), mientras que los electrones girando a su alrededor representan el momento magnético.
FIGURA 1. Esquema del campo magnético de un imán en barra.
Los campos magnéticos se miden en unidades de intensidad conocidas como teslas (T), en memoria al gran científico serbio Nikola Tesla.
PROTÓN DE HIDRÓGENO. ESPÍN
El átomo está formado por tres partículas elementales: los protones y los neutrones, que se encuentran en una pequeña región central denominada núcleo, y los electrones, que giran en torno al núcleo en un área hasta 10.000 veces mayor, la llamada corteza. Prácticamente toda la masa del átomo se concentra en el núcleo, y se llama número másico al número total de protones y neutrones. Los protones poseen carga positiva y los electrones, negativa; al estar formados por el mismo número de protones que de electrones, los átomos son eléctricamente neutros. El número de protones que tiene un átomo es el número atómico. El núcleo del hidrógeno es el más simple, ya que está formado únicamente por un protón y un electrón.
Para la obtención de imágenes en RM se utilizan los átomos de hidrógeno, en cuyo núcleo solo hay un protón, y son, además, los más abundantes en el cuerpo humano.
En el cuerpo humano hay gran cantidad de átomos de hidrógeno, debido a su alta proporción en agua. El núcleo del átomo de hidrógeno contiene un único protón, que gira de forma constante alrededor de su eje, actuando como una carga eléctrica en continuo movimiento. Este movimiento intrínseco del protón se llama espín y es la base del magnetismo del núcleo (fig. 2).
FIGURA 2 Esquema representativo del espín de un protón.
El espín nuclear es una característica intrínseca del núcleo de hidrógeno. Consiste en que el protón gira de forma continua sobre su propio eje, comportándose así como un pequeño imán. A esto se le conoce también como momento magnético.
En el organismo existen otros átomos con propiedades magnéticas (espín) como el deuterio, el sodio, el fósforo o el oxígeno, pero en una proporción mucho menor y con una menor relación giromagnética, por lo que no se consideran tan útiles para la RM.
Estados energéticos. Protones en paralelo y antiparalelo Cuando el átomo de hidrógeno no se encuentra sometido a una fuerza externa (fuera del campo magnético), muestra una disposición totalmente aleatoria, apuntando hacia cualquier dirección del espacio; de este modo globalmente se produce una anulación mutua de los momentos magnéticos y se da un equilibrio electromagnético (fig. 3).
FIGURA 3 Distribución aleatoria en un conjunto de átomos de hidrógeno cuando no están sometidos a un campo magnético.
Los estudios de imagen por RM se basan en el comportamiento de estos núcleos de hidrógeno bajo la influencia de potentes campos magnéticos externos. Cuando se somete a un paciente al imán de la RM, los protones de los átomos de hidrógeno presentes en los tejidos se alinean con dicho campo magnético, y adoptan dos estados energéticos en sentido opuesto (fig. 4).
• Estado paralelo: los protones se encuentran alineados a favor del campo magnético externo, situación de baja energía. • En sentido antiparalelo: contrario al campo magnético, estado de alta energía.
FIGURA 4 Distribución orientada en paralelo y antiparalelo de átomos de hidrógeno sometidos a un campo magnético.
Los protones se reparten casi de forma equitativa entre el sentido paralelo y el antiparalelo, pero siempre existe un pequeño exceso de protones en paralelo, es decir, en estado de baja energía. Aunque esta diferencia es muy pequeña (como ejemplo, en un campo magnético de 0,5 T y a temperatura corporal es de 2 por millón), se obtiene un vector neto en la dirección del campo magnético que hace posible la producción de señal en RM.
Dentro de un campo magnético, los protones se reparten en estado paralelo y antiparalelo, con un pequeño exceso en estado paralelo o de baja energía. La separación entre los dos niveles de energía -paralelo y antiparalelo- es proporcional a la intensidad del campo magnético, y la señal de RM es mejor cuanto mayor sea el campo magnético aplicado.
MOVIMIENTO DE PRECESIÓN. ECUACIÓN DE LARMOR
Ya se ha descrito cómo los protones se alinean con un movimiento sobre su propio eje al someter al organismo a la presencia de un campo magnético externo. Este proceso de alineación se acompaña de forma simultánea del movimiento de precesión (fig. 5). Se trata de un movimiento similar al de una peonza, es decir, no gira en una posición vertical exacta, sino que en el extremo del eje dibuja una circunferencia en torno a la dirección del campo magnético hasta que consigue alinearse con él.
FIGURA 1.5 Esquema gráfico del movimiento de precesión de un protón.
En presencia de un campo magnético externo, los protones se alinean con este siguiendo un movimiento de precesión similar al de una peonza, resultado de la interacción del campo magnético nuclear y el campo magnético externo.
Estos protones, cuando se alinean con el campo magnético externo en un movimiento de precesión, lo hacen a una determinada velocidad angular, denominada frecuencia de precesión de Larmor. Para poder perturbar estos protones, el pulso de radiofrecuencia que se envíe debe ser de la misma frecuencia que la frecuencia de precesión que tienen, y para ello se utiliza la ecuación de Larmor, resultante del producto de dos parámetros:
W = Bo.-y
donde w es la frecuencia de precesión en megahercios (MHz), Bo es la fuerza del campo magnético externo en T y y es la constante o relación giromagnética, característica para cada núcleo, que se mide en MHz/T (en el caso del hidrógeno es de 42,5 MHz/T). De esta ecuación se deduce que la frecuencia del movimiento de precesión es proporcional a la intensidad del campo magnético: cuanto más alto es el campo magnético, más alta es la frecuencia de precesión.
Los protones alineados pueden absorber energía cuando son expuestos a ondas de radiofrecuencia, siempre que estas tengan la misma frecuencia de precesión que los protones, lo que se puede calcular con la ecuación de Larmor.
Magnetización longitudinal
En RM se trabaja con el momento magnético total, que resulta de la suma de todos los momentos magnéticos individuales de cada núcleo. En ausencia de campo magnético, los protones se distribuyen uniformemente, lo que supone la anulación de sus fuerzas. Recuerde que los protones se alinean con el campo magnético externo al que están sometidos y que habrá más protones en sentido paralelo. El exceso de protones en paralelo origina un vector de magnetización o momento magnético (M), cuya magnitud es directamente proporcional a la intensidad del campo magnético externo y tiene su misma dirección. Este vector se conoce como magnetización longitudinal, que precesiona sobre el eje del campo magnético externo a la frecuencia de Larmor (fig. 6).
FIGURA 6. Esquema gráfico de la magnetización longitudinal
Sin campo magnético
Sometido a campo magnético externo
Magnetización Longitudinal neta
La magnetización neta en equilibrio es paralela al eje z del campo magnético externo y se conoce como magnetización longitudinal.
El valor de este vector depende de la densidad de protones, de modo que cuantos más protones haya en el tejido estudiado, mayor será su valor.
FENÓMENO DE RESONANCIA. OBTENCIÓN DE LA SEÑAL DE RM
Excitación. Pulsos de radiofrecuencia
Cuando los protones se encuentran en estado de equilibrio, alineados con el campo magnético y formando el vector de magnetización longitudinal, se puede utilizar este vector para obtener la señal de RM, pero no se puede cuantificar porque está en paralelo al campo magnético externo. Para que el tejido magnetizado induzca una señal sobre la bobina receptora, el vector de magnetización debe cambiar su posición a un plano transversal, lo que se consigue enviando un pulso de radiofrecuencia. Existen dos tipos de pulsos de radiofrecuencia:
1. Un pulso de 90°, que hace que el vector de magnetización longitudinal (z) gire en transversal hacia el eje xy (fig. 7). 2. Un pulso de 180°, que hace que la magnetización gire hacia el eje z pero en sentido opuesto a la dirección del campo magnético principal (fig. 8).
FIGURA 7 Pulso de radiofrecuencia a 90° sobre el vector de magnetización longitudinal.
FIGURA 8. Pulso de radiofrecuencia a 180° sobre el vector de magnetización longitudinal.
Pero no todo pulso es capaz de perturbar a los protones. Como ya se ha comentado al hablar de la ecuación de Larmor, el pulso de radiofrecuencia debe tener la misma frecuencia de precesión que los protones. En este caso, los protones son capaces de absorber energía y pasar de estar en paralelo con respecto al campo magnético a estar en antiparalelo, que es un estado de mayor energía. Por otro lado, cuando los protones se desplazan del estado de baja energía al de alta energía lo hacen por un doble movimiento de precesión llamado movimiento de natación; al desplazarse describen un ángulo de rotación o slip angle (fig. 9) y finalmente todos girarán al unísono, lo que se conoce como protones o espines en fase.
FIGURA 9 Representación del ángulo de rotación (slip angle).
Por tanto, cuando se aplica un pulso de radiofrecuencia apropiado, con 90°, que además gire de forma sincronizada con los espines en precesión, se logrará que el vector de magnetización longitudinal se aparte de su orientación de equilibrio. Cuando la onda de radiofrecuencia es capaz de inducir en la magnetización neta un giro de 90°, la magnetización longitudinal se convierte en transversal (fig. 10).
FIGURA 10 Incidencia de la radiofrecuencia sobre la magnetización longitudinal para convertirla en transversal.
Un pulso de radiofrecuencia en la frecuencia de Larmor reorienta la magnetización longitudinal hacia el plano transversal, magnetización que podemos detectar mediante una bobina receptora.
Relajación transversal y longitudinal
Cuando cesa el pulso de radiofrecuencia, los protones que habían captado energía comienzan a liberarla en forma de ondas electromagnéticas para volver a su situación inicial (estado de equilibrio), proceso que se conoce como tiempo de relajación. La relajación no es un proceso espontáneo, sino que necesita que las estructuras del entorno sean capaces de absorber esa energía, es decir, se produce un trasvase de energía de los protones a las moléculas de su alrededor. Esta cesión de la energía sucede de dos formas de manera simultánea. Por un lado, los protones pierden la fase de precesión y, por otro, vuelven a alinearse con el campo magnético en sentido paralelo.
Se denomina relajación longitudinal, relajación en TI o relajación espín-red al fenómeno de realineamiento en paralelo con el eje z: los protones pasan a un estado de menor energía y recuperan la magnetización longitudinal. El T1 de un tejido se define como el tiempo que tarda en recuperarse el 63% de su magnetización longitudinal. Esta recuperación es diferente para cada tipo de tejido, ya que no todos los protones se relajan al mismo tiempo porque se encuentran en distintas estructuras moleculares. Cuanto más corto sea el T1 de un tejido, es decir, cuanto menos tiempo tarden los protones de sus moléculas de hidrógeno en volver a su estado de reposo y recuperar su vector de magnetización longitudinal, más hiperintenso se visualizará. Un ejemplo es la grasa, que tiene un Ti corto, lo que hace que se muestre con mayor intensidad, más brillante (hiperintenso). Por otro lado, el agua en su estado más libre (como ejemplo, el líquido cefalorraquídeo) presenta una frecuencia natural mayor que la de precesión, y la liberación de energía al entorno molecular para volver a su estado de reposo es más lenta. Tiene por tanto un Ti muy largo, lo que se traduce en una señal poco intensa (hipointensa).
El fenómeno de pérdida energética en el plano xy se denomina relajación transversal, relajación en T2 o relajación espín-espín, y está relacionada sobre todo con la pérdida de fase de los protones. Se define como el tiempo que tarda en perderse el 63% de la magnetización transversal o, lo que es lo mismo, el tiempo que tarda en recuperarse el 3 7% de su valor inicial. El T2 mide, por tanto, el tiempo que los protones permanecen en fase después de un pulso de radiofrecuencia. El T2 también se denomina relajación espín-espín, porque los protones pierden la coherencia de fase y dejan de precesar sincrónicamente. La relajación en T2 depende además de la distancia entre moléculas: cuanto más alejados estén los protones entre sí, menor será la interacción entre los campos magnéticos que generan. Por este motivo, el agua tiene un tiempo de relajación en T2 más lento lo que denominamos T2 largo. Todos los tejidos con componente liquido tendrán una señal mayor y se verán hiperintensos; así, por ejemplo, el líquido cefalorraquídeo, que tiene un elevado porcentaje de agua en su composición y por tanto un T2 largo, se verá hiperintenso.
En realidad, la relajación transversal se realiza en paralelo a la recuperación longitudinal, por lo que no existen imágenes T1 y T2 puras, sino que todas las imágenes de RM tienen componentes T1 y T2. Lo que sucede es que, al determinar los parámetros de exploración, se elige que cada imagen tenga un predominio T1 o T2, es decir, se elige la potenciación en T1 o en T2 de cada imagen.
ACTIVIDADES DE APRENDIZAJE
De respuesta al siguiente cuestionario y remita sus respuestas al correo: actividades@consejomexicanodeneurociencias.org
1. ¿Cuál de las siguientes no es una característica del átomo de hidrógeno?
a. Su número atómico es 1.
b. Está formado por una sola partícula elemental llamada protón.
c. El protón del núcleo representa prácticamente la totalidad de la masa del átomo.
d. La carga eléctrica del protón es positiva. e. Es el átomo más abundante en el cuerpo humano.
2. Entre los siguientes enunciados, indique la respuesta verdadera:
a. Las imágenes de RM van a ser el resultado de la señal que emiten principalmente los electrones de los átomos de hidrógeno que forman parte del agua del organismo.
b. Los materiales paramagnéticos son débilmente repelidos por el campo magnético, por lo que, cuando se introducen en uno, se induce en él un momento magnético de sentido opuesto al del campo.
c. El momento magnético es un vector perpendicular a la dirección del movimiento que tienen las cargas que lo han generado.
d. La unidad de medida de la intensidad del campo magnético es el MHz e. En el organismo, el único átomo existente con propiedades magnéticas (espín) es el hidrógeno.
3. Señale la respuesta correcta acerca de los estados energéticos de los protones:
a. Cuando el átomo de hidrógeno no se encuentra sometido a una fuerza externa (fuera del campo magnético), muestra una disposición totalmente aleatoria.
b. Fuera de campo magnético, los protones se reparten casi de forma equitativa entre el sentido paralelo y el antiparalelo.
c. Dentro de un campo magnético, los protones se reparten en estado paralelo y antiparalelo, con un pequeño exceso en estado antiparalelo. d. En estado paralelo, los protones se encuentran alineados a favor con el campo magnético externo, situación de alta energía. e. La separación entre los dos niveles de energía -paralelo y antiparalelo- es inversamente proporcional al campo magnético, y la señal de RM es menor cuanto mayor sea el campo magnético aplicado.
4. Señale la respuesta falsa:
a. El vector de magnetización longitudinal no se puede cuantificar para obtener la señal de RM porque está en paralelo al campo magnético externo.
b. Para poder cuantificar el vector de magnetización es necesario modificar su dirección aplicándole un pulso de radiofrecuencia.
c. Un pulso de radiofrecuencia de 90° hace que el vector de magnetización longitudinal (z) gire en transversal hacia el eje xy.
d. Para que un pulso de radiofrecuencia estimule a los protones, debe tener la misma frecuencia de precesión que los protones.
e. Cuando cesa el pulso de radiofrecuencia, los protones que habían captado energía comienzan a liberarla en forma de onda electromagnética para volver a su situación inicial (estado de equilibrio), proceso que se conoce como tiempo de excitación.
5. Indique la afirmación correcta respecto al tiempo de relajación Ti:
a. Se denomina también tiempo de relajación espín-espín.
b. Se denomina también tiempo de relajación longitudinal.
c. Representa el tiempo que tardan los protones de hidrógeno en recuperar el vector de magnetización transversal.
d. El T1 de un tejido se define como el tiempo que tarda en perderse el 63% de la magnetización transversal.
e. Los tejidos con un Ti largo como el líquido cefalorraquídeo se visualizan más hiperintensos.
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