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3.3 Resonancia Magnética Nuclear
www.gphysics.net – UACH-Física en la Odontologia–3-3-Resonancia Magnética Nuclear - Versión 06.09
Dr. Willy H. Gerber, Dr. Constantino UtrerasInstituto de Física, Universidad Austral
Valdivia, Chile
Objetivos: Comprender la técnica de resonancia magnética nuclear.
MRI
Una introducción a los principios de la Imagenología por Resonancia Magnética Nuclear, y sus aplicaciones en el área de salud/odontología.
• Oscilaciones y Resonancia• Magnetismo• Imágenes por Resonancia Magnética Nuclear• MRI funcional (fMRI)
Ventajas:• Usa radiación no ionizante.• Permite obtener imágenes de tejidos blandos (no como rx).
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Qué es la MRI?
En síntesis, los núcleos de muchos elementos químicos tienen SPIN nuclear, lo que los hace sensibles a pulsos de campos magnéticos. Esto significa que, cuando un núcleo recibe un pulso magnético, es capaz de reaccionar y emitir (de vuelta) un nuevo pulso magnético, que lleva información acerca de su tipo y medio circundante.
• En MRI se usan pulsos de radio-frecuencia (RF) para excitar a los núcleos.
• Un pulso de RF es radiación electromagnética.
• Los pulsos de RF son detectadas y amplificadas en el equipo de MRI
• El equipo de MRI calcula la imagen, a partir de la información de los detectores.
• El pulso de RF es producido por un circuito oscilante.
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Resumen
MRI es imagenologá a por resonancia magnética, de manera que trataremos los siguientes conceptos
• Oscilaciones y Resonancia
• Magnetismo
• Spin nuclear y resonancia magnética
• Imágenes
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Oscilaciones y Resonancia
Se observan oscilaciones (o vibraciones) en todo tipo de sistemas
• Sistemas masa-resorte
• Péndulo simple
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Resorte
Masa
Masa
Barra sin masa
Eje
Posición de equilibrio
El prototipo es el sistema masa-resorte: cuerpo de masa m (kg), unido a un resorte de constante elástica k (N/m); x(t) es desplazamiento c/r a la posición de equilibrio,
• La fuerza elástica, debida al resorte, es (Ley de Hooke)
(1)
• La ecuación de movimiento de Newton es
(2)
en que a es la aceleración del cuerpo.
• La solución de la ecuación es
(3)
Oscilaciones y Resonancia
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La solución se expresa en función de
• La amplitud
• La frecuencia angular ,
(4)
• La fase inicial
• La frecuencia
(5)
• El período
(6)
Oscilaciones y Resonancia
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Periodo
Amplitud
Tiempo
• Amortiguación por roce viscoso,
(7)
• La ecuación de movimiento es
(8)
Oscilaciones y Resonancia
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Sobre amortiguado Amortiguacion critica Sub amortiguado
• agregamos la fuerza sinusoidal
(9)
(10)
• la intensidad media esproporcional a ( )
(11)
• esta curva tiene un máximo en : Resonancia
• si el ancho de banda es estrecho,entonces , la resonanciase identifica fácilmente.
Oscilaciones y Resonancia
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Ancho de Banda
Conceptos de Magnetismo
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• imanes• terrestre• corrientes eléctricas estáticas (Oersted)• inducción (Faraday)
Conceptos de Magnetismo
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Ecuaciones de Maxwell
• Electricidad, campos • Magnetismo, campos • Polarización , magnetización
Nota: solo para información, no se considera en guía o prueba
Conceptos de Magnetismo
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• Ejercen fuerzas magnéticas [N] sobre cargas Eléctricas [C]
(12)
Para el caso de que es el ángulo entre [m/s] y [T] y ambos están en un plano perpendicular a
(13)
• y sobre corrientes [A=C/s]
(14)
que en el caso de un alambre de largo en que el campo es constante a lo largo de el y es el vector unitario perpendicular al disco que forma el alambre
(15)
Nota: regla de la mano derecha
Conceptos de Magnetismo
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• el campo magnético ( ) se mide en Tesla (T), o en Gauss (G),
1 (T) = 104 (G) (16)
• El campo magnético terrestre es B ≈ 1 (G)
• Solenoide vueltas, largo , corriente
(17)
= 1.2566×10−6 Tm/A
Conceptos de Magnetismo
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• un anillo (radio , área ) con corriente es una espira
• esta espira se comporta como un dipolo magnético, generando un campo magnético de tipo dipolar
• el momento (dipolar) magnético es , en que y es normal al plano de la espira
• en presencia de un campo magnético externo, la espira experimenta un torque
(18)
(19)
Conceptos de Magnetismo
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• la fuerza sobre un dipolo es
, (20)
o en forma aproximada para una variación en la dirección del dipolo sobre la distancia
(21)
es decir, si el campo es uniforme
• la energía es
(22)
• A mediados del siglo XIX, Faraday descubrió que un campo magnético variable en el tiempo es capaz de producir un campo eléctrico
• específicamente, demostró experimentalmente que, en un circuito que enlaza un flujo magnético
(23)
o para un campo a través de una superficie tipo disco de radio
(24)
Conceptos de Magnetismo
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• Variable en el tiempo, se induce una fuerza electro-motriz (fem) ε, dada por
(25)
o para pequeños tiempos
(26)
• aplicaciones: dinamos, motores eléctricos (de inducción), ondas
• Maxwell: las ondas luminosas son un fenómeno electromagnético,
• es posible emitir y detectar ondas electromagnéticas: Hertz (1883)
Conceptos de Magnetismo
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Spin Nuclear y NMR
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• Los núcleos tienen spin (momento angular intrínseco) s=1/2, en unidades de • El spin es de naturaleza cuántica
• Teoría cuántica: los núcleos con A=Z+N igual a un numero impar tienen spin distinto que 0.
• Principio de Pauli: en un núcleo no excitado los spines se compensan (como en el átomo)
• Los spines de los núcleos actúan en forma colectiva, por eso usamos ecuaciones clásicas (en general)
• El núcleo mas importante en biología es el Hidrogeno
Spin Nuclear y NMR
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• El momento angular (spin) y el momento magnético son proporcionales,
(27)
• es la razón geomagnética.
• la teoría clásica da (28)
con masa del protón.
• como , entonces (spines libres)
(29)
• por relajamiento los spines se alinean con el campo magnético
Spin Nuclear y NMR
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• los spines precesan a la frecuencia de Larmor,
(30)
• Las ecuaciones de Bloch describen la relajación de los spines.
• Hay similaridad entre el trompo en campo gravitacional y los spines en el campo magnético.
Spin Nuclear y NMR
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• Los espines se relajan al valor de la magnetización (en presencia del campo externo ), que es el valor de equilibrio. El se deja calcular con la susceptibilidad magnética que es un parámetro propio del material mediante:
(31)
• Mz es la componente longitudinal y Mx , My son las componentes transversales
• T1 describe la relajación longitudinal y T2 la transversal.
• T1 y T2 dependen del medio en que se encuentran los núcleos.
Spin Nuclear y NMR
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Precesión
Pulso alta frecuencia
• Los spines son alineados por el campo magnético estático intenso (0.3 T a 3 T)Los spines nucleares son excitados por un campo magnético variable en el tiempo
(32)
El campo excitante
(33)
a la frecuencia de resonancia de spines y perpendicular al campo principal
En MRI se utiliza la frecuencia del hidrogeno (protón) y
• el ángulo de rotación del spin es
(34)
• un pulso de 90 o es un pulso que produce que los spines se orientenperpendicular a ~ B0, y tiene una duración tal que
, (35)
• por lo tanto, precesan formando un ángulo de 90 o con
• los spines emiten radiación al relajarse en presencia de
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Spin Nuclear y NMR
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• los spines emiten radiación al relajarse en presencia de
• el mecanismo de emisión es el mismo que opera en un dinamo, o en una central hidroeléctrica
• el principio de inducción de Faraday
Spin Nuclear y NMR
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Los spines son excitados por un pulso de 90º, y luego se des excitan... regresando al estado original
Estado inicial Estado excitado Estado intermedio Estado final
Spin Nuclear y NMR
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El mismo proceso, visto en términos de la magnetización longitudinal Mz...
Spin Nuclear y NMR
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• Cuando se relaja Mz, la componente z de la magnetización, el tiempo característico es T1, alcanzando el valor final asintóticamente
• Corresponde a la interacción de los spines nucleares con la red o átomos vecinos
(36)
Características de la relajación spin-red T1
• T1 es el tiempo en que los protones girando (spin) pueden transferir su energía a los átomos vecinos
• T1 depende del tipo de tejido que se considere
• T1 depende del tipo de moléculas del tejido y de su ambiente
• para agua, T1 es largo, mientras que para tejido adiposo T1 es corto
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Spin Nuclear y NMR
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• Los spines pierden su fase en el plano xy, y se desordenan• el proceso se denomina relajación spin-spin• afecta a las componentes Mx y My (transversales) de la magnetización.
Spin Nuclear y NMR
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Mecanismos de pérdida de fase• inhomogeneidades magnéticas• interacción spin-spin (dipolar)• el decaimiento de las componentes Mx (My ) es exponencial
Excitación
Señal componentes Mx (My)
Amortiguación
Spin Nuclear y NMR
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Características de la relajación spin-spin (T2)• T2 es corto en tejido sólido (como el hueso), los spines están siempre expuestos a las fluctuaciones de los momentos magnéticos vecinos• T2 es más largo en fluidos, debido a que las fluctuaciones en la vecindad tienden a compensarse• T2 depende del tipo de tejido
Magnetización Transversal
Tejidos A
Tejidos B
Tiempo (s)
Spin Nuclear y NMR
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Licor
Tejidos grisesTejidos blancosGrasas
Decaimiento de Mxy en función del tiempo para distintos tejidos cerebrales.
Spin Nuclear y NMR
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Valores de los tiempos de relajación para tejido humano.
• T1 y T2 dependen del tipo de tejido• T2 está entre 40 ms y 100 ms• T1 está entre 200 ms y 900 ms• en general T1 >> T2, además T1 depende de B0, pero T2 es independiente de B0
Tejido T2 (ms) T1 (ms) a 0.5 T T1 (ms) a 1T T1 (ms) a 1.5T
Músculo 47±13 550±100 730±130 870±130
Corazón 57±16 580±90 750±120 870±120
Hígado 43±14 330±70 430±90 500±90
Riñones 58±24 500±130 590±160 650±160
Bazo 67±27 540±100 680±130 780±130
Grasa 84±36 219±60 240±70 270±70
Materia gris 101±13 660±110 810±140 920±140
Materia blanca 92±22 540±90 680±120 790±120
Imágenes por RMN
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Trataremos de explicar como se obtiene una imagen en MRI: codificación espacial
Imágenes por RMN
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Campoestático
Pulos HF
• El paciente se coloca a lo largo, en la dirección del campo magnético principal B0
• El paciente se estudia por tajadas en la dirección z• Cada tajada se ubica espacialmente superponiendo un campo que varía en la dirección z
Imágenes RMN
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Se colocan bobinas para poder seleccionar primero una tajada de espesor , y luego leer la información de resto del voxel , .
Bovina campo estático
Bovina campo variable y
Bovina campo variable x
Referencias
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1. Wikipedia2. L. M. Button, P. R. Goddard. The British Journal of Radiology, 75(2002) 552-562
Contacto
Instituto de FísicaUniversidad Austral de Chile
Campus Isla TejaCasilla 567, Valdivia, Chile
Dr. Willy H. [email protected]
Dr. Constantino [email protected]
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