Variables Físicas en la Formación de Imágenes por resonancia magnética

Historia de la resonancia magnética

(1768-1830): Los orígenes de la RMN, hoy conocida como MRI, se deben al matemático francés Jean Baptiste Joseph Fourier (1768-1830). Sus contribuciones incluyeron una técnica matemática para estudiar la transferencia de calor, lo que a su vez facilitó el desarrollo del procesamiento de señales de fase y frecuencia en RMN, permitiendo un análisis más rápido en este campo.

(1856-1943): La unidad de medida de la intensidad del campo magnético, el Tesla, lleva el nombre de Nikola Tesla, un inventor serbio (1856-1943) que hizo importantes contribuciones al electromagnetismo, como el descubrimiento del campo magnético rotatorio. Su trabajo revolucionó la comprensión y aplicación de los campos magnéticos, sentando las bases para avances tecnológicos en electricidad y magnetismo, con un impacto duradero en diversas industrias, incluida la tecnología de imágenes por resonancia magnética (IRM).

(1857–1942): Sir Joseph Larmor (1857-1942) fue un destacado físico irlandés que hizo importantes contribuciones a la física. Ideó un método para calcular la velocidad a la que un electrón acelerado emite energía y explicó la división de líneas espectrales en campos magnéticos. Es especialmente conocido por formular la "ecuación de Larmor", que relaciona la frecuencia de precesión del momento magnético nuclear (ω) con la intensidad del campo magnético (B0) y la relación giromagnética (γ), expresada como ω = γB0. Su trabajo sigue siendo fundamental en el estudio de la resonancia magnética nuclear (RMN).

(1898–1988): Isidor Rabi (1898-1988) fue un destacado científico austriaco que realizó investigaciones pioneras en el Departamento de Física de la Universidad de Columbia. Su contribución más importante fue el desarrollo de un método para detectar y medir los estados de rotación de átomos y moléculas, así como la determinación de los momentos magnéticos de los núcleos, lo que brindó información valiosa sobre sus propiedades.

(1898-1988)
(1912-1997): En la década de 1940, Felix Bloch de la Universidad de Stanford y Edward Purcell de la Universidad de Harvard hicieron importantes descubrimientos de forma independiente sobre las propiedades magnéticas de ciertos núcleos del sistema periódico. Descubrieron que, al colocarse en un campo magnético, estos núcleos absorbían energía del espectro electromagnético y la reemitían al regresar a su estado original, con la intensidad del campo magnético y la radiofrecuencia correlacionadas según la relación de Larmor. Sus hallazgos fueron fundamentales para el desarrollo de la tecnología de imágenes por resonancia magnética (IRM) y revolucionaron la física, proporcionando una comprensión clave del comportamiento nuclear en campos magnéticos.

(1936-2022): En 1971, Raymond Damadian, un investigador del Downstate Medical Center de Nueva York, llevó a cabo un estudio innovador sobre los tiempos de relajación T1 y T2 en tejidos de ratas. Su investigación se enfocó en comparar el tejido sano con el tejido canceroso, lo que le llevó a un descubrimiento significativo: el tejido normal mostraba tiempos de relajación más cortos que el tejido tumoral. Esta observación fue un hito importante en el ámbito de la imagenología médica y estableció las bases para el desarrollo de la resonancia magnética (IRM) como herramienta diagnóstica. El trabajo pionero de Damadian ofreció información clave sobre las diferencias entre tejidos sanos y enfermos, lo que impulsó el avance de las técnicas de imagenología médica y su uso en la detección y caracterización de diversas enfermedades, incluido el cáncer. Sus contribuciones a la IRM han tenido un impacto profundo en la atención médica contemporánea, transformando la manera en que diagnosticamos y entendemos las enfermedades.

(1933-2017)
(1928-2007): En 1974, Paul C. Lauterbur, profesor de química y radiología en la Universidad de Nueva York, y Peter Mansfield, del Departamento de Física de la Universidad de Nottingham, hicieron avances significativos en resonancia magnética al describir de forma independiente el uso de gradientes de campo magnético para localizar espacialmente las señales de RMN. Sus descubrimientos fueron fundamentales para el desarrollo de la tecnología de imágenes por resonancia magnética (IRM).

(1933-2021): En 1975, el físico-químico suizo Richard Ernst realizó una contribución pionera al introducir el uso de la transformada de Fourier de codificación de fase y frecuencia para la reconstrucción de imágenes bidimensionales (2D). Esta innovadora técnica revolucionó la imagenología médica, especialmente en la resonancia magnética (MRI), permitiendo un avance significativo en la obtención de imágenes de alta resolución.

(1993 - 2017): en 1975, Peter Mansfield y Andrew Maudsley hicieron importantes aportes al campo de la imagen médica al proponer una técnica de escaneo lineal, lo que permitió obtener la primera imagen transversal de la anatomía humana, comenzando con una sección a través de un dedo. En 1978, Hugh Clow e Ian R. Young, trabajando en la empresa británica EMI, crearon la primera imagen de RMN transversal de una cabeza humana. El trabajo pionero de Mansfield y Maudsley sentó las bases para el desarrollo de modalidades de imagen avanzadas como la resonancia magnética (IRM).

Equipamento

Imán: La resonancia magnética (RM) utiliza imanes potentes para generar un campo magnético y crear imágenes detalladas del interior del cuerpo. Los imanes en las máquinas de RM son cruciales porque alinean los protones en los tejidos del cuerpo. Cuando estos protones son estimulados por ondas de radio, emiten señales que son captadas y convertidas en imágenes por un ordenador. Los imanes pueden ser de dos tipos: los permanentes, que mantienen un campo magnético constante, y los electromagnéticos, que generan un campo magnético al ser alimentados con electricidad. La fuerza del imán, medida en teslas (T), influye en la calidad y la resolución de las imágenes obtenidas.

Sistema de gradientes: El sistema de gradientes en resonancia magnética (RM) es fundamental para la localización espacial de las señales. Consiste en bobinas que generan campos magnéticos variables en diferentes direcciones, permitiendo que se modifiquen las frecuencias de resonancia de los protones en función de su posición en el espacio. Al aplicar estos gradientes, se puede seleccionar y enfocar áreas específicas del cuerpo para obtener imágenes en 2D o 3D. Esto es crucial para la creación de imágenes detalladas y precisas, y permite diferenciar entre tejidos en función de sus características magnéticas.

Sistema de radiofrecuencia: El sistema de radiofrecuencia (RF) en resonancia magnética (RM) se encarga de enviar pulsos de ondas de radio para excitar los protones en los tejidos del cuerpo. Cuando los protones son expuestos a estos pulsos, absorben energía y cambian de estado. Al cesar la excitación, los protones regresan a su posición original, liberando energía en forma de señales de RF. Estas señales son captadas por detectores y procesadas para crear imágenes detalladas. El sistema de RF es esencial para obtener la información necesaria para visualizar estructuras internas y características de los tejidos.

Antenas: La antena de resonador en resonancia magnética (RM) funciona como un componente clave en el sistema de radiofrecuencia. Su principal función es transmitir y recibir las señales de radiofrecuencia que excitan los protones en los tejidos.

Función: Transmisión de pulsos RF, recepción de señales y conversión a Imágenes.

Tipos:

Antena multicapa: Combinan varias bobinas en un solo dispositivo para mejorar la señal y la resolución.

Antena de cuerpo: Más grandes, diseñadas para cubrir áreas extensas del cuerpo por lo que se utilizan en estudios que requieren imágenes de todo el torso

Antena en forma de "solenoide": Tienen forma cilíndrica y se utilizan para regiones como el abdomen.

Antena cuadrada o de "cubo": Ofrecen un buen rendimiento para áreas específicas y pueden adaptarse a diferentes formas del cuerpo.

Antena de superficie: Diseñada para áreas específicas del cuerpo, como la cabeza o la rodilla

Antena de gradiente: Utilizadas para la creación de gradientes de campo magnético en el escáner. Estas no están involucradas directamente en la adquisición de imágenes, pero son esenciales para la localización espacial de señales.

Física de la Resonancia magnética

Principios físicos de la RM

Ciertos núcleos atómicos presentes en el organismo absorben y reemiten ondas de radio de frecuencias específicas cuando se encuentran bajo la influencia de un campo magnético. Estas señales de radio reemitidas contienen información sobre el paciente, que es capturada por un receptor o antena. La señal eléctrica se transmite desde la antena a través de un convertidor «analógico a digital» (CAD) y, posteriormente, a un ordenador, donde se reconstruye de forma matemática una imagen del paciente.

Interacción de los núcleos con campos magnéticos

Precesión

Envío de una señal de radio a los núcleos de precesión

Resonancia

Recepción de la señal de los tejidos corporales

Relajación

Diamagnetismo y paramagnetismo:

El diamagnetismo y el paramagnetismo son fundamentales para la resonancia magnética, ya que afectan cómo los tejidos responden al campo magnético, influyendo en la calidad y el contraste de las imágenes obtenidas.

Diamagnetismo: Es una propiedad de los materiales que, en presencia de un campo magnético, generan un campo magnético opuesto. Esto hace que sean repelidos por un campo magnético externo.

Paramagnetismo: Es la propiedad de ciertos materiales que contienen electrones desapareados, lo que les permite ser atraídos por un campo magnético. En un campo magnético, estos electrones tienden a alinearse con el campo, aumentando la magnetización del material.

Núcleo atómico

la RM implica la interacción de las ondas de radio (y los campos magnéticos estáticos) con los núcleos aislados.

No todos los núcleos responden a los campos magnéticos. Aunque, en teoría, existen diversos núcleos adecuados, en la actualidad la mayoría de los procedimientos de imagen se realizan con núcleos de hidrógeno (protones únicos).

Núcleos de hidrogeno: Una de las razones para esta preferencia es la gran cantidad de hidrógeno que se encuentra presente en la mayoría de los tejidos. Este hecho es evidente porque existen dos átomos de hidrógeno en cada molécula de agua, y el organismo está compuesto, aproximadamente, por un 85% de agua.

Movimiento de precesión

La RM es posible debido a que los núcleos magnéticos realizan una precesión alrededor de un campo magnético estático (invariable) intenso. El fenómeno de precesión se produce cuando una fuerza externa incide sobre un objeto que gira.

En la aplicación de la RM, el protón (núcleo de hidrógeno) que gira realiza una precesión cuando se coloca en un campo magnético intenso.

La velocidad de precesión de un protón en un campo magnético aumenta al incrementar la intensidad del campo magnético.

Ecuación de Larmor

La ecuación de Larmor describe la frecuencia de precesión de un momento magnético nuclear en un campo magnético.

ω=γB0

γ es la relación giromagnética del núcleo (una constante específica para cada tipo de núcleo).

B0 es la intensidad del campo magnético aplicado (en teslas).

ω es la frecuencia angular de precesión (en radianes por segundo).

Estados energéticos

Protones en paraleo

protones en antiparalelo

los protones están alineados con el campo magnético aplicado.

los protones están alineados en dirección opuesta al campo magnético.

mayor señal durante la resonancia.

menor señal durante la resonancia.

Magnetización longitudinal y transversal

la magnetización se refiere al comportamiento de los núcleos de los protones en un campo magnético.

Magnetización Longitudinal (Mz): Es la componente de la magnetización que se alinea a lo largo del eje del campo magnético aplicado

Magnetización Transversal (Mxy): Es la componente de la magnetización que se encuentra en el plano perpendicular al campo magnético aplicado (normalmente en el plano xy)

Aplicación de pulsos de radiofrecuencia:

Son fundamentales para excitar los núcleos atómicos y producir la señal detectable en la resonancia magnética. Estos pulsos, que son ondas electromagnéticas de frecuencia específica, interactúan con los núcleos de los átomos, como los protones del hidrógeno.




Relajación transversal y relajación longitudinal T1-T2

Al finalizar el pulso de radiofrecuencia, los núcleos precesan juntos en fase. Una vez desconectado el pulso, comienzan a regresar a una configuración aleatoria, un proceso llamado relajación. Durante esta relajación, la señal de resonancia magnética disminuye a medida que los núcleos pierden la coherencia de su precesión.

T1: Esta relajación se produce cuando el espín de los núcleos excitados empieza una precesión con ángulos cada vez más pequeños, esto es, de una precesión cercana a la horizontal o transversal a una más vertical.

T2: Cuando cada espín empieza una precesión desfasada con respecto a los demás, el resultado se denomina relajación transversa, o espín-espín. Esto se conoce como relajación T2.

Elaborado por: Luis Fernando Correa Torres