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Nuestra breve serie, Science of Medical Imaging, examina la tecnología detrás de los métodos no invasivos para crear imágenes del cuerpo humano. En esta tercera y última entrega, analizamos los conceptos básicos de la resonancia magnética (MRI). En los dos primeros artículos de esta serie, vimos que las imágenes de emisión proporcionan información funcional. La transmisión de imágenes proporciona un contexto estructural en el cuerpo.

Las técnicas discutidas anteriormente son enormemente beneficiosas; sin embargo, su uso repetido en un paciente determinado debe ser limitado, ya que utilizan radiación ionizante.

En el contexto de esta discusión, es importante recordar que estamos expuestos a radiación ionizante todos los días y nuestros cuerpos hacen un excelente trabajo mejorando cualquier efecto.

Sin embargo, sigue siendo cierto que la exposición a la radiación ionizante, incluso como parte de una atención clínica eficaz, puede tener un efecto negativo. Una técnica clave que evita algunos de estos problemas es la resonancia magnética (IRM).

Cartografía del agua

La resonancia magnética se utilizó por primera vez para obtener imágenes en la década de 1970 y, desde entonces, ha experimentado muchas mejoras. Uno de ellos, la resonancia magnética funcional (fMRI), permite observar cambios en la función neuronal mientras el paciente realiza una tarea.

La resonancia magnética comúnmente mapea la distribución del agua en el cuerpo. El agua está compuesta por dos átomos de hidrógeno y un solo átomo de oxígeno.

Podemos imaginar estos dos hidrógenos al final de los dos «brazos» del oxígeno. Es esta forma molecular específica la que permite a la resonancia magnética seleccionar los hidrógenos dentro de las moléculas de agua.

Su cerebro y otros tejidos blandos contienen entre un 60 y un 70% de agua en comparación con sus huesos, que son solo un 30% de agua, por lo que la resonancia magnética es mucho mejor para mapear los tejidos blandos. Como puede ver en la imagen de resonancia magnética a continuación, el humor acuoso del ojo aparece blanco, mientras que los huesos del cráneo son comparativamente oscuros.

Generación de resonancia magnética

Una descripción completa de la resonancia magnética requiere una comprensión de la mecánica cuántica y el espín, pero en aras de la brevedad del artículo, ignorémoslos.

Todo lo que realmente necesitamos notar es que confiamos en los protones que actúan como dipolos magnéticos. En pocas palabras, un dipolo es un objeto con dos polos opuestos. Por lo tanto, un dipolo magnético, como un imán de barra, tiene polos magnéticos norte y sur.

La orientación de la barra magnética en el espacio se puede describir por el momento dipolar magnético que es un vector (ya que tiene una dirección, es del sur al polo norte). El núcleo del átomo de hidrógeno en el agua tiene solo un protón. Es la propiedad magnética del protón la que genera la señal en la resonancia magnética.

Para comprender la resonancia magnética, primero comience asumiendo que el momento dipolar de un solo protón en un campo magnético uniforme se comporta como la aguja de una brújula.

La Figura A muestra que la aguja de una brújula colocada en un campo magnético se alinea con el campo. La dirección del campo está indicada por el vector B en el diagrama.

Entonces podemos “patear” (excitar) el sistema introduciendo un segundo campo magnético (figura B) y luego retirándolo (figura C). Esto hará que la aguja se mueva hacia atrás. Adelante como un péndulo hasta que vuelva a su posición de reposo.

Si trazáramos la posición de la parte roja de la aguja en relación con su posición inicial, obtendríamos algo como la forma que se muestra en la figura D.

Esta forma de gráfico se llama onda sinusoidal amortiguada. Se le da este nombre porque oscila como una onda cosenoidal (o sinusoidal) pero su magnitud disminuye (se amortigua) con el tiempo.

Si, en lugar de quitar el imán por completo, deslizamos el segundo imán hacia adelante y hacia atrás (a lo largo del eje x) a la frecuencia correcta, le damos la máxima “patada” a la aguja y logramos una resonancia.

Esto es análogo a elegir los momentos correctos en los que empuja a un niño en un columpio para ganar la altura máxima.

Ahora, volvamos a una discusión práctica sobre la resonancia magnética. Imagine que un paciente está acostado en el escáner a lo largo del eje z (consulte la figura E), en la misma dirección que el fuerte campo magnético. Ya hemos demostrado lo que sucede si los protones en el agua de su cuerpo se comportan como agujas de una brújula (consulte la figura A): se alinean con el campo magnético.

Sin embargo, debido a que los protones tienen espín (momento angular), pueden alinearse a lo largo del campo o en 180 grados. Estos son dos estados energéticos diferentes. No hay una división exacta de 50:50 y un poco más (un exceso) de los protones se alinean en la misma dirección que el campo magnético.

La Figura F muestra una caricatura del exceso de protones alineados (flechas rojas) en el paciente. Aparecen como una sola flecha roja porque el momento dipolar de cada protón está encima de todos los demás.

Ahora, tenemos que «patear» el sistema. La forma en que lo hacemos no es con un imán de barra (como en las figuras B y C), sino con una señal de radiofrecuencia adecuada, aproximadamente 60 MHz.

Una onda de radiofrecuencia tiene campos eléctricos y magnéticos. Al generar una onda de radiofrecuencia y pasarla a través del cuerpo, perturbamos los protones, dándoles energía. Los protones tienen giro y, por lo tanto, precesan alrededor del eje z (en lugar de simplemente balancearse hacia adelante y hacia atrás como la aguja de la brújula).

En la figura G se muestra un ejemplo del precesión de protones después de que la onda de radiofrecuencia ha «pateado» el sistema. La frecuencia de esta precesión es proporcional a la fuerza del campo magnético y se denomina frecuencia de Larmor. Nuevamente, en la figura G, todos los protones precesan a la misma frecuencia, por lo que las flechas están colocadas una encima de la otra.

Hasta ahora, todo lo que hemos hecho es preparar el sistema introduciendo energía en términos de campos electromagnéticos; en realidad, no hemos medido nada. Después de que se aplica el pulso de radiofrecuencia, los protones en precesión regresan a sus posiciones de equilibrio emitiendo ondas de radiofrecuencia (ver figura H).

Es el campo magnético de esta onda de radiofrecuencia, la resonancia magnética, el que nos proporciona una señal que podemos medir, y lo hacemos con una inducción. bobina.

Como mostramos para la brújula, la señal medida en resonancia magnética también es una onda sinusoidal amortiguada que es causada por los momentos dipolares que regresan a sus orientaciones originales. La forma de la señal está determinada por la frecuencia de precesión. Otro efecto llamado eliminación de fase (consulte la segunda definición en esta página de Wikipedia). El desfase hace que los momentos dipolares de los protones se separen en lugar de sentarse uno encima del otro como se muestra en las figuras F a H.

Ubicación de la señal

Todavía hay un problema, ya que no hemos mencionado nada sobre cómo determinar de qué parte del paciente proviene la señal. Después de todo, si queremos producir un mapa de la distribución de la densidad de protones en el paciente (la imagen), necesitamos conocer la posición de la emisión de la onda de radiofrecuencia.

Cuando miramos las señales, tienen dos propiedades principales de interés:

1. Amplitud, que está relacionada con el número de protones en la región.

2. Frecuencia, que está relacionada con la fuerza del campo magnético ( B ) en esa ubicación.

Esto se demuestra en los siguientes diagramas.

La Figura I muestra vasos de agua amarillos, rojos y verdes que representan la cabeza, el pecho y el abdomen de un paciente en el escáner. Podemos ver en la figura I que el campo magnético, que se muestra como B , tiene la misma fuerza a lo largo del eje z. La Figura J muestra que después de «patear» el sistema, los tres vasos de agua responden emitiendo ondas de radio de la misma frecuencia. Las señales tienen diferentes amplitudes debido a los diferentes niveles de agua.

Las figuras K y L muestran lo que sucede si hacemos que el campo sea más fuerte en un extremo ( B + ) y más débil en el otro ( B- ). Vemos en la figura L que este gradiente cambia la frecuencia de Lamor de los protones a lo largo del eje zy las señales ahora tienen frecuencias diferentes.

Por lo tanto, aplicando un gradiente de campo magnético y adaptando la frecuencia de la onda que «patea» (excita) los protones, podemos seleccionar para excitar solo una porción delgada del paciente.

Cualquiera que haya tenido una resonancia magnética sabrá que está en el escáner durante un período de tiempo significativo. Esto se debe a que el paciente debe ser escaneado corte por corte aplicando el gradiente. Incrementar la frecuencia de la excitación. Esto se repite muchas veces para recopilar señales secuencialmente. Construya una imagen a partir de los cortes del paciente.

Si bien esta discusión ha pasado por alto muchos de los detalles técnicos, sirve para dar una introducción básica a la resonancia magnética y complementa los artículos sobre imágenes de emisión y transmisión.

Idealmente (por consideraciones de radiación ionizante), todas las tomografías computarizadas se reemplazarían por resonancias magnéticas. Pero, debido a la diferenciación material, los argumentos de tiempo y costo, estas técnicas deben usarse al unísono.