FISICA DE IRM - Rocio Torres

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GE /
GE Healthcare
RM Teoría y Terminología
Objetivos
Física es la llave para entender que hay detrás de 
la selección de parámetros realizada durante la
adquisición de imágenes
Los técnicos de RM manipulan la física con el fin de obtener 
contrastes y eliminar artefactos de las imágenes
Este módulo examina las propiedades que hacen al núcleo 
activo en RM, comportamiento del núcleo en un campo
magnético externo, resonancia, señal, relajación, ponderación,
codificación espacial 
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GE /
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GE /
Estructura Atómica
CARACTERISTICAS DEL ATOMO
•Protones, neutrones, y electrones tienen carga y masa
• Los núcleos contienen protones y neutrones
•Los protones tienen carga positiva
•Los neutrones no tienen carga
•Los electrones tiene carga negativa
•Los electrones giran alrededor del núcleo
Electron
Proton
Neutron
_
_
+
+
+
+
Estructura Atómica
PROPIEDADES FISICAS Y EL ATOMO
El núcleo determina las propiedades físicas del átomo
•Numero Atómico = Número de protones (o electrones)
•Masa = Suma de protones y neutrones
•Si, Protones = Neutrones el átomo es RM inactivo
Electron
Proton
Neutron
_
_
+
+
+
+
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GE /
Estructura Atómica
CHEMICAL PROPERTIES AND THE ELECTRON SHELLS
•Electrones determinan las propiedades quimicas del átomo
•The orbital shell determines the electron’s energy level
•Cuando protones y electrones son iguales, el átomo no tiene una
carga neta y es quimicamente inactivo.
Electron
Proton
Neutron
_
_
+
+
+
+
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Atomo Hidrógeno 1 
•EL NCLEO DE HIDROGENO 1
•1H CONTIENE 
•1 proton
•No neutrones
•1 electron
Proton
Electron
_
+
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Giro(spin) Neto
PROTONES, NEUTRONES Y ELECTRONES GIRAN (rotan sobre su eje)
•Pares de protones con protones en posición spin-up-spin-down
•Pares de neutrones con neutrones en posicion spin-up-spin-down 
•Protones impares con neutrones
•Spin pares se cancelan
•Protones y/o neutrones impares crean un spin neto 
•El spin (giro) neto hace al núcleo RM activo
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Momento nuclear magnético
•Un núcleo con un giro neto es una particula cargada girando 
•Esto genera un campo magnético paralelo al eje de giro
•Este campo magnético es llamado momento nuclear magnético
+
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Vector Cuantitativo
•El Momento Nuclear Magnético tiene una magnitud y una dirección
•El simbolo vector representa la magnitud y la dirección del MNM
MISMA INTENSIDAD
DIFERENTE DIRECCION
MISMA DIRECCION
DIFERENTE INTENSIDAD
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Alineamiento Natural
EN AUSENCIA DE UN CAMPO MAGNETICO EXTERNO
•Los núcleos tienen direcciones aleatoreas
•Se cancelan unos a otros y no hay magnetización neta
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GE /
Alineamiento con Bo
EN PRESENCIA DE UN CAMPO MAGNETICO EXTERNO -Bo-
•Los núcleos se alinean en 1 ó 2 direcciones dependiendo de su energía
•Baja Energía se alinean en paralelo con Bo
•Alta Energía se alinean contra Bo en antiparalelo
B0
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GE /
Aumentando Bo
A MEDIDA QUE B0 AUMENTA, MAS NUCLEOS SE 
ALINEAN EN LA POSICION PARALELA DE BAJA 
ENERGIA
B0
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GE /
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GE /
Vector de Magnetización Neto
EL VECTOR DE MAGNETIZACION NETO ES FORMADO POR
•Pares de núcleos paralelos y antiparalelos anulados
•El momento magnético de los núcleos impares se suma y crea
un efecto llamado Vector de Magnetización Neto
•Solamente los núcleos impares participan en la señal de RM
B0
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GE /
Vector de Magnetización Neto
EL VECTOR NETO ES LA SUMA DE TODOS LOS VECTORES PARALELOS, 
IMPARES Y DE BAJA ENERGIA
•La potencia es la SUMA de las fuerzas magnéticas de cada proton
•La dirección es la SUMA de las direcciones polares de cada proton
•En el estado de Baja Energia, el Vector Neto se alinea a lo largo del 
eje longitudinal o eje Z y es llamado Mz
B0 Mz
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GE /
Precesión en Bo
ELLOS BAMBOLEAN COMO UN TROMPO
•La agitación térmica impide al núcleo alinearse perfectamente con
Bo por lo que se alinea en un ángulo
•Como Bo tiende a llevar al núcleo a una perfecta alineación, el 
conflicto entre fuerzas produce la precesion del núcleo
B0
La Ecuación de Larmor
LA ECUACION DE LARMOR CALCULA LA VELOCIDAD DE PRECESION
•La frecuencia precesional depende de:
El tipo de núcleo
La potenia del campo magnético externo
•La frecuencia precesional es medida en ciclos por segundos -Hz-
ω = γΒο
Omega o 
frecuencia
precesional
Gamma o
razón
giromagnética
Potencia del
campo
magnético 
externo
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GE /
Razón Giromagnética γ
La Razón Giromagnética otorga una frecuencia a 1.0 Tesla 
•La R. G. provee una constante giromagnética para cada núcleo 
a 1 Tesla
•La R. G. es única para cada tipo de núcleo. 
GMR en MHz
29.16
42.58
06.53
10.70
03.08
40.05
11.26
11.09
17.24
Núcleo
n
1H
2H
13C
14N
19F
23Na
27Al
31P
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GE /
H1 a 1.5 Tesla
LA FRECUENCIA PRECESIONAL DE H1 A 1.5 TESLA
•Cuál es la frecuencia precesional de H1 a 2T?
•Cuál es la frecuencia precesional de H1 a 0.5T?
ω = γ Βο
63.87 MHz 42.58 MHz/1.0T 1.5T
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GE /
Todavía no hay señal
•Mz no puede ser medida cuando esta alineada con Bo
•Mz debe ser movida de Bo para poder generar señal
•Cómo hacemos para mover Mz de Bo?
B0 Mz
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GE /
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GE /
Las bases de RM
RECUERDEN QUE Mz ES LA SUMA DE LOS NUCLEOS PARALELOS E IMPARES
•Para mover Mz se necesita cambiar el alineamiento de cada núcleo
•Para cambiar el alineamiento de cada núcleo se debe cambiar su nivel de energía
•Para cambiar su nivel de energia se usa Radiofrecuencia
LA BASE DE LA RM ES INDUCIR TRANSICIONES ENTRE ESTADOS
DE ENERGIA POR ABSORCION Y TRANSFERENCIA DE ENERGIA
=
Mz
RF Fase y Frecuencia
B1
Amplitud
Longitud de Onda
RADIACION ELECTROMAGNETICA
•Las Ondas de Radio son ondas sinusoidales, que generan campos 
magnéticos fluctuantes
•Las Ondas de Radio tienen Amplitud, Longitud de Onda y Frecuencia
•La frecuencia de la Onda de Radio determina su Energía
Frecuencia = ciclos por segundo
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GE /
Sintonizando Frecuencia
LA ECUACION DE LARMOR CALCULA LA FRECUENCIA DE TRANSMISION
•La frecuencia del pulso de RF debe er la misma que la frecuencia de 
de precesión del núcleo para poder transferir energía
B0
=
ω = γ Βο
B1
CUANDO HACEN “PRESCAN” ESTAN SINTONIZANDO ESTAS FRECUENCIAS
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GE /
B1 Definición
DOS CRITERIOS PARA B1
•El campo magnetico ejercido por la energia de RF es llamado B1
•B1 debe ser transmitido perpendicular a Bo
B0
B1
Mz
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GE /
Resonancia
EN PRESENCIA DE B1, LOS NUCLEOS DE BAJA ENERGIA, ABSORBEN
ENERGIA Y SE MUEVEN A UN ESTADO DE ALTA ENERGIA
LA TRANSICION AL ESTADO DE ALTA ENERGIA ES LLAMADO RESONANCIA
B0
B1
Mz
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GE /
Movimiento del Núcleo
DESPUES DE ABSORVER ENERGIA EL NUCLEO SE
MUEVE A UNA ALINEACION ANTIPARALELA
B0
B1
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GE /
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GE /
Movimiento de la Magnetización Neta
LA DIRECCION DEL VECTOR NETO CAMBIA TAL COMO 
TRANSICIONO EL ATOMO A UN ESTADO DE ALTA ENERGIA
B0
B1 Mxy
•El pulso de RF es designado de acuerdo al movimiento que crea en el Bo
•Un pulso de 90 grados mueve la magnetización neta a 90 grados
•Cuánto mueve la magnetización neta un pulso de 180 grados?
•Cuando la magnetización neta esta en el plano transverso es llamada Mxy
27 /
GE /
Ley de Faraday de Inducción
3 ELEMENTOS DEBEN ENCONTRARSE PARA GENERAR SEÑAL
•Un conductor 
•Un campo magnético
•Movimiento del campo magnético en relación al conductor 
EN RM
•Una bobina de RF nos da el conductor
•Y mxy nos da el campo magnético en movimiento porque precesa
B0
Mxy
Producción de señal en RM
•La potencia y dirección de la señal generada en la bobina depende de la 
posición de Mxy
•Fuerte señal positiva es generada cuando el vector neto pasa perpendicular
a través de la bobina de recepción
Fuerte señal positiva
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GE /
Producción de señal de RM
Ausencia de señal
Ausencia se señal es generada cuando el vector neto es paralelo a la
bobina de recepción
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GE /
Producción de señal de RM
Fuerte señal negativa
Fuerte señal negativa es generada cuando el polo negativo del vector
neto pasa a través de la bobina de recepción
30 /
GE /
Producción de señal de RM
Ausencia de señalAusencia se señal es generada cuando el vector neto es paralelo a la
bobina de recepción
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GE /
Decaimiento de Inducción Libre (FID)
•La señal generada en la bobina de recepción es alternativa 
porque el vector neto esta precesando
•La señal decae a medida que el núcleo retorna al estado de baja 
energía
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GE /
33 /
GE /
Relajación
CUANDO B1 ES REMOVIDO, EL NUCLEO EMITE ENERGIA Y REGRESA
AL ESTADO DE BAJA ENERGIA
LA TRANSICION REGRESIVA AL ESTADO DE BAJA ENERGIA ES LLAMADA
RELAJACION
B0
Mxy
Relajacion
B0
DESPUES DE EMITIR ENERGIA EL NUCLEO REGRESA AL ALINEAMIENTO
EN PARALELO
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GE /
Movimiento de la Magnetización Neta
Y EL VECTOR DE MAGNETIZACION NETO REGRESA A LA POSICION Mz
B0 Mz
35 /
GE /
Coherencia de Fase
LAS PUNTAS DE LOS VECTORES DE LOS MOMENTOS MAGNETICOS 
SE ENCUENTRAN EN EL MISMO LUGAR EN EL CICLO PRECESIONAL
El pulso de RF causa en el nucleo:
•Movimiento a un estado de alta energía
•Precesión en fase
Vector Neto
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GE /
Pérdida de Coherencia de Fase
LA PUNTA DE LOS VECTORES SE ENCUENTRAN EN DISTINTOS MOMENTOS
DEL CICLO PRECESIONAL
Cuando el pulso de RF es removido
el núcleo:
•vuelve al estado de baja energía
•Precesa fuera de fase
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GE /
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GE /
Relajación
La pérdida de coherencia de fase es llamada 
defasaje o relajación T2
El regreso al estado de baja energía es llamado
recuperación o relajación T1
GE Medical Systems--TiP Training in Partnership 
39 /
GE /
Relajación T1
•Relajación T1 es también llamada Térmica o spin-lattice (enrejado)
•Relajación T1 envuelve un intercambio de energía - núcleos excitados 
liberan energía y vuelven al estado de equilibrio 
•Relajación T1 es la recuperación del vector de magnetización neto al 
eje longitudinal
Mz
M0
Tiempo T1 es cuando el 63% del 
re-crecimiento ha ocurrido
63%
GE Medical Systems--TiP Training in Partnership 
Relajación T2
•Relajacion T2 tambien llamada Térmica o spin-spin 
•Relajación T2 envuelve la pérdida de coherencia de fase y es causada 
por el campo magnético local
•Relajación T2 es causada por la pérdida de fase del vector de 
magnetización en el plano transverso
Mxy
Tiempo T2 es cuando el 37% de la 
magntización transversa inicial
se queda
37%
40 /
GE /
Relajación T2* (estrella)
El defasaje T2 puede ser causado por inomogeneidades en Bo
este tipo de defasaje es llamado T2*(estrella)
•B0 no es perfecto
•El paciente introduce
imperfecciones adicionales
•Los núcleos precesan mas
rápido o mas lento debido
a éstas imperfecciones
+
+
-
-
41 /
GE /
Molecular Tumbling and Relaxation
MOLECULAR TUMBLING RATE AFFECTS RELAXATION EFFICIENCY
Slow Fast
T1
T2
W0
•T2 ocurre antes o al mismo tiempo que T1
•T1 no ocurre antes que T2
42 /
GE /
Contraste de Imágen
La intensidad de la señal de RM es afectada por
•Relajación T1
•Relajación T2
•Densidad Protónica 
Variaciones en T1, T2 y Densidad Protónica 
producen contrastes de imágen
43 /
GE /
44 /
GE /
Contraste
•El contraste de las imágenes es denominado de acuerdo
al factor que ha tenido el impacto mas importante. Todos
los factores afectan a las imagenes, pero sólo uno tiene
mas influencia que los otros
•T1-weighted--Relajación T1 ha tenido el mayor impacto
•T2-weighted--Relajacion T2 ha tenido el mayor impacto
•Proton density weighted--Densidad Protónica ha tenido 
el mayor impacto
La importancia de la RM es la posibilidad de cambiar el 
contraste, cambiando el factor de impacto
GE Medical Systems--TiP Training in Partnership 
Secuencias de Pulso
El contraste es afectado por 
•El tipo de pulso de RF
•El control del tiempo del pulso de RF
Secuencias de pulso y parámetros controladores de 
tiempo determinan como, T1, T2 o DP impactan
en el contraste
45 /
GE /
Controlando efecto T1
•Un pulso de 90° mueve el vector neto 90°
•Cuando la velocidad de repetición del pulso de 90° es mas corta
que el tiempo de recuperación T1 ocurre una saturación
•Diferentes tejidos, con diferentes tiempos T1, tienen diferentes
niveles de saturación
z
xy
46 /
GE /
Controlando efecto T2
•T2 y T2* causan al núcleo del vector neto un defasaje porque algunos
núcleos precesan mas rápidos y otros mas lentos
•Un pulso de 180° revierte la magnetización permitiendo al núcleo
re-enfasarse y producir una señal de eco
Slow
Fast
Slow
Fast
47 /
GE /
Contraste
Para crear una imágen potenciada en T1
•Optimizar el efecto de saturación usando TR corto
•No permite al tejido recuperarse
•Disminuir el defasaje utilizando TE corto
•No permite que ocurra el tiempo T2
Para crear una imágen potenciada en T2
•Disminuir el efecto de saturación usando TR largo
•Permite al tejido recuperarse
•Optimizar el defasaje utilizando TE largo
•Permite que ocurra el tiempo T2
Para crear una imágen potenciada en Densidad Protónica
•Disminuir el efecto de saturación usando TR largo
•Permite al tejido recuperarse
•Disminuir el defasaje utilizando TE corto
•No permite que ocurra el tiempo T2
48 /
GE /
49 /
GE /
Contraste
Codificación Espacial
La señal de RM debe ser codificada espacialmente
Codificación Espacial envuelve:
•Selección de corte
•Codificación de fase
•Codificación de frecuencia
50 /
GE /
Selección de Corte
El primer paso es la exitación del corte--el objetivo es sólo excitar los 
núcleos que están dentro del corte de interés
+-
Un gradiente magnético 
de campo es encendido
51 /
GE /
Selección de Corte
Los núcleos precesan a diferentes frecuencias en relación a su posición
con respecto al gradiente
+-
La RF es transmitida a una
frecuencia que combina 
con la del núcleo dentro del
corte de interés. Sólo éstos
núcleos serán excitados
52 /
GE /
Selección de Corte
Los gradientes pueden alterar el campo magnético principal a lo 
largo de los ejes X, Y y Z
El gradiente Z determina la 
selección del corte en AXIAL
El gradiente X determina la
selección del corte en SAGITAL
El gradiente Y determina la 
selección del corte en CORONAL
Z
X
Y
53 /
GE /
54 /
GE /
Codificación de Fase
El próximo paso es la codificación de Fase del corte excitado
+-
En la codificación de Fase un gradiente es encendido y luego apagado
Codificación de Fase
Mientras que los gradiente están encendidos los núcleos precesan 
a diferentes frecuencias
+-
Donde el gradiente es
mas fuerte el núcleo 
precesa mas rápido
Donde el gradiente es
mas debil el núcleo
precesa mas lento
55 /
GE /
Codificación de Fase
Cuando el gradiente es apagado, el núcleo retorna a la misma frecuencia
de precesión, pero su fase ha sido movida en relación a la posición del
gradiente
56 /
GE /
Codificación de Frecuencia
En la codificación de frecuencia, un gradiente es encendido 
y se mantiene en esa condición, mientras la señal es recojida.
+
-
Donde el gradiente es mas 
fuerte el núcleo precesa
mas rápido
Donde el gradiente es mas
débil el núcleo precesa 
mas lento
57 /
GE /
Codificación de Frecuencia
Durante la recolección los núcleos estan precesando a diferentes
frecuencias en relación a la posición de los gradientes.
+
-
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GE /
Codificación Espacial
El proceso completo es repetido una vez por cada valor de codificación
de fase
+128
-128
59 /
GE /
Espacio K
El resultado de la codificación espacial es el llenado del Espacio K 
Cada linea del espacio K representa una única
combinación de Fase Y Frecuencia
60 /
GE /
61 /
GE /
Espacio K
El espacio K guarda todos los datos que son usados en la 
reconstrucción de la imagen
Las lineas centrales del espacio K tienen alto impacto en el 
contraste de la imagen
62 /
GE /
Gracias