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Resonancia magnética Español Manual de Aplicación 4522 132 60651 Espectroscopia Volumen Achieva Serie Versión 2 Intera Serie Versión 2 / 12 © de Royal Philips Electronics N.V. 2006 Reservados todos los derechos. La reproducción, total o parcial, está prohibida sin el consentimiento previo por escrito del titular del Copyright. Philips Medical Systems Nederland B.V. se reserva el derecho de realizar cambios en las características técnicas y de interrumpir la fabricación de cualquier producto en cualquier momento sin aviso ni compromiso alguno, y no se considerará responsable de las consecuencias derivadas del uso de esta publicación. Impreso en Países Bajos. 4522 132 60651/781*2006/05 P. Contenido 1 Acerca del manual de Espectroscopia por RM ............................. 1-1 1.1 Cómo leer el manual ................................................................... 1-2 2 Fundamentos sobre Espectroscopia por RM ................................. 2-1 2.1 Introducción a la espectroscopia por RM ..................................... 2-1 2.1.1 Resonancia magnética.......................................................2-1 2.1.2 Frecuencia de Larmor.......................................................2-1 2.1.3 Resonancia magnética.......................................................2-2 2.1.4 Magnetización neta..........................................................2-2 2.1.5 Creación de una señal detectable .......................................2-3 2.2 Propiedades de la señal de RM .................................................... 2-6 2.2.1 Amplitud, frecuencia y fase ...............................................2-6 2.2.2 Concentraciones ...............................................................2-7 2.2.3 Desplazamiento químico ..................................................2-7 2.2.4 Frecuencia de referencia ....................................................2-8 2.2.5 Indicadores del medio químico ..........................................2-9 2.3 Relajación .................................................................................. 2-10 2.3.1 Introducción a la relajación ............................................2-10 2.3.2 Relajación transversal (T2) .............................................2-10 2.3.3 Relajación longitudinal (T1) ..........................................2-11 2.4 De señal a espectro .................................................................... 2-13 2.4.1 Señal .............................................................................2-13 2.4.2 Espectro .........................................................................2-14 2.5 Teoría de la transformación de Fourier ...................................... 2-16 2.5.1 Principios básicos de la transformación de Fourier ............2-16 2.5.2 Señales amortiguadas......................................................2-18 2.5.3 Señales reales e imaginarias.............................................2-18 2.5.4 Transformación Rápida de Fourier (FFT)........................2-19 2.5.5 Resultado de una FFT....................................................2-20 2.5.6 Anchura y resolución espectral .........................................2-20 2.5.7 Transformación inversa de Fourier ..................................2-21 2.6 Interpretación del espectro ........................................................ 2-21 MR PHILIPS Serie Versión 2 0-1 2.6.1 Identificación de metabolitos...........................................2-21 2.6.2 Multipletes ....................................................................2-22 2.7 Espectros protónicos .................................................................. 2-25 2.7.1 Introducción a los espectros protónicos ..............................2-25 2.7.2 Protones invisibles ..........................................................2-25 2.7.3 Metabolitos....................................................................2-25 2.7.4 Creatina........................................................................2-26 2.7.5 Mioinositol ....................................................................2-27 2.7.6 Colina...........................................................................2-27 2.7.7 Glutamato y glutamina ..................................................2-27 2.7.8 NAA .............................................................................2-28 2.7.9 Glucosa .........................................................................2-29 2.7.10 Lactato..........................................................................2-29 2.7.11 Lípido ...........................................................................2-30 2.7.12 Carnosina .....................................................................2-30 2.8 Otros núcleos ............................................................................ 2-30 2.8.1 ¿Por qué otros núcleos? ....................................................2-30 2.9 Fósforo ...................................................................................... 2-31 2.9.1 Fósforo (31P).................................................................2-31 2.9.2 Trifosfato de adenosina (ATP).........................................2-32 2.9.3 Fosfocreatina (PCr) ........................................................2-34 2.9.4 Fosfato inorgánico (Pi) ...................................................2-34 2.9.5 Fosfomonoésteres.............................................................2-36 2.9.6 Fosfodiésteres..................................................................2-36 2.9.7 Carbono (13C)..............................................................2-36 3 Métodos de selección de volumen .................................................. 3-1 3.1 Ninguna selección de volumen .................................................... 3-2 3.2 PRESS (Espectroscopia resuelta por puntos) ................................ 3-3 3.3 Espín Eco (SE) ............................................................................ 3-5 3.4 STEAM (Método de adquisición de eco estimulado) ................... 3-7 3.5 ISIS (Espectroscopia de imagen seleccionada in vivo) .................. 3-9 3.6 Información para TODOS los métodos de selección de volumen .. 3-9 3.6.1 Definición del volumen de interés en el plan de secuencia....3-9 3.6.2 Definición de volumen ...................................................3-10 3.6.3 Desplazamiento químico (DQ).......................................3-11 0-2 MR PHILIPS Serie Versión 2 4 Fases de preparación ......................................................................... 4-1 4.1 Homogeneización ........................................................................ 4-1 4.1.1 Efectos de la homogeneización en el espectro .......................4-2 4.1.2 Homogeneización PB (haz pequeño) .................................4-3 4.1.3 Homogeneización iterativa ...............................................4-4 4.1.4 Resultados de la monitorización de la homogeneización ......4-5 4.1.5 Cómo elegir el mejor método .............................................4-5 4.2 Supresión de agua ........................................................................ 4-7 4.2.1 Excitación........................................................................4-8 4.2.2 Inversión .........................................................................4-9 4.2.3 SWAMP..........................................................................4-9 4.2.4 Desvío ventana ..............................................................4-11 4.2.5 Optimización automática de supresión de agua (OASA) ...4-11 4.2.6 Pulso BASING ..............................................................4-13 4.2.7 Cómo elegir el método de supresión de agua......................4-14 4.3 Supresión de grasa ..................................................................... 4-16 4.3.1 SPAIR (Recuperación/Inversión con atenuación espectral)...... 4-16 4.3.2 Supresión con selectividad espectral..................................4-17 4.4 Pantalla de monitorización ........................................................ 4-18 5 Localización espacial ......................................................................... 5-1 5.1 Espectroscopia de un vóxel (SVS) ................................................ 5-2 5.1.1 Métodos disponibles ..........................................................5-2 5.2 Imágenes espectroscópicas bidimensionales (2D-SI) .................... 5-3 5.3 Imágenes espectroscópicas multicorte (MSSI) .............................. 5-5 5.4 Imágenes multipaquete (M2D) ................................................... 5-5 5.5 Imágenes espectroscópicas tridimensionales (3D-SI) .................... 5-6 5.6 Bandas REST .............................................................................. 5-7 5.6.1 REST con técnicas de vóxel único ......................................5-7 5.6.2 REST circular..................................................................5-8 5.6.3 REST con imágenes espectroscópicas.................................5-10 5.7 Más información acerca de las imágenes con desplazamiento químico (CSI) 5-11 5.7.1 Resolución espacial .........................................................5-11 5.7.2 Porcentaje de adquisición y función de dispersión de puntos ..5-11 MR PHILIPS Serie Versión 2 0-3 5.7.3 Imágenes espectroscópicas turbo (TSI) ..............................5-12 5.7.4 TSI y resolución espectral ................................................5-13 5.7.5 Espacio K en TSI ...........................................................5-14 5.8 SENSE en la obtención de imágenes espectroscópicas ............... 5-15 6 Aplicaciones clínicas .......................................................................... 6-1 6.1 Información general .................................................................... 6-1 6.2 Adquisición con maniquí ............................................................ 6-3 6.3 Protocolos predefinidos ............................................................... 6-4 6.3.1 Base de datos....................................................................6-4 6.3.2 Denominaciones de protocolos predefinidos de ERM ...........6-5 6.3.3 ExamCards (Fichas de examen) ........................................6-5 6.4 Cerebro ....................................................................................... 6-6 6.4.1 Consideraciones generales ..................................................6-6 6.4.2 Selección de bobina ..........................................................6-7 6.4.3 Modo de adquisición ........................................................6-8 6.4.4 Método de selección de volumen ......................................6-10 6.4.5 Selección de volumen de imágenes CSI.............................6-12 6.4.6 Selección de TE..............................................................6-14 6.4.7 Resolución espectral ........................................................6-19 6.4.8 Método de homogeneización ...........................................6-20 6.4.9 Método de supresión de agua...........................................6-21 6.4.10 Cobertura: Multicorte frente a 3D ..................................6-21 6.4.11 Modo imagen rápida......................................................6-22 6.4.12 SENSE en la obtención de imágenes espectroscópicas.........6-23 6.5 Hipocampo ............................................................................... 6-25 6.5.1 Consideraciones generales ................................................6-25 6.5.2 Modo de adquisición ......................................................6-25 6.5.3 Planificación del volumen...............................................6-26 6.5.4 Homogeneización...........................................................6-27 6.6 Próstata ..................................................................................... 6-27 6.6.1 Consideraciones generales ................................................6-28 6.6.2 Preparación del paciente .................................................6-29 6.6.3 Selección de bobina ........................................................6-30 6.6.4 Método de adquisición ...................................................6-31 6.6.5 Planificación del volumen...............................................6-33 6.6.6 Selección de TE..............................................................6-33 0-4 MR PHILIPS Serie Versión 2 6.6.7 Supresión de agua y grasa................................................6-35 6.7 Mama ........................................................................................ 6-37 6.7.1 Consideraciones generales ................................................6-37 6.7.2 Selección de bobina ........................................................6-37 6.7.3 Planificación del volumen...............................................6-37 6.7.4 Supresión de agua y grasa................................................6-38 6.7.5 Selección de TE..............................................................6-39 6.8 Hígado ...................................................................................... 6-39 6.8.1 Consideraciones generales ................................................6-39 6.8.2 Selección de bobina ........................................................6-39 6.8.3 Planificación del volumen...............................................6-40 6.8.4 Supresión de agua y grasa................................................6-40 6.8.5 Selección de TE..............................................................6-41 6.8.6 Compensación respiratoria ..............................................6-41 6.9 Músculo .................................................................................... 6-41 6.9.1 Consideraciones generales ................................................6-42 6.9.2 Selección de bobina ........................................................6-42 6.9.3 Planificación del volumen...............................................6-42 6.9.4 Selección de TE..............................................................6-42 7 SpectroView (Vista espectroscópica) ............................................. 7-1 7.1 Procedimiento de Vista espectroscópica ....................................... 7-2 7.1.1 Inicio de Vista espectroscópica............................................7-2 7.1.2 Selección de un guión .......................................................7-3 7.1.3 Ejecución del guión ..........................................................7-4 7.1.4 Selección de vóxeles importantes ........................................7-5 7.1.5 Optimización de la presentación del espectro ......................7-6 7.1.6 Modificación de la disposición de la pantalla .....................7-8 7.1.7 Creación de capturas de pantalla .......................................7-9 7.1.8 Almacenamiento y exportación de datos .............................7-9 7.2 Más información acerca de... ..................................................... 7-11 7.2.1 Interfaz de usuario .........................................................7-11 7.2.2 Trabajo con guiones........................................................7-15 7.2.3 Guiones de procesamiento básico .....................................7-16 7.2.4 Pasos de procesamiento....................................................7-27 7.2.5 Menús contextuales (con botón derecho del ratón) .............7-37 MR PHILIPS Serie Versión 2 0-5 8 Artefactos ........................................................................................... 8-1 8.1 Truncamiento al final de la señal ................................................. 8-1 8.2 Truncamiento con muestreo máximo del eco .............................. 8-2 8.3 Saturación ................................................................................... 8-3 8.4 Deriva de frecuencia .................................................................... 8-58.5 Artefactos fantasma ..................................................................... 8-6 8.6 Distorsiones de línea base ............................................................ 8-6 8.7 Desvío DEC ................................................................................ 8-7 8.8 Supresión de agua incompleta ..................................................... 8-7 8.9 Señales residuales ......................................................................... 8-7 9 Espectroscopia de fósforo con 3,0 T ............................................... 9-1 9.1 3,0 T frente a 1,5 T ..................................................................... 9-2 9.1.1 Aspecto general.................................................................9-2 9.1.2 Relación señal / ruido .......................................................9-2 9.1.3 Resolución .......................................................................9-3 9.2 Bobina de fósforo ........................................................................ 9-4 9.3 Localización y pulsos de RF ......................................................... 9-4 9.4 Desacoplamiento de protones ...................................................... 9-6 9.5 Mejora nuclear de Overhauser (NOE) ......................................... 9-8 9.6 Secuencias de pulsos y protocolos predefinidos .......................... 9-10 9.7 Ganancia del receptor (GR) ....................................................... 9-10 9.8 Adquisición de datos ................................................................. 9-12 9.8.1 Sintonización manual ....................................................9-12 9.8.2 Preparación de otras mediciones de núcleo........................9-14 9.8.3 Realización de la medición .............................................9-15 9.9 Procesamiento con SpectroView ................................................ 9-15 9.10 Ejemplos de 3,0 T con la bobina P-140 ..................................... 9-19 9.10.1 2D-SI de músculo de pantorrilla .....................................9-19 9.10.2 Espectroscopia cerebral de un vóxel ..................................9-20 9.10.3 2D-SI cerebral ...............................................................9-21 9.10.4 Espectroscopia hepática de un vóxel .................................9-22 9.10.5 2D-SI de hígado ............................................................9-23 9.10.6 1D-SI cardíaca (resultado preliminar).............................9-25 0-6 MR PHILIPS Serie Versión 2 9.11 Más información sobre los maniquís de 31P .............................. 9-27 Índice .................................................................................................... I-1 MR PHILIPS Serie Versión 2 0-7 0-8 MR PHILIPS Serie Versión 2 Espectroscopia por RM 1 Acerca del manual de Espectroscopia por RM Este manual ofrece información sobre la espectroscopia protónica que puede realizarse mediante ExamCards (Fichas de examen). La espectroscopia de fósforo solo puede realizarse en el entorno de Lista de secuencias. Para obtener más información sobre el entorno de Lista de secuencias, consulte el Apéndice ‘Spectroscopy in Scan List Environment’, solo disponible en la versión inglesa del Manual de Aplicación Volumen 4. N O TA S • En este manual y salvo indicación contraria, los datos de desplazamiento químico, expresados en Hz, son válidos para una intensidad de campo de 1,5 T. • Si no se indica lo contrario, la espectroscopia hace referencia a la espectroscopia por resonancia magnética nuclear de protón (¹H). A DV E R T E N C I A Antes de utilizar el sistema, es necesario que lea y se familiarice con todas las Advertencias y Precauciones que se indican en el Capítulo 2, Seguridad general, de las Instrucciones de uso de su versión del sistema. Si tiene alguna idea, comentario, propuesta, etc. acerca de cómo mejorar la calidad de las ediciones posteriores de este manual, no dude en enviárnoslo. Puede suministrar esta información a su especialista de aplicaciones o directamente a: Las copias adicionales únicamente se pueden obtener de su representante de ventas, de servicio o de aplicaciones. Philips Medical Systems MR Product Application Att.: Application Guide P.O. Box 10000 5680 DA Best Países Bajos O, sólo para EE.UU: Philips Medical Systems North America MR Applications Att.: Application Guide 22100 Bothell Everett Highway P.O. Box 3003 Bothell, Washington 98041-3003 RM PHILIPS Serie Versión 2 1-1 1.1 Cómo leer el manual El Manual de Aplicación se ha creado con el fin de ofrecer información a los usuarios en distintos niveles de complejidad y consiste en: • Volumen 1: Conceptos básicos • Volumen 2: Métodos de adquisición • Volumen 3: Imágenes cardíacas • Volumen 4: Espectroscopia por RM La información y la física de RM básicas que pueden encontrarse en los libros de texto generales no se tratan en este manual. 1-2 RM PHILIPS Serie Versión 2 2 Fundamentos sobre Espectroscopia por RM 2.1 Introducción a la espectroscopia por RM 2.1.1 Resonancia magnética En este capítulo se explican los principales conceptos básicos de un experimento espectroscópico. La Espectroscopia por Resonancia Magnética (ERM) actúa con los mismos principios básicos que las Imágenes por Resonancia Magnética (IRM): realmente se diferencian en la manipulación de la señal durante la adquisición y después de ella. Ciertos núcleos atómicos del cuerpo humano, como los protones del agua y otros compuestos con átomos de hidrógeno, tienen un campo magnético neto debido a su movimiento de giro. Cuando estos imanes nucleares giratorios se colocan en un campo magnético externo, la rotación se convierte en una precesión alrededor del campo magnético externo, como muestra la Figura 2.1. 2.1.2 Frecuencia de Larmor La frecuencia de esta precesión es característica del tipo de núcleo y se denomina frecuencia de Larmor. La frecuencia de Larmor depende de la intensidad del campo magnético externo, B0, y una constante nuclear, la relación giromagnética γ. El campo magnético propio del núcleo se puede orientar con el campo magnético externo o en contra de él (vea la Figura 2.1), lo cual corresponde a dos niveles energéticos distintos: uno bajo y otro alto. RM PHILIPS Serie Versión 2 2-1 Figura 2.1 Núcleos de hidrógeno en presencia de un campo magnético. Los momentos de campo magnético precesan alrededor del campo magnético externo a la frecuencia de Larmor y pueden alinearse con dicho campo o en contra de él. 2.1.3 Resonancia magnética El nivel energético de los núcleos puede cambiarse con pulsos de radiofrecuencia (RF). Si la radiofrecuencia corresponde a la frecuencia de rotación de los núcleos, la frecuencia de Larmor, absorberán la energía y cambiará su estado de rotación. Este es el proceso de excitación. La energía absorbida se vuelve a perder conforme el movimiento térmico desplaza los núcleos entre sí y con respecto al campo magnético externo. Tras la excitación causada por los pulsos de RF, mientras los espines caen de nuevo a su nivel energético original, emiten una débil señal de radiofrecuencia en la frecuencia de Larmor. Esta débil señal de RF emitida es la señal de resonancia magnética. 2.1.4 Magnetización neta La suma de todos los vectores de campo magnético de los distintos núcleos se puede representar mediante un único vector denominado magnetización neta. Es mucho más sencillo describir los experimentos de RM como manipulaciones de este vector de magnetización neta (vea la Figura 2.2). La posición de equilibrio de este vector se alinea con el campo magnético porque la mayoría de los espines están en el nivel energético bajo. En un sistema de coordenadas tridimensional esta dirección la representa el eje Z positivo. Se trata de la dirección del túnel del imán. En este nivel, el diminuto = * B / 2γ π0 Campo magnético B 0nivel bajo nivel alto frecuencia de Larmor 2-2 RM PHILIPS Serie Versión 2 vectorde magnetización neta de los núcleos es indetectable en el campo altamente intenso del imán. No se puede detectar nada sin manipular la diferencia de población entre los núcleos de nivel energético bajo y los de nivel energético alto. Figura 2.2 Efecto de un pulso de RF. Las flechas negras finas son los espines individuales; las flechas grises son la suma de esos espines. Todos los espines rotan sobre el eje vertical a la frecuencia de Larmor. El pulso ecualizará las poblaciones de espines e introducirá la coherencia de fase. Los espines excitados (inicialmente) rotan con la misma fase. En el plano transversal horizontal aparece un vector neto debido a la coherencia de fase. Este vector sigue rotando a la frecuencia de Larmor y este campo magnético móvil se considera un campo magnético oscilante, que induce una corriente alterna (RF) en la bobina del receptor sintonizada. 2.1.5 Creación de una señal detectable Una fuerte irradiación de RF coherente a la frecuencia de Larmor puede cambiar el nivel energético de los núcleos. Ocurrirán dos cosas (vea la Figura 2.2): 1 La mayoría de la población con nivel energético bajo desaparecerá gradualmente. Si la irradiación de RF dura lo suficiente, la mayoría de los núcleos pueden alcanzar el nivel energético alto. El vector de magnetización neta se trasladará del eje +Z al eje -Z. Este proceso suele detenerse cuando el vector de magnetización neta está a medio camino y ambas poblaciones son iguales. bobina sintonizada corriente B0 magnetización neta magnetización neta RM PHILIPS Serie Versión 2 2-3 2 Los núcleos giratorios excitados precesarán en fase, inducidos por la coherencia de fase de la irradiación de RF. Ahora hay una magnetización neta en el plano XY perpendicular al campo magnético externo. Los núcleos aún precesan a la frecuencia de Larmor. Esto significa que el vector de magnetización neta también precesará alrededor de la dirección del campo magnético externo. Si una parte de este vector de magnetización neta precesa en el plano XY, perpendicular al campo magnético externo, será detectable como una señal de resonancia de RF. El efecto de un pulso de RF sobre los espines nucleares se expresa como una rotación de la suma vectorial de todos los espines magnéticos nucleares. El efecto de un pulso de RF es rotar este vector sobre el eje X o Y. Si esta rotación se detiene cuando las poblaciones son iguales y el vector neto ha rotado sobre un ángulo de 90°, el pulso se denomina pulso de 90°. La rotación sobre otros 90° hasta 180° invertirá la diferencia de población. Ahora la magnetización neta se orienta a lo largo del eje Z negativo. Un pulso que rota sobre 180° se denomina pulso de inversión. Es imposible ir más allá de la inversión de la diferencia de población. Los efectos termodinámicos impiden conseguir aún más espines en el nivel energético alto. De hecho sucederá lo contrario. Más irradiación incluso puede restaurar el nivel energético bajo de los espines. El vector de magnetización neta sólo rotará más. Una rotación de 270° producirá prácticamente el mismo resultado que una rotación de 90° en dirección opuesta. Una rotación sobre 360° restaurará la situación inicial. La rotación sobre múltiplos de 360° saturará el sistema y el vector magnético desaparecerá. Pulsos de RF Existen básicamente dos formas de crear resonancia: los núcleos pueden resonar en una única frecuencia igual a su frecuencia de resonancia, como un diapasón cerca de un instrumento bien afinado, o bien como resultado de un pulso de radiofrecuencia corta muy fuerte aproximadamente con la frecuencia correcta, como una campana golpeada con un martillo. Con este último método no es preciso conocer la frecuencia exacta para realizar la medición, sino la frecuencia aproximada con un margen de un kilohercio. De ahí que la radiofrecuencia por pulsos creada con amplificadores de energía alta sea el método de excitación habitual. 2-4 RM PHILIPS Serie Versión 2 Si el pulso de RF se detiene cuando el vector ha rotado 90°, el vector de magnetización neta se rotará hacia el plano perpendicular al campo magnético. Mientras que el vector de espín neto siga teniendo una componente que rota sobre el eje Z, será detectable como un campo magnético que oscila con la frecuencia de precesión de Larmor. Estructura rotatoria La trayectoria actual de los espines durante el pulso de RF es compleja. Una versión simplificada se muestra en la Figura 2.3. En realidad, Ω0 es mucho mayor que Ω1, por lo que la rotación sobre el eje Z es mil veces más rápida que la rotación sobre el eje X. Es más fácil comprender la trayectoria cuando sólo se considera el movimiento relativo a la frecuencia de Larmor (vea la Figura 2.3). La nueva estructura de referencia se denomina estructura rotatoria. Ahora, el vector de magnetización neta rotará a la frecuencia relativa = ΔΩ0. Al describir los pulsos de RF, se elige una frecuencia de la estructura rotatoria igual a la frecuencia de Larmor, de manera que ΔΩ0 = 0. Figura 2.3 Trayectorias de espín en la estructura rotatoria. En equilibrio, los espines rotan sobre el eje Z a sus frecuencias de resonancia Ω0. = γ•B0. La magnetización neta se alinea a lo largo del eje Z. El efecto de un pulso de RF con una intensidad de campo B1 es añadir una rotación con frecuencia Ω1 = γ•B1 perpendicular a la rotación en equilibrio de los espines nucleares. Como resultado de las rotaciones combinadas, los espines seguirán una trayectoria espiral durante el pulso. Al rotar los ejes X e Y del sistema de coordenadas equilibrio pulso de RF en la estructura estática eje X eje Z pulso de RF en la estructura rotatoria eje Z = eje Z’ eje X’ RF eje Y eje Y eje Y’ eje X Ω γ0 0= B ΔΩ0 = 0Ω γ0 0= B Ω γ1 1= B Ω γ1 1= B RF eje Z RM PHILIPS Serie Versión 2 2-5 con la frecuencia de RF Ω0 = γ•B0 sólo permanece el movimiento relativo a esta frecuencia. Ahora se simplifica la trayectoria, en este caso como una rotación de 90 grados sobre el eje X. En la estructura rotatoria, el resultado de un pulso de RF es una rotación simple del vector de magnetización neta sobre un eje en el plano X’Y’, que se denomina plano transversal. Los espines del plano X’Y’ permanecen fijos respecto a la estructura rotatoria. Sin embargo, en la vida real, o en la imagen estática, los espines siguen rotando a sus frecuencias de Larmor, rotación que creará una corriente eléctrica oscilatoria de la misma frecuencia en una bobina detectora. Esta es la señal de resonancia magnética. 2.2 Propiedades de la señal de RM 2.2.1 Amplitud, frecuencia y fase Las propiedades de la señal de resonancia magnética que podemos medir son las siguientes: • Amplitud, que indica la intensidad de la señal. • Frecuencia, determinada principalmente por la frecuencia de Larmor. • Fase, una función del punto inicial de la rotación de la señal en el plano Mxy. En resumen, estas propiedades contienen la siguiente información: Propiedad Información Amplitud número de espines, concentración Frecuencia tipo de núcleo y medio químico del núcleo Descenso propiedades y medio magnético del tejido (consulte relajación) Fase puede utilizarse para codificar la posición espacial (consulte localización) 2-6 RM PHILIPS Serie Versión 2 2.2.2 Concentraciones La intensidad de la señal de RM es esencialmente proporcional al número de núcleos presentes en la muestra. Por tanto, la ERM puede proporcionar una medición de las concentraciones intracelulares. Con calibraciones cuidadosas de soluciones estándar, en principio es posible convertir valores de intensidad en concentraciones absolutas. Es muy difícil medir las concentraciones absolutas procedentes de mediciones de ERM in vivo. Es necesario corregir numerosos artefactos de medición y pérdidas de señal y no suele ser fácil cuantificar el volumen de agua del tejido celular. Resulta más sencillo utilizar concentraciones relativas y proporciones de metabolitos. Aunque la señalse mida realmente como la fuerza de una señal eléctrica en [mV], se acostumbra a expresar las intensidades en unidades arbitrarias. 2.2.3 Desplazamiento químico La frecuencia de resonancia es directamente proporcional a la intensidad del campo magnético en el núcleo. Esta relación se caracteriza por la relación giromagnética γ, una propiedad del tipo de núcleo. En el caso de los protones (átomos de 1H), la relación giromagnética es 42,577 [MHz/T]. En un imán de 1,5 [T] los protones resuenan a ~64 [MHz]. Los electrones circundantes en una molécula protegen el núcleo parcialmente frente a los campos magnéticos externos. Esto produce en las frecuencias de resonancia pequeñas diferencias que dependen del medio químico. Estas diferencias son muy reducidas si se comparan con la frecuencia de resonancia básica, pero suficientes para identificar distintas moléculas. Cada compuesto químico que contiene uno o más protones posee una huella única. Las diferencias de frecuencia se denominan desplazamiento químico y suelen expresarse en [Hz] o en partes por millón [ppm]. El intervalo de desplazamiento químico es muy pequeño en los espectros protónicos, sólo 5-10 [ppm]. Significa que las diferencias de frecuencia entre los metabolitos son unos centenares de Hz o menos en una señal de 64 millones de Hz. RM PHILIPS Serie Versión 2 2-7 2.2.4 Frecuencia de referencia El desplazamiento químico se calcula como la diferencia respecto a una frecuencia de referencia mediante una fracción de la frecuencia de radio utilizada para la excitación. La frecuencia de referencia puede ser la frecuencia utilizada para la excitación o la frecuencia de resonancia de un compuesto de referencia (vea la Figura 2.4). En los espectros protónicos, la frecuencia cero o de referencia utilizada en la escala ppm suele ser un compuesto que no está presente en los espectros. En el pasado, cuando la RMN se empleaba como una herramienta analítica en los laboratorios químicos, se utilizaba un compuesto de referencia cuya frecuencia de resonancia era más baja que la de cualquier otro compuesto. Por tanto, todos los demás compuestos tenían un desplazamiento químico positivo. En la actualidad ya no interesa incluir esta referencia en las mediciones, sino que su frecuencia puede derivarse de otras frecuencias de resonancia. También por razones históricas, el eje X siempre se presenta hacia atrás en la escala [Hz] y en la escala [ppm], pero no tiene mayores repercusiones al ser ambas escalas relativas. La escala vertical se expresa normalmente en unidades arbitrarias. Cálculo del desplazamiento químico Desplazamiento químico δ, en [ppm], calculado a partir de la diferencia entre la frecuencia de resonancia y una frecuencia de referencia en [Hz]. 2-8 RM PHILIPS Serie Versión 2 Figura 2.4 Escalas de desplazamiento químico. Espectro protónico cerebral localizado de supresión de agua con un eje x de frecuencia en [Hz] y el eje x de desplazamiento químico en [ppm]. El punto cero de la escala Hz es la frecuencia del agua. En la escala ppm el punto cero es la frecuencia de un compuesto de referencia (histórica). Esta referencia no está presente en el espectro, sino que el pico de NAA se establece en +2,0 [ppm] como punto de referencia. El pico de agua residual está ahora en +4,65 [ppm]. 2.2.5 Indicadores del medio químico Los cambios del entorno intracelular alteran las propiedades de blindaje magnético de los electrones en una molécula de metabolito. Algunos compuestos valorables tienen resonancias con un desplazamiento químico que cambia en función de la acidez (pH) del medio. Esta propiedad puede utilizarse en mediciones no invasivas del pH intracelular. Un pH intracelular anómalo puede ser indicativo de muy diversas anomalías, como el suministro impropio de oxígeno al tejido. En el desplazamiento químico también pueden influir otros factores del medio químico, como la concentración de iones metálicos, que puede cambiar el desplazamiento químico de las agua N A A Intensidad unidades arbitrarias Frecuencia Desplazamiento químico RM PHILIPS Serie Versión 2 2-9 moléculas mediante enlace iónico. Si los iones metálicos tienen propiedades paramagnéticas, los desplazamientos químicos de todos los compuestos pueden modificarse por proximidad. 2.3 Relajación 2.3.1 Introducción a la relajación En RM, gran parte del contraste de la imagen se debe a las diferencias entre los parámetros de relajación (T1 y T2). En espectroscopia, las frecuencias y densidad de espines exactas son mucho más importantes para identificar los compuestos. No obstante, los parámetros de relajación son relevantes porque influyen en el resultado de la medición de ERM y, por tanto, en cómo debe diseñarse el experimento. Como en RM, los parámetros de relajación influirán en la elección óptima del índice de repetición y TE. La interpretación correcta y especialmente la cuantificación de los resultados de ERM requieren también cierto conocimiento de los parámetros de relajación. N OTA S • Los tiempos de relajación T2 son más cortos con una intensidad de campo superior. • Los tiempos de relajación T1 son más largos con una intensidad de campo superior. 2.3.2 Relajación transversal (T2) El resultado inicial de un pulso de RF de 90° es la alineación de todos los espines a lo largo de un eje en el plano XY. No todos los espines tienen exactamente la misma velocidad de rotación. Los espines cuya velocidad de rotación es exactamente igual a la de la estructura rotatoria se ven estacionarios. Parecerá que los espines más lentos corren hacia atrás y los más rápidos hacia delante (vea la Figura 2.5). El vector magnético neto es la suma de todos los vectores de espín nucleares. A medida que los distintos vectores se dispersan debido a las diferencias en la velocidad de rotación, disminuye la suma de todos estos vectores. El resultado es una disminución gradual del vector magnético neto y es proporcional a la intensidad de la señal. En parte esta dispersión se debe a pequeñas diferencias en la intensidad del campo magnético. La homogeneización en la fase de preparación de un experimento es un ajuste del campo para minimizar estas faltas de homogeneidad en el campo magnético. 2-10 RM PHILIPS Serie Versión 2 Figura 2.5 Relajación transversal. La flecha gris es la magnetización transversal total (observable), la suma de los distintos vectores de espín (flechas negras). La magnetización transversal total es máxima si se alinean todos los espines. El total disminuye a medida que se dispersan los distintos espines, y es cero si se distribuyen de manera uniforme. 2.3.3 Relajación longitudinal (T1) Cuando se lleva una muestra a un imán, los espines magnéticos nucleares tardan un poco en alcanzar el equilibrio. Este equilibrio se caracteriza por el número de núcleos (poblaciones) en los niveles energéticos altos y bajos. Inicialmente los dos niveles energéticos eran iguales en ausencia de un campo magnético externo. La introducción de la muestra en un campo magnético crea una diferencia de energía entre los niveles energéticos bajo y alto, con lo que cambiarán las poblaciones de los niveles energéticos. Las moléculas realizan un movimiento térmico aleatorio (dependiente de la temperatura). Conforme se mueven y oscilan en el campo magnético, los núcleos pueden intercambiar energía. Finalmente, los intercambios de energía crean el nuevo equilibrio. Energéticamente ahora es más atractivo para los espines alinearse con el campo magnético (nivel energético bajo). A pesar del movimiento térmico, una pequeña mayoría de los espines terminarán alineándose con el campo. La velocidad de este proceso de alineación depende de la temperatura, la intensidad del campo magnético y diversos factores más, como la viscosidad de un líquido o la presencia de moléculas paramagnéticas. eje Z eje Y eje X pulso de RF pulso de 90° RM PHILIPS Serie Versión 2 2-11 Tras un pulso de 90°, será igual elnúmero de espines alineados con el campo y contra él. Tras un pulso de 180°, (pulso de inversión) será mayor el número de espines alineados en contra del campo magnético. La vuelta al equilibrio desde cualquiera de estos niveles energéticos altos o el establecimiento del nuevo equilibrio cuando se sitúa una muestra en un campo magnético puede describirse mediante una sola constante de tiempo. Esta constante es el tiempo de relajación longitudinal T1. Un método empírico es que después de más de 5 veces el T1 se restaura el equilibrio, lo cual se conoce como relajación total. Figura 2.6 Diagrama de relajación longitudinal. La flecha gris es la magnetización longitudinal, es decir, la magnetización alineada con el eje Z. Tras un pulso de noventa grados, la magnetización longitudinal inicial es cero. Los distintos vectores de espín se dispersan rápidamente. La recuperación del equilibrio magnético es más lenta, porque los espines deben perder energía hasta que vuelva a haber un exceso de espines alineados con el campo magnético. Aunque los procesos físicos implicados son bastante complejos, el comportamiento resultante es muy simple. Los espines siempre vuelven a la situación de equilibrio con un descenso exponencial simple. La constante de descenso es una combinación de diversas constantes que describen los distintos procesos de relajación y que son difíciles de medir por separado. Asimismo, la relajación longitudinal no puede reaparecer hasta que no desaparezca la magnetización transversal. El número total de espines no varía. Por tanto, T1 nunca es menor que T2. eje Z eje Y eje X pulso de RF pulso de 90° 2-12 RM PHILIPS Serie Versión 2 Figura 2.7 Trayectoria de los procesos de relajación en el tiempo. La magnetización relativa a la magnetización de equilibrio se representa mediante una función del tiempo después de un pulso de 90º. En este ejemplo la constante de tiempo de la relajación transversal (T2) es 1/5 de la constante de tiempo de la relajación longitudinal (T1). Los valores reales varían mucho, pero el T2 nunca es mayor que el T1. 2.4 De señal a espectro 2.4.1 Señal La señal de RM abarca todas las frecuencias de los espines giratorios (vea la Figura 2.8). Para extraer su información, la señal se somete a una transformación de Fourier. La transformación de Fourier es un método de análisis de las frecuencias de una señal que genera un gráfico de las intensidades de la señal en función de la frecuencia. Se trata del espectro (encontrará una descripción detallada en Teoría de la transformación de Fourier). 0,0 0,5 1,0 0 1 2 3 4 5 tiempo/T1 M /M 0 transversal longitudinal RM PHILIPS Serie Versión 2 2-13 Tradicionalmente la señal se registra directamente tras un pulso de detección. Así la intensidad del primer punto es proporcional a las magnetizaciones combinadas de todas las frecuencias. Los otros puntos de la señal también son de vital importancia. Una señal prolongada proporciona información más exacta sobre su frecuencia. Todas las sinusoides con amortiguación exponencial que muestra la Figura 2.8 descienden con diferentes constantes de tiempo T2*. Las señales que experimentan un descenso rápido contienen poca información sobre sus frecuencias exactas y producen una amplia distribución de frecuencias tras la transformación de Fourier. Figura 2.8 En una señal espectroscópica de RM se mezclan distintas frecuencias. Cuando se añaden los tres trazados de la izquierda (A), el resultado se asemeja al trazado de la derecha (B). La intensidad de todas las señales desciende con el tiempo, en unas con mayor rapidez (A, señal superior) que en otras (A, segunda y tercera señal). La señal combinada ilustrada en (B) es una señal espectroscópica típica, con frecuencia denominada Descenso de Inducción Libre (FID). Sólo se muestran las partes reales del FID. El espectro resultante se muestra en la Figura 2.9. 2.4.2 Espectro El espectro es mucho más fácil de interpretar que el FID. El ancho de banda del espectro depende de la velocidad de muestreo de la señal de dimensión temporal. Suele estar en torno a unos centenares de hercios o algunos kilohercios. La escala del eje x se puede expresar en [Hz] o en ppm. La escala 2-14 RM PHILIPS Serie Versión 2 vertical se expresa con frecuencia en unidades arbitrarias, porque en la escala de la señal influyen numerosos factores de escala, como la sensibilidad de la bobina y la del preamplificador. Es imposible calcular la concentración de metabolito a partir de un espectro individual. En determinadas condiciones, la calibración con soluciones de una concentración conocida permite medir concentraciones en áreas pico relativas. Figura 2.9 Transformación de Fourier de la señal que muestra la Figura 2.8. La señal izquierda experimenta un descenso breve y, por tanto, tiene un pico amplio. La señal derecha experimenta el descenso más largo. Todas las áreas pico son iguales aquí, porque la intensidad del primer punto era igual en las componentes de las tres señales. Las alturas del pico varían debido a los diferentes grosores de línea. El ejemplo de la Figura 2.9 muestra tres resonancias con distintos grosores de línea. Como su área pico es igual, las intensidades máximas son diferentes. El área pico puede calcularse multiplicando la altura por la anchura a media altura. El grosor de línea (anchura de altura media, AAM) está inversamente relacionado con la constante de tiempo de descenso de las señales en el FID. Las constantes de descenso de las distintas señales de RM (T2*) están determinadas en parte por la homogeneidad del campo magnético y en parte por la constante de relajación transversal intrínseca (T2) de la resonancia. Una homogeneización correcta prolonga T2* y por tanto aumenta la nitidez de las líneas. Ello reduce las probabilidades de solapamiento de los picos e incrementa la altura de éstos. Este incremento en la altura de los picos mejora la relación señal/ruido (S/R) efectiva como consecuencia de la homogeneización. RM PHILIPS Serie Versión 2 2-15 2.5 Teoría de la transformación de Fourier 2.5.1 Principios básicos de la transformación de Fourier La transformación de Fourier (o transformada de Fourier) es una técnica para encontrar frecuencias en una mezcla de señales repetitivas, como las sinusoides con amortiguación exponencial en las señales de RM. La técnica consiste básicamente en multiplicar la señal con una serie de funciones de seno y coseno de diversas frecuencias e integrar o sumar el resultado para cada frecuencia. La integral de una función de seno durante muchos ciclos se aproxima a cero. Lo mismo sucede con el producto de la señal y la función de seno, salvo que ambas tengan la misma frecuencia (vea la Figura 2.9). Si en la señal hay una onda sinusoidal de una frecuencia determinada, el resultado será una función del cuadrado del seno y el resultado de la integral (o sumatoria) será mucho mayor. La transformación discreta de Fourier (DFT) utiliza una sumatoria en vez de una integral para poder realizarse en un ordenador. 2-16 RM PHILIPS Serie Versión 2 Figura 2.10 Transformación de Fourier. A) Señal digital y onda sinusoidal de distinta frecuencia. B) Producto de la señal y la onda sinusoidal e integral (sumatoria) del producto. C) Señal y frecuencia coincidente. D) Producto e integral (sumatoria) del producto de la frecuencia coincidente y la señal. Una frecuencia coincidente genera un valor alto de la integral. A B C D RM PHILIPS Serie Versión 2 2-17 2.5.2 Señales amortiguadas Las intensidades de las señales de RM descienden durante el período de adquisición. Por este motivo no es posible determinar las frecuencias con exactitud infinita. La amortiguación hará que se ensanche el pico en el espectro. Cuanta más amortiguación se produzca, mayores serán los grosores de línea. Figura 2.11 Efecto de la amortiguación de la señal. A) y B) DFT en una señal de frecuencia únicano descendiente. La integral de los cuatro ciclos cosenoidales completos (A) es cero. La suma del producto de este coseno con cualquier otro coseno también es cero siempre, salvo si se trata de un coseno con idéntica frecuencia B). C y D) DFT en una señal amortiguada. La suma del producto de la señal cosenoidal amortiguada con cosenos de diferentes frecuencias es máxima a una frecuencia básica, pero también distinta de cero a otras frecuencias (D). 2.5.3 Señales reales e imaginarias La señal de ERM se detecta como en la modalidad de cuadratura. Se crean dos conjuntos de puntos de datos, con una diferencia de fase de 90°. Estas dos señales pueden representarse como una componente de seno y coseno o como la parte real e imaginaria de un número complejo, lo que permite A B DC 2-18 RM PHILIPS Serie Versión 2 distinguir las frecuencias positivas y negativas. El coseno es simétrico alrededor de cero, pero el seno no. No siempre aparece el seno o la señal imaginaria, pero siempre se utiliza cuando se miden frecuencias negativas. Transformación discreta de Fourier El resultado de la transformación discreta de Fourier de la señal de dimensión temporal con N puntos complejos zk es: Se trata de un conjunto de N números complejos Fj (j=0..N-1), cuya parte real se denomina espectro de absorción. La parte imaginaria es el espectro de dispersión (vea la Figura 2.12). Figura 2.12 Espectros de absorción y dispersión. La línea negra es el espectro de absorción, que constituye la componente real del espectro complejo. La línea gris es el espectro de dispersión, la componente imaginaria. 2.5.4 Transformación Rápida de Fourier (FFT) La DFT requiere muchas multiplicaciones de coma flotante (N2) y su cálculo puede tardar mucho. Para un conjunto de 2.048 puntos de datos hacen falta 4,2 millones de multiplicaciones. El algoritmo de Transformación Rápida de RM PHILIPS Serie Versión 2 2-19 Fourier (FFT) permite reducirlo a 2NlogN/log2. Con él sólo hacen falta 45.000 multiplicaciones para transformar 2.048 puntos. El algoritmo FFT actúa dividiendo sucesivamente la FT en otras más pequeñas con la mitad de datos, hasta que sólo es necesario realizar numerosas transformadas en conjuntos de datos de dos puntos. Para que funcione, el número de puntos de datos de una FFT ha de ser una potencia de dos. 2.5.5 Resultado de una FFT Mediante la transformación de Fourier, la intensidad de la señal en función del tiempo se transforma en la intensidad de la señal en función de la frecuencia. La unidad de frecuencia es la recíproca de la unidad de tiempo (Hz = s-1). La relación entre las dos escalas es sencilla. La gama de frecuencias completa es proporcional al recíproco del paso de tiempo entre dos puntos de muestreo consecutivos en el FID. El paso de frecuencia por punto en el espectro es proporcional al recíproco de la duración total del FID. 2.5.6 Anchura y resolución espectral Para que una señal se muestree correctamente, la frecuencia de muestreo debe ajustarse de manera que la señal se muestree al menos dos veces por ciclo de la frecuencia presente más alta (absoluta). Por tanto, la anchura espectral (SW) está limitada por la frecuencia de muestreo de la dimensión temporal. Las frecuencias más altas se filtran antes de digitalizar la señal con el fin de evitar artefactos. La resolución del espectro en Hz/punto está determinada por la duración total del periodo de adquisición de datos de la dimensión temporal. Estas relaciones se muestran esquemáticamente en la Figura 2.13. Las relaciones importantes son: • Más resolución requiere más tiempo de adquisición. • Una anchura espectral mayor significa menos tiempo de adquisición, pero también menos resolución. Resolución (Hz/pt) SW t ∝ 1 Δ 2-20 RM PHILIPS Serie Versión 2 2.5.7 Transformación inversa de Fourier La transformación de Fourier es totalmente reversible. La DFT tiene un factor de escala inherente igual al número de puntos. Debido a esta escala y un cambio del eje horizontal la FFT no es totalmente reversible. De lo contrario, una segunda FFT consecutiva en un conjunto de datos devolvería los datos originales. Figura 2.13 Relación entre parámetros de dimensión temporal y dimensión de frecuencia. Al disminuir el intervalo de muestreo Δt de la dimensión temporal aumenta la anchura espectral. Al aumentar la duración de la adquisición mejora la resolución espectral Δf por punto. 2.6 Interpretación del espectro 2.6.1 Identificación de metabolitos La identificación de las resonancias en un espectro in vivo puede constituir todo un reto. El método clásico utilizado para la espectroscopia de RMN analítica en líquidos es la adición estándar. Se añaden a la solución los compuestos que se sospecha que están presentes en ella. Los picos cuya intensidad aumenta corresponden a dichos compuestos. Así se eliminan las posibles influencias de factores como el pH en los desplazamientos químicos. Evidentemente, este método no puede utilizarse en la ERM in vivo. Por suerte, prácticamente todos los órganos del cuerpo humano que pueden proporcionar una señal de ERM apreciable se han estudiado con ERM. De ahí que la documentación al respecto sea la mejor fuente para conocer las correspondencias de resonancia. Δt Δf N-1índice 0 T adqtiempo 0 0 N-1N/2 -1índice 0 +SW/2frec. -SW/2 T adq SW RM PHILIPS Serie Versión 2 2-21 2.6.2 Multipletes La información sobre la estructura química que puede extraerse de un espectro resulta de gran ayuda para interpretarlo. Esta información procede de la interacción de los pequeños campos magnéticos nucleares con otros núcleos en un rango muy estrecho. El campo magnético externo que actúa sobre un núcleo puede verse alterado por el campo magnético de un átomo vecino como muestra la Figura 2.14. Como consecuencia del acoplamiento, la frecuencia de resonancia será ligeramente más baja o más alta con arreglo a la dirección de magnetización del átomo vecino. El mecanismo de acoplamiento más importante para la ERM in vivo es el acoplamiento espín a espín suave, denominado acoplamiento J. En el efecto del acoplamiento J intervienen los electrones de unión del enlace entre los dos núcleos que se acoplan. Figura 2.14 Acoplamiento J entre dos núcleos. El campo magnético de un núcleo cambia el campo magnético externo que actúa sobre otros núcleos próximos. El mecanismo de acoplamiento J o espín a espín cuenta con la mediación de los electrones de unión (aunque no exactamente como muestra esta imagen). El resultado es un espectro con la resonancia del núcleo acoplado dividida en dos líneas. Los dos picos se denominan doblete. La diferencia de frecuencia entre los picos es la constante de acoplamiento J expresada en [Hz]. campo magnético del núcleo electrón de unión campo magnético externo B0 1 13 H o C 1 H 2-22 RM PHILIPS Serie Versión 2 Esta constante está relacionada con la intensidad de la interacción magnética. La intensidad del campo magnético disminuye rápidamente con la distancia, de ahí que el efecto de acoplamiento J sólo sea significativo si los átomos que interactúan están conectados mediante enlaces químicos. De hecho, los electrones del enlace químico facilitan la ‘transmisión’ del efecto del campo magnético de los átomos vecinos. Si dos núcleos que interactúan están conectados con un único enlace químico (p. ej. un átomo de 13C directamente conectado con un átomo de 1H), el efecto tendrá un orden de magnitud más intenso que un acoplamiento mediante dos o tres enlaces a través de otros átomos (p. ej. los átomos de 1H conectados mediante dos átomos adyacentes no magnéticos 12C, como muestra la Figura 2.15). También pueden producirse multipletes más altos cuando hay más de dos átomos implicados. Los prototipos de multiplete de acoplamiento J en un espectro pueden aportar información muy valiosa sobre la estructura química. Consideremos una parte de una molécula orgánica, como muestra la Figura 2.15. En la frecuenciade resonancia del protón simple influye el estado de magnetización de sus dos vecinos, cada uno de los cuales puede alinearse con o en contra del campo magnético (flecha ascendente o descendente). Hay cuatro combinaciones posibles de los dos espines, pero sólo tres tienen diferente intensidad del campo magnético total y, por tanto, distinta frecuencia. El resultado es un triplete con la relación de intensidades 1:2:1. RM PHILIPS Serie Versión 2 2-23 Figura 2.15 Triplete de acoplamiento J. Parte de la estructura química de una molécula orgánica y el espectro que generaría. El protón simple aparece como un triplete. La señal combinada de los dos protones se divide en un doblete (consulte el texto). En la frecuencia de resonancia del par de protones influye a su vez el estado de magnetización del vecino simple. Los dos protones tienen la misma frecuencia, pero ahora está dividida en dos picos de igual intensidad (un doblete 1:1). La diferencia de frecuencia entre los dos componentes del doblete es igual a la constante de acoplamiento J para el triplete del protón simple. Por tanto, de los prototipos de acoplamiento se puede extraer información sobre la estructura química. La combinación de un doblete y un triplete con el mismo J y las relaciones de intensidad adecuadas en un espectro protónico significa que probablemente hay un grupo CH cerca de un grupo CH2 en la misma molécula. También es posible el acoplamiento de distintos tipos de núcleos, como 13C y 1H, y a veces mucho más intenso debido a una menor distancia. 2-24 RM PHILIPS Serie Versión 2 2.7 Espectros protónicos 2.7.1 Introducción a los espectros protónicos La espectroscopia protónica está muy difundida porque, con el programa apropiado, puede realizarse en un sistema de obtención de imágenes sin demasiada adaptación del equipo. Sin embargo, las señales de los metabolitos son varios órdenes de magnitud más pequeñas que la señal de agua utilizada en la obtención de imágenes. De ahí que la supresión de la señal de agua constituya una operación muy crítica en un examen de espectroscopia protónica. 2.7.2 Protones invisibles Prácticamente todas las moléculas orgánicas contienen protones. Muchos de los protones de los lípidos y las proteínas se hallan en medios químicos similares. Podría significar que los espectros protónicos in vivo contuvieran una señal masiva de las proteínas y los ácidos grasos formados por muchas resonancias cuyas frecuencias serían prácticamente indistinguibles. Afortunadamente esto no es así. Las moléculas más grandes tienen T2 muy cortos y sus señales descenderán durante los pulsos de preparación que suelen incluirse en una secuencia de espectroscopia protónica. Incluso sin estos pulsos de preparación, las macromoléculas proporcionarán una señal que es muy amplia en comparación con la anchura del espectro, y que se percibirá como una leve distorsión o desvío en la línea base del espectro. 2.7.3 Metabolitos Las señales visibles en el espectro proceden de pequeños metabolitos presentes en la célula en concentraciones milimolares. Debido a sus bajas concentraciones no es posible observar algunos compuestos bioquímicamente interesantes, por ejemplo segundos mensajeros como el AMP en su forma cíclica. Algunos intermediarios importantes de las vías metabólicas pueden observarse en tanto en cuanto sus concentraciones sean milimolares. El espectro protónico cerebral que se ilustra a continuación muestra algunas resonancias o posiciones de resonancia prominentes asignadas. Su significado bioquímico se describirá brevemente. Puede encontrarse información más detallada sobre la espectroscopia protónica in vivo en casi todos los libros de texto sobre espectroscopia por RM. RM PHILIPS Serie Versión 2 2-25 Figura 2.16 Espectro protónico de un cerebro humano normal (tiempo de eco corto). Sólo se muestra la parte del espectro situada a la derecha de la resonancia en agua. Correspondencias pico: Cr total: Creatina total, NAA: N-acetil- aspartato, α- y βγ- Glx: picos combinados de glutamato y glutamina, mI: mioinositol. Cho: colina, Lac: posición de CH3 de lactato, resonancia (no presente) y lípidos: resonancia amplia de lípidos y triglicéridos. 2.7.4 Creatina La creatina tiene resonancias a 3,95 y 3,0 ppm. Es el total de creatina y su fosfocreatina en forma fosforilada. La fosfocreatina actúa probablemente como una memoria intermedia de energía. El ATP es un fosfato altamente energético utilizado en todas las células para tareas que consumen mucha energía. La fosfocreatina puede suministrar fosfato para volver a convertir en ATP el producto de degradación de ADP. El pico de creatina a 3,0 ppm suele emplearse como referencia de la concentración. Tiene una concentración equitativamente constante de 6-12 [mM] en el cerebro normal. Cr total Frecuencia lípido 2-26 RM PHILIPS Serie Versión 2 2.7.5 Mioinositol El mioinositol es un alcohol relacionado con las formas difosforiladas y trifosforiladas de mioinositol (TPI y DPI) que desempeñan un cometido importante en la célula como segundos mensajeros para muchas señales hormonales. Las concentraciones de los segundos mensajeros TPI y DPI son muy bajas para detectarse. El pico puede tener una contribución de inositol monofosfato y posiblemente de otros precursores de lípidos de inositol. Las señales de resonancia de inositol pueden encontrarse a 3,56 ppm y se observan mejor en los espectros con tiempos de eco cortos. 2.7.6 Colina El pico de colina está formado por colina, fosfocolina y glicerofosfocolina. Esta resonancia combinada puede hallarse a 3,2 ppm. Estos compuestos son intermediarios importantes en el metabolismo de los lípidos. El mejor crecimiento de la célula puede ir acompañado de un incremento de los intermediarios del metabolismo de los lípidos. 2.7.7 Glutamato y glutamina Las resonancias de glutamina y glutamato, dos compuestos muy similares, se superponen. Se acoplan fuertemente y, por tanto, poseen un prototipo de multipletes complejo. Las resonancias combinadas de los dos metabolitos suelen designarse Glx y aparecen en dos grupos, el grupo αGlx del CH de los RM PHILIPS Serie Versión 2 2-27 aminoácidos a 3,7-3,9 ppm y el grupo CH2-CH2 βγ-Glx a 2,1-2,5 ppm. La glutamina tiene un nitrógeno extra (amida), resulta de la amidación (dependiente del ATP) del glutamato y actúa como donante de nitrógeno en algunas vías metabólicas muy importantes, como la síntesis de purina y pirimidina. En el cerebro, el glutamato es un precursor del ácido γ-aminobutírico (GABA). Tanto el glutamato como el GABA intervienen en la regulación de las transmisiones nerviosas. Las resonancias del GABA se superponen con las del glutamato y la glutamina. 2.7.8 NAA El N-acetil-aspartato (NAA) está presente en concentraciones de 5-15 [mM] en el cerebro adulto normal. Antes de su descubrimiento con la ERM in vivo, este metabolito nunca se mencionaba en los libros de bioquímica, pero ahora el número de publicaciones sobre el NAA es enorme. Aún no está clara su función metabólica, pero parece ser un buen marcador neuronal. La sustancia sólo se encuentra en las neuronas funcionales. En los espectros in vivo, el pico a 2,0 ppm puede tener contribuciones de otros compuestos de N-acetil, como la pequeña resonancia de NAAG (N-acetilaspartilglutamato) a 2,05 ppm. 2-28 RM PHILIPS Serie Versión 2 2.7.9 Glucosa La glucosa es un popular carbohidrato porque constituye una de nuestras principales fuentes de energía. No se puede metabolizar mediante glucólisis ni almacenar en el hígado ni en los músculos como glucógeno. El espectro de la glucosa es complejo, pero tiene dos picos claramente dominantes. Estas resonancias a 3,43 y 3,8 ppm se superponen en parte a las resonancias de taurina y glutamato. 2.7.10 Lactato El ácido láctico es el producto de degradación de la glucólisis anaerobia. Proporciona dos señales protónicas: una del grupo CH3 y otra del CH. La señal del grupoCH está a 4,3 ppm cerca de la resonancia en agua. No siempre puede observarse, dependiendo de la selectividad de la supresión de agua y de la relación señal/ruido. El acoplamiento con el grupo CH3 divide la resonancia en un cuarteto con intensidades máximas relativas 1:3:3:1, lo que reduce la altura máxima en un factor 3/8. El pico de CH3 total es intrínsecamente tres veces más fuerte y sólo se divide en un doblete. La constante de acoplamiento J entre los dos grupos está en torno a 7 [Hz]. Una consecuencia del acoplamiento J es que la fase de los picos del lactato se modula en función del tiempo del eco. La señal del lactato se observa mejor en tiempos del eco de N/J [s], donde N es un entero. En la práctica, los tiempos de eco de 144 y 288 ms son los mejores para observar el lactato. RM PHILIPS Serie Versión 2 2-29 2.7.11 Lípido La señal de lípidos en el espectro (Figura 2.17, espectro de espín eco TE corto) procede de una masa de lípidos, ácidos grasos y triglicéridos relativamente móviles, que probablemente son sobre todo precursores de lípidos o productos de degradación de lípidos. Las señales de lípidos y precursores de lípidos proceden de los grupos metileno (0,9 ppm) y metil (1,3 ppm) de las cadenas de ácidos grasos lipídicos. Los lípidos de las membranas tendrían T2 muy cortos y son invisibles en un experimento de espín eco. Con tiempos TE más largos, desaparece la mayor parte de la señal de lípido. 2.7.12 Carnosina Un espectro protónico de un músculo esquelético contiene otra señal útil de la carnosina (β-alanil-L-histidina). Tiene dos resonancias en 8 ppm y aproximadamente 7 ppm, en la parte del espectro que no aparece en la Figura 2.17. El desplazamiento químico de este metabolito depende del pH. Ello resulta especialmente útil en los músculos esqueléticos, ya que el ejercicio aeróbico o intenso produce cambios en el pH. 2.8 Otros núcleos 2.8.1 ¿Por qué otros núcleos? Algunos otros núcleos poseen propiedades magnéticas semejantes a las del protón. Algunos ejemplos son 19F, 13C, 31P y 23Na. La relación giromagnética de los núcleos distintos de los protones es siempre más baja (aunque la γ de 19F está próxima a la de 1H γ). La intensidad de la señal es proporcional a la relación giromagnética. Los protones pueden producir las señales más intensas, la sensibilidad de todos los demás núcleos es menor. La espectroscopia protónica podría parecer el método adecuado para detectar la mayoría de las moléculas orgánicas. La resonancia de los protones del agua crea algunas dificultades, porque la señal de agua es más de mil veces más intensa que la de los metabolitos. Sin embargo, las resonancias de protones no siempre pueden identificarse aisladamente, ya que pueden superponerse las huellas de ERM de distintas moléculas. Por tanto, pese a su menor sensibilidad intrínseca, la espectroscopia de otros núcleos también resulta interesante para la 2-30 RM PHILIPS Serie Versión 2 investigación bioquímica o clínica. Algunos compuestos que no se identifican inmediatamente en los espectros protónicos in vivo son fácilmente identificables en espectros de 31P o 13C. 2.9 Fósforo 2.9.1 Fósforo (31P) El fósforo tiene resonancia magnética a una frecuencia mucho más baja que los protones. De ahí que la sensibilidad de la ERM del fósforo también sea proporcionalmente más baja para los protones. La relación giromagnética de 31P es 17,235 [MHz/T] (para los protones es 42,577 [MHz/T]). La frecuencia del fósforo a 1,5 T es 25,9 [MHz]. El interés del fósforo (31P) radica en que algunos metabolitos bioquímicamente muy importantes contienen uno o más grupos de fosfato. Estos compuestos pueden detectarse con espectroscopia de 31P si sus concentraciones se hallan en el intervalo milimolar. En la práctica, el número de picos observados es relativamente pequeño y la interpretación del espectro de 31P suele ser mucho más sencilla que en la espectroscopia protónica. Un ejemplo de espectro de gastrocnemio de la pantorrilla humana se muestra en la Figura 2.17. La buena calidad de los espectros de un músculo esquelético que pueden conseguirse en un tiempo relativamente corto permite estudiar los cambios que experimenta el metabolismo de los músculos durante el ejercicio y durante la recuperación tras el ejercicio. Estas mediciones pueden aportar una cantidad de información sorprendente sobre el metabolismo de los músculos. RM PHILIPS Serie Versión 2 2-31 A) Espectro de 31P B) Imagen de localización Figura 2.17 Espectro de 31P localizado de un músculo de la pantorrilla humana (gastrocnemio). El espectro (A) se registró con la bobina P100 y la selección de volumen FID. El corte de la imagen interseca con la muestra de referencia en medio de la bobina de superficie. Con estas muestras de referencia internas o maniquíes de bobina es muy fácil verificar la posición de la bobina. Las correspondencias pico son Pi: fosfato inorgánico, CrP: creatina fosfato, α,β,γ− ATP: los tres fosfatos del ATP. α,β−ADP: los dos fosfatos del ADP, nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (NADP). El inserto en el espectro muestra la estructura química del ATP. 2.9.2 Trifosfato de adenosina (ATP) γ-ATP α-ATP +α-ADP NADP CrP Pa β-ATP +β-ADP O O O- PO O O- POO O O- P γ β α Desplazamiento químico A Espectro de 31P B Imagen de localización O O O O- PO O O- PO O O- P 2-32 RM PHILIPS Serie Versión 2 El trifosfato de adenosina (ATP) es la molécula más importante que interviene en el metabolismo de la energía celular. Todo el procesamiento metabólico de los alimentos para obtener energía acaba produciendo ATP, y todas las funciones que requieren energía en la célula utilizan ATP como combustible. El ATP y sus productos de degradación pueden observarse en la mayoría de los tejidos con ERM de 31P. Los tres fosfatos α,β,γ producen dos dobletes y un triplete a -2,5, -7,5 y -16,5 ppm (vea la Figura 2.17). En teoría cabría esperar dos dobletes y un doblete doble dada la composición química del ATP. No obstante, debido a la menor resolución de la ERM in vivo, la resonancia del β-ATP aparece como un triplete en lugar de un doblete doble. Sin embargo, las pequeñas diferencias de Jαβ y Jγα pueden apreciarse si el campo magnético es muy homogéneo y sobre todo si se usa desacoplamiento de protones para aumentar la nitidez de los picos. El primer fosfato es α-ATP, que está enlazado a la molécula de adenosina. Se trata de un doblete que aparece en medio de los tres picos de fosfato en el espectro. Su frecuencia de resonancia coincide con la del α-fosfato de adenosina de difosfato, ADP. Las concentraciones de ADP en el tejido vivo suelen ser tan bajas (inferiores a 100 μM) que su contribución al pico puede considerarse despreciable. Hay una contribución adicional de dinucleótido de nicotinamida y adenina. El segundo fosfato, β-ATP, es el intermedio. La resonancia es un triplete y es única para los trifosfatos. Su unicidad debería convertirlo en el pico más adecuado para la cuantificación del ATP, pero la intensidad de un triplete siempre es menor que la de un doblete con igual área pico. Además, la resonancia del β-ATP queda muy lejos de casi todos los demás picos del espectro, lo que puede generar errores de cuantificación si se emplea un método de localización o si el campo de RF de la bobina es demasiado débil. La frecuencia de resonancia del doblete de γ-ATP es aproximadamente igual a la del fosfato β-ADP pero, debido a las bajas concentraciones de ADP, el pico puede considerarse normalmente como un pico de ATP puro. γ-ATP es el fosfato que se pierde si se hidroliza el ATP para suministrar energía para reponer la memoria intermedia de energía de la fosfocreatina. Este fosfato se convierte después en fosfato inorgánico y fosfocreatina. RM PHILIPS Serie Versión 2 2-33 2.9.3 Fosfocreatina (PCr) La fosfocreatina (PCr) actúa como memoria intermedia de energía en los tejidosexcitables (músculos, corazón y cerebro). Un aumento crónico o temporal del consumo energético puede causar una disminución apreciable de los niveles de PCr. La concentración de ATP en las células suele ser constante, de ahí que la relación de PCr/ATP constituya un buen indicativo del nivel energético de los tejidos excitables. La posición de la PCr no depende del pH, por lo que con frecuencia se utiliza como una referencia interna del desplazamiento químico. 2.9.4 Fosfato inorgánico (Pi) El fosfato inorgánico es una mezcla de formas iónicas del H3PO4. Se suele hacer referencia a él como Pi y es uno de los productos de degradación del ATP. El fosfato valora el pH casi fisiológico y el desplazamiento químico, por lo que cambia con el pH. La relación entre el pH y el desplazamiento químico de Pi es bien conocida y puede calibrarse en mediciones del pH intracelular no invasivas. 2-34 RM PHILIPS Serie Versión 2 Figura 2.18 Dependencia del pH del desplazamiento químico del fosfato inorgánico. Observe que existe una relación casi lineal en el intervalo 6,0-7,2 del pH fisiológico. Cálculo del pH a partir del desplazamiento químico El pH puede calcularse a partir del desplazamiento químico observado de un compuesto valorable mediante la fórmula siguiente: donde δobs es el desplazamiento químico observado, y δácido y δbase son los desplazamientos químicos del compuesto en su forma ácida y básica, respectivamente. El pKa es el log10 negativo de la constante de equilibrio ácido-base. Las constantes necesarias pueden deducirse de mediciones en soluciones modelo. Para el fosfato inorgánico en el músculo esquelético, los valores son pKa = 6,73, δácido = 3,275 y δbase = 5,685. 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 pH desp. quím. [ppm] RM PHILIPS Serie Versión 2 2-35 2.9.5 Fosfomonoésteres En la mayoría de las glucólisis intermedias intervienen azúcares fosforilados o triosas. Las resonancias de estas sustancias intermedias y fosfatos similares suelen tener baja intensidad y se superponen. Como los picos de todos estos fosfatos quedan sin determinar, su conjunto se denomina fosfomonoésteres. La técnica de desacoplamiento de protones permite mejorar los picos y observar individualmente algunos de ellos (consulte Métodos de espectroscopia especiales). 2.9.6 Fosfodiésteres Los fosfodiésteres visibles en un espectro in vivo de 31P son principalmente precursores de lípidos, como la glicerofosfocolina (GPC) y la glicerofosfoetanolamina (GPE). Como en las resonancias de monoéster, los picos se superponen y pueden separarse mediante desacoplamiento de protones. 2.9.7 Carbono (13C) Toda molécula bioquímica contiene átomos de carbono. Por tanto, cabría esperar que la espectroscopia del carbono fuese la siguiente opción lógica para detectar y caracterizar metabolitos como protones. Sin embargo, sólo un 1% de los átomos de carbono naturales pertenecen al isótopo detectable (no radiactivo) 13C. Por este motivo, la señal del carbono es intrínsecamente 100 veces más débil, salvo que se ingieran o inyecten como trazadores compuestos de 13C artificiales. Pese a estas complicaciones, la espectroscopia del carbono constituye una potente herramienta para estudiar el metabolismo celular, en especial el ciclo del ácido cítrico. 2-36 RM PHILIPS Serie Versión 2 3 Métodos de selección de volumen Para obtener información útil sobre el metabolismo de un tejido específico hay que conocer el origen de los espectros y definir el volumen de interés. Existen varios métodos de selección de volumen: • Ninguna selección de volumen • PRESS (Espectroscopia resuelta por puntos) • Espín Eco (SE) • STEAM (Método de adquisición de eco estimulado) • ISIS (tenga presente que este método aún no se ha implementado en las ExamCard) En la obtención de imágenes, la mayoría de las técnicas de adquisición utilizan la selección de cortes. En la espectroscopia es posible utilizar distintos métodos de selección. Para especificar la selección de espines, se emplean otros parámetros. Selección de VDI (VOI selection) La selección del VDI (Volumen de interés): • Describe el número de dimensiones excitadas: describe la región excitada para la adquisición espectroscópica. • Determina la técnica utilizada para el método de localización. N OTA La elección del modo de adquisición y de la técnica de adquisición determina el método de selección de VDI disponible y la selección de VDI (consulte la tabla siguiente). Combinaciones posibles Modo de adquisición Técnica adq. Selección VDI Método selección de VDI MC Eco Corte SE SV, 2D, 3D, MV Eco Corte o Barra SE SV, 2D, 3D, MV Eco Volumen PRESS o STEAM SV, 2D, 3D, MV Eco Ninguno ’oculto’ MC, SV, 2D, 3D, MV FID Corte FID SV, 2D, 3D, MV FID Volumen ISIS SV, 2D, 3D, MV FID Ninguno ’oculto’ RM PHILIPS Serie Versión 2 3-1 3.1 Ninguna selección de volumen No se utiliza método de selección de volumen alguno. La señal medida está limitada al volumen sensible de la bobina. Se puede utilizar una bobina T/R o una bobina de superficie sólo receptora. Con la bobina sólo receptora, la señal recogida depende del volumen útil de la bobina. Si se utiliza la bobina T/R, la falta de homogeneidad de B1 puede convertirse en un problema. En general, la relación señal/ruido obtenida es buena, ya que el ruido medido también se limita al volumen sensible de la bobina. Se puede utilizar para obtener información espectroscópica de órganos superficiales. Ventajas • Fácil de usar; la bobina puede colocarse en cualquier posición. • En general, la relación señal/ruido es alta (alta sensibilidad) • No se aplican gradientes selectivos de volúmenes: - No hay corrientes Foucault. - No hay limitaciones de cronometraje: ¡TE corto! Desventajas • Solo adecuada para órganos cercanos a la superficie • Área de sensibilidad no nítidamente definida: - La señal cae con la distancia desde la bobina. • Campo B1 no homogéneo: - Distribución de ángulos de pulsos no homogénea - Sensibilidad no homogénea Parámetros relacionados: - Selección de VDI (VOI selection): se ajusta en ‘ninguno’. 3-2 RM PHILIPS Serie Versión 2 3.2 PRESS (Espectroscopia resuelta por puntos) PRESS (también denominado PRIME) es un método de selección de volúmenes que permite seleccionar un volumen de interés (VDI) en una medición (excitación). PRESS es el método más adecuado para experimentos con protones. La secuencia PRESS contiene un pulso de excitación de 90 grados seguido de dos pulsos de eco de 180 grados (vea la figura siguiente). Figura 3.1 Secuencia de pulsos PRESS Al gradiente de selección asociado con el pulso de excitación de 90 grados le sigue un gradiente de refase. Los pulsos de eco de 180 grados se colocan entre dos gradientes de compresión adicionales. La intensidad y duración de gradiente de estos compresores se determinan mediante los parámetros de control de la adquisición. Estos gradientes de compresión tienen dos funciones: 1 Selección de volumen. El primer compresor desfasa la magnetización de todo el objeto. El gradiente de selección del pulso de 180 grados selecciona un corte del objeto. Solo los espines de este corte experimentan el pulso de eco de 180 90 180 180 Máximo Medio eco TE Gm Gp Gs RM PHILIPS Serie Versión 2 3-3 grados; el segundo compresor los cambia de fase. Para la selección de volumen, los tres gradientes de selección son ortogonales. El resultado es la selección de un volumen cuboide dentro del objeto. 2 Los gradientes de compresión desfasan los ecos estimulados y las señales FID. El tiempo de espera entre el pulso de excitación de 90 grados y el primer pulso de 180 grados es el más corto posible sin permitir la superposición de gradientes. Se puede modificar cambiando el valor predeterminado ‘minimum’ del parámetro de control ‘PRESS 90-180 time’ por ‘user defined’. Una vez seleccionado este valor, aparece otro parámetro para introducir la duración entre los pulsos de 90
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