RESONANCIA MAGNÉTICA

núcleo de ingeniería biomédicafacultades de ingeniería y medicina

universidad de la república

Ing. Daniel Geido

MRIINTRODUCCIÓN

CT y MR sirven para lo mismo?

� Tomografía Computada es una técnica basada en rayos X y produce imágenes cuyo contraste es determinado principalmente por la densidad de la masa que atraviesan

� La siguiente grafica muestra la densidad de cada uno de los diferentes tejidos y de esta forma la habilidad de CT para diferenciar entre diferentes tejidos y hueso. Ver que los tejidos blandos solo caen en el rango de los 10 a los 60 HU en un rango total de unos 4000.

� Por ello CT no es muy buena para diferenciar tejidos blandos y si lo es para ver hueso. Como veremos MR es lo contrario.

� La Resonancia Magnética (MR) es capaz de medir los protones de los átomos de hidrógeno en las moléculas de agua. La gran cantidad de agua existente en los tejidos blandos hacen que MR sea excelente para ver este tipo de tejidos.

� MR tiene ciertaa ventajas sobre CT:

− Excelente para diferenciar tejidos blandos

− Las imágenes pueden ser adquiridas directamente en cualquier orientación

− No se usan radiaciones ionizantes, es inofensivo para el paciente.

− Los medios de contraste usados en MR son menos agresivos que en CT

CT y MR sirven para lo mismo?

Ejemplo de imágenes de CT

Tejido blando Hueso

T2T1PD

Ejemplo de imágenes de MR

MR CTMR

Buena visualización de tejidos blandos Las fracturas se ven con claridad

Espectro

MRITEORIA

� Las moléculas de agua están constituidas por dos moléculas de Hidrógeno y una de Oxígeno.

� El átomo de Hidrógeno posee un protón y un electrón.

� Dicho protón en el núcleo del átomo es quien proveerá la señal de RM

Protones y su Spin

Molécula de agua

OH H

Atomo de ´́́́Hidrógeno

Agua

Protón

Protones y su Spin

� Los protones poseen una propiedad llamada Spin e indica que tienen un momento angular, están rotando sobre su eje al igual que un trompo. El spin se representa mediante un vector que sigue la regla de la mano derecha.

� Adicionalmente poseen un momento magnético, quiere decir que generan un campo magnético, similar a un imán.

Spin

N

S

Presesión� Que sucede cuando dicho protón es sometido a un campo

magnético externo uniforme Bo?

� Su Spin hace que el protón comience un movimiento de presesión a una frecuencia ω proporcional a la intensidad del campo externo Bo.

� El valor de ω viene dado por la ecuación de Larmor que la relaciona con Bo y con la constante gyro-magnética γ(constante de proporcionalidad dependiente del átomo en cuestión): B0

ωωωω

2πf = γ .... B0 f = γ/2π .... B0

Para el Hidrógeno 1H: γ = 42.577MHz/T

f = 42,577 MHz para un campo magnético de 1T

ω = γ .... B0

� Cuando el campo magnético externo Bo es nulo, los spines se orientan en forma aleatoria.

� Resultando una magnetización neta M igual a cero.

Orientación de los protones

M=0

� Cuando el campo magnético externo Bo no es nulo, los spines se orientan en forma paralela o antiparalela al campo Bo.

� Existe una muy pequeña mayoría de ellos que se orientan en forma paralela a Bo. Estos son quienes darán la señal de MR.

� Dicha mayoría crece cuando crece Bo. Es por esto que cuanto mayor sea el campo externo, mayor será la intensidad de la señal recibida de los protones por el equipo de MR.

� Ejemplo: en un campo de 1T, si consideramos 2exp106 protones, solo habrá 7!! Capaces de emitir señal.

Orientación de los protones

S

N

Mm

m=

mB0

=

� La idea es hacer que estos protones absorban energía y cambien de nivel (del paralelo al antiparalelo), esto se logra utilizando RF.

� Los pulsos de RF deben ser de una frecuencia f que sea igual a la frecuencia de Larmor, solo así se producirá la absorción de energía. Es a esto que se llama resonancia.

Exitación

ω = γ .... B0

RF

Excitación

x y

M0

z

yx

α

Mωωωω

Excitación

� Los spines no solo comenzaran a cambiar al estado antiparalelo sino que también comenzarán a girar en forma coherente, esto es todos con la misma fase.

5 7 86

yx yxyx

t

RF

11 9 810

yx

Medición de la señal de MR

� Cuando el pulso de RF es quitado, los protones vuelven a su estado inicial, emitiendo la energía que absorbieron cuando el pulso de RF estaba presente. A este proceso se le llama relajación

� Separamos el vector de M en dos componentes, Mz se llama componente longitudinal y Mxy se llama transversal.

� Se dispondrán antenas de tal modo que solo la componente transversal Mxy sea captada

z

MZM

MXY

B0

yx

V

t

pulso de RF

Verctor Mxy

Tiempo de relajación T1

� Este es el tiempo de relajación de la componente longitudinal (paralela a Bo), esta determinado por la devolución de energía por parte de los protones. Se llama relajación spin-lattice.

� Se define T1 como el tiempo en que tarda la componente longitudinal en llegar al 63% de su valor inicial.

63%

MZ

T1 ms3×T1 5×T1

t

2×T1 4×T1

M0

Tiempo de relajación T1� Este tiempo T1 es dependiente del tipo de tejido en el que se

encuentren “inmersos” los protones, por dicha razón es específico del tejido que se esté excitando.

240ms

809 2500680

63%

100%Materia blanca

Materia gris

CSF

GrasaMZ

Valores de T1 para

algunos tejidos:

TejidoT1 [ms]

(a 1.5T)

T1 [ms]

(a 1T)

T1 [ms]

(a 0.2T)

Grasa 260±70250±70200±60

Hígado 490±110420±92228±50

Riñón 650±180587±160393±110

Vaso 778±150680±130398±75

Materia blanca 783±130680±120388±66

Músculo esquelético 863±160730±130370±66

Músculo cardíaco 862±140745±120416±66

Materia gris 917±160809±140492±84

CSF 3000±6002500±5001500±400

Tiempo de relajación T2

� Este es el tiempo de relajación de la componente transversal, esta determinado por la interacción entre protones (los spines se anulan entre ellos al desfasarse). Se llama relajación spin-spin.

� Se define T2como el tiempo en que tarda la componente transversal en decaer al 37% de su valor inicial.

tT2

MXY

37%

Tiempo de relajación T2� Este tiempo T2 también es dependiente del tipo de tejido en el que se

encuentren “inmersos” los protones, por dicha razón también es específico del tejido que se esté excitando.

Valores de T2 para

algunos tejidos:

CSF (1400 ms) >

37%

10

70%

100%

10%

30 50 100 150 200 250

50%

30%

ms

Materia blanca

CSF

Grasa

Materia gris

9080

MXY

Tejido T2 [ms]

Hígado 43 ±6

Músculo esquelético 47 ±6

Músculo cardíaco 57 ±9

Riñones 58 ±8

Vaso 62 ±17

Grasa 80 ±36

Materia blanca 92 ±20

Materia gris 101 ±13

CSF 1400 ±250

SecuenciasSpin-Eco

� Al momento de obtener una imagen se deben seleccionar ciertos parámetros por parte del operador, dos de los mas importantes son los tiempos TR y TE.

� TE es el tiempo que transcurre desde que se retira la excitación de RF y se realiza la medida del vector Mxy con la antena receptora.

� TR es el tiempo que transcurre entre excitaciones consecutivas

Secuencias Spin-EcoFormación de imagenes

Materia blanca

Materia Gris

CSF

Grasa

ms

T2

20

e−MZ

Grasa

CSF

T1

1500 2000 2500 3000500 1000

S

20 60 100

msCurva T1 Curva T2

Para la primer imagen vamos a tomar un tiempo TR corto (500ms)

Y un tiempo TE corto también (20ms).

Esto nos da una imagen T1 weighted

TR TE

1 T1

500.

e−−

Grasa

Materia blanca

Materia Gris

CSF

Secuencias Spin-EcoFormación de imagenes

White matter

Gray matter

CSF

Fat

ms

T2

20

e−MZ

Grasa

CSF

T1

1500 2000 2500 3000500 1000

S

20 60 100

ms

PD

Curva T1 Curva T2

TR

1 T1

500.

e−−

1 T1

3000

e−−

Para la siguiente imagentomamos un TR largo (3s)

Y un TE corto (20ms)

Esto nos da unaimagen PD weighted

TE

Secuencias Spin-EcoFormación de imagenes

White matter

Gray matter

CSF

Fat

ms

MZ

Fat

CSF

T1

1500 2000 2500 3000500 1000

S

ms

PD

Curva T1 Curva T2

1 T1

3000

e−−

Tomemos ahora un TR largo (3s)

Y un TE tambiénlargo (100ms)

Esto nos da unaimagen T2 weighted

TETR

T2

100

e−

T2

20 60 100

Resumen y valores usados de TR y TE

20

1500 2500

40

60

80

100

120

ms

ms

TR

TE

1000

PD weightedT1 weighted

T2 weightedNo util

T2T1PD

Ejemplo de imágenes de MR

MRIAPLICACIÓN

Repaso

� Hemos visto que los protones tienen un momento magnético llamado spin y cuando estos son incluidos en un campo externo Bo se obtiene una magnetización neta M en el sentido de Bo.

� Al excitar estos protones con RF de frecuencia igual a la de presesión (Larmor), estos absorben energía. Solo esta frecuencia produciraabsorción de energía y rotación del vector M.

� Todo el resto de las frecuencias de RF no tendrán efecto sobre los protones.

� Al retirar la RF, se detectan mediante antenas en el plano transversal la señal emitida por los protones.

� La señal medida es la suma de todas las señales de los protones de todo el tejido excitado.

� Debemos diferenciar de donde proviene cada una de las señales, tantas señales diferentes como pixeles en mi imagen. Llamamos a esto Localización espacial

Localización espacial

� Debemos lograr que en cada punto del espacio exista un campo magnético ligeramente diferente a Bo, de esta forma la frecuencia de presesión de los átomos variara en el espacio.

� Esto se logra con el uso de gradientes, hay 3 gradientes, uno para cada uno de las direcciones espaciales x, y, z.

Codificacion en frecuencias

Codific

ació

n e

n fase

Baja amplitud

de señal

Alta amplitud

de señal

Codificación Espacial

� De esta forma utiliza uno de los gradientes (z por ejemplo) para excitar solo una slice(rebanada) de tejido para así formar una imagen en 2D.

� Luego los otros 2 gradientes se utilizan para lograr codificación en frecuencia.

� De esta forma cada punto del espacio posee un único valor de frecuencia. Es decir cada voxel(píxel en mi imagen) va a responder a una frecuencia de resonancia diferente.

� En realidad se utiliza codificación en frecuencia en una dirección y en fase en la otra.

� Al recibir la señal de MR, recibimos la suma de todos los protones de todo el slice excitado. Luego utilizando Fourier, separamos en componentes de frecuencia y tendremos asi el valor de cada uno de nuestros pixeles.

f 0-2∆f

f 0-∆f

f 0

f 0+ 2∆f

f 0+ ∆f

B0

B

f

Gradientes

� La idea es lograr variaciones en el cambo Bo, en cada una de lasdirecciones.

� Para ello hay 3 gradientes, Gx, Gy, Gz.

X

B0

B0

Gradiente positivo

De 5mT/mZ

Iso-centro-0.25 +0.25

-0.25

+0.25

Iso-centro

(mT)

-1.25

+1.25

G(m)

(m)

B0

Y

X

Pulsos de RF

� Hemos visto como codificar espacialmente los puntos de un slice (imagen 2D).

� Pero como seleccionamos un slice?, su posición y su espesor?

� Puedo hacerlo de 2 formas, aumentando mi gradiente o variando la frecuencia central de mi pulso de RF.

� Se utilizan pulsos selectivos de RF, esto es funciones sinc en el tiempo.

t f

Selección del slice

1550 10 20 25 (cm)

X,Y,Z

10mm

f0

+0. 375mT

+0.625mT

5

10

20

15

25

30

35

40

45

50

55

Gradiente 2.5 mT/m

Pulso de RF de 1kHz

de ancho de banda

f (kHz)60

� Variando frec. central y ancho del pulso de RF, vario posición y ancho del slice.

Selección del slice

+0.625mT

f

1550 10 20 25 (cm)

(kHz)

5

10

20

X,Y,Z

5mm

f0

15

25

30

35

40

+1.25mT

+0. 75mT

+0. 375mT

45

50

55

Gradiente 5 mT/m

Pulso de RF de 1kHz

de ancho de banda

5mm

60

+0. 375mT

� Variando la amplitud del gradiente varian ambos, posición y ancho del slice. Debo corregir moviendo frecuencia central.

Selección del slice

� Dependiendo que gradiente utilice para hacer la selección del slice determino la orientación del mismo:

SAGITAL CORONAL TRANSVERSAL

Gradiente utilizado para

seleccionar el slice:

YX Z

MRIINSTRUMENTACIÓN

Equipos

Instalación de MR

1 Magneto

2 Armarios con electrónica

4 Consola de operación

3 Enfriamiento con agua

5 Panel de filtros

1

Cuarto de examen

Cuarto de equipos

Cuarto de operación

23

4

5 6

6

7

6 Pulsador de corte de energía

7 Pulsador de Quench

Sistema

� Sistema de control y procesamiento de las señales

� El magneto

� Sistema de gradientes

� Sistema de RF

Equipo de MRDiagrama de bloques

Amp. De Gradientes

Amplificador de RF

MSUP

Transmisor Receptor

PCSist. de reconstrucción

de imágenes

RFAS

X

Y

Z

Control bobinas

Sistema de enfriamiento

Pulso de excitación

Pulso de eco de MR

Control de la secuencia

Shim

Mesa del paciente

Bobinas de Gradientes

Bobinasde RF

Bobinas de Shim

Distribución de

alimentación

Control bobinas de RF

Control

Sistema

� Sistema de control y procesamiento de las señales

� El magneto

� Sistema de gradientes

� Sistema de RF

Tipos de magneto

� Permanentes

− aleaciones ferromagnéticas

− Campos no uniformes varía con la temperatura

− Grandes tamaños, pesados

− B máx. 0.3 T (1 Tesla = 10000 G)D

� Resistivos

− Conductores en forma circular por los que se hace circular corriente.

− Mucha disipación de calor

− B máx. 0.2 T

� Híbridos

− B máx. 0.6 T

B0

B0

Magneto superconductor� Superconducción

− R= 0 a temperaturas cercanas al 0 K (4.2K con He liquido) no hay pérdidas por efecto Joule.

− Una vez ingresada, la corriente continúa indefinidamente circulando sin necesidad de fuente alguna.

− He líquido

− Campos muy altos fuera del magneto, se usan otras bobinas superconductoras para disminuirlos

Enfriador

liquido

Gas

Pantalla 80K

Pantalla 20K

Bobinas

Recarga

De Helio

Tubo de Quench

Válvula de Quench (15 psi)Manómetro

Válvula de alivio 1/3 psi0

-0.5

.5

1

psi

A la atmósfera

Válvula de despresurización

Torreta

de ServiceCubierta

Críostato

Magneto superconductor

Tipos de Magneto

AltoHorizontal (z)>1.5Superconductor

MedioVertical (y)0.6Hibrido

MedioVertical (y)0.3Permanente

BajoVertical (y)0.2Resistivo

CostoDirección del campo

Máximo Campo (T)

Tipo

Sistema

� Sistema de control y procesamiento de las señales

� El magneto

� Sistema de gradientes

� Sistema de RF

Gradientes� Consiste en 3 bobinas ortogonales

� La idea es producir campos magnéticos variables en el tiempo pero fundamentalmente espacialmente.

� Sirven para ubicar el origen de los pulsos

B0

I

B0

I

Bobinas X e Y

Bobina Z

Y

X

Bobinas de Gradientes

Sistema

� Sistema de control y procesamiento de las señales

� El magneto

� Sistema de gradientes

� Sistema de RF

El pulso transmisor es calculado y

modulado digitalmente utilizando DSPs,

luego es enviado al transmisor para

convertir dicha señal en analógica a la

frecuencia de RF requerida.

El pulso amplificado es aplicado a la bobina

transmisora para excitar el slice

seleccionado

La bobina transmisora convierte la señal de

tensión en campo electromagnético, dicha

señal de RF interacciona con los protones

como ya vimos.

El pulso analógico de RF entra al

amplificador para incrementar su potencia y

lograr la excitación adecuada en los

protones.

Sistema de RF

� Transmisión:− Generación de pulsos de RF.

− Amplificación de la señal de RF.

− Transducción V, I a B, E. Uso de antenas

− Adaptación de impedancias en la transmisión (Macheo de impedancias)

Conversión

Amplif.

de RF

Bobina Transmisora

Generación

de la señal

Digital

Captación:

Luego de la excitación de los protones, la señal de

eco debe ser leída. La bobina receptora debe

estar en la posición correcta para captar la señal

de RF emitida por los protones. Las bobinas

receptoras pueden ser de varios tipos y diseños,

LP, CP, volumétricas, de superficie, etc.

La imagen es enviada al Host que la

despliega en el monitor

La señal obtenida es preamplificada en las

mismas bobinas ya que es muy pequeña,

además se cuenta con electrónica que

permite seleccionar múltiplex bobinas

(canales).

Sistema de RF

La señal es procesada digitalmente y

enviada al Imager, computadora encargada

de hacer los cálculos para la reconstrucción

de la imagen

Pre

Amplif.

Amplif.,

filtrado

y proc.

digital

Analógica

Imager.

� Recepción:− Captación de pulsos de RF. Uso de antenas especiales lo mas

cercanas posible al cuerpo del paciente.− Amplificación en las propias bobinas (antenas) de la señal

recibida.− Amplificacion y filtrado en el módulo de recepción de RF.− Procesamiento digital y envio al PC de reconstrucción.

Digital

Bobinas de RF

LP loop Grande

LP loop pequeña

LP signal

B Bobinas polariz. lineal (LP) Bobinas volumétricas polariz. Circ. (CP)

B1

90°°°°Bobinas de superficie

90°°°°

LP LP LP

CP