PRRINCIPIOS FISICOS DE LA RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR

Generales

A. El magnetismo y la excitación .

El fenómeno del magnetismo tiene su origen en el movimiento de laspartículas cargadas eléctricamente. La magnetización se refiere alfenómeno causado por una orientación no aleatoria del campomagnético de los electrones. Esta orientación da lugar a unamagnetización macroscópica neta. Además de los electrones, lamayoría de los núcleos atómicos también poseen un pequeño campo omomento magnético, que es el que se utiliza en la obtenciónimágenes por RM (resonancia magnética). Este magnetismo nucleartiene su origen en el spín nuclear y el valor del momento angularasociado a él, y se encuentra directamente relacionado tanto conel número atómico (número de protones) como con el número másico(número de protones más números de neutrones) o con el número deneutrones.

Existen dos situaciones en las que se origina un momento magnéticonuclear neto:

1. Cuando el número de protones y el número másico son impares (oel número de neutrones es par), como en el 1H,15N,19F,23Na y 31P.

2. Cuando el número de protones es par y el de neutrones es impar(o número másico impar) como el 13C.

El hidrógeno, con un protón (1H) como núcleo más simple de todoslos elementos, es un buen isótopo para la obtención de imágenes alser el núcleo más abundante en el cuerpo y poseer un momentomagnético muy grande.

Normalmente estos spines o momentos magnéticos están alineadosaleatoriamente, tal que no sometidos a ningún campo magnéticoexterno, no existe magnetización neta, tal y como se puedeobservar en la figura 1ª.

Cuando el material se sitúa en el interior de un campomagnético, estos momentos magnéticos se alinean con dicho campomagnético (misma dirección) existiendo una mayor cantidad despines que se orientaran en el mismo sentido que el campomagnético principal en comparación con los que lo harán en sentidocontario (fig 1b)

Figura 1. a. Los momentos magnéticos de un material no sometido a un campomagnético externo, se orientan de forma aleatoria, no proporcionando ningúnmomento magnético neto. b. Cuando el mismo material se somete a un campomagnético externo, los spines se alinean a lo largo de la dirección del

campo magnético aplicado, proporcionando un momento magnético neto(magnetización neta) que es la base de la señal de RM.

Esto dará como resultado un momento magnético neto que se situaraen equilibrio. Este momento magnético neto, también llamadomagnetización neta, es la base para la creación de la señal RM.

Tal y como se ha comentado, los átomos con un número impar deprotones o neutrones poseen un momento angular o spín. En ausenciade un campo magnético externo, los espines estarán orientadosaleatoriamente, pero cuando se sitúan bajo un campo magnéticointenso, los espines se alinean con este, proporcionando unamagnetización longitudinal neta, MZ, en la dirección del campoaplicado (supongamos eje z).

Estos spines procesan alrededor del eje z a una frecuenciadirectamente proporcional a la intensidad del campo magnético, taly como puede observarse en la figura 2. La ecuación de Larmor

describe la dependencia entre el campo magnético B0 y la frecuenciaangular a la que están procesando dichos spines.

Ecuación de Larmor

ω0=γ|B0| … (1)

Figura 2. El vector magnetización procesa alrededor del eje longitudinal a una frecuencia proporcional a la intensidad del campo magnético aplicado (B0). Mxy: componente transversal de la magnetización M. Mz: componente longitudinal de la magnetización M.

La constante giromagnética depende del átomo bajo estudio, ytiene un valor de 42.58 MHz/T para el 1H. Los protones de hidrogenoson los que usualmente se utilizan en prácticas clínicas debido asu gran abundancia en el tejido vivo. La tabla 1 muestra variosnúcleos que poseen spines donde se puede comparar su abundanciacon respecto al 1H.

B. Gradiente de campo magnético: codificación espacial .

Los gradientes de campo magnético son elementos de un sistema deresonancia magnética que permite resolver la posición espacial, ypor lo tanto, reconstruir una imagen. Tres gradientes de campomagnético proporcionan una variación lineal en la intensidad delcampo magnético longitudinal como función de la posición a lolargo de las tres direcciones ortogonales, normalmente a lo largodel núcleo del imán, horizontalmente a través del núcleo, yverticalmente a través del núcleo.

La determinación de la localización espacial de una señal deresonancia magnética nuclear depende de la secuencia de aplicaciónde los tres gradientes de campo magnético (Gx, Gy y Gz). Con estaherramienta que se ha desarrollado se muestra en forma fácil,amena y didáctica el comportamiento de precesión y relajación deun solo spin de cualquiera de los núcleos mostrados en la Tabla1 y perteneciente a cualquiera de los tejidos mostrados en latabla 2 ante la presencia de un campo magnético externo aplicado(de intensidad seleccionada adescuadamente). De la misma forma quese puede también estudiar el comportamiento de los espines ante

la presencia de los gradientes de codificación de lectura y faseaplicados (Gx y Gy)

T2

Conclusiones: Porque estudiar RMN?

Medicina: Diagnostico por imágenes.

El fenómeno de RMN consiste en la absorción de energía deradiación electromagnética por parte de núcleos que tiene unmomento magnético.

La absorción ocurre a frecuencias características que dependedel tipo de núcleo (tabla1) y del entorno molecular en el quese encuentra.

El fenómeno solo se manifiesta en presencia de un campomagnético que diferencia en términos de energía a lasposibles orientaciones del momento magnético nuclear.

Las cantidades de energías involucradas son extremadamentepequeñas y solo son medibles cuando la radiaciónelectromagnética corresponde a las ondas de radio.

Definiciones

Movimiento de Spin, momento cinético o Spin (S)

El núcleo atómico está formado por un determinado nº denucleones (nº de protones y neutrones). Los protones sonpequeñas partículas con una carga positiva. Estos protonesgiran sobre sí mismo constantemente en un movimiento al quese conoce como Spin. Por lo tanto poseen un momento cinético

(S) o Spin que representa una magnitud vectorial que “empuja”las partículas en movimiento hacia arriba mientras giran.Este vector (momento cinético o spin) es de igual direcciónque su eje de rotación. (ver figura 3)

Figura 3. Movimiento de spin

Momento magnético ()

Cuando una carga gira (protón) genera a su alrededor un campomagnético (momento magnético) relacionado con su momentocinético o spin (S) y con la misma dirección que su eje derotación.

Núcleo de hidrógeno

El núcleo del Hidrógeno (H) o protón posee tanto momentocinético S y momento magnético μ.

Como hemos mencionado anteriormente los nucleones son elnúmero de protones y número de neutrones que se encuentran enel núcleo del átomo y los átomos con un número impar denucleones poseerán un momento magnético total.

Por ello, el núcleo del H (con un protón y ningún neutrón)ver figura 4; es el único que actualmente desempeña un papelimportante en la obtención de imágenes ya que 2/3 de losátomos del organismo son H por lo que dará lugar a unfenómeno de resonancia muy claro. Esto es así porque poseenun nucleón no apareado y por lo tanto tiene un momentomagnético total también llamado intrínseco.

Figura 4

Al núcleo de hidrógeno se le conoce en resonancia magnéticacomo protón y posee SPIN o MOMENTO MAGNÉTICO (m), ligado a larotación de su propio eje, con sólo 2 orientacionespermitidas del spin y un MOMENTO CINÉTICO (S), ligado a sucarga en rotación.

Campo magnético externo

Cuando el paciente no está sometido a un campo magnéticoexterno (B0) los núcleos de hidrógeno o protones están

orientados al azar giran de forma aleatoria en el espacio.Ver figura 5

Figura 5. Orientación de los átomos de H sin presencia de CampoMagnético externo.

Cuando el paciente queda sometido a un potente campomagnético (B0), al ser pequeños imanes, quedan orientados enla misma dirección que el campo magnético externo (B0), en laposición que vemos: (figura 6)

Figura 6. Átomos de H con presencia de un campo magnético ExternoB0.

_ Protones orientados en paralelo:

1. En el mismo sentido que el campo magnético externo.2. Requieren menos energía.

_ Protones orientados en anti-paralelo:

1. En sentido contrario que B02. Requieren mayor energía.

Cuanto más intenso es el campo magnético mayor es laproporción Hay mayor número de protones orientados enparalelos que en anti- paralelos. Con campo magnético externoaparece la imantación macroscópica (M ¹ 0) ya que se puedensumar los vectores.

Movimiento de precesión

La combinación del movimiento producido por la fuerzamagnética que ejerce el campo magnético externo (B0) sobre elprotón, sumado al movimiento de spín del protón, genera unnuevo movimiento que se conoce como Movimiento de precesión.(Ver figura 7)

Figura 7. Movimiento de Precesión.

Este movimiento es similar al movimiento de una peonza otrompo que gira ligeramente inclinada alrededor de las líneasdel campo magnético. Este movimiento no es constante losprotones precesan a una determinada velocidad o frecuencia deprecesión y es directamente proporcional a la intensidad delcampo magnético al que el protón es sometido.