Magnetización y la Señal de Resonancia Magnética

La magnetización transversal se produce por la coherencia de fase de los espines. Por otro lado, la magnetización longitudinal se define como la diferencia del número de espines en estado paralelo y antiparalelo.

La señal de RM recogida es una sinusoide amortiguada y decreciente que se conoce por sus siglas FID (Caída de Inducción Libre), la cual representa la base de la imagen.

Tiempos de Relajación: T1 y T2

El T2 es mayor en líquidos que en sólidos y menor en tejidos con grandes moléculas; estas diferencias entre los tiempos de relajación se aprovechan para crear imágenes. El T2 es, por lo general, del orden de 10 veces menor que el T1 (es decir, dos veces más rápido). Desde el punto de vista clínico, el agua tiene T1 y T2 largos, lo cual es interesante porque los tejidos patológicos suelen tener mayor cantidad de agua que los sanos.

Factores que influyen en el T1

El T1 depende de los siguientes factores:

  • Composición y estructura del tejido y su ambiente: Los protones deben entregar su exceso energético al ambiente para relajarse. Esto ocurre más rápido cuanto más cercanas están las frecuencias de precesión de ambas moléculas.
    • Medio formado por moléculas pequeñas (agua): Se mueven deprisa y su frecuencia (W0) es mayor que la frecuencia de Larmor. Deben liberar su exceso energético y se tarda más tiempo en hacerlo; por tanto, presentan un T1 largo.
    • Macromoléculas: Utilizan energías de orden inferior, lo que implica que los protones de átomos de Hidrógeno tendrán dificultad para liberar energía y, por tanto, tendrán un T1 largo.
    • Moléculas de tamaño medio (grasas): Utilizan una energía próxima a la frecuencia de Larmor. Por ello, ceden fácilmente su energía y tienen un T1 CORTO. En la imagen se ve clara; las grasas tienen extremos de frecuencia de precesión próxima a la ecuación de Larmor, produciendo una transferencia energética más efectiva.
  • Campo magnético aplicado: La frecuencia de precesión depende del campo magnético aplicado, según la ecuación de Larmor. Los protones tendrán mayor W0 y liberarán el exceso energético más rápido cuanto más próxima esté la frecuencia de precesión de la molécula que los rodea.

La Señal FID y la Relajación Transversal

La señal FID (señal de declinación de la inducción libre) está relacionada con la relajación transversal T2. Es importante notar que en la relajación longitudinal y transversal intervienen mecanismos distintos y de duración diversa. La disminución de la magnetización transversal T2 es mucho más rápida que el crecimiento de la magnetización longitudinal T1; el vector de imantación macroscópica tiene una componente transversal que desaparece mucho más rápido que la longitudinal.

Como el vector M continúa precesando alrededor de B0, su extremo describe en relajación una espiral (la componente transversal forma un anillo más ancho por debajo que se estrecha al subir, debido a que ganamos componente longitudinal y perdemos transversal).

Durante la rotación del vector de magnetización transversal (Mxy) se genera una señal de radiofrecuencia, la cual es captada por una antena colocada en el plano XY y convertida en una señal eléctrica medible llamada FID. Esta señal es fuerte justo después de enviar el pulso de radiofrecuencia de 90°, pero va decayendo con el tiempo.

Características de la señal FID:

  • La frecuencia de la señal es la frecuencia de precesión de los protones (frecuencia de Larmor).
  • La frecuencia de la señal es constante (no varía con el tiempo).
  • La FID disminuye su amplitud con el tiempo como consecuencia de la disminución de la componente transversal de la imantación macroscópica (debido al T2).
  • La antena que mide la señal FID se coloca en el plano XY; cuando la magnetización transversal, al precesar alrededor del eje Z, se dirige hacia la antena, la señal es positiva, y cuando se coloca de forma opuesta, la señal es negativa. Entre ambas posiciones, la FID disminuye de forma exponencial al tiempo.

Noción de T2*

Si el campo B0 fuera totalmente homogéneo, se observaría una disminución de la señal FID según una exponencial decreciente en T2. Sin embargo, a escala macroscópica el campo B0 es homogéneo, pero a escala microscópica no lo es. La falta de homogeneidad del B0 es constante y producirá un desfase mayor de los protones. Por ello, la señal FID es consecuencia del efecto conjunto de:

  1. Falta de homogeneidad del campo de origen molecular (T2).
  2. Inhomogeneidades del campo magnético externo (B0).

El símbolo T2* se usa para representar la conjunción de estos dos efectos. Por esta razón, la FID disminuye más rápido según una exponencial en T2* y no en T2. El T2* es una constante de atenuación exponencial específica para cada tipo de tejido que indica la rapidez con la que los protones pierden la coherencia de fase.

La señal que recibe la antena se debe a la suma de las inhomogeneidades propias de B0 junto a las de origen molecular (debidas a los protones del tejido del paciente). La FID corresponde a la medida del descenso de la magnetización transversal, pero no es posible medir directamente el crecimiento de la magnetización longitudinal correspondiente al T1.

El tiempo de relajación T2* está afectado por más causas de asincronismo, mientras que el tiempo de relajación T2 procede estrictamente de la relajación de los tejidos. Si se obvia la influencia de la falta de homogeneidad del campo externo y las variaciones locales del campo, la constante se denomina T2. Para compensar las diferencias de precesión producidas por variaciones del campo, se envían pulsos de 180°.

Clasificación de los Imanes según su Funcionamiento

Imanes Permanentes

Presentan continuamente un campo que no se puede desactivar. Son materiales no ferromagnéticos que no consumen energía eléctrica. Son muy pesados y tienen un campo limitado a un máximo de 0,3T (su naturaleza permanente genera problemas en el transporte). Son homogéneos, de bajo coste y poco mantenimiento, pero sensibles a la temperatura y con baja relación señal-ruido (S/R). Se usan en equipos de brazo o bajo campo.

Electroimanes

El campo se crea mediante la circulación de corriente eléctrica por un conductor. Se coloca material ferromagnético dentro de una bobina, aumentando el campo miles de veces. Se puede activar y desactivar mediante el control de la corriente. Se usan en equipos de medio, alto y muy alto campo.

Según el tipo de conductor:

  • Resistivos: Utilizan conductores como cobre. Consumen mucha potencia eléctrica y son caros de mantener. Deben refrigerarse mediante circuitos de agua para disipar el calor. Son más homogéneos que los permanentes y se usan en estudios neurológicos y musculoesqueléticos, aunque permiten cualquier tipo de estudio.
  • Superconductores: Son los más extendidos y generan campos magnéticos altos y muy altos. Utilizan aleaciones de Niobio-Titanio (NbTi) que a bajas temperaturas no tienen resistencia, permitiendo que la corriente circule sin aporte continuo (se carga con un generador y luego se desconecta). Para mantener las bajas temperaturas se utiliza helio líquido.
  • Híbridos: Combinaciones de imanes permanentes y resistivos que permiten obtener campos muy elevados (más de 10T). En la actualidad, los equipos de resonancia estándar están constituidos por imanes superconductores de 1,5T o 3T.

Sistemas de Radiofrecuencia (RF): Bobinas y Antenas

En la formación de la imagen es necesario un sistema de RF para la emisión y recepción de señales electromagnéticas responsables de la excitación del protón, selección de corte, activación de gradientes y adquisición de señal. Los componentes encargados son las bobinas o antenas.

Durante la emisión del pulso de RF se busca una excitación homogénea de la zona. Durante la recepción se capta la señal débil de los tejidos; por ello, la bobina receptora debe tener la mejor relación Señal/Ruido (S/R) y disponer de un amplificador de señal.

Clasificación por función:

  • Transmisoras: Emiten impulsos de RF para la excitación.
  • Receptoras: Solamente reciben la señal de los tejidos.
  • Transmisoras-Receptoras: Capaces de realizar ambas funciones.

La mayoría de equipos tiene una antena de gran cobertura en el interior del imán llamada antena de cuerpo (body coil), que es emisora-receptora. Su diseño cilíndrico favorece la producción de pulsos de RF uniformes y perpendiculares al campo principal.

Diseño y tipos de antenas externas:

Las antenas externas se colocan directamente sobre el paciente. Tienen menor detección en profundidad pero mejor relación S/R, lo que proporciona mayor resolución. Su uso requiere un procesamiento complejo (convertidores analógico-digitales y espectrómetros). Lo más habitual es que sean solo receptoras por coste económico. El criterio de elección es: «tan pequeña como sea posible y tan grande como sea necesario».

Según su diseño físico:

  • De Volumen: Envuelven al paciente y proporcionan una señal más homogénea.
  • De Superficie: Cubren menor volumen y tienen menor penetración (2/3 de su diámetro). A mayor distancia del tejido, peor señal.

Según la detección de la señal:

  • Lineal: Detectan señal en una sola dirección del plano transversal. Son económicas pero poco eficaces.
  • Cuadratura (Polarización Circular): Detectan señal en dos direcciones ortogonales, mejorando la relación S/R hasta un 40%.
  • Multielemento (Phased Array): Interconectan varias antenas pequeñas para captar la señal de manera simultánea e independiente, ofreciendo una excelente relación S/R.

Características técnicas de las antenas:

  • Relación Señal/Ruido (S/R): Proporción entre la potencia de la señal y el ruido. Determinada por el volumen de estudio, la frecuencia de RM (potencia del campo) y la proximidad de la antena.
  • Sensibilidad.
  • Factor de calidad Q: Capacidad de discriminación entre frecuencias. Cuanto mejor discrimine, mayor será su factor de calidad.