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. 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 (Gp:) S (Gp:) N (Gp:) M (Gp:) m (Gp:) m (Gp:) = (Gp:) m (Gp:) B0 (Gp:) =
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 ? = ? . B0 RF Excitación x y M0 (Gp:) z (Gp:) y (Gp:) x (Gp:) a (Gp:) M (Gp:) w
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 8 6 (Gp:) y (Gp:) x
(Gp:) y (Gp:) x
(Gp:) y (Gp:) x
t RF 11 9 8 10 (Gp:) y (Gp:) x
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 (Gp:) z (Gp:) MZ (Gp:) M (Gp:) MXY (Gp:) B0 (Gp:) y (Gp:) x
V t (Gp:) pulso de RF (Gp:) Verctor Mxy
Relajación y contraste En MR el contraste de las imágenes quedan determinado por los parámetros de la secuencia utilizada (dependiente del usuario) y por otros 3 parámetros dependientes del tejido en cuestión, estos son: PD: densidad de protones, en este tipo de imágenes cada pixel representa la cantidad de protones que hay. T1: tiempo de relajación T1, en este tipo de imágenes el tiempo de relajación de la componente longitudinal Tz es el que tiene mayor peso en el valor de cada píxel, es usual llamarlas imágenes T1 weighted. T2: tiempo de relajación T2, ídem que T1 pero tomando en cuenta el tiempo de relajación de la componente transversal Txy. Los tiempos de relajación son únicos para cada tipo de tejido y son quienes juegan un papel fundamental para obtener el contraste de las imágenes.
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 ms 3×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. 240 ms 809 2500 680 63% 100% Materia blanca Materia gris CSF Grasa MZ Valores de T1 para algunos tejidos: (Gp:) Tejido (Gp:) T1 [ms] (Gp:) (a 1.5T) (Gp:) T1 [ms] (Gp:) (a 1T) (Gp:) T1 [ms] (Gp:) (a 0.2T) (Gp:) Grasa (Gp:) 260±70 (Gp:) 250±70 (Gp:) 200±60 (Gp:) Hígado (Gp:) 490±110 (Gp:) 420±92 (Gp:) 228±50 (Gp:) Riñón (Gp:) 650±180 (Gp:) 587±160 (Gp:) 393±110 (Gp:) Vaso (Gp:) 778±150 (Gp:) 680±130 (Gp:) 398±75 (Gp:) Materia blanca (Gp:) 783±130 (Gp:) 680±120 (Gp:) 388±66 (Gp:) Músculo esquelético (Gp:) 863±160 (Gp:) 730±130 (Gp:) 370±66 (Gp:) Músculo cardíaco (Gp:) 862±140 (Gp:) 745±120 (Gp:) 416±66 (Gp:) Materia gris (Gp:) 917±160 (Gp:) 809±140 (Gp:) 492±84 (Gp:) CSF (Gp:) 3000±600 (Gp:) 2500±500 (Gp:) 1500±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. t T2 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: (Gp:) CSF (1400 ms) > (Gp:) 37% (Gp:) 10 (Gp:) 70% (Gp:) 100% (Gp:) 10% (Gp:) 30 (Gp:) 50 (Gp:) 100 (Gp:) 150 (Gp:) 200 (Gp:) 250 (Gp:) 50% (Gp:) 30% (Gp:) ms (Gp:) Materia blanca (Gp:) CSF (Gp:) Grasa (Gp:) Materia gris (Gp:) 90 (Gp:) 80
MXY (Gp:) Tejido (Gp:) T2 [ms] (Gp:) Hígado (Gp:) 43 ±6 (Gp:) Músculo esquelético (Gp:) 47 ±6 (Gp:) Músculo cardíaco (Gp:) 57 ±9 (Gp:) Riñones (Gp:) 58 ±8 (Gp:) Vaso (Gp:) 62 ±17 (Gp:) Grasa (Gp:) 80 ±36 (Gp:) Materia blanca (Gp:) 92 ±20 (Gp:) Materia gris (Gp:) 101 ±13 (Gp:) CSF (Gp:) 1400 ±250
(Gp:) T2 (Gp:) T1 (Gp:) PD
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 producira absorción 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 Codificación en 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 pero no vamos a entrar en detalle. Al recibir la señal de MR, recibimos la suma de todos los protones de todo el slice excitado. Luego utilizando Fourier como sabemos, separamos en componentes de frecuencia y tendremos asi el valor de cada uno de nuestros pixeles. (Gp:) f0 – 2Df (Gp:) f0 – Df (Gp:) f0 (Gp:) f0 + 2Df (Gp:) f0 + Df (Gp:) B0 (Gp:) B (Gp:) f
Gradientes La idea es lograr variaciones en el cambo Bo, en cada una de las direcciones. Para ello hay 3 gradientes, Gx, Gy, Gz. X B0 B0 Gradiente positivo De 5mT/m Z 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 Dependiendo que gradiente utilice para hacer la selección del slice determino la orientación del mismo: SAGITAL CORONAL TRANSVERSAL Gradiente utilizado para seleccionar el slice: Y X 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 2 3 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 PC Sist. 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 Bobinas de 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)? 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
(Gp:) B0
(Gp:) 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 (Gp:) Enfriador (Gp:) liquido (Gp:) Gas (Gp:) Pantalla 80K (Gp:) Pantalla 20K (Gp:) Bobinas (Gp:) Recarga De Helio (Gp:) Tubo de Quench (Gp:) Válvula de Quench (15 psi) (Gp:) Manómetro (Gp:) Válvula de alivio 1/3 psi (Gp:) 0 (Gp:) -0.5 (Gp:) .5 (Gp:) 1 (Gp:) psi (Gp:) A la atmósfera (Gp:) Válvula de despresurización (Gp:) Torreta de Service (Gp:) Cubierta (Gp:) Críostato
Magneto superconductor
Tipos de Magneto (Gp:) Alto (Gp:) Horizontal (z) (Gp:) >1.5 (Gp:) Superconductor (Gp:) Medio (Gp:) Vertical (y) (Gp:) 0.6 (Gp:) Hibrido (Gp:) Medio (Gp:) Vertical (y) (Gp:) 0.3 (Gp:) Permanente (Gp:) Bajo (Gp:) Vertical (y) (Gp:) 0.2 (Gp:) Resistivo (Gp:) Costo (Gp:) Dirección del campo (Gp:) Máximo Campo (T) (Gp:) 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 (Gp:) B0 (Gp:) I (Gp:) B0 (Gp:) I (Gp:) Bobinas X e Y (Gp:) Bobina Z (Gp:) Y (Gp:) 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 (Gp:) LP loop Grande (Gp:) LP loop pequeña (Gp:) LP signal (Gp:) B (Gp:) Bobinas polariz. lineal (LP)
(Gp:) Bobinas volumétricas polariz. Circ. (CP) (Gp:) B1 (Gp:) 90°
(Gp:) Bobinas de superficie (Gp:) 90° (Gp:) LP (Gp:) LP (Gp:) LP (Gp:) CP
Hoja de datos equipo de MR
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