Rezonanta magnetica nucleara
-
Upload
dymona-ioana-marina -
Category
Documents
-
view
833 -
download
4
Transcript of Rezonanta magnetica nucleara
Universitatea de Medicina si Farmacie “Gr. T. Popa”, IasiFacultatea de Bioinginerie MedicalaSpecializare: Balneofiziokinetoterapie si Recuperare
Rezonanţă magnetică nucleară(RMN)
Studentă:Ciumanghel Ioana – Marina
An III, grupa 4
IAŞI-2011-
CuprinsI. Generalităţi
1. Cand a apărut RMN-ul?
2. Cine a inventat RMN-ul?
3. Ce face scanner-ul RMN?
4. Indicaţiile explorării IRM
5. Contraindicaţiile investigaţiei prin rezonanţă magnetică
6. Cât de sigur este RMN-ul?
7. Cum se desfăşoară examinarea?
8. Ce magneţi sunt folosiţi?
9. Dezavantajele RMN-ul
II. Imagistica medicală folosind rezonanţa magnetică nuclear
Principiile generale ale imagisticii medicale
III. Imagistica de rezonanţă magnetică nucleară
1. Principii
2. Spectre de rezonanţă magnetică nucleară
3. Spectroscopia RMN bidimensională
4. Relaxarea spinilor
5. Imagistica de rezonanţă magnetică (IRM)
6. Instalaţia
7. Achiziţia de date şi construirea imaginii
8. Calitatea imaginii
9. Contrastul
10. Rezoluţia
11. Zgomotul
Rezonanţa magnetică nucleară (RMN)
I. Generalităţi
1. Când a apărut RMN-ul?
La data de 3 iulie, în 1977. Atunci s-a efectuat prima scanare de genul
acesta pe o fiinţă umană şi obţinerea unei singure imagini a durat aproape 5
ore, iar după standardele din zilele noastre, imaginea a fost catalogată ca fiind
deplorabilă. Cam prin 1982 existau cam 5-6 astfel de maşinării pe suprafaţa
Statelor Unite. În ziua de azi există mii de astfel de aparate, în toată lumea, şi
tehnologia continuă să evolueze. Am reuşit să obţinem în secunde ce iniţial
obţineam în ore.
2. Cine a inventat RMN-ul?
Un anume fizician Dr. Raymond Damadian, împreună cu doi colegi :
Dr. Larry Minkoff şi Dr. Michael Goldsmith. Deşi prima apariţie a acestei
tehnologii a fost aproape inobservabilă, după 7 ani de muncă şi cercetări
intense, aceşti trei oameni au oferit medicinei un pilon extrem de important.
3. Ce face scanner-ul RMN?
Cu ajutorul unor impulsuri de energie sub formă de unde radio,
scanner-ul vede absolut tot ce se află într-un om, poate determina tipurile de
ţesut din el şi poate detecta orice obiect/formaţiune straină, fie ea cât de mică.
Scanner-ul RMN, scanează corpul uman strat cu strat, punct cu punct, pentru
a crea hărţi 2D sau 3D a ţesuturilor. La urmă pune toate informaţiile la un loc
pentru a crea imagini 2D sau modele 3D, foarte utile la diagnosticare.
Imagistica prin rezonanţă magnetică (IRM) sau Rezonanţa magnetică
nucleară (RMN) reprezintă o investigaţie modernă, foarte performantă,
ce oferă informaţii mai precise decât radiografia, ecografia sau tomografia
computerizată. RMN-ul foloseşte un câmp magnetic şi unde de radiofrecvenţă
pentru a oferi imagini ale diferitelor organe şi ţesuturi ale corpului. În anumite
situaţii, pentru o mai bună vizualizare a organelor, se pot folosi substanţe de
contrast.
Tehnica IRM este o metodă imagistică ce nu foloseşte radiaţia X ci
foloseşte proprietăţile protonilor de hidrogen (H+) din corpul omenesc, care
este format în proporţie de peste 90% din apă. Rezonanţa reprezintă
schimbul de energie între două sisteme ce oscilează cu aceeaşi frecvenţă.
Undele utilizate sunt unde de radiofrecvenţă (RF cu intensitate cuprinsă între
1 si 100MHz).
IRM-ul este folosit pentru diagnosticarea unei mari varietăţi de
afecţiuni. Practic tot corpul poate fi cercetat cu acestă investigaţie, iar
modificările patologice sesizate sunt dintre cele mai mici.
Trebuie subliniat înca de la început faptul că în acest câmp magnetic
nu pot fi introduse metale sau alte dispozitive feromagnetice ce ar putea fi
atrase în interiorul tubului. Este vorba de o tehnică de imagistică secţională
multiplanară care prezintă capacitatea de a achiziţiona imagini 2D în oricare
din cele trei planuri fundamentale (axial, sagital, coronal), oblice sau imagini
tridimensionale 3D, cu un contrast optim intertisular.
IRM este metoda de explorare imagistică prin care se obţin secţiuni
tomografice cu grosimi de 1-30 în oricare plan al spaţiului, prin utilizarea unor
impulsuri de radiofrecvenţă într-un câmp magnetic intens şi omogen. Se
bazează pe comportamentul nucleilor atomilor într-un câmp magnetic intens -
în particular al nucleilor de hidrogen care se găsesc din abundenţă în corpul
uman - şi pe fenomenul de rezonanţă al acestora în câmpul magnetic la
aplicarea unui puls de radiofrecvenţă cu o frecvenţă specifică.
Informaţiile obţinute prin investigaţia imagistică prin rezonanţa
magnetică (IRM) pot fi stocate şi salvate în formă electronică. De asemenea,
în cazul în care situaţia o cere, aceste informaţii pot fi transformate în poze
sau filme.
Magnetul superconductibil, trebuie răcit cu heliu şi este de regulă de
mare intensitate, intensitate care poate varia cel mai frecvent pentru uzul
clinic între 0,5 si 3 tesla. Există şi magneţi destinaţi cercetării în care se pot
introduce animale mici sau mostre de material biologic care pot ajunge până
la intensităţi de 11 - 13 T. Magnetul este întotdeauna activ, "puterea" sa fiind
foarte mare, putând atrage o cheie din fier masiv de 25 cm de la o distanţă
mai mare de 7 m.
Pe masură ce intensitatea magnetului creşte, imaginile devin "mai
bune", crescând rezoluţia spaţială, iar secvenţele devin mai scurte. Există
însă şi dezavantaje, la câmpuri de intensitate mai mare, tehnicile de achiziţie
sunt puternic influenţate de artefacte; cele mai mici anomalii putând să ducă
la compromiterea totală a unei serii achiziţionate.
Echilibrul între avantajele unui câmp "mare" şi dezavantajele acestuia
s-au stabilit la 1,5 T. La această intensitate se pot obţine imagini foarte bune,
cu o rezoluţie spaţială ce poate scădea sub 1mm, fără deteriorarea imaginilor
şi fără artefacte.
Practic, pacientul este introdus într-un câmp magnetic de intensitate
crescută ce aliniază toţi protonii din organism pe aceeaşi direcţie. Alinierea
protonilor în câmp magnetic se face paralel cu câmpul magnetic principal sau
antiparalel cu el. Alinierea paralelă corespunde unui nivel minim energetic, iar
cea antiparalelă unui nivel maxim.
Protonii aliniaţi nu se vor afla însă în repaus, ci într-o mişcare
permanentă de precizie asimilată cu mişcarea titirezului în jurul unui ax
imaginar. Pentru fiecare grup de secvenţe, caracteristicile tisulare ale
diferitelor structuri din organism se vor exprima printr-un semnal mai intens
sau mai puţin intens (mai alb - hipersemnal sau mai negru - hiposemnal).
Există ţesuturi foarte bogate în protoni - H+ (apa) şi ţesuturi foarte sărace în
H+ (corticala osoasă).
4. Indicaţiile explorării IRM cuprind:
• Capul şi gâtul: IRM poate detecta anevrisme, sângerări cerebrale,
leziuni nervoase, accidente vasculare cerebrale, afecţiuni ale ochiului,
urechilor etc;
• Regiunea toracică: poate diagnostica afecţiuni ale cordului,
plămânilor, vaselor de sânge, cancerul de sân, cancerul pulmonar;
• Regiunea abdominală şi pelvisul: poate depista leziuni ale aproape
tuturor organelor abdominale şi pelvine: ficat, pancreas, splină, rinichi, vezică,
uter, ovare, prostată. Este un instrument folositor în diagnosticarea tumorilor
acestor organe, infarctelor, infecţiilor;
• Oasele şi articulaţiile: poate diagnostica tumori osoase, fracturi,
rupturi de tendoane şi ligamente, infecţii ale oaselor;
• Vasele de sânge: există o variantă de rezonanţă magnetică numită
Angio-RMN, specializată pe investigarea vaselor de sânge şi circulaţiei. Este
utilă în depistarea cheagurilor, trombozelor, anevrismelor şi altor afecţiuni
vasculare.
5. Contraindicaţiile investigaţiei prin rezonanţă
magnetică:
Există câteva categorii de persoane care nu pot beneficia de această
investigaţie, pentru care medicul trebuie să găsească metode alternative de
diagnostic:
• Persoanele alergice la substanţa de contrast – acestea sunt pe bază
de iod şi dacă există antecedente de alergie la diferite substanţe ce conţin
iod, investigaţia nu trebuie să aibă loc, deoarece riscurile sunt mai mari decât
beneficiul;
• Pacientele însărcinate;
• Pacienţii care au implanturi metalice: pacemakere, proteze de şold,
tije, valve cardiace metalice, sau orice alt fel de metal fixat pe corp. Orice
obiect metalic introdus în câmpul magnetic al aparatului de rezonanţă
magnetică devine un potenţial pericol;
• Pacientele cu dispozitive intrauterine trebuie să informeze medicul
asupra lor, deoarece unele contraindică investigaţia;
• Pacienţii cu boli renale nu pot primi substanţa de contrast;
• Pacienţii claustrofobi, agitaţi, care fac convulsii.
6. Cât de sigur este RMN-ul?
Scannerele RMN au nişte magneţi extraordinari de puternici.
Intensitatea lor se măsoară în nişte unitaţi numite tesla(1 tesla=10.000
gauss). Scannerele din ziua de azi variază de la 0.5 tesla până la 2 tesla
(5.000 gauss pâna la 20.000 gauss). În medicină nu exista magneţi mai
puternici de 2 tesla, deşi în cercetări se folosesc magneţi de până la 60 tesla.
Ca să înţelegeţi mai bine cât de puternici sunt aceşti magneţi, gândiţi-vă că
Pământul are un câmp magnetic cu o intensitate de aproximativ 0.5 gauss (2
tesla = 20.000 gauss).
Toţi pacienţii, înainte de a intra în camera scannerului, sunt rugati sa
indeparteze orice formă de metal, iar dacă au metale în ei nu se efectueaza
astfel de scanări (obiectele metalice din ei, depinzând de formă, mărime şi
densitate ar fi efectiv smulse din ei, sau ar vibra în ei cauzând multe traume).
Totuşi sunt câteva excepţii permise, cum ar fi majoritatea implanturilor
ortopedice, care deşi sunt feromagnetice, sunt foarte bine prinse de om. Tot o
excepţie constituie şi unele copci metalice, care după aproximativ 6
săptamani pot fi ţinute cu uşurinţă, de ţesutul uman, la locul lor.
7. Cum se desfăşoară examinarea?
Pacientul intră în camera de dezbrăcare, se dezbracă de hainele
purtate şi îmbracă un halat de unică folosinţă.
Înainte de a fi introdus în aparatul de rezonanţă magnetică pacientul
trebuie să înlăture orice obiect metalic pe care îl are asupra sa: ceas,
monede, agrafe de păr, bijuterii, plăci dentare, dispozitive de auz, carduri.
Este introdus în camera unde există magnetul şi este aşezat pe masa de
examinare de către personalul medical. În anumite situaţii, pe corpul
pacientului se aşează bobinele emiţătoare şi receptoare de unde de
radiofrecvenţă.
În timpul testului pacientul trebuie să stea întins pe o masă, nemişcat,
şi să efectueze comenzile pe care medicul i le cere. Testul durează de regulă
între 30 şi 60 de minute însă se poate prelungi în funcţie de ceea ce se
investighează.
Pacienţii care se simt incomfortabil in interiorul magnetului trebuie
sedaţi pentru a se relaxa, sau pot fi investigaţi în aparate care au magnetul
deschis (nu înconjoară în totalitate corpul).
Investigaţia nu produce durere, însă uneori poate apărea o senzaţie de
răceală sau căldură, furnicături, dificultăţi de respiraţie, greaţă, ameţeală.
Dacă este necesar, se va injecta substanţa de contrast paramagnetică.
Aceste substanţe sunt sigure, iar efectele adverse apar extrem de rar. Pentru
această explorare cu contrast este necesară analiza sanguină a ureei şi
creatininei, realizată cu 24-48 de ore înaintea examinării.
Există mai multe tipuri de IRM, specializate pe diferite segmente: IRM
de difuzie, Angio- RMN, IRM funcţional, fiecare dintre acestea având o
aplicabilitate restrânsă.
Se face:
RMN FETAL. Când există suspiciuni de malformaţii sau când ecografia
nu oferă suficiente informaţii, medicii pot da un diagnostic folosindu-se de
RMN. El vizualizează malformaţii craniene, printre care ventriculomegalia
asimetrică, agenezia de corp calos, malformaţiile fosei posterioare, tumori.
RMN fetal poate vedea, de asemenea, herniile diafragmatice, malformaţiile
scheletice sau malformaţiile renale şi vezicale
RMN DESCHIS. Unele tipuri de RMN, numite RMN deschise, sunt
construite în forma literei C, aşa încăt magnetul să nu înconjoare corpul
pacientului în întregime. Aparatele deschise au avantajul că pot fi folosite
pentru pacienţii claustrofobi, pentru obezi sau pentru copii, care nu vor mai
intra astfel în panică în interiorul magnetului. Din păcate, acest tip de RMN nu
se întălneşte prea des.
Deşi este o metodă diagnostică extrem de utilă şi cu foarte multe
indicaţii, investigaţia prin rezonanţa magnetică rămâne totuşi un examen
destul de scump şi disponibil doar în marile centre medicale.
Din punct de vedere biologic nu s-a descoperit încă nici un pericol.
Totuşi se evită scanarea femeilor însărcinate. Încă nu se ştie cum ar putea
afecta un câmp magnetic atât de puternic un fetus în plină dezvoltare. Primul
trimestru al sarcinii e critic deoarece e perioada în care fetusul se dezvoltă cel
mai mult. Orice scanare după această perioadă se face după îndelungi
consultări cu un radiolog şi un obstetrician, pentru a determina dacă e în
siguranţă efectuarea unei scanări. Dacă o doamnă doctor e însarcinată, şi are
treabă cu scannerul, ea nu are voie să intre în camera cu aparatul în sine.
Poate totuşi supraveghea procesul din anexa de comandă.
8. Ce magneţi sunt folosiţi?
La scannerele astea se folosesc 3 tipuri de magneţi:
magneţi rezistivi,
magneţi permanenţi
magneţi supraconductori.
Magneţii supraconductivi sunt similiari magneţilor rezistivi, numai că
firele bobinei se află într-o baie de heliu lichid, care are o temperatură de 452
de grade sub 0. Greu de imaginat că intri într-un aparat, şi eşti înconjurat de
un lichid atât de rece, dar totuşi adevărat. E foarte bine izolat în schimb,
printr-un sistem de vid. De ce e nevoie de heliu lichid şi temperatură în halul
ăsta de scăzută? Temperatura aduce rezistenţă firelor bobinei la 0, ceea ce
face aceste sisteme extrem de ieftine de operat. Deşi scannerele cu acest tip
de magnet sunt încă foarte scumpe, ele sunt foarte utile, fiind capabile să
genereze intensitatea de 2 tesla, cu care se obţin cele mai detaliate şi mai
clare imagini.
9. Dezavantaje RMN-ul
Oamenii care au aparate numite “Pacemaker” , pot fi puşi în pericol.
Unii oameni sunt prea dolofani ca să poată fi scanaţi.
Efectul claustrofibic pe care îl provoacă spaţiul din interiorul aparatului.
Sunt extrem de zgomotoase scannerele provocând un sunet de
lovitură de ciocan repetat, care poate fi extraordinar de enervant.
Majoritatea pacienţilor poartă dopuri de ureche, căşti şi unora li se
permite să asculte muzică. Cu cât e mai puternică intensitatea
câmpului magnetic, cu atât e mai puternic zgomotul.
Când pacientul este scanat trebuie să stea absolut nemişcat, iar o scanare
poate dura între 30 si 60 de, mulţi adormind în interiorul aparatului. Orice
mişcare va face imaginea să fie neclară, deci trebuie să stai complet
nemişcat. Articole ortopedice (şuruburi, tije, articulaţii artificiale) pot provoca
distorsionări în câmpul magnetic. Pentru o imagine cât mai clară câmpul
trebuie să fie aproape perfect. Scannerele RMN sunt extrem de scumpe, iar
costurile unei scanări sunt, şi ele, extrem de scumpe.
II. Imagistica medicală folosind rezonanţa
magnetică nucleară
Principiile generale ale imagisticii medicale
Sintagma imagistică medicală se referă la obţinerea de informaţii
privind starea fiziologică ori patologică, pe baza interpretării imaginii unei
porţiuni a corpului. Definit în felul acesta termenul este foarte larg deoarece
imaginile ce se pot obţine se bazează pe fenomene diferite, deci poartă
informaţie diferită. Ele au totuşi unele elemente comune:
- reprezintă imagini construite, folosind mijloace tehnice avansate, pe
baza răspunsului organismului la interacţiunea cu factori fizici.
- vectorul fizic poate fi purtat de un factor chimic, de exemplu
radiofarmaceuticele. În acest caz, interacţiunea are loc între structurile
biologice şi factorul chimic, cel fizic fiind însă purtătorul informaţiei.
Interacţiunea cu factorul fizic implică cedarea unei cantităţi de energie
ţesutului. Cu cât energia cedată este mai mare, cu atât investigaţia respectivă
poate avea efecte colaterale mai importante.
Imaginea se construieşte de la gradul diferit în care un parametru al
factorului e modificat prin interacţiunea cu anumite ţesuturi, deci funcţie de
caracteristicile acestora. Valorile parametrului respectiv sunt convertite în
grade de luminozitate (nuanţe de gri sau culori asociate convenţional) a
imaginii. Cu cât diferenţa între caractericticile ţesuturilor, din punct de vedere
al factorului respectiv, va fi mai mare, cu atât va fi mai accentuat contrastul
imaginii. Calitatea imaginii este dată de contrast şi de posibilitatea de a
distinge mai multe detalii, deci de sensibilitate şi de rezoluţie. Calitatea
imaginii este afectată de zgomotul suprapus peste semnalul util şi de
eventuale artefacte. Aceşti parametri depind de răspunsul ţesutului dar şi de
caracteristicile radiaţiei incidente şi de prelucrarea tehnică a răspunsului.
Imaginile obţinute prin diferite tehnici diferă între ele, funcţie de:
factorul fizic şi parametrii acestuia;
mecanismul de interacţiune cu materialul biologic;
mijloace tehnice folosite pentru aplicarea factorului fizic şi înregistrarea
răspunsului;
modul de construire a imaginii, de regulă pe calculator, cel puţin la
tomografie; în felul acesta se poate îmbunătăţi calitatea imaginii.
Principalii factori fizicii utilizaţi astăzi în imagistica medicală sunt:
radiaţiile X (radiologie, tomografie X sau tomodensitometrie),
ultrasunetele (ecografie şi tomografie cu ultrasunete);
radiaţiile ionizante emise de substanţe radioactive, fixate, de regulă, pe
trasori specifici ţesutului investigat (scintigrafie, tomoscintigrafie sau
tomografie de emisie),
campul electromagnetic (tomografie RMN).
III. Imagistica de rezonanţă magnetică
nucleară
1. Principii
O particulă în mişcare de rotaţie e caracterizată de un moment cinetic
(L), vector perpendicular pe planul traiectoriei, dependent de masa şi viteza
particulei şi raza traiectoriei, deci descrie caracteristicile mişcării: L~mvr.
O sarcină electrică în mişcare este influenţată de un câmp magnetic,
deci se comportă ca un mic magnet, caracterizat printr-un moment magnetic.
Momentul magnetic e tot un vector perpendicular pe planul traiectoriei, sensul
depinzând de semnul sarcinii.
Momentul cinetic şi momentul magnetic
a. Momentul cinetic şi momentul cinetic de spin al unui electron;
b. Momentul cinetic de spin şi momentul magnetic de spin al unui electron;
c. Momentul cinetic de spin şi momentul magnetic de spin al unui proton;
L = momentul cinetic orbital al electronului; v = viteza; r = raza orbitei; S =
momentul cinetic de spin; µ = momentul magnetic de spin; e = sarcina
elementară; me, mp = masa electronului, respectiv a protonului.
Electronul are un moment cinetic şi, respectiv, un moment magnetic
orbital, corespunzator rotaţiei în jurul nucleului, dar şi un moment cinetic şi,
respectiv, un moment magnetic de spin. Acestea din urmă ar putea fi
interpretate intuitiv ca fiind corespunzatoare unei mişcări de rotaţie în jurul
propriei axe. În mecanica cuantică, momentul cinetic de spin sau spinul (S) e
cuantificat, depinzând de numărul cuantic de spin (s).
Momentul magnetic se măsoară în joule/tesla (J/T).
Mărimea μB=γh/2π=he/4πme se numeşte magnetonul lui Bohr
(me=masa electronului) se poate considera o cuantă de moment magnetic. În
mod similar protonul are şi el moment magnetic de spin. Se defineşte
magnetonul nuclear, μN=hγN/2π=he/4πmp, în care s-a înlocuit masa
electronului cu a protonului (mp); γN este raportul giromagnetic al protonului.
Magnetonul nuclear e cu trei ordine de mărime mai mic decât
magnetonul lui Bohr deoarece masa protonului este mai mare. Se constată şi
se demonstrează în mecanica cuantică faptul, inexplicabil în cadrul mecanicii
clasice, că neutronul, deşi neutru, are totuşi un moment magnetic de spin,
egal cu al protonului. Ca şi în cazul electronului, nucleonii se asociază în
perechi de spin opus (+1/2 si –1/2), astfel încât pentru un număr par, spinul
total e nul.
Pentru un nucleu, cuprinzând un număr Z de protoni şi A-Z neutroni,
momentul magnetic de spin total se obţine prin însumarea momentelor
corespunzătoare protonilor şi, respectiv, neutronilor. Sunt posibile trei cazuri:
atât protonii cât şi neutronii sunt în număr par (A si Z pare); rezultă un spin
nul;
numărul de masă (A) e impar, deci fie protonii, fie neutronii, sunt în număr
impar; rezultă un spin semiîntreg (+1/2 sau –1/2);
A e par şi Z impar, ceea ce înseamnă că atât protonii cât şi neutronii sunt în
număr impar; spinul este întreg (1), deoarece spinul semiîntreg rezultat pentru
fiecare tip de nucleoni în parte se adună, dând 1.
Dacă o particulă, având un moment magnetic nenul, e plasată în câmp
magnetic (B), asupra ei se exercită un cuplu de forţe, ceea ce imprimă o
mişcare de precesie, precesia Larmour, având ca ax direcţia câmpului
magnetic, în urma careia se va orienta pe direcţia lui B. E o mişcare similară
cu a unui titirez. Viteza unghiulară (ωL) şi, respectiv, frecvenţa (νL) mişcarii de
precesie sunt date de relaţiile:
ωL=gγB; νL=ωL/2π=g(γ/2π)B.
Înmulţind frecvenţa cu constanta lui Plank, se regăseşte expresia
magnetonului. Deci:
hνL=g(γh/2π)B=gμBB → pentru electron
hνL=gN(γNh/2π)B=gNμNB → pentru un proton.
Mişcarea de precesie a protonului în câmp magnetic
B = inducţia câmpului magnetic; µ = momentul magnetic; ωL = viteza
unghiulară a precesiei Larmour; θ = unghiul format de momentul magnetic şi
inducţia câmpului magnetic
Deci νL, frecvenţa Larmoure a protonului, e proporţională cu inducţia
câmpului magnetic şi cu magnetonul nuclear. Ea este de ordinul MHz, aşadar
în domeniul de radiofrecvenţă.
Dacă o particulă având un moment magnetic se plasează într-un câmp
magnetic uniform de inducţie B, ea va avea o energie potenţial:
ε=-μB=-gNμNBs.
Comparând această relaţie cu expresia frecvenţei Larmoure, rezultă că
la o variaţie a numărului cuantic de spin cu 1 unitate (între –1/2 si +1/2),
energia variază cu Δε=hνL.
Deci într-un câmp magnetic, protonul se poate afla în două stări
energetice, cea mai joasă corespunzând spinului +1/2. Cele două stări
reprezintă o orientare paralela (p), respectiv, antiparalela (a), cu direcţia
câmpului. La echilibru, într-o populaţie de protoni, repartiţia pe cele două
nivele este dată de relaţia lui Boltzmann:
în care: Np si Na reprezintă numărul de protoni aflaţi pe cele două nivele
(paralel, respectiv antiparalel).
B=inducţia câmpului magnetic;
k=constanta lui Boltzmann;
h=constanta lui Plank;
T=temperatura absolută.
Raportul are o valoare puţin mai mare decât 1, deci pe nivelul
fundamental se află mai puţini protoni. În consecinţă, la echilibru, μN rezultant
e paralel cu inducţia câmpului magnetic (B).
Nivelele energetice ale protonului
B = inducţia câmpului magnetic ; Np,Na = nr de protoni cu orientare paralelă şi,
respectiv , antiparalelă; Δε = diferenţa dintre nivelele energetice.
Pentru ca un proton să treacă de pe nivelul fundamental pe nivelul
excitat, trebuie să i se furnizeze o energie egală cu Δε. Deci el poate absorbi
o radiaţie electromagnetică de frecvenţă egală cu frecvenţa Larmoure; este
frecvenţa de rezonanţă. După cum reiese din relaţiile de mai sus, această
frecvenţă e proporţională cu inducţia câmpului magnetic B.
2. Spectre de rezonanţă magnetică nucleară
O populaţie de nuclee cu spin nenul, plasată într-un câmp magnetic
uniform şi constant se repartizează, aşa cum am văzut între cele două nivele
energetice conform legii lui Boltzman. Dacă peste acest câmp se suprapune
un câmp electromagnetic cu frecvenţa Larmour, spinii absorb energia şi pot
trece rapid pe nivelul energetic superior; ei intră în rezonanţa cu câmpul EM.
Reorientarea spinilor induce o tensiune electromotoare într-o înfăşurare ce
înconjoară proba. Aplicându-se un câmp electromagnetic de frecvenţă
variabilă continuu (în domeniul de radiofrecvenţă), fiecare specie nucleară
cuprinsă în eşantion va intra în rezonanţă la propria frecvenţă Larmour (ν=νL);
s-a realizat astfel un baleiaj de frecvenţă. Înregistrându-se semnalul se obţine
spectrul RMN, A(ν); frecvenţa liniilor spectrale corespunde frecvenţei Larmour
a nucleelor, iar amplitudinea numărului de nuclee care absorb la frecvenţa
respectivă.
Schema de principiu a unei instalaţii de spectrometrie RMN
GRF = generator de radiofrecvenţă (RF); BE = bobină de excitare; BR =
bobină de recepţie; P = proba; RRF = receptor de RF; AF = analiza Fourier (în
cazul excitării cu un impuls scurt de frecvenţă fixă ; v = frecvenţa; A =
amplitudinea semnalului.
Operaţia se poate realiza şi altfel: câmpul EM aplicat are o frecvenţă
constantă, dar peste câmpul B se aplică un al doilea câmp, de intensitate mult
mai mică (ΔB) şi reglabil. Rezonanţa se obţine pentru gNμN(B+ΔB)=hνL. S-a
făcut un baleiaj de câmp.
În prezent, spectrele RMN se obţin prin aplicarea unui semnal de
radiofrecvenţă sub forma unor impulsuri scurte (μs), de frecvenţă fixă.
Acestea induc o perturbare a spinilor. După încetarea impulsului, ei revin în
situaţia de echilibru, printr-o precesie Larmour liberă, corespunzând unui
semnal sinusoidal amortizat, specific pentru fiecare specie nucleară prezentă.
Se înregistrează răspunsul sistemului ca o funcţie de timp f(t). Printr-o
transformare Fourier se obţine spectrul A(ν) al sistemului.
Frecvenţa Larmour, depinzând de inducţia câmpului magnetic în
imediata vecinătate a nucleului, e influenţată de câmpurile magnetice ale altor
nuclee prezente şi de norul electronic ce înconjoara nucleul. Acesta
realizează o ecranare, ce se manifestă prin faptul că nucleul „simte” un câmp
magnetic mai mic decât cel aplicat (B). Consecinţa va fi o deplasare a
frecvenţei de rezonanţă faţă de cea a nucleului izolat. Deplasarea e de ordinul
10-6 din frecvenţa de rezonanţă şi se exprimă în părţi pe milion (ppm=10-6).
Deplasarea poate da indicaţii asupra mediului ambiant. De exemplu,
frecvenţa de rezonanţă a protonilor în grăsimi e deplasată faţă de cea în apă
cu 3,3ppm. La B=1T, frecvenţa Larmour a protonilor fiind 42,6MHz
corespunde unei deplasări de 140Hz. Exprimarea în ppm are avantajul că nu
depinde de intensitatea câmpului.
3. Spectroscopia RMN bidimensională
La excitarea cu un câmp de RF a macromoleculelor, interacţiunile
dintre protoni sunt multiple, deci spectrele ce se obţin sunt extrem de
complexe, multe linii spectrale suprapunându-se, aşa că devine destul de
dificil de extras informaţia. Acest lucru este înlăturat prin spectroscopia
bidimensională. Excitarea se face în secvente. Într-o primă etapă, proba este
iradiată cu un semnal de RF care va excita toate nucleele. Fiecare însă va
avea o precesie cu o frecvenţă ce depinde de câmpul local, deci de
interacţiunile la care ia parte. După un timp t1 variabil în trepte, când spinii vor
fi defazaţi în funcţie de propria frecvenţă Larmour, se aplică un al doilea
semnal de RF, care va avea, evident, efecte diferite asupra fiecărui spin.
După un timp t2, timpul de achiziţie, se înregistrează răspunsul.
Operaţia se repetă pentru diferite valori ale lui t1, aşteptându-se, de fiecare
dată, revenirea în starea de repaus. Prin analiza Fourier a răspunsurilor
înregistrate, s(t1,t2), se obţine spectrul bidimensional, funcţie de două variabile
de frecvenţă, ν1 şi ν2, corespunzătoare timpilor t1 si t2. Spectrul va cuprinde o
serie de vârfuri aflate pe diagonală, reprezentând spectrul unidimensional, dar
şi alte vârfuri, aşezate simetric faţă de dagonală. Acestea indică interacţiunile
dintre protoni: un vârf având coordonatele (νa, νb) şi simetricul lui de
coordonate (νb, νa) indică interacţiunea dintre un nucleu cu frecvenţă de
rezonanţă νa şi unul cu frecvenţa νb. Spectroscopia RMN bidimensională e
foarte utilă pentru determinarea structurii proteinelor şi a altor macromolecule
biologice.
4. Relaxarea spinilor
Dacă peste câmpul magnetic uniform B0, care a orientat spinii pe
direcţia lui se suprapune un al doilea câmp, câmpul de excitare (β), variabil cu
frecvenţa Larmour şi orientat perpendicular pe primul, spinii vor ieşi din starea
de echilibru. Ei se vor orienta pe direcţia câmpului de excitare, deci normal la
direcţia câmpului B0. Magnetizarea pe direcţia lui B0, pe care o vom nota cu λ
va deveni nulă, iar cea pe direcţia câmpului excitator (β), notată μx, va fi
maximă. La întreruperea câmpului β, spinii vor revenii, după un anumit timp,
la starea de echilibru, efectuând o mişcare de precesie cu frecvenţa Larmour.
Variaţia câmpului magnetic rezultată poate fi măsurată prin t.e.m. indusă într-
o bobină. Semnalul înregistrat e un semnal sinusoidal atenuat (după o lege
exponenţială), cu frecvenţa νL. Constanta de timp de atenuare se numeşte
timp de relaxare. Amplitudinea semnalului scade datorită cedării energiei
moleculelor înconjurătoare. Timpul de relaxare înregistrat pe direcţia
longitudinală (z = direcţia câmpului B0) se numeşte timp de relaxare
longitudinală sau timp de relaxare spin-reţea, reţeaua desemnând ansamblul
moleculelor cărora le cedează energie.
Timpul de relaxare înregistrat într-un plan perpendicular pe B0 se
numeşte timp de relaxare transversal sau timp de relaxare spin-spin.
T2 este mai scurt decât T1. Explicaţia este următoarea: în momentul
întreruperii câmpului excitator, toate nucleele au aceeaşi orientare, deci
oscilează în fază (semnalele sunt coerente). Pe măsura relaxării, are loc un
schimb de energie între nuclee (de aici denumirea de timp de relaxare spin-
spin) ceea ce face să se piardă coerenţa, deci rezultanta se va anula înaintea
revenirii pe direcţia lui B0. În tabelul de mai jos sunt daţi timpii de relaxare
pentru unele ţesuturi. T1 s-a indicat prin două valori ale câmpului magnetic,
deoarece depinde de acesta.
Timpii de relaxare ai unor ţesuturi
Ţesutul T2 (ms) T1 (ms) (B=0,5T) T1 (ms) (B=1,5T)
Adipos 80 210 260
Ficat 42 350 500
Muşchi 45 550 870
Materie albă 90 500 780
Materie cenuşie 100 650 920
La pierderea coerenţei contribuie esenţial şi neomogenităţile câmpului
magnetic extern (al magnetului) şi susceptibilitatea magnetică diferită a
ţesuturilor. Deci, de fapt, constanta de timp înregistrată va fi determinată de
aceste neomogenităţi, mascând constanta de timp caracteristică probei. Se
defineşte o constantă de timp T2* dată de neomogenităţile câmpului. Între
aceste constante de timp există relaţia: T2*<<T2<T1.
Aşa cum am văzut, numai nucleele cu spini nenuli sunt sensibile la
aplicarea unor câmpuri magnetice. În plus, momentul magnetic depinde, în
afara inducţiei câmpului magnetic şi magnetonului nuclear, de factorul Landé
(gN), specific fiecărei specii nucleare. Asta înseamna că sensibilitatea
diferiţilor nucleizi e mult diferită. Se defineşte ca sensibilitate relativă raportul
dintre intensitatea semnalului produs de o anumită specie nucleară şi a
semnalului produs de acelaşi număr de nuclee de hidrogen (protoni). Dată
fiind concentraţia mare în care se află în orice ţesut viu, este elementul cel
mai indicat pentru înregistrare RMN în vivo. Uneori se fac şi înregistrări ale
fosforului.
5. Imagistica de rezonanţă magnetică (IRM)
Imagistica RMN (IRM) are ca scop realizarea imaginii bidimensionale
dintr-o anumită secţiune a corpului din care e posibilă obţinerea unei imagini
tridimensionale, pornind de la un număr mare de secţiuni ori chiar a unei
înregistrări tridimensionale, a răspunsului ţesuturilor la un semnal magnetic ce
induce RMN a protonilor, oferind în felul acesta informaţii privind starea
fiziologică sau patologică a tesutului.
Parametrii măsurabili care mijlocesc aceste informaţii sunt densitatea
de protoni şi timpii de relaxare (T1 si T2). Primul parametru (densitatea de
protoni) este, evident, legat de hidratarea ţesuturilor, iar ceilalţi doi depind de
starea apei în ţesuturi (apa liberă, apa legată), deci de interacţiunea ei cu
moleculele biologice. Se observă că, spre deosebire de alte molecule
imagistice în care se înregistrează un singur parametru, radiaţia transmisă,
pentru razele x, radiaţia reflectată, în ecografie, ori gradul de fixare în ţesuturi,
în cazul scintigrafiei, imaginile RMN pot înregistra 3 parametrii, ceea ce
înseamnă o mai mare flexibilitate şi o cantitate mai mare de informaţie, dar şi
o complexitate sporită atât a aparaturii cât şi a protocoalelor de lucru deci
necesită o reglare mai fină a parametrilor funcţie de ceea ce se urmareşte. În
plus, prelucrarea răspunsului pentru obţinerea imaginii e şi ea mai complexă.
Marele avantaj al imagisticii RMN este faptul că nu utilizează radiaţii ionizante
(X sau γ ), deci nocivitatea este incomparabil mai mica.
Imaginea se obţine, ca şi în cazul altor forme de imagistică, prin
diferenţa intensităţii semnalului înregistrat în zone alăturate, corespunzând
unor caracteristici diferite. Deci problema care se pune e convertirea variaţiei
parametrilor înregistraţi în modificări ale intensităţii semnalului. În ceea ce
priveşte concentraţia protonilor, chestiunea e relativ simplă, dat fiind că
amplitudinea semnalului de RF de relaxare creşte monoton cu aceasta.
Pentru timpii de relaxare, intensitatea semnalului depinde de momentul în
care se înregistrează răspunsul şi de frecvenţa stimulilor de excitare. În
funcţie de acestea există mai multe regimuri de funcţionare, dând evident
informaţii diferite. Pentru îmbunătăţirea contrastului se folosesc şi „agenţi de
contrast”. Aceştia sunt, în general, materiale paramagnetice, substanţe cu
electroni nepereche; ele au o susceptibilitate magnetică ridicată, ceea ce
duce la o distorsiune locală a câmpului magnetic şi deci la modificarea
timpilor de relaxare.
6. Instalaţia
Corpul pacientului este introdus în interiorul unui magnet care
generează un câmp magnetic uniform. Se folosesc magneţi permanenţi,
electromagneţi ori magneţi supraconductori. Magneţii permanenţi sunt mai
puţin costisitori în exploatare (nu consumă energie); marele lor dezavantaj e
greutatea, care poate ajunge la 100t. Electromagneţii au un mare consum de
energie şi degajă o cantitate importantă de căldură, datorită disipaţiei pe
rezistenţa înfăşurărilor, ceea ce implică necesitatea unui sistem de răcire. Pot
genera câmpuri magnetice de până la 0,15T. Magneţii supraconductori sunt
electromagneţi răciţi până la -269°C, printr-un dublu circuit cu azot şi heliu
lichid. La această temperatură, rezistenţa înfăşurării devine nulă (fenomenul
de supraconductivitate), deci consumul de energie e foarte mic. Pot genera
câmpuri de până la 2T.
Schema generală a unei instalaţii de imagine RMN
RF = radio frecvenţa ; AF = analiza Fourier
Pentru stabilirea secţiunii şi a elementelor de volum de pe care se face
înregistrarea se aplică, pe anumite direcţii, câmpuri magnetice neuniforme
liniar variabile în spaţiu, suprapuse peste câmpul magnetic principal, asa-
numiţii gradienţi de câmp. Aceştia se obţin cu ajutorul unor înfăşurări cu o
geometrie şi orientare adecvate.
Semnalele de RF excitatoare se aplică prin intermediul unor bobine
prin care circulă un curent alternativ cu frecvenţa de rezonanţă (dependentă
de inducţia câmpului magnetic). Uneori, aceleaşi bobine se folosesc şi pentru
înregistrarea răspunsului.
Prelucrarea semnalelor înregistrate şi construirea imaginii se
realizează pe computer.
Dat fiind că se lucrează în câmp magnetic şi cu semnale
electromagnetice de radiofrecvenţă, pot apare interacţiuni cu mediul
înconjurator, în ambele sensuri. Omogenitatea câmpului magnetic poate fi
alterată de prezenţa unor obiecte feromagnetice, cu deosebire dacă acestea
sunt în mişcare; invers, câmpul magnetic poate perturba funcţionarea unor
aparate electrice cum ar fi: stimulatoare cardiace, monitoare video, suporturi
pentru înregistrare magnetică (discuri, benzi), tuburi de radiaţii X, etc.
Semnalele de RF înregistrate fiind slabe, pot fi perturbate de semnale
captate din exterior. Pentru evitarea acestor interacţiuni se face o ecranare a
încăperii şi se evită introducerea de surse de radiaţii (exemplu: iluminatul
fluorescent).
7. Achiziţia de date şi construirea imaginii
Ca şi în alte forme, imaginea RMN e constituită de o matrice de
puncte de luminozităţi diferite (pixel), corespunzând fiecare unui element de
volum (voxel). Luminozitatea corespunde amplitudinii semnalului RF
recepţionat din voxel-ul aferent.Semnificaţia depinde de regimul de
funcţionare ales şi de modul în care au fost stabiliţi parametrii semnalelor
excitatoare. Acest lucru trebuie să fie, evident, adecvat investigaţiei. Achiziţia
de date şi construirea imaginii în RMN e însa total diferită şi mai mult
complexă decât în alte forme de imagistică. Ea se bazează pe faptul că
frecvenţa de precesie depinde critic atât de caracteristicile ţesutului, cât şi de
inducţia câmpului magnetic. Semnalul de radiofrecvenţă înregistrat trebuie să
poarte informaţii nu numai privind răspunsul ţesutului, ci şi referitor la poziţia
elementului de volum, deci e nevoie de o codificare spaţială a semnalului.
Semnalul de RF înregistrat e un semnal complex, cuprinzând toate
informaţiile necesare pentru construirea imaginii. Decodificarea semnalului se
face pe calculator, prin analiza Fourier bidirecţională (2D). În felul acestă se
separă semnalele de frecvenţe şi, respective, faze diferite şi se înregistrează
amplitudinea lor. Fiecărei frecvenţe îi corespunde o poziţie (adresă) pe o
direcţie spaţială (coloană) şi fiecărei faze o poziţie pe cealaltă direcţie (linie).
Intensitatea luminoasă a elementului de volum va reprezenta amplitudinea
semnalului cu adresa respectivă, deci, implicit, intensitatea semnalului cules
din elementul de volum corespunzător.
8. Calitatea imaginii
Ca şi în alte forme de imagistică, calitatea imaginii e dată de contrastul
dintre zone având caracteristici diferite şi de rezoluţie. Acestea sunt limitate
de nebulozitatea imaginii. De zgomot şi de artefacte. Calitatea poate fi
îmbunătăţită prin alegerea parametrilor de lucru, deci a unui anumit protocol.
Momentan nu există ceva mai bun în întreaga lume, sau cel puţin nu
din câte ştie publicul larg. Nivelul de detalii pe care-l poate obţine un astfel de
scanner a fost catalogat drept “incomparabil”, faţă de celelalte metode de
imagistică folosite în medicină. Scanarea prin RMN este o metodă preferată
pentru diagnosticarea multor tipuri de afecţiuni, datorită capabilităţii de a oferi
un răspuns foarte precis la o întrebare la fel de precisă. Cum se întâmplă
asta? Prin schimbarea parametrilor, într-o scanare RMN se pot evidenţia
diferite tipuri de ţesuturi cu o precizie uimitoare. Asta îl ajută foarte mult pe
radiolog (care interpretează scanările RMN) la diagnosticare, orice anomalie
fiind puternic evidenţiată. De asemenea
un scanner RMN poate oferi o imagine a
fluxului sanguin, oriunde în corp. Asta ne
ajută să studiem sistemul arterial fără
ţesuturile din jurul său. În cele mai multe
cazuri un astfel de scanner poate oferi
imagini ale sistemului arterial fără
probleme. În radiologia vasculară este
nevoie de o injecţie cu un contrastant
pentru a evidenţia sângele în “poze”. Deşi
nu este necesar, unii medici solicită un
astfel de contrastant şi pentru RMN-uri.
9. Contrastul
Contrastul în IRM e dat de diferenţele în ceea ce priveşte concentraţia
de protoni şi timpii de relaxare, dar şi de modul în care aceşti parametri se
reflectă în semnalul înregistrat, ceea ce depinde esenţial de protocolul de
lucru. În funcţie de aceasta, poate predomina unul sau altul dintre parametri
ori se poate obţine o combinaţie a lor, utilizându-se mai multe cicluri, în aşa
fel încât contrastul să fie maxim.
Uneori, pentru mărirea contrastului se folosesc substanţe de contrast
paramagnetice, care micşorează timpii de relaxare a ţesuturilor în care se
fixează.
10. Rezoluţia
Rezoluţia în imagistica de rezonanţă magnetiă e dată în primul rând
de dimensiunea elementului de volum. Acesta depinde, în planul secţiunii, de
raportul dintre suprafaţa de pe care se face înregistrarea (latura de 100 – 500
mm) şi dimensiunea matricei. Dacă această suprafaţă e mai mică decât aria
secţiunii corpului pot apare artefacte. În general suprafaţa înregistrată
depinde de geometria şi mărimea înfăşurărilor de RF folosite. De obicei
dimensiunea cea mai mare a elementului de volum e grosimea secţiunii: 2 -10
mm.
Mişcările corpului determină o nebulozitate datorită faptului că
acelaşi element de volum se află în poziţii diferite de la o înregistrare la alta,
ceea ce duce la imagini neclare.
11. Zgomotul
Semnalul înregistrat în IRM fiind un semnal de RF, orice alt semnal
electric din acest domeniu de frecvenţe, recepţionat de bobinele de
înregistrare, apare ca un semnal de zgomot. Componentele unui circuit
electric generează zgomot de RF datorită agitaţiei termice, aşa numitul
zgomot termic.
Într-o instalaţie IRM, sursele de zgomot termic sunt înfăşurarea
bobinelor, componentele electronice şi, în special, corpul pacientului. Acesta
din urmă e cu atât mai important cu cât volumul cuprins în zona de captare a
semnalelor de către bobinele de înregistrare e mai mare.
Viitorul RMN-ului…
Imaginaţia umană e singura limită în ceea ce priveşte viitorul RMN-ului.
Peste tot în lume încep să apară scannere de dimensiuni reduse, în care îţi
poţi introduce doar o parte a corpului, specifică (ex: mână, picior, cap). Se fac
cercetări şi în vedera dezvoltării calităţii imaginii. Există şi scannere
“deschise” după cum vedeţi în imaginea de mai jos. Nu există limite. Se poate
spune că RMN-ul este una din bazele medicinii moderne.
Bibliografie:
http://www.sfatulmedicului.ro/dictionar-medical/rezonanta-magnetica-nucleara-rmn_4820
http://medlive.hotnews.ro/aparat-de-rezonanta-magnetica-irm-3tesla-disponibil-
medlife.html
http://www.informatiamedicala.ro/dictionar-medical/r/rezonanta-magnetica-nucleara-
RMN-5478.html
http://www.ziaruldeiasi.ro/ghidul-pentru-sanatate/rezonanta-magnetica-ce-trebuie-sa-stim-
cind-facem-un-rmn~ni4tvq
http://healthy.kudika.ro/articol/healthy~medicina-interna/9296/rezonanta-magnetica-rmn-
diagnostic-de-performanta.html
http://www.jurnalul.ro/viata-sanatoasa/medicul-de-familie/imagistica-medicala-
305812.html
http://iulianmd.wordpress.com/2008/07/06/rmn/
http://www.referatele.com/referate/fizica/online9/Imagistica-medicala-cu-rezonanta-
magnetica-nucleara---Spectroscopia-RMN-bidimensionala-referatele-co.php