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Fundamentos físicos de RM. Dra. M. Angeles Fernández Gil

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El cuerpo humano está compuesto por abundantes átomos. Un átomo es una pequeña partícula que tiene los siguientes componentes:

1. núcleo que contiene protones y neutrones 2. corteza donde se ubican los electrones que se

encuentran orbitando y girando alrededor del núcleo.

Los protones tienen carga positiva. Los neutrones no tienen carga, son neutros y los electrones tienen carga negativa. En la naturaleza hay muchos elementos (los tenemos representados en la tabla periódica de los elementos) pero no todos son activos en Resonancia Magnética (RM). Los realmente activos son el hidrógeno1, el fósforo15 y el fluor9. Todos los elementos tienen un número másico: número de neutrones y protones que tienen en el núcleo (es el peso real del elemento) y un número atómico: número de protones que tiene el elemento en el núcleo y es el número que podemos ver en la esquina superior de cada cuadradito de arriba. Ese número nos indica el número de protones que tiene cada elemento en el núcleo.


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El hidrógeno tiene 1 protón en el núcleo, el Fluor tiene 9 y el fósforo tiene 15. Todos estos compuestos son activos en RM es decir podemos estudiarlos con RM.

EN NUESTRO CUERPO TENEMOS FUNDAMENTALMENTE AGUA Y GRASA. El agua está en nuestros líquidos y fluidos (sangre, LCR, vía biliar, vía urinaria….) y la grasa está en el tejido celular subcutáneo, en el mediastino, en el mesenterio entre los músculos etc…. Nuestro cuerpo tiene una pequeña cantidad de fósforo que no es suficiente para obtener imágenes. Por tanto la RM del cuerpo se va a fundamentar especialmente en estudiar el comportamiento de los protones del hidrógeno (ligados al agua y a la grasa fundamentalmente) Las imágenes por resonancia magnética se basan en la señal emitida por los protones. El protón es el núcleo del átomo de hidrógeno, elemento que abunda en gran cantidad en el cuerpo humano (grasa y agua).


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EL CAMPO MAGNÉTICO PRINCIPAL El campo magnético principal de un sistema de RM se genera por una gran corriente eléctrica que discurre por un cableado dispuesto alrededor del sistema magnético

El campo magnético utilizado es muy potente y muy homogéneo. Se emplean imanes de 0,1 a 7 Tesla ( 1 Tesla es igual a 10.000 Gauss). Como idea comparativa, el campo magnético terrestre se sitúa alrededor de los 0,5 Gauss (lo que varía según factores geográficos y temporales geográficos). Existen tres tipos de imanes en RM:

1. Permanentes 2. No permanentes

a. Resistivos b. Superconductitos

El imán permanente, como su nombre indica, el campo magnético siempre está activo. Se caracterizan por se muy pesados y por generar campos magnéticos bajos (el primero pesaba 100 toneladas). La única ventaja que tienen es que no generan gastos de electricidad ni consumibles. Dentro de los imanes no permanentes tenemos dos: los resistivos y los superconductivos. Los resistivos son electroimanes, es decir, sólo están imantados cuándo pasa la corriente eléctrica


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y su acción se interrumpe cuando se corta la corriente. Los superconductivos o superconductores utilizan la propiedad de algunos materiales de no oponer prácticamente ninguna resistencia al paso de la corriente que circula indefinidamente. Para ello se necesita una temperatura muy baja, mantenida con Helio líquido a 4 grados por encima del cero absoluto. Para fabricar un imán superconductor hacen falta aproximadamente 50 Km de hilo de una aleación de Niobio y Titanio. En estos imanes el campo magnético es permanente. No se apaga nunca. Ese campo magnético se genera por el paso de la corriente eléctrica por los cables y generan altos campos magnéticos (mayores de 1 Tesla)

Una corriente eléctrica (moviendo de cargas eléctricas en un conductor) crea a su alrededor un campo magnético. Para que este campo magnético sea estable el valor y el sentido de la corriente debe mantenerse estable y constante (corriente contínua). El valor del campo magnético creado por una corriente eléctrica contínua que circula por un conductor lineal decrece a medida que nos separemos del hilo conductor. Esto implica una variación del valor del campo en el espacio a su alrededor (campo magnético heterogéneo). Si queremos que el campo magnético sea homogéneo (tenga un valor vectorial constante) sobre un determinado espacio debemos diseñar la forma del conductor. El diseño más utilizado es el de un conductor en forma de helicoide (solenoide) que logra en su interior, alrededor de su punto central medio (isocentro) un campo magnético muy homogéneo.


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La expansión del campo magnético fuera del cilindro de la exploración puede implicar serios problemas en la ubicación de los aparatos de RM. Para minimizar estos efectos fuera de la zona de exploración se suelen utilizar lo apantallamientos magnéticos. Estos pueden ser de dos tipos: apantallamientos activos y pasivos. Los apantallamientos pasivos consisten en una cubierta de material metálico colocado alrededor del cilindro del imán (apantallamiento del imán). Los apantallamientos activos consisten en crear un campo magnético opuesto de menor valor que el principal mediante un segundo bobinado del cilindro del imán recorrido por corriente contínua en sentido contrario. Estos apantallamientos condicionan que exista un cambio muy brusco de valores magnéticos a corta distancia del aparato. Cualquier pieza metálica colocada en el campo magnético puede producir una distorsión de las líneas de campo. Pequeños defectos en el diseño de los bobinados del conductor o de elementos metálicos ene. Interior de la bobina producen una perdida de la homogeneidad que pude corregirse mediante la colocación estratégica de pequeñas piezas metálicas en una maniobra que se realiza una sola vez al instalarse el imán que se conoce con el nombre de shimming pasivo. Las heterogenidades del campo magnético también pueden corregirse mediante la activación de campos magnéticos adicionales compensatorios haciendo pasar corrientes contínuas adecuadas por bobinados que se colocan dentro del imán. Este mecanismo compensatorio para homogeneizar el campo recibe el nombre de shimming activo.


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El fenómeno de la Resonancia Magnética Los núcleos de hidrógeno como sólo tienen un protón adoptan el nombre de PROTÓN. Por lo tanto a los átomos de hidrógeno se les llama PROTONES DE HIDRÓGENO. Estos protones se encuentran en movimiento girando sobre sí mismos. Este movimiento se llama SPIN NUCLEAR o momento magnético angular del spin. Las partículas en movimiento, como los protones cargados positivamente (H+) crean pequeños campos magnéticos. El momento magnético y por tanto el campo magnético posee una dirección (de un polo a otro) y un sentido (de sur a norte). Una magnitud que posee una dirección y un sentido se llama vector y se representa por una letra con una flecha encima “µ”

Todos los protones de nuestro organismo están girando sobre sí mismos. Todos generan un pequeño campo magnético que es un dipolo y que se representa por un vector.

Los vectores tienen dos propiedades fundamentales:

• Magnitud: es la longitud del vector y en RM representa la fuerza del momento magnético

• Dirección: en RM es la dirección del momento magnético


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Todos los protones que tenemos en nuestro organismo están girando de forma aleatoria con direcciones distintas. Estos protones se orientan en cualquier dirección y la magnetización del conjunto es nula. Pero ¿qué ocurre cuando sometemos todos los protones de nuestro organismo a la influencia de un campo magnético? Lo que ocurre es que cada uno de nuestros pequeños campos magnéticos microscópicos será atraído o repelido por la fuerza del campo magnético. Vemos en el esquema de abajo que la mayoría de los campos magnéticos microscópicos apuntan hacia arriba y una minoría apunta hacia abajo. Se alcanza así un equilibrio térmico: hay más que tienen menos energía y menos que tienen más energía (débiles contra fuertes). Los campos magnéticos de la mayoría de los protones se cancelan y anulan pero queda un pequeño sobrante entre los protones que se alinean con el campo magnético produciendo una magnetización neta que se alinea paralelamente al campo magnético principal. Esta magnetización neta es la fuente de nuestra señal en RM y se usa para producir las imágenes de RM


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Veamos qué ocurre cuando los protones de nuestro organismo son sometidos a un campo magnético:

Todos nuestros protones están normalmente dando vueltas (ya lo hemos visto antes). Este movimiento de giro sobre sí mismo se llama PRECESIÓN. La precesión es un movimiento cíclico que por tanto ocurre con una frecuencia. La frecuencia con la que gira el protón se llama frecuencia de precesión o frecuencia de Larmor. Esta frecuencia tiene un valor y es proporcional a la intensidad del campo magnético al que está sometido. Es decir, nuestros protones cuando estamos fuera de la RM giran aleatoriamente en todos los sentidos a una velocidad o frecuencia determinada (que viene influida por el campo magnético de la tierra). Cuando entramos en un tubo de RM ocurren dos cosas:

1. Que los protones giran según la intensidad del campo magnético. 2. Que se alinean según la dirección del campo magnético principal.

Dentro del campo magnético de la RM los protones se alinean en la dirección del campo magnético principal de manera que se alcanza un equilibrio térmico: la mayoría de los protones se colocan en Paralelo al campo magnético, en una situación de baja energía. Otros protones se colocan en posición Antiparalela al campo magnético que es una


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posición de alta energía. Como hay un pequeño exceso de los protones que se alinean en paralelo, la magnetización neta o magnetización resultante es un vector (resultado de la suma del exceso de vectores que se colocan en paralelo) que está orientado en paralelo con respecto al campo magnético principal.

¿cómo generamos la imagen? Para generar la imagen damos un pulso de radiofrecuencia (RF). Este impulso o pulso de RF transfiere energía a los protones y se produce el fenómeno de la EXCITACIÓN por el cual los protones absorben, digamos, esta energía y pasan a una situación de mayor energía (más antiparalelo). Cuanto mayor es la energía del pulso de radiofrecuencia más numerosos son los espines que pasan a un estado de mayor energía y el vector resultante de la suma de los vectores será mayor. Cuando cesa el impulso de RF los protones tienden a volver al estado inicial y liberan energía en este proceso que es recogida por una antena de radiofrecuencia.

El intercambio de energía entre dos sistemas a una frecuencia específica se llama RESONANCIA. La Resonancia Magnética corresponde a la interacción energética entre los espines y la radiofrecuencia electromagnética. Sólo los protones que giran con la misma frecuencia que el pulso de RF responderán a ese pulso. Se produce por tanto una modificación del equilibrio de los espines y la absorción de la energía por parte del núcleo del átomo (que en el caso del hidrógeno es un protón). Este proceso es lo que se llama EXCITACIÓN. Cuando el sistema vuelve desde este estado a una situación de equilibrio se produce la liberación de la energía absorbida. Se produce el fenómeno de la RELAJACIÓN y la energía emitida es recogida por antenas de radiofrecuencia que transforman esta información en imagen.


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En este punto tenemos que decir que el campo magnético no es homogéno sino que existe un gradiente de campo magnético de manera que el valor del campo a los pies del paciente tiene un valor diferente que en la cabeza del mismo. La máquina de RM “sabe” qué campo magnético existe en cada punto y por tanto sabe a qué velocidad determinada giran los protones en cada uno de los puntos del campo magnético.

Existe el campo magnético principal, llamado Bo que tiene una dirección Pies-cabeza del paciente pero nosotros podemos producir otros campos magnéticos adicionales simplemente con pasar la corriente eléctrica por otros cables que están localizados en otros puntos alrededor del paciente. Así es como conseguimos seleccionar el plano y el

lugar de corte para obtener la imagen. Para generar imágenes en el plano transversal (perpendicular al campo magnético principal) tenemos que hacer pasar una corriente eléctrica por unos cables orientados alrededor del paciente. En el esquema de al lado sería el gradiente en el eje Z (pies-cabeza o cabeza-pies). Para obtener imágenes en el plano coronal tendríamos que crear un campo magnético que fuera desde la


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espalda a la parte anterior del paciente (posteroanterior o anteroposterior) y para obtener imágenes en el plano sagital debemos crear un gradiente adicional de derecha-izquierda o izquierda-derecha. El volumen del paciente que queremos estudiar se denomina Campo de Visión o FIELD OF VIEW (FOV). Este volumen se divide en volúmenes elementales o vóxeles. Dentro de cada vóxel tenemos muchos protones y cada vóxel en función de este número de protones, tiene un vector de magnetización neta que es la suma de todos los vectores de los protones que se encuentran en dicho vóxel. Cada vóxel está codificado en un lugar determinado pues está sometido a un campo magnético diferente y por tanto sus protones están precesando a una frecuencia distinta de los protones del vóxel de al lado. Para formar la imagen, las ondas de radiofrecuencia emitidas en cada vóxel son recogidas por antenas (como las de la radio). La señal que llega a las antenas son, por tanto, ondas y mediante una operación matemática “GENIAL” que se llama LA TRANSFORMADA DE FOURIER, se transforman dichas ondas en espectros de amplitudes en función de la frecuencia y esto, por unos procesos muy complicados que no vamos a explicar, genera la imagen de manera que las ondas se transforman señal codificada en gama de grises.


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LAS IMÁGENES DE RM: T1 Y T2

La Relajación T1: El vector de magnetización neta se alinea con la dirección longitudinal del campo magnético principal. Si le damos una onda de Radiofrecuencia los protones absorben energía y cambian sus giros y como consecuencia el vector de magnetización neta ya no es paralelo al campo magnético, sino que se inclina. Nosotros le vamos a dar un pulso de radiofrecuencia de una dimensión característica para que el vector se incline 90º y tendríamos lo siguiente:

Una vez que hemos dado el pulso de radiofrecuencia y hemos inclinado el vector 90º, en ese momento no tengo componente del vector en el eje Z (es decir la magnetización longitudinal el cero) y la

magnetización transversal es máxima. Cuando dejo de dar el pulso de radiofrecuencia los protones tienden a volver a su estado de mínima energía, por tanto el vector vuelve a ponerse vertical (longitudinal) y empieza a perderse el vector transversal. Esto puede

representarse en el siguiente esquema: Vemos cómo se va recuperando el vector longitudinal poco a poco y esa recuperación puede representarse en una curva. Cada tejido responde de forma diferente a la magnetización y suelta la energía, es decir vuelve a su estado de reposo, en tiempos distintos, por tanto el tiempo de relajación de

los protones de los diferentes tejidos es el T1 y es diferente para cada uno de ellos en función de su composición, de la relación de unas moléculas con otras etc….


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Definición de T1: T1 es el tiempo que tarda la magnetización longitudinal en alcanzar el 63% de su valor final. Este valor de tiempo depende de cada tejido. Es el tiempo de relajación. La sustancia blanca tiene un T1 muy corto y se relaja rápidamente El líquido cefalorraquídeo tiene un T1 muy largo y tarda en relajarse, haciéndolo lentamente. La sustancia gris tiene un tiempo de relajación intermedio Si nosotros obtenemos la imagen en un momento determinado (pasado un tiempo después de dar el pulso de radiofrecuencia) algunos protones de algunos tejidos ya habrán recuperado su magnetización paralela al campo pero otros estarán más retrasados.

Así, en un momento determinado, tendremos tres intensidades de señal diferentes según el contenido y material de cada vóxel: de esta manera, la sustancia blanca es más blanca pues a alcanzado su relajación antes, la sustancia gris es intermedia y el LCR es más negro pues todavía está excitado. Hay un punto en el tiempo en que existe una gran diferencia entre las tres sustancias y por tanto ahí tendremos mucho contraste entre las señales de los diferentes tejidos y es ahí cuando debemos recoger la señal del vóxel. Si esperamos, todos los tejidos se habran relajado y todos serán blancos o casi blancos y no habrá contraste entre ellos. La relajación T2 Empezamos esta explicación en el mismo punto en que empezamos la relajación T1: Los protones tienen su vector alineado con el campo magnético principal y damos un pulso de radiofrecuencia que inclina este vector 90º y lo coloca en el plano transverso. Cuando damos el pulso de radiofrecuencia todos los protones cogen esa energía y se ponen a girar a la misma velocidad determinada por la frecuencia que yo les he impuesto con el pulso que les he administrado. Así pues en este punto estarán todos los vectores orientados transversalmente y girando a la misma velocidad (o frecuencia). Cuando dejo de dar el pulso de radiofrecuencia además de intentar volver a su posición de menor energía (vector en vertical) dejar de girar con la misma frecuencia de manera que ya cada uno empieza a girar a una velocidad determinada pero por su cuenta. Cuando los protones giran a la misma velocidad se dice que están “en fase”. Cuando dejan de girar a la misma velocidad se dice que se “desfasan”. Este desfase es lo que


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llamamos relajación T2 y es un parámetro que es característico de cada tejido y nos informa sobre la velocidad del desfase de los protones de un tejido. Además de medir el componente vertical del vector de magnetización como hacíamos en el T1, podemos medir el componente transversal del vector de magnetización y por tanto podemos medir como se va perdiendo el vector transversal a medida que se va recuperando el vertical. Podemos medir la cantidad de magnetización transversal con una antena. Cuando todos los protones giran a la misma velocidad y están en fase, el valor será máximo y tendremos una señal máxima. Cuando los protones empiezan a desfasarse, la magnetización transversal comienza a perderse hasta que alcanza el valor “0”. La definición de T2 es el tiempo que tarda la magnetización transversal en perder el 37% de su valor original. Cada tejido tiene un valor de T2 distinto pues cada uno se desfasa a su tiempo y según sus características. La sustancia blanca tiene un T2 corto y se desfasa rápidamente. El LCR (líquido cefalorraquídeo) tiene un T2 largo y se desfasa lentamente. La sustancia gris tiene un tiempo T2 intermedio y se desfasa con velocidades intermedias. Nosotros podemos aprovechar estas diferencias del tejido y recoger la señal que producen en un momento determinado para formar la imagen y eso es lo que conocemos como contraste potenciado en T2.

El proceso de relajación T1 y T2 ocurren simultáneamente. Después de un pulso de radiofrecuencia para inclinar el vector 90º, tenemos todos los protones con su vector en el plano transversal y girando a la misma velocidad (en fase). Después de dejar de dar el pulso de radiofrecuencia, los protones van dejando de girar a la misma velocidad (se desfasan) a la vez que recuperan su posición de mínima energía (magnetización vertical). Después de un tiempo, la mayoría de la magnetización transversa se ha perdido y la mayoría de la magnetización vertical se ha recuperado.


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El TE es el tiempo de Eco y se define como el tiempo que tarda el tejido en responder cuando yo le doy un pulso de radiofrecuencia. TR es el Tiempo de Repetición que es el tiempo que pasa entre un pulso de radiofrecuencia y el siguiente. Como el T1 y el T2 ocurren simultáneamente, si yo doy un pulso de radiofrecuencia y recojo rápidamente la señal, los protones están todavía girando a la misma velocidad es decir están en fase por lo que no tengo diferencias en la magnetización transversal (no tengo diferencias T2) pero sí que algunos de los protones más rápidos como por ejemplo los de la grasa han recuperado prácticamente su magnetización vertical, es decir, están en posición de mínima energía y ya paralelos al campo magnético. Por tanto en este momento tendré una potenciación T1 que se basa en las diferencias de los tejidos cuando recuperan su magnetización vertical. Si yo doy un pulso de radiofrecuencia y espero mucho para recoger la señal, ya todos los tejidos habrán recuperado su vector vertical por lo que habrá poca diferencia en al señal entre unos tejidos y otros sin embargo, en cuanto a la velocidad a la que giran, unos se habrán desfasado y otros no como, por ejemplo, el agua que tarda mucho mucho en soltar la energia que le hemos dado por tanto las moléculas de agua van a estar mucho tiempo girando a la velocidad que nosotros le hemos puesto (están mucho tiempo en fase y por tanto tardan mucho en desfasarse) con lo que el componente transversal es muy grande y dará mucha señal y en la imagen lo veremos blanco blanco. Eso sería una secuencia potenciada en T2. Después de esto ya podéis poner la mente a enfriar. No os preocupeis que veremos y explicaremos todo esto en los seminarios.

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