Resonancia magnética nuclear
Resonancia magnética nuclear (RMN), en Resonancia Magnética Inglés Nuclear (RMN), es una técnica de investigación en la materia basándose en la medición de la precesión del espín de los protones u otros núcleos con momento magnético [1] cuando se somete a un campo magnético . Concebido como una técnica de encuesta, que tiene aplicaciones en la medicina , la química , la petrografía y la geofísica aplicada .
historia de la RM
Independientemente descubierto en 1946 por los físicos Felix Bloch y Edward Purcell , para los que recibieron el Premio Nobel de Física en 1952, entre 1950 y 1970 se utiliza principalmente en el análisis de la química molecular y la estructura de los materiales.
En 1949 la compañía americana Varian [2] obtuvo una patente para el uso de RMN para mediciones enel campo magnético de la Tierra .
Brown y Gamsom, de Chevron en 1960 se convirtió en la primera RMN "grabación experimental de registro " en un pozo para la exploración de petróleo y en 1978 la Schlumberger introdujo la primera herramienta estándar de registro de llamada NML (Nuclear Magnetic Logging) [3] .
En 1971 Raymond Vahan Damadian la hipótesis de que los tumores y tejidos sanos proporcionan respuestas diferentes a análisis de MRI [4] . Sugirió que estas diferencias podrían ser utilizados para el cáncer de diagnóstico. Investigaciones posteriores demostraron que estas diferencias, aunque reales, tienen un amplio rango de variabilidad de modo que habría sido difícil utilizarlos con fines de diagnóstico. Los resultados obtenidos por Damadian tenían varios defectos con el fin de ser utilizados en el uso práctico [5] ; estudios llevados a cabo mediante la realización de una resonancia magnética con diferentes tiempos de relajación en todo el cuerpo mostraron que la RM no se podría utilizar para distinguir un tejido tumoral de uno sano [6] .
Sin embargo, en 1974 se registró la primera patente sobre aplicaciones médicas de la resonancia magnética registrar el concepto de resonancia magnética [7] aplicada al diagnóstico de tumores. Según ha informado la Fundación Nacional de Ciencias, "la patente incluye la idea de utilizar la resonancia magnética para analizar todo el cuerpo humano para localizar tejidos cancerosos" [8] . Sin embargo, no había ninguna descripción precisa de cualquier método de llevar a cabo toda la encuesta cuerpo o la obtención de imágenes de este tipo de análisis. [9]
Al resumir la historia de la MRI, Mattson y Simon (1996) acreditado Damadian con la primera descripción de la resonancia de todo el cuerpo humano y el descubrimiento de las diferencias entre los tejidos que lo hicieron posible.
En la década de 1950, Herman Carr reivindica [10] que había obtenido una proyección unidimensional con una técnica de resonancia magnética. Estimulado por el artículo de Damadian en el potencial diagnóstico de la resonancia magnética nuclear, Paul Lauterbur mejoró la técnica de Carr y desarrolló un método para generar las primeras imágenes en 2D y 3D utilizando gradientes. Peter Mansfield de la Universidad de Nottingham más tarde desarrolló un método matemático que permitiría escanear en segundos en lugar de horas y producir mejores imágenes. Mientras Lauterbur y Mansfield aplican a los animales y tejidos humanos, Damadian construyó la primera utilizable máquina de resonancia para todo el cuerpo [5] y produjo la primera cuerpo humano exploración utilizando la técnica de campo centrado (que no es lo que utiliza actualmente).
En 1972, la explotación de los avances matemáticos para la reconstrucción de imágenes, en base a la transformada de Fourier , Lauterbur asocia el estudio de resonancia, que se utiliza hasta ahora en la observación de macromoléculas químicas, con las regiones anatómicas.
En 1988, Numar, una empresa desarrollado para "registros de RMN" hizo el primer instrumento, llamado MRIL (Magnetic Logging Imágenes Resonancia) equipado con imanes permanentes y una antena de RF para enviar una serie de pulsos, permitiendo así la determinación de tiempo. De transversal la relajación .
Fundamentos teóricos
En la descripción de RMN fenómenos el formalismo de la mecánica cuántica se debe utilizar, pero ya que en espín 1/2 sistemas macroscópicos las predicciones del modelo clásico están de acuerdo con los de la teoría cuántica, un tratamiento más simple es posible.
En el modelo clásico, el espín de los núcleos atómicos se describe como un momento magnético , representado por un vector .
Cuando un atómicos interactúa núcleo con un uniforme y constante campo magnético , representados por el vector , tiende a orientarse en la dirección del campo magnético, se vea afectado por una pareja, dada por , Lo que provoca la rotación ( precesión ) de alrededor de la dirección de las líneas de fuerza del campo magnético con una precisión de frecuencia angular , Llamado " frecuencia de Larmor ", que sólo depende del tipo de núcleo y la intensidad del campo magnético ( ).
La técnica de RMN no observa un solo núcleo, sino que estadísticamente mide el efecto de una población de núcleos presente dentro de la muestra de material bajo examen. Una magnetización se define entonces vector como la resultante de la suma vectorial de los momentos magnéticos de los núcleos, cada uno de los cuales puede tener el un componente paralelo , Con el mismo verso de (Alineación paralela), o con la dirección opuesta (antiparalela alineación). Según las leyes de la mecánica cuántica hay un ligero exceso de momentos magnéticos alineados en una dirección con respecto a la otra, y por lo tanto el vector resultante no es nulo y es mensurable.
La población de los núcleos con espín paralelo , Es decir, orientadas según la dirección de , Tiene menor energía potencial y se encuentra en supernumerario en comparación con la población antiparalelo con giro y con mayor energía potencial . La distribución de la población en los dos niveles de energía y está dada por la ley de distribución de Boltzmann : , Dónde está es la constante de Boltzmann , es la temperatura expresada en grados Kelvin y es la diferencia de energía entre los dos niveles.
Por tanto, el vector M, resultante de la acción del campo magnético en los espines nucleares, es proporcional a la del exceso de (N población 1) de giro definido por el modelo cuántico y la orientación igual a la de la aplicada campo externo B 0. En última instancia, es posible obtener a partir de un pequeño volumen de la materia una magnetización vector medible dada por la composición de los vectores (no medibles) mu debido a los espines de los núcleos contenida en la materia.
Para detectar este vector M es necesario perturbar el sistema a partir de su estado de equilibrio, por ejemplo mediante la aplicación de un segundo campo magnético B 1 perpendicular a B 0 y variables en el tiempo. (B 1 puede ser inducida por medio de una señal de frecuencia de radio).
Si B 1 gira alrededor de B 0 con frecuencia igual a nu 0 cambiando el sistema de referencia y la colocación en sí integral con B 1, se observa que las precede vector m alrededor B 1 con frecuencia angular nu 1, variando en este sistema de referencia el su orientación con respecto a la dirección del campo B 0.
Los campos B 0 y B 1 se llaman, respectivamente, la polarización de campo y el campo de excitación . La rotación que los sufre vector M con respecto al campo principal debido al efecto del campo B 1 depende de la energía absorbida por los núcleos y por lo tanto también en la τ "tiempo de aplicación" de B 1 en sí.
El ángulo se denomina ángulo de inclinación . Por medio de valores adecuados del campo aplicado B 1 y del tiempo τ es posible girar el vector M por 90 ° y en este caso hablamos de un pulso de 90 °; También es posible revertir la dirección del vector de M con un 180 ° impulso llama la inversión de impulso o "impulso perezoso". En este caso una parte de los núcleos de la población N 1 ha adquirido tal energía como para hacer que su momentos magnéticos de cambio de dirección μ, tanto es así que la situación ideal debe ser alcanzado en el que el número de núcleos con μ antiparalela es igual al número de núcleos con μ paralelo (N 1 = N 2 sería alcanzado esta situación, según la ley de Boltzmann, sólo cuando la temperatura del sistema de giro es infinita), por lo que el sistema de espines ya no está en equilibrio termodinámico con el medio ambiente (enrejado) es. Por lo tanto, una vez B 1 está apagado, el sistema de espines tendrá para liberar el exceso de energía a la red.
Una vez que la perturbación debida al campo B1 es más, el equilibrio que comienza entre el espín de los átomos de la muestra y el campo B 0 se restablece con ciertas modalidades temporales. La amplitud del vector M no se conserva durante lo que se llama el "proceso de relajación".
Se trata de dos fenómenos: la relajación transversal o cancelación de la transversal xy M componente y la relajación longitudinal o la recuperación del longitudinal magnetización M z. La evolución de los componentes del vector de M (t) se describe en el sistema de referencia giratorio con las ecuaciones de Bloch .
La constante de tiempo T 1 , que regula el retorno al equilibrio de la componente longitudinal del vector M, se define como el tiempo de relajación spin-red, ya que implica la transferencia de energía que se producen entre el sistema de giro y el resto del entorno.
La constante de tiempo T 2 , que regula la cancelación de la componente transversal del vector M, se define como el tiempo de espín-espín relajación, ya que implica las interacciones entre los momentos magnéticos de los núcleos individuales, es decir, que está vinculada a la dinámica temporal que llevar la gira a la coherencia atómica perder y, por tanto, para convertirse en fuera de fase.
En el caso de que el campo B 0 no es perfectamente homogénea localmente debido a la falta de homogeneidad de la aplica campo externo, o debido a las diferencias de punto en la susceptibilidad magnética del sistema, o debido a la aplicación de un campo magnético caracterizado por un preciso gradiente , la frecuencia de precesión de los núcleos también depende de la posición que ocupan con respecto a tales inhomogeneidades locales. Cada paquete giro continuación puede preceder a su propia velocidad en los diferentes puntos de la muestra, efectivamente fuera de fase con respecto a los otros. Por lo tanto, un rápido decaimiento del vector M se observa de lo que cabría esperar de la relajación espín-espín solos debido al orden inferior del sistema. Este fenómeno es considerado en la constante de tiempo T2 *.
El tiempo de relajación T 2 es siempre menor que o igual a T 1.
Las ecuaciones de Bloch son la base para la elección de cada secuencia de excitación y para la posterior adquisición y el procesamiento de la señal.
Una vez que la acción perturbadora del campo B 1 ha terminado, después de un tiempo de aplicación Tp, la tendencia del retorno al equilibrio de la magnetización macroscópica M es seguida, que tiende a realinearse con el campo B 0. La señal producida por la variación en el tiempo del vector M se mide en el laboratorio utilizando una bobina de inducción electromagnética colocada alrededor de la muestra en una dirección ortogonal al campo externo, que se comporta como una antena: las variaciones en el componente transversal de M son encadenado a la bobina, que induce en él una pequeña fuerza electromotriz (medible por un receptor de radiofrecuencia) que oscila a la frecuencia de Larmor.
La señal de RMN, dijo FID (Decadencia de Inducción Libre, decadencia de inducción libre ) es de aproximadamente monocromática y oscila a la frecuencia de Larmor, atenuada de una manera exponencial con el tiempo como una función de la constante de tiempo T 2 *.
Para la formación de imágenes, adecuadamente diseñado de excitación secuencias se utilizan que permiten hacer hincapié en la dependencia de la FID en los tres parámetros: rho densidad de protones, T 1, T 2.
Un parámetro característico de todas las secuencias es el tiempo de repetición T R, es decir, el intervalo de tiempo entre el inicio de una secuencia de excitación y el comienzo de la siguiente. Además, la FID no se mide directamente, sino una señal de "eco", compuesto de 2 FID especulares.
El paso fundamental que permite tener partir de la señal de RMN también una codificación espacial en el volumen de muestra fue la introducción de gradientes de campo magnético: Esto permitió obtener imágenes espaciales de los examinado "muestra". Si, además del campo magnético principal B 0 y la rotación de una B 1, un campo magnético que varía linealmente en el volumen de muestra, pero de mucha intensidad menor que la polarización de uno, se aplica a un área pequeña de la prueba material, el Larmor resonancia de frecuencia en que los cambios de zona como una función de la suma entre el campo principal y el valor en ese punto de la intensidad del campo secundario.
Por tanto, es posible (saber en qué área se aplica el campo secundario) para vincular la señal de retorno a las coordenadas espaciales, y por consiguiente también tienen una medida de la densidad de protones en un punto del material muy preciso, en particular, la señal recogida por el antena será una suma de la oscilación de términos que tienen la forma de una transformada de Fourier de la distribución de la densidad de los protones del volumen adquirido.
Por anti-transformación de la señal S (t) se obtiene la distribución de la densidad de protones rho (r). La parte central de la k-espacio (frecuencias bajas) determina el contraste de la imagen, mientras que las partes exteriores (altas frecuencias) afectan a los detalles de la imagen. Mediante el establecimiento de secuencias particulares de señales de excitación que pesan selectivamente las contribuciones a la señal dada por los diferentes parámetros (T 2, T 2 *, T 1, ρ), es posible obtener información sobre el tipo de tejido bajo examen.
La representación en términos de Fourier de la señal S (t) permite una fácil visualización gráfica de las diversas estrategias que se pueden utilizar para la adquisición de las imágenes. A medida que aumenta el tiempo, la evolución de la señal describe una trayectoria en el espacio k, y en cada uno de sus puntos el valor de la k transformar está dada por el valor de S (t). En principio, cualquier trayectoria en el espacio k puede ser atravesada configurando apropiadamente el curso temporal de los gradientes.
Aplicaciones
El fenómeno de resonancia magnética puede ser inducida en los núcleos atómicos con un número impar de protones y / o neutrones. El núcleo atómico más utilizado en los análisis de MRI es el protón, que constituye el núcleo del átomo de hidrógeno, que, al estar dotado de un giro y carga eléctrica, se comporta como un pequeño dipolo magnético. Las ventajas de usar hidrógeno están dadas por su presencia abundante (en los tejidos que está presente en las moléculas de agua) y por el hecho de que permite tener una buena señal de MRI.
La resonancia magnética nuclear en la medicina
La resonancia magnética en el médico campo se utiliza principalmente para diagnóstico propósitos en la técnica de imagen de resonancia magnética (también llamada tomografía por resonancia magnética).
Investigaciones médicas que explotan MRI dan información diferente en comparación con convencionales radiológicos imágenes: la señal de densidad en MRI está, de hecho, dada por el núcleo atómico de la elemento examinados, mientras que la densidad radiográfica se determina por las características de los orbitales electrónicos de los átomos de afectados por rayos-X. . La información proporcionada por las imágenes de RM es esencialmente de naturaleza diferente a la de otros métodos de imagen. De hecho, sólo los tejidos blandos son normalmente visibles y también es posible discriminar entre tipos de tejidos que pueden no ser apreciados con otras técnicas radiológicas.
Aunque los rayos X no se utilizan para obtener el resultado, esta modalidad se considera normalmente ser parte del campo de la radiología , ya que genera imágenes relacionadas con las estructuras dentro del paciente. En el estado actual de los conocimientos, no hay razones para considerar que un examen de resonancia magnética perjudicial (a excepción de los casos obvios en la que interactúa el campo magnético con implantes metálicos presentes en el cuerpo del paciente, tales como los marcapasos , clips vasculares , no dispositivos de salvamento compatible con la resonancia magnética), aunque el principio de justificación debe ser preservado en algunos casos particulares, como por ejemplo las investigaciones a realizar en pacientes embarazadas. En tales casos, el método debe ser considerado potencialmente perjudiciales y sólo proceder a la investigación después de una evaluación cuidadosa del riesgo / beneficio, sobre la base de los cuales la posibilidad de daños debido al método pasa a segundo plano en comparación con el beneficio que se puede obtener a partir de la información obtenida de eso.
A menudo, en el campo médico, se prefiere para escribir "resonancia magnética" (MRI) y no "resonancia magnética nuclear" (MRI) omitiendo la especificación "nuclear", que no es esencial para la definición, para evitar la generación de malos entendidos y falsa alarmas, a menudo asociado con adjetivo nuclear y los riesgos de la radiactividad , los fenómenos con los cuales RMN no tiene nada en común. [11]
La resonancia magnética se realiza por la técnica de salud de Radiología Médica (TSRM) e informó por el radiólogo. [12]
La resonancia magnética nuclear en la química
MRI también se utiliza en la química. En términos generales, cuatro grandes áreas de investigación se pueden distinguir: espectroscopia de correlación, la espectroscopia de alta resolución, MRI espectroscopia de formación de imágenes y, finalmente, la espectroscopia de Rheo-NMR . Correlación y espectroscopia de alta resolución se utilizan principalmente como técnicas para caracterizar la estructura de las moléculas . espectroscopia de correlación incluye desacoplamiento selectivo y experimentos de desacoplamiento y espectroscopias multidimensionales (esencialmente de dos dimensiones).
Espectroscopia en Imágenes y Rheo-NMR se utilizan generalmente para identificar parámetros físico-químicos. La formación de imágenes de RMN técnica puede mostrar, una imagen específica en, el perfil de velocidades de flujo y la densidad molecular dentro de una célula reológico. El método no es invasivo y proporciona información sobre la naturaleza exacta de la corriente de tensión. De hecho, es posible insertar un rotor dentro de la sonda de formación de imágenes de RMN y determinar el flujo de las imágenes de velocidad generados por el cizallamiento dentro de la couette que crea flujos estacionarias en el interior del sistema. El uso simultáneo de las dos técnicas de reología y de resonancia magnética hace que sea posible llevar a cabo mediciones usando sólo pequeñas cantidades de muestra y por otra parte, gracias al pequeño tamaño de la célula, es posible alcanzar velocidades de flujo altas.
espectroscopia unidimensional en la física-química se utiliza generalmente para el cálculo del coeficiente de autodifusión. La técnica pulsada Gradient (acrónimo: PG-NMR) proporciona un método conveniente y no invasiva para medir el movimiento de traslación molecular correlacionado con el coeficiente de autodifusión técnica D. El PG-RMN permite seguir los cambios cuadrático medio entre 100 Å y 100 m, es decir, en la gama en relación con el tamaño de las moléculas organizadas en sistemas supramoleculares, tales como fases de líquido-cristalina. La secuencia utilizada para esta técnica fue propuesto por Stejskal y Tanner.
La resonancia magnética nuclear en petrofísica
La resonancia magnética también se utiliza en petrofísica , principalmente para cuantificar la porosidad de las rocas del yacimiento , su saturación en agua (llegando a la distinción entre los fluidos móviles y no móviles) y su permeabilidad . Usos más avanzados están dadas por el uso de grabaciones de MRI, llevadas a cabo con métodos particulares para obtener estimaciones cuantitativas de la in situ viscosidad de hidrocarburos , evaluaciones volumétricas cuantitativos en presencia de tres fases de fluido ( agua + gas + aceite ) en yacimientos de petróleo y de la invasión d alrededor del pozo agujero.
Grabaciones y análisis de MRI se hacen ya sea con registro de técnicas, con sondas de MRI específicos descendidos en el pozo, o por medio de equipos de laboratorio en roca muestras generalmente procedentes de núcleos recuperados en los pocillos.
En todos los casos se utiliza el hecho de que los fluidos (agua e hidrocarburos) contenidos de forma natural en la porosidad de la roca contienen átomos de hidrógeno.
La resonancia magnética nuclear en geofísica aplicada
Esta entrada o sección de geología no menciona las fuentes necesarias o las presentes son insuficientes . |
Sabiendo que las rocas no contienen hidrógeno libremente orientable, vice-versa contenida en el agua y los hidrocarburos, también se utilizaron los principios anteriores para llevar a cabo estudios geofísicos en el sitio. Mediante la colocación de una antena en forma de espiral en el suelo y pasar una corriente adecuada, los espines de agua están orientadas con un cierto absorción de energía. Cuando quitamos el campo magnético, el regreso de esta energía es registrada por la propia bobina. El hecho de que no es un medio de respuesta que hay agua en el subsuelo (porque el aceite apenas se encontraron en las capas superficiales). Desde el tipo de señal también es posible establecer la cantidad de agua es, si se trata de agua adsorbida y ligado en los agujeros o si es agua libre de moverse en el medio poroso y por lo tanto ser emitida, y a qué profundidad el techo de el acuífero es. MRI se está convirtiendo en los principales medios geofísicos para detectar la presencia de agua, especialmente en las zonas donde no se conoce el acuífero.
La resonancia magnética nuclear aplicada al estudio de la madera
La resonancia magnética nuclear también se utiliza para el estudio in vivo de la madera, ya que no induce ningún daño estructural. Utilizando imágenes de RMN, es posible observar inhomogeneidades estructurales y la distribución de los líquidos presentes en la madera (agua o soluciones que pueden preservar el material). [13]
El contraste de las imágenes está influenciado principalmente por la densidad de los protones y por los tiempos de relajación T 1 y T 2 [14] y por lo tanto por la presencia de libre [15] de agua y con destino contenida en la madera. Esto permite obtener imágenes extremadamente definidos, en los que los detalles estructurales son visibles, tales como: el crecimiento anillos, diferencia entre albura y duramen, rayos parenquimatosas, venas, la textura, el anillo poroso, canales de resina. Todas estas características se pueden utilizar para identificar las especies a las que pertenecen, para hacer dendrocronológicas observaciones [16] o para monitorear la salud de las especies de árboles, como la presencia de ataques de hongos puede ser revelada mediante la técnica de RMN [17] y la presencia de defectos de la madera tales como nudos u otras irregularidades comunes.
Nota
- ^ Resonancia magnética nuclear - núcleos magnéticos , Lista de núcleos activos en RMN
- ^ Formado por una asociación de investigadores lleva el nombre de Russel Varian, uno de los fundadores e inventor del klistrón
- ^ AAVV. Tecnología de imágenes de resonancia magnética nuclear para el siglo 21, Oilfield Review, Otoño 1995
- ^ Damadian, RV "Tumor de detección por resonancia magnética nuclear," Science, 171 (19 de marzo, 1971): 1151-53
- ^ Un b El hombre que no ganó , en el Sydney Morning Herald, 17 de octubre de 2003. Obtenido 4 agosto, 2007.
- ^ Analizar y enviar , Wall Street Journal, 14 de junio de 2002. Obtenido 4 agosto, 2007.
- ^ (ES) US3789832 , Patente de Estados Unidos y la Oficina de Marcas , Estados Unidos de América.
- ^ Historia NSF archivados 3 de enero 2012 a la Internet Archive .
- ^ ¿El doctor Raymond Damadian merecen el Premio Nobel de Medicina? , En el Boletín de Armenia, 8 de noviembre de 2003. Obtenido 5 de agosto de 2007 (Archivado desde el original, el 6 de noviembre de 2012).
- ^ Archivo de copia , en physicstoday.org. Consultado el 5 de julio de 2006 (archivado desde el original el 30 de junio de 2006) .
- ^ Médicos RMN de giro en Times Higher Education, 2006.
- ^ Salut3.com .
- ^ V. Bucur, no destructiva Caracterización e Imagen de madera de 2003, DOI : 10.1007 / 978-3-662-08986-6 .
- ^ U. Müller y R. Bammer, la evaluación de patologías en la madera de construcción utilizando MRI y mapeo MR-parámetro. , En el material de resonancia magnética en la biología y la medicina física (magma), vol. 6, suplemento de 1: 157, 1998.
- ^ Araujo, CD, MacKay, AL y Hailey, JRT, técnicas de resonancia magnética de protones para la caracterización del agua en la madera: aplicación a abeto blanco , en madera Sci.Technol. , vol. 26, n. 101, 1992, DOI : doi: 10.1007 / BF00194466
- ^ DJ Cole-Hamilton, B. Kaye y JA Chudek, G. Hunter, Imágenes Resonancia Magnética Nuclear de madera con marcas de agua, en Estudios en Conservación, Vol. 40, no. 1, 1995, pág. 41-40.
- ^ ER Florance, Imágenes Resonancia Magnética (IRM) del roble árboles infectados con Phytophthora ramorum para determinar las posibles vías de infección en la corteza, en el informe técnico general PSW-GTR-196 de 2005.
Artículos relacionados
Otros proyectos
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enlaces externos
- (ES) de resonancia magnética nuclear , en Encyclopedia Britannica , enciclopedia Britannica, Inc.
- (ES) Los fundamentos de la resonancia magnética (con también algunas nociones de la física MRI)
- (ES) Predicción de los espectros de RMN
- (ES) MRI (con también algunas nociones de la física de RMN, animaciones)
- (IT) La RM en línea ( MRI preparación para los pacientes)
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