radiología en la red: RM: Introducción a conceptos básicos. Definición de spin.

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os traigo esto desde el blog RadiodiagnosticAndo:

Empezamos esta sección en la que intentaremos estudiar algo de Resonancia Magnética, desde las bases del electromagnetismo hasta las secuencias de RM.

Espero que las entradas no se hagan pesadas. Deseo de corazón que resulte útil. Cualquier duda o corrección os ruego me la comuniquéis.

La mayoría de la información está sacada de:

  • MRIquestions.com
  • El canto de los protontes (Libro).
  • Principios Básicos de RM: Lo que todo radiológo debe saber para su práctica clínica diaria. Poster SERAM 2016. Sonia Claret Loaiza, Victor Federico Cáceres Filippon.

Allá vamos.

EL MAGNETISMO.

El magnetismo o energía magnética es un fenómeno físico por el cual los objetos ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales. El magnetismo es una propiedad fundamental de la naturaleza.

Hans Christian Oersted descubrió incidentalemnte la relación entre electricidad y magnetismo en 1819, mientras realizaba unos experimentos con corrientes de electricidad cerca con un compás, el cual se desviaba por los efectos del magnetismo que se producía.  En 1826,  André-Marie Ampère demostró formalmente esta relación.

El momento angular de los núcleos de los elementos les provee de características magnéticas a todos los materiales (veremos más adelante esto que acabo de decir).

Hablaremos de la ley de Faraday-Lenz (click aquí) para enunciar lo siguiente, lo cual además será fundamental para entender y aprender sobre resonancia magnética: “cualquier corriente o carga eléctrica cambiante o en movimiento, produce un campo magnético” y también “cualquier campo magnético cambiante o en movimiento produce una corriente electrica” (ver el enlace)

QUÉ ES UN TESLA.

Nikola Tesla 1856 - 1943

Nikola Tesla 1856 – 1943

Nikola Tesla fue un inventor, ingeniero mecánico, ingeniero electricista y físico de origen serbio. Se le conoce, sobre todo, por sus numerosas invenciones en el campo del electromagnetismo, desarrolladas a finales del siglo XIX y principios del siglo XX.

Tesla trabajó en un amplio rango de campos, incluyendo los rayos x, radio transimisión , armas, diseño de aviones… Un genio que como tantos otros murió en la pobreza y cuyo trabajo no se conoció y se vio recompensado hasta después de su muerte. En 1960, la Conferencia General de Medidas y Pesos le concedió el honor de nombrar como “tesla” a la unidad oficial que mide la fuerza del campo magnético.

“Dejen que el futuro diga la verdad y evalúe a cada uno de acuerdo a sus trabajos y a sus logros. El presente es de ellos, pero el futuro, por el cual trabajé tanto, es mío.” Nikola Tesla (1856-1943).

Un TESLA es los siguiente: B = F/ (i.l)

Sin título

Ok, expliquemos esto

Imaginemos que tomamos una cuerda y la introducimos por el conducto o cilindro de un escáner de RM. Esta RM va a poseer un  campo magnético que denominaremos B.

Si generamos una corriente eléctrica que pasa a lo largo de dicha cuerda, un campo magnético se produce y éste desvía la cuerda hacia arriba con una fuerza (F). Esta fuerza es proporcional a la corriente (i), a la longitud de la cuerda (l) y a la fuerza del campo magnético (B). O lo que es lo mismo: F = B . (i.l)

  • El campo magnético (B) se mide en Newtons.
  • La corriente eléctrica se mide en Amperios.
  • La longitud se mide en Metros.

Por tanto definimos B = F/ (i.l) , es decir, B = Newtons / amperio-metro, y esto es lo que llamamos TESLA (Tesla = Newton/amperio-metro).

Ej: si metes una cuerda en una RM de 3 Teslas con una corriente de 1 amperio, dicha cuerda va a experimentar una fuerza de desviación de 3.0 Newtons a lo largo de cada metro de su longitud.

Tesla nos define la magnitud de un campo magnético en un punto determinado. Si el campo fuese perfecto, B sería la misma en todos los puntos, pero la perfección de los campos magnéticos no existe, por tanto B se tendrá diferentes magnitudes y direcciones en el espacio. Por ello, un campo magnético se define como un conjunto de vectores con magnitud B y direcciones y una resultante.

QUÉ ES UN GRADIENTE.

Cuando hablamos de gradiente, en general, nos referimos a como cambia un campo magnético en el espacio. Hemos dicho que una situación ideal el campo magnético sería el mismo para todos los puntos del espacio, pero tal situación no existe por la imperfección de los propios imanes de la RM (inhomogeneidad). Además, cualquier objeto introducido en un escáner, un ser humano por ejemplo, interactúa y distorsiona también el campo mangético (susceptibilidad).

Sin embargo, también se usa el término gradiente para referirse a los coils, que son cables de electroimanes embebidos en el interior del cuerpo de la resnonacia magnética (abajico del plastiquito blanco). Si hacemos pasar una corriente eléctrica por estos cables, el campo magnético principal de la resonancia se distorsiona focalmente en algunos puntos, creando así gradientes o variaciones entre dos puntos del espacio. Usando esto, yo puedo modificar el campo magnético principal de una RM en los ejes Z, X e Y y codificar la señal de una resonancia para generar secuencias y estudiar áreas determinadas.

El campo magnético Ba está menos concentrado que el Bb

El campo magnético Ba está menos concentrado que el Bb, por tanto ambos son diferentes. Esto puede usarse en RM para el estudio de regiones específicas del cuerpo humano, es lo que provocamos, por ejemplo, cuando ponemos la antena de rodilla para estudiar esta articulación.

SUSCEPTIBLIDAD.

La susceptilidad indica cuán magnetizable es una sustancia. Es decir, indica la capacidad que una sustancia tiene para magnetizarse cuando se ve sometida al campo magnético de una resnonacia. Magnetizar algo quiere decir que esta sustancia pasa a comportarse como un imán, es decir, puede atraer objetos gracias la fuerza magnética.

Cuando un objeto material interactúa con campo magnético externo (como el de una RM), se produce una polarización o magnetización interna de dicho objeto que puede oponerse o sumarse al del campo externo que está actuando.

  • Si la polarización se opone al campo externo aplicado, el campo magnético resultante se ve reducido. Esto se conoce como Diamagnetismo (la mayoría de la matería en la naturaleza es diamagnética).

  • Si la polarización se suma al campo externo aplicado, ocurre lo contrario y se denomina, de menor a mayor capacidad para generar un aumento del campo magnético:
    • Paramagnetismo (hierro, gadolinio, , oxígeno, manganeso, cobre).
    • Superparamagnetismo (hemosiderina, ferritina).
    • Ferromagnetismo (cuerpos extraños, implantes quirúrgicos)
En los materiales Diamantéticos, el campo magnético se dispersa. En los para, super y ferromagnéticos, el campo se concentra.

En los materiales Diamantéticos, el campo magnético se dispersa. En los para, super y ferromagnéticos, el campo se concentra.

La suscetibilidad magnética se mide por la letra chi (χ) y se define por la polarización interna (J) divido entre el campo magnético externo inical (B). Es decir: χ = J/B.

  • Las sustancias diamagnéticas tienen susceptibilidades negativas χ<0 (- 10).
  • El resto poseen susceptibilidades positivas χ>1 (Gadolinio +1, Hemosiderina + 5000, Acero + 10000).

HOMOGENEIDAD

Expresa la uniformidad del campo magnético en el CENTRO de un aparato de RM. Se mide en partes por millon (ppm) sobre un volumen esférico imaginario (DSV = diameter spherical volume).

Imagen2

Ej: Una RM de 3T puede tener una homogenidad de < 1 ppm sobre un DSV o volumen esférico de 40 cm. Esto quiere decir que dos puntos, separados cada uno ± 20 cm del centro de la RM, son atraidos por una fuerza del campo magnético que no difiere entre si más de 1ppm (es decir, la fuerza que atrae esos dos puntos es casi la mismo.

Este parámetro es importante para la calidad del escáner, por eso hay que saber que existe (más aún si se va a comprar uno).

FENÓMENO DE LA RESONANCIA.

DEFINICIÓN DE SPIN.

En física clásica, un obejto rotante que posee una propiedad llamada momento angular. El momento angular es una magnitud física relacionada con la inercia e indica el tamaño, forma, masa y velocidad de rotación de un objeto. Se expresa con un vector (L) a lo largo del eje de rotación.

Imagen1

Los electrones, protones , neutrones y el núcleo atómico poseen una característica denominada spin o momento angular spin. Es una característica de la naturaleza y permite que estas partículas atómicas y subatómicas  interactúen con los campos mangnéticos. La magnitud del spin está cuantizada, es decir, solo puede tomar unos limitados valores discretos (paquetitos de energía).

spin

Spin de un núcleo atómico.

El spin de los electrones, protones y neutrones se expresa por la letra S y vale siempre S = ½. El spin del núcleo se expresa por la letra I y varía entre = 0 e = 8. El átomo de Hidrógeno (H) es el más usado en la resonancia y su valor S e I coinciden (S = I = ½).

Pues quédate con esto:

  • Solo los elementos atómicos cuyos núcleos posean un spin diferente a cero (es decir, I ≠ 0) pueden prestarse al fenómeno de la resonancia cuando sobre ellos actúa un campo magnético externo.
  • Usamos el átomo de H para el fenómeno de la resonancia porque, además de cumplir con el requisito anterior, es el elemento químico más abundante de la naturaleza. En nuestro cuerpo abundan en el agua y la grasa.
  • Tomamos las señales que emiten tras la interacción de estos núcleos con los campos magnéticos y obtenemos las imágenes clínicas con las que trabajamos.
El hidrógeno es el átomo más abunante de nuestro organismo, lo encontramos formando la molécula de agua y unido al C de la grasa.

El Hidrógeno es el átomo más abundante de nuestro organismo, lo encontramos formando la molécula de agua y unido al C de la grasa.

El momento angular del spin es lo que permite que se de el fenómeo de la resonancia, el cual es el resultado de las interacciones de los spin de los núcleos y de los protones con el campo magnético aplicado. El átomo de H solo posee un solo protón en su núcleo (¹H) y no hay nada más, por ello a veces se dice que el fenómeno de la resonancia procede de los protones (ya que en el caso del Hidrogeno núcleo = protón)

La cosa cambia cuando nos vamos a elementos donde el número atómico es mayor y en cuyo núcleo hay protones pero tambien existen neutrones (ej: ³¹P… Nota: se están desarrollando RM basadas en el fósforo), siendo ahora nucleo ≠ protón. Por todo ello es mejor asociar el término spin = núcleo.

En ausencia de campo magnético externo, los spines de los nucleos se van a situar “al azar” y todos con la “misma energía” (luego matizaremos esto). Si los introducimos en el seno de un campo magnético externo estos spines se van a alinear, adoptando dos estados o eigenstates:

  • Unos se alinearán a favor del campo, son los núcleos que llamaremos en paralelo (situación de baja energía).
  • Otros se alinearán en contra del campo, son los núcleos en antiparalelo (situación de alta energía).
Imagen

En la imagen de la izquierda, los spines de los núcleos atómicos estan alineados al azar. En la imagen de la derecha, tras aplicar un campo magnético externo, la mayoría se alinean a favor de dicho campo (verde) y otros en contra (rojo).

En la naturaleza de las partículas subatómicas, es mas fácil alinearse a favor del campo que en contra, por lo que existirá un ligero predominio de los protones en paralelo con respecto a los antiparalelo.

  • Los spines alineados a favor del campo son los de baja energía.
  • Los spines en contra del campo son los de alta energía: hace falta más energía para invertir su dirección.
  • La diferencia de energía entre ambos estados es debida al efecto Zeeman, en honor de Peter Zeeman quién estudio este fenómeno.

Nota: Eigenstate… say what???

En el mundo subatómico, las partículas se pueden comportar como partículas tal cual y también como ondas. Es lo que se conoce como dualidad onda/partícula.

Existe un principio de incertidumbre (Heisenberg Uncertainty Principle), por el cual no podemos describir con exactitud el estado de una partícula.  Solo podemos describir la probablidad de algunas propiedades (en el caso del spin nuclear podemos medir la dirección). Cuando una de estas propiedades (ej: la dirección del spin) puede ser mesurable con cierta probabilidad, la denominamos Eigenstate o estado cuántico, lo cuales solo puede tomar y transmitir discretos valores o “paquetes” de energía. La mecánica cuántica es la ciencia que se dedica a estudiar estos fenómenos y lo hace a través de ecuaciones matemáticas…. de la cuales no tengo ni la más remota idea.

No hay que pensar que los spines o bien están pa’ arriba o pa’ bajo. De hecho, en el mundo subatómico una partícula puede estar en dos estados a la vez. Es algo que para los que no somos físicos, se nos escapa de nuestro entendimiento, pero es que en el mundo subatómico las reglas físicas son otras y una particula cualquiera puede, por ejemplo, estar en dos lugares al mismo tiempo.

Imagen4

Estado basal.

Por tanto, los dibujos en los que se ven “bolitas” con flechas apuntando para arriba o para abajo o alterando, básicamente son esquemas imprecisos o erróneos. Un spin está en una combinación lineal de ambos estados, no cambia bruscamente de un estado a otro, sino que realiza transiciones graduales. Solo cuando los spines son sometidos a un campo magnético externo, es cuando se muestran en un estado más puro orientados hacia arriba algunos y otros hacia abajo. Es como cuando sacas una foto de algo en movimiento, te quedas con una sola toma o imagen.

Enlace curioso: el Gato de Schrödinger

Nota: Momento Magnético.

En ocasiones oirás hablar del término “momento magnético () “. El spin es el momento angular intrínseco de los átomos y partículas subatómicas. Ahora bien, el MM es un vector que se usa para describir la tendencia que tiene un objeto a interactuar con un campo magnético. Las partículas subatómicas también tienen magnetismo intrínsico (producen su propio campo mangético) y se representan normalmente como imanes con polo norte y sur, a esto denomina dipolo magnético.

Imagen6

Dipolo magnético.

Estos dipolos se representan con barritas discontinuas. Cuando las barritas discontinuas de diferentes vectores/dipolos magnéticos interactuan ocurren “cosas”: bienvenido al Fenómeno de la RM = campos magnéticos de los núcleos atómicos del hidrógeno interactuando con el campo magnético de la máquina de resonancia = información que se procesa = imágenes.

¿Cuál es esa tendencia que nos muestra el momento magnético? Pues eso que te estaba contanto de que como se alinean los spines cuando se ven sometidos a un campo externo es en realidad el “momento magnético de los núcleos/protones de Hidrogéno” puesto que nos indicaba como van a alinearse (de forma paralela o antiparalela al campo externo). Cuando se aplica un campo mangético externo  (Bo ) el momento magnético sufre una fuerza de torsión (en inglés torque) (τ) que hará que se alinee a favor o en contra del campo magnético.

Imagen7

Hablamos indistitamente de spin y momento magnético porque normalmente ambos coinciden en la mayoría de elementos atómicos como en el núcleo de Hidrógeno. No es así para el electrón por ejemplo.

Imagen8

Spin, Momento Magnético… me estoy liando:

Para quedarnos con lo mínimo, al menos yo que soy bastante torpe. Repetimos:

Como has visto el spin también se llama momento angular-spin (I o S) y hace referencia a una caractéristica natural e intríniseca de las partículas subatómicas. Es decir, las particula de por sí (por su naturaleza) andan apuntando pa arriba, pa abajo, para los dos lados a la vez o pa’ Cuenca si quieres.

Por otra parte, la definición de momento angular (μ) que aca, indica como interactuan dichas partículas cuando son sometidas a un campo magnético. Es decir, si se ponen en paralelo (a favor) o antiparalelo (en contra) cuando se ven sometidas a dicho campo.

A través de teoremas matemáticos, ambos conceptos se relacionan y son proporcionales a otra constante que se denomina Ratio Giromagnética (γ), que se mide en MHz/tesla.

  • μ = γ I

  • Cuando (γ > 0) el momento magnético y el spin van en la misma direción.
  • Cuando (γ < 0) ambos se oponen.

Imagen8

Imagen2

 ¿¿Para que sirve todo esto?? Por lo pronto para saber la verdad y para hablar con propiedad. Por supuesto también para la comprensión posterior, porque dos partículas con γ’s diferentes, una positiva y otra negativa, “precesan” en diferetes direcciones. La PRECESIÓN es un concepto fundamental del Fenómeno de la Resonancia que veremos en la siguiente entrada.
Hasta pronto.

via RadiodiagnosticAndo http://ift.tt/1UuvKGD

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