Principios Básicos de IRM

Capítulo 1

INTRODUCCION



NMRI or MRI ?

La imagen por resonancia magnética (IRM o en inglés MRI por Magnetic Resonance Imaging) es una técnica de imagenes utilizada principalmente en la práctica médica para producir imágenes de alta calidad del interior del cuerpo humano. La IRM se basa en los principios de resonancia magnética nuclear (RMN), una técnica espectroscópica que se emplean para obtener información química y física (microscópica) sobre las moléculas. La técnica se denominó imagen por resonancia magnética en vez de imagen por resonancia magnética nuclear (IRMN) por las connotaciones negativas asociadas a la palabra nuclear a fines de la década del 70. La IRM comenzó como una técnica tomográfica de imagen; es decir, producía una imagen de una sección delgada del cuerpo humano a partir de la señal de RMN. Ahora, la IRM ha avanzado desde la técnica tomográfica hacia técnicas volumétricas de imagen. Este manual presenta una descripción completa de los principios básicos de la IRM.

Antes de iniciar el estudio de la ciencia de la IRM, sería conveniente repasar la breve historia de la IRM. Felix Bloch y Edward Purcell, quienes reciben el Premio Nobel en 1952, descubren el fenómeno de la resonancia magnética en forma independiente en 1946. Entre 1950 y 1970, la RMN se desarrolla y utiliza para el análisis químico y físico de las moléculas.

En 1971, Raymond Damadian demuestra que los tiempos de relajación magnética nuclear de los tejidos y tumores eran diferentes, motivando así a los científicos a considerar la resonancia magnética para la detección de enfermedades. En 1973, Hounsfield introduce la tomografía computada (CT) empleando rayos-x. Esta fecha es importante en la evolución de la IRM al demostrar que los hospitales estaban dispuestos a gastar grandes sumas de dinero en equipamiento para imagenología médica. Ese mismo año, Paul Lauterbur obtiene las primeras imágenes por resonancia magnética en pequeñas muestras. Utiliza una técnica de retroproyección similar a la aplicada en CT. En 1975, Richard Ernst propone la obtención de imágenes por resonancia magnética usando codificación de fase y frecuencia, y la Transformada de Fourier. Esta técnica es la base de las actuales técnicas de IRM. Unos años más tarde, en 1977, Raymond Damadian demuestra la IRM que denomina resonancia magnética nuclear de campo. Ese mismo año, Peter Mansfield desarrolla la técnica de imagen eco-planar (EPI). Esta técnica se perfeccionaría en años posteriores para producir imágenes a velocidades de video (30 ms / imagen).

En 1980, Edelstein y su equipo obtienen imágenes del cuerpo humano con la técnica de Ernst, tardando aproximadamente 5 minutos para la adquisición de una sola imagen. Para el año 1986, el tiempo de adquisición de una imagen se reduce a casi 5 segundos, sin sacrificar demasiado la calidad de la imagen. Ese mismo año, se desarrolla el microscopio por RNM, el cual permite una resolución de aproximadamente 10 µm en muestras de casi un cm. En 1987, se utiliza la técnica eco-planar para obtener una imagen en tiempo real de un único ciclo cardíaco. Ese mismo año, Charles Dumoulin desarrolla la angiografía por resonancia magnética (ARM), posibilitando la obtención de imágenes del flujo de sangre sin el uso de agentes de contraste.

En 1991, Richard Ernst recibe el Premio Nobel de Química por sus logros en Espectroscopía de alta resolucion de RMN con Transformada de Fourier que fueron luego aplicados a MRI. En 1992, se desarrolla la IRM funcional (IRMf) Esta técnica permite localizar las regiones del cerebro humano que se activan al realizar una tarea particular. Cinco años antes, muchos clínicos pensaban que la principal aplicación de la técnica eco-planar sería la adquisición de imágenes cardíacas a tiempo real. El desarrollo de la IRMf abre una nueva aplicación de la técnica EPI para la localización de aquellas regiones del cerebro, responsables del pensamiento y el control motor. En 1994, los investigadores de la Universidad Estatal de New York, en Stony Brook, y la Universidad Princeton obtienen imágenes con el gas 129 hiperpolarizado para estudios respiratorios.

En 2003, Paul C. Lauterbur de la Universidad de Illinois y Sir Peter Mansfield de la Universidad de Nottingham reciben el Premio Nobel en Medicina por sus descubrimientos relacionados a la obtención de imágenes por resonancia magnética. La IRM es evidentemente una ciencia joven, pero creciente.

Oportunidades en IRM

En 2003, se registraron aproximadamente 10.000 centros de IRM en el mundo, y 75 millones de estudios de IRM por año. Y las oportunidades en IRM crecerán también al ritmo de la IRM.

Seguirá en plena vigencia la necesidad de un radiólogo entrenado en IRM para interpretar las imágenes de resonancia magnética. Un radiólogo es un médico que se ha especializado en radiología. Se estima que dicha necesidad crecerá, aumentando la demanda de Auxiliares y Técnicos de Radiología.

Un técnico de IRM es la persona que opera el equipo de IRM para adquirir las imágenes que el médico prescribe. En base al número actual de equipos de IRM, se estima una demanda de más de 1.000 técnicos de IRM por año. La Sociedad de Técnicos en Resonancia Magnética es una fuente confiable de técnicos en IRM. (SMRT).

Dos nuevas posiciones han surgido recientemente en IRM: el técnico de posprocesamiento y el especialista en seguridad sanitaria. El técnico de posprocesamiento aplica varios algoritmos de posprocesamiento a las imágenes de resonancia magnética para obtener mayor información o permitir una mejor visualización de la información en las imágenes. El especialista en seguridad sanitaria asiste a los hospitales y clínicas en los temas concernientes a las instalaciones y el mantenimiento del equipo de IRM para proporcionar un servicio seguro.

Debido a la complejidad del equipo de IRM, siempre existirá la demanda de profesionales para el servicio técnico del equipo. El servicio técnico es proporcionado por los fabricantes de IRM u otros proveedores para mantener el equipo de IRM operando correctamente. Los profesionales del servicio técnico generalmente tienen formación universitaria en ingeniería electrónica o título equivalente, y un muy buen conocimiento del equipo de IRM.

En cualquier especialidad, existe la necesidad de científicos entrenados en ciencias básicas como química, biología y física para realizar investigación básica y empujar las fronteras de la ciencia. Las necesidades específicas para estos científicos incluyen el desarrollo de agentes de contraste y de imágenes a nivel molecular, y el diseño de secuencias avanzadas para la adquisición de imágenes. Estas personas poseen título universitario avanzado en su especialidad y suficiente entrenamiento en IRM. La Sociedad Internacional de Resonancia Magnética en Medicina es una fuente apropiada de tales científicos. (ISMRM).

Asimismo se requieren ingenieros biomédicos e ingenieros en materiales para el desarrollo de los distintos subsistemas del equipo de IRM. Uno de los subsistemas donde se observa contínua demanda es el desarrollo de bobinas. Un área emergente que también requiere profesionales especializados es el desarrollo de dispositivos compatibles con la IRM como: marcapasos, desfibriladores, ganchos y alfileres quirúrgicos, y catéteres. Muchos de estos dispositivos requieren descubrimientos a nivel molecular, tales como los revestimientos antirreflectantes biocompatibles para los cables del marcapasos y grapas y alfileres sintéticos, no metálicos

También se necesitan especialistas en imágenes para el desarrollo de algoritmos para el posprocesamiento de las imágenes por resonancia magnética, y de un código inteligente para la identificación y diagnóstico de patologías. También se precisan especialistas en computación para diseñar interfaces gráficas eficientes y de fácil manejo para el usuario.

Por último, se necesitan arquitectos para el diseño eficiente y seguro de los centros y clínicas de IRM. Los Principios Básicos de IRM es un buen punto de partida para todas las personas interesadas en iniciar su entrenamiento en pos de una carrera en IRM o especialidad relacionada

Si usted está interesado en una de estas profesiones, debe familiarizarse con la profesión y la IRM. Explore las diferentes opciones para obtener la educación necesaria para esta profesión.

Actualmente, hay seis importantes fabricantes de equipos originales (FEOs) de IRM para uso clínico. Además, hay dos FEOs de IRM para uso experimental. Hay otros fabricantes de subsistemas relacionados al IRM como las bobinas de RF, los agentes de contraste, los dispositivos compatibles, los amplificadores de RF y los magnetos. Los siguientes cuadros contienen los nombres de los principales fabricantes de estos instrumentos. Haga click sobre el nombre para ir a la página del fabricante. Como son enlaces externos a Principios Básicos en IRM, están sujetos a cambios.

Equipos IMR clinicos
Esaote
Fonar
General Electric Healthcare
Hitachi Medical Systems
Millennium Technology
Odin Medical technologies
Philips Healthcare
Siemens Healthcare
Toshiba Medical Systems

Equipos alto campo experimentales
Agilent Technologies
Bruker Biospin MRI

Laboratorios de agentes de contraste para IRM
Bracco Group
Bayer HealthCare Pharmaceuticals
GE Imaging Agents
Lantheus Medical Imaging
Sigma-Aldrich

Accesorios compatibles para IMR
Biophan Technologies
InVivo
Magmedix
Medrad
MR Resources
Schiller
SA Instruments

Fabricantes de magnetos para IRM
Bruker Biospin MRI
Magnex Scientific
Resonance Research / Stern Magnetics

Fabricantes de bobinas de RF
Advanced Imaging Research
Doty Scientific
GE Healthcare
IGC Medical Advances
InVivo
Lammers Medical Technology
Machnet B.V.
MR Instruments
Nova Medical
RAPID Biomedical
Scanmed
XL Resonance

Fabricantes de gradientes
Copley Controls
Tesla Engineering

Fabircantes de amplificadores de gradientes
Communication Power Corporation
Advanced Energy
Herley Medical Products

Imagenes Tomográficas

Con este manual electrónico, usted podrá comprender los principios de la IRM desde la perspectiva microscópica, macroscópica y del sistema generador de imágenes. Comencemos con una introducción ilustrativa de los fundamentos de la IRM. La resonancia magnética se inició como una modalidad tomográfica para producir imágenes por RMN de una sección transversal del cuerpo humano. Cada sección o corte tenía un espesor (Thk). Esta forma de obtención de la imagen es de algún modo equivalente a suprimir la anatomía por encima del corte y por debajo del corte. Se dice que el corte está compuesto de varios elementos de volumen o vóxeles. El volumen de un vóxel es de aproximadamente 2 mm3. La imagen por resonancia magnética está compuesta de varios elementos denominados píxeles. La intensidad de un píxel es proporcional a la intensidad de la señal de RMN del contenido del correspondiente elemento de volumen o vóxel del objeto estudiado

La imagen por resonancia magnética se basa en la absorción y emisión de energía, dentro del rango de la radiofrecuencia en el espectro electromagnético. Resulta claro a partir del espectro de atenuación del cuerpo porque se utilizan rayos-x pero ¿por qué tomo tanto tiempo desarrollar una técnica imagenológica con ondas de radio, considerando los riesgos para la salud asociados a la radiación ionizante como la de los rayos-x? Muchos científicos se formaron con la idea de que no se puede obtener una imagen de un objeto más pequeño que la longitud de onda de la energía utilizada para el estudio. La IRM supera esta limitación al producir imágenes basadas en variaciones espaciales de fase y frecuencia de la energía de radiofrecuencia que absorbe y emite el objeto evaluado.

Propiedades microscopicas responsables de IRM

El cuerpo humano es principalmente grasa y agua. La grasa y el agua tienen muchos átomos de hidrógeno que constituyen aproximadamente el 63% del cuerpo humano. Los núcleos de hidrógeno generan una señal de RMN. Por estas razones, la imagen por resonancia magnética devuelve la imagen de la señal de RMN del núcleo de hidrógeno. Cada vóxel de una imagen del cuerpo humano contiene uno o más tejidos. Por ejemplo, aquí hay un vóxel con un tejido adentro. Un zoom sobre el vóxel revela que hay células. Dentro de cada célula hay moléculas de agua. Aquí hay algunas moléculas de agua. Cada molécula de agua tiene un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno. Si hacemos zoom sobre uno de los hidrógenos, pasando la nube de electrones, vemos un núcleo compuesto por un único protón. El proton posee una propiedad llamada spin la cual:

  1. puede ser considerada como un pequeño campo magnético, y
  2. hace que el núcleo produzca una señal de RMN.

No todos los núcleos poseen esta propiedad denominada espín. Una lista de estos núcleos se incluye en el Capítulo 3 acerca de la física del espín.

Revisión de unidades

Antes de iniciar el estudio de la IRM, usted debe familiarizarse con el lenguaje de IRM. Los científicos y médicos en IRM utilizan un conjunto de unidades para describir temperatura, energía, frecuencia, etc. Por favor, repase estas unidades antes de seguir con los próximos capítulos.

La unidad de tiempo es el segundo (s).

Los ángulos se informan en grados (º) y en radianes (rad). Hay 2 π radianes en 360o.

En IRM, se utiliza la escala de temperatura absoluta en Kelvin (K). La escala de Kelvin es igual a la lectura de la escala de Celsius más 273,15. Una temperatura de 0 K se caracteriza por ausencia de movimiento molecular. La unidad Kelvin no utiliza grados.

El campo magnético (B) se mide en Tesla (T). El campo magnético terrestre, medido en Rochester, New York, es aproximadamente 5x10.-5 T.

La unidad de energía (E) es el Joule (J). En IRM, se suele graficar la energía relativa de una partícula utilizando un diagrama del nivel de energía.

La frecuencia de la radiación electromagnética se puede informar en ciclos por segundo o radianes por segundo. La frecuencia en ciclos por segundo (Hz) tiene unidades de segundo a la inversa (s-1) y se le asigna el símbolo ν ó f. Las frecuencias representadas en radianes por segundo (rad/s) se expresan con el símbolo ω. Los radianes tienden a ser más utilizados para describir los movimientos periódicos circulares La conversion entre Hz y rad/s es facil de recordar. Hay 2π radianes en un ciclo, entonces

2π rad/s = 1 Hz = 1 s-1.

La potencia es la energía consumida por unidad de tiempo y tiene unidades de Watts (W).

Finalmente, es común en ciencia utilizar prefijos antes de las unidades para indicar la potencia de diez. Por ejemplo 0,005 segundos pueden escribirse como 5x10-3 s ó como 5 ms. La m implica 10-3. La ventana de animación contiene un cuadro de prefijos de potencias de diez.

En el próximo capítulo, introduciremos los principios matemáticos necesarios para iniciar el estudio de la RMN.


Problemas

  1. ¿Cuál es la abreviatura para espesor de corte en IRM? 
  2. ¿Cuál es el elemento de información más pequeño de la imagen? 
  3. El plano de la imagen tomográfica contiene muchos pequeños elementos de volumen denominados. 
  4. ¿En qué región del espectro están las dos ventanas de transmisión de la energía electromagnética a través del cuerpo? 
  5. La mayoría de las IRM muestran las señales de RMN provenientes de qué núcleo?  
  6. Quién fue el primero en obtener una IRM utilizando la técnica de retroproyección?  
  7. ¿Quién fue el primero en realizar una IRM utilizando la técnica de Fourier?  
  8. ¿Quién demostró que los tiempos de relajación nuclear de los tejidos sanos difieren de la de los tumores, y más tarde produjo una IRM del cuerpo entero?  
  9. ¿Qué dos tipos de moléculas son responsables de la señal en IRM?  
  10. ¿Qué es una imagen tomográfica?  

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