IRM multinúcleo

Hablaré sobre imágenes de resonancia magnética médica multinúcleo, una de las muchas áreas del desarrollo de IRM. Me referiré a las características del método, las soluciones técnicas necesarias, la aplicación y las perspectivas.

Para comenzar, una pequeña digresión sobre los conceptos básicos de la resonancia magnética.

Fundamentos de resonancia magnética

El proceso de MRI se puede describir en los siguientes pasos:

1. El objeto en estudio se coloca en un campo magnético constante de un gran imán principal superconductor, por regla general. La intensidad de campo de este imán se indica mediante $$$B_0$y el eje a lo largo del cual se dirige se denota por el eje Z. Campo $$$B_0$determina cuántos Tesla tiene este escáner de resonancia magnética. Las clínicas usan tomógrafos con 1.5 T y 3 T. Las tomografías por resonancia magnética con campos ultraaltos - 7 T, 9.4 T, se encuentran solo en institutos de investigación.
2. Los núcleos de algunos elementos químicos tienen su propio momento magnético distinto de cero. La presencia de un momento magnético en el núcleo está determinada por la propiedad cuántica inherente de las partículas: el espín . Bajo la influencia del campo $$$B_0$Los momentos magnéticos de los núcleos están orientados en paralelo (la mayoría) y antiparalelos (más pequeños) a las líneas de fuerza. Juntos, estos núcleos le dan al objeto magnetización macroscópica en la dirección a lo largo del eje Z.
   
   
   
   
   

   Además, los núcleos precess . Hasta ahora, la precesión no afecta la magnetización general, porque Las fases de todos los núcleos se distribuyen aleatoriamente y los componentes de sus momentos magnéticos perpendiculares al eje Z se anulan mutuamente. Frecuencia de precesión: la frecuencia de Larmor depende solo del campo magnético $$$B_0$y las propiedades del núcleo: su relación giromagnética.
   

   $$

   $$\ omega_0 = B_0 \ cdot \ gamma,$$
   donde $$$\ omega_0$- Frecuencia angular de Larmor de la precesión nuclear, [rad / s];
   $$$B_0$- intensidad del campo magnético, [T];
   $$$\ gamma$- relación giromagnética del núcleo, [rad / (T $$$\ cdot$c)].
   La relación giromagnética se define como $$$\ gamma = \ mu / h$donde $$$\ mu$- momento magnético intrínseco del átomo, [A $$$\ cdot$m $$$^ 2$]; $$$h$- constante de Planck, $$$h = 6.626.070.040 (81) \ cdot10 ^ {- 34}$J $$$\ cdot$s
   
   

   Hoy en día, la tomografía médica se basa en el trabajo con átomos de hidrógeno, cuyo núcleo es un protón ordinario. Los núcleos de varios elementos químicos en el mismo campo precesarán con diferentes frecuencias. Para la resonancia magnética de múltiples núcleos, los átomos son interesantes $$$^ {23} Na$, $$$^ {31} P$, $$$^ {13} C$, $$$^ {19} F$, $$$^ {17} O$, $$$^ {129} Xe.$
   

   
   

   Frecuencias de Larmor de algunos átomos, MHz

   Átomo	Gyromagnetic relación, MHz / T	Campo de fuerza $$$B_0$T
   		1,5	3	7 7	9,4
   $$$^ {1} H$	42,58	63,87	127,73	298.04	400,22
   $$$^ {23} Na$	11,26	16,89	33,79	78,83	105,86
   $$$^ {31} P$	17,24	25,85	51,71	120,65	162,01
   $$$^ {13} C$	10,71	16,06	32,13	74,96	100,66
   $$$^ {19} F$	40.05	60,08	120,16	280,36	376,49
   $$$^ {17} O$	-5,77	-8,66	-17,32	-40,40	-54,26

   
   

   A partir de estos datos, uno puede comprender los posibles problemas de la resonancia magnética multinúcleo. Las frecuencias de otros átomos son muy diferentes de la frecuencia del hidrógeno, esto requiere equipar el tomógrafo con un segundo conjunto de componentes electrónicos para trabajar con una señal de RF. Por otro lado, la frecuencia del flúor-19, por el contrario, está cerca de la frecuencia del hidrógeno y, por lo tanto, surgen dificultades con la diferenciación de sus señales. Para resolver esto, puede usar campos ultraaltos en los que el paso de muestreo en frecuencia se vuelve más estrecho. La relación giromagnética también puede ser negativa, como en el oxígeno-17. Sus núcleos en el mismo campo precesarán en la dirección opuesta en comparación con los demás. Esto debe tenerse en cuenta en el siguiente paso: la excitación de los núcleos.

3. La bobina de transmisión de radiofrecuencia (antena) crea un impulso de campo magnético $$$B_1$girando en el plano XOY. Aquí se produce el fenómeno de resonancia , si la frecuencia de rotación del campo coincide con la frecuencia de Larmor, los núcleos rotan al plano XOY y sincronizan las fases de rotación. Si la duración del pulso de RF es tal que los momentos magnéticos de la mayoría de los núcleos se reorientan al plano XOY, entonces el pulso se llama uno de 90 grados . Después de un pulso de 90 grados, la magnetización macroscópica del objeto gira en el plano XOY con una frecuencia igual a la frecuencia de Larmor del núcleo.
   

   
   

   En las bobinas de RF receptoras, esta magnetización giratoria induce un voltaje, una señal (decaimiento) de inducción libre . Recesión, porque ocurre la relajación de este estado, y esta magnetización particular se pierde. La relajación ocurre de dos maneras. Relajación cruzada , con tiempo constante $$$T_2$se asocia con una pérdida de sincronización de las fases de rotación de los átomos. Relajación longitudinal , con tiempo constante. $$$T_1$asociado con el retorno de la orientación de los momentos magnéticos de los núcleos a lo largo del campo $$$B_0$.
   

   
   
   
   
   

   En general, para obtener información sobre el objeto, esto es suficiente. La señal contendrá información integral y promedio sobre estos núcleos de objetos. Por ejemplo, los cambios químicos se pueden ver en el espectro de frecuencia de una señal: cambios en la frecuencia de Larmor debido a la interacción de los átomos en un compuesto químico. Esta es la base de la espectroscopía de RMN, un método utilizado por los químicos para analizar la composición química de un objeto.
   

   
   

   En esta publicación, hablaré un poco más sobre las bobinas de RF y sus características en MRI multinúcleo.
   

Diseños de bobina RF

Las bobinas de RF de transmisión (Tx) tienen la tarea de transmitir eficientemente un pulso de una frecuencia dada y crear un campo magnético uniforme perpendicular al eje Z. Curiosamente, la pérdida de pulso de RF en el sistema es enorme. De varios kilovatios creados por amplificadores de potencia, solo decenas de vatios alcanzan bobinas. Por lo tanto, las bobinas de RF se hacen resonar eléctricamente a una frecuencia dada. El diseño de la bobina RF también impone limitaciones y anatomía. En los estudios de resonancia magnética, a menudo solo se considera parte del cuerpo: la cabeza, el pecho, la rodilla, etc. La bobina de transmisión para el estudio de todo el cuerpo generalmente está integrada en el tomógrafo en sí, y para el estudio de partes individuales del cuerpo está representada por módulos separados.

Bobina de cabezal RF de Siemens

Daré algunos ejemplos de diseños de bobinas.

1. Bobina en forma de solenoide.

   
   
   
   
   

   Una forma sencilla de crear un campo uniforme dentro de los devanados de solenoide. Puede parecer que los campos en dicha bobina no se pueden hacer girar. Pero vale la pena recordar que el vector $$$B_1$cambiar de acuerdo con una ley sinusoidal se puede representar como la suma de dos componentes que giran en direcciones opuestas.
   

   
   

2. Bobina de silla de montar

   
   
   
   
   

3. Carrete jaula

   
   
   
   
   

   A la izquierda está la "jaula de pájaros" del tipo de frecuencias más bajas, a la derecha, las superiores.

   
   

   Opción avanzada Puede estar en forma de bajas frecuencias o altas frecuencias. Gracias a la configuración de los elementos: los valores de capacitancia e inductancia debido a la longitud del tramo (raramente), la corriente de la frecuencia requerida tiene una distribución de ángulo casi sinusoidal y crea un campo uniforme. Si se le aplica una señal de cuadratura, entonces el campo $$$B_1$será puramente giratorio.

   
   

4. Bobinas múltiples

   
   
   
   
   

   Cabeza helicoidal compuesta por antenas dipolo acortadas y bucles rectangulares.

   
   

   Se construyen a partir de varias antenas más simples dispuestas en un círculo. Los elementos pueden ser antenas dipolo, antenas de bucle, antenas de microstrip, etc. Aquí puede ver cómo la anatomía afecta el diseño. Por ejemplo, la longitud de onda de la radiación de la frecuencia de Larmor de un protón a 7 T es de 1 M. Una antena dipolo ordinaria debería ser la mitad de la longitud de onda de la radiación detectada. No es práctico hacer una bobina tan larga para examinar la cabeza, por lo que la antena dipolo se acorta agregando inductores a sus hombros.
   

   
   

La función de recibir bobinas también se puede realizar en bobinas de transmisión, habiendo recibido una bobina de transmisión-recepción (TxRx). Las bobinas de recepción pura (Rx) también deberían ser resonantes, pero los requisitos de diseño son algo diferentes. Se pueden hacer en forma de una red de antenas de bucle plano. Por lo tanto, se encuentran directamente en la superficie del cuerpo, lo que reduce la pérdida de la señal recibida.

Bobina receptora de superficie Siemens

El ajuste fino de la frecuencia de las bobinas se realiza cambiando la capacitancia de los condensadores. También es importante hacer coincidir las impedancias de la bobina y el camino para una transferencia de energía eficiente. La impedancia de la bobina utilizando circuitos de inductores y condensadores que transforman la impedancia conduce a un estándar de 50 ohmios.

Características de las bobinas de RF para resonancia magnética de múltiples núcleos

Entonces, para recibir una señal de los núcleos de hidrógeno y además de algún otro elemento en la resonancia magnética, las bobinas de RF deben tener diferentes propiedades. Cómo implementarlo.

1. La opción más simple. Haga dos bobinas diferentes, una para hidrógeno y otra para otro elemento. Realice un estudio completo con una bobina de protones, retire el objeto y la bobina, coloque otra bobina para devolver el objeto y repita el estudio. Dado que una resonancia magnética consume mucho tiempo y es sensible al movimiento, la opción no es aplicable.
   

2. Hacer bobinas de doble resonancia. El segundo pico de resonancia se puede introducir en la bobina mediante la adición de un circuito LC en serie. La introducción de circuitos LC adicionales le permite sintonizar la bobina a 3 o más frecuencias
   

   
   
   
   
   

3. Use interruptores. Por ejemplo, con la ayuda de diodos PIN es posible evitar condensadores de sintonización adicionales. Entonces, cuando se aplica un voltaje constante, el circuito de sintonización eléctrica cambia y, en consecuencia, la frecuencia resonante de la bobina.
   

   
   
   
   
   

4. Use dos (o más) bobinas al mismo tiempo. Cada uno de ellos está sintonizado a su propia frecuencia. Esto plantea el problema del acoplamiento inductivo mutuo entre las bobinas. A menudo se resuelve utilizando un diseño de bobina especial. La geometría y el tipo de antenas se seleccionan para que los campos creados por ellas sean ortogonales entre sí. Otras opciones: agregue un filtro LC pasivo a cada bobina, eliminando la señal de la otra; Usando diodos PIN, altere la bobina actualmente no utilizada.
   

   
   
   
   
   

5. Carrete de jaula de cuatro anillos. Por un lado y por otro lado, se agrega una "celda" más a la "celda" habitual. El segmento interno funciona de manera similar a una bobina convencional de frecuencia única. Los segmentos externos juntos forman una "jaula de pájaros" sintonizada a una frecuencia diferente. Este diseño permite que las bobinas resuenen independientemente entre sí.
   

   
   
   

   A la izquierda hay una "jaula de pájaros" de 4 anillos con un segmento externo como las frecuencias altas, a la derecha, las más bajas.

   
   

Conclusión

La imagen in vivo y la espectroscopia en los estudios de resonancia magnética es una tarea difícil. La concentración de átomos además del hidrógeno en el cuerpo humano es bastante baja, debido a esto, la relación señal-ruido cuando se trabaja con estos átomos es baja. Para mejorar la SNR, se usa la RM con campos ultraaltos, pero en tales campos surgen dificultades con la uniformidad del campo. Con tal Tesla, la longitud de onda de emisión de protones ya es comparable con el tamaño de las partes del cuerpo.

Pero el uso de otros átomos lleva información valiosa sobre el metabolismo. Átomos $$$^ {23} Na$llevar información sobre el balance de sal en las células. Las células sanas y vivas mantienen constantemente una baja concentración de iones de sodio dentro de sí mismas, mientras que las bombas de sodio-potasio se mantienen altas. Este proceso va con los costos de energía, por lo tanto, los trastornos metabólicos se reflejan en un cambio en la concentración de iones de sodio dentro de las células. Los tumores cerebrales, la isquemia, los accidentes cerebrovasculares, los trastornos bipolares están asociados con un aumento en la concentración de sodio dentro de las células y esto se puede ver con la ayuda de la resonancia magnética de múltiples núcleos.

Otro ejemplo de fósforo en forma de átomo. $$$^ {31} P$. Se incluye en metabolitos importantes: ATP, fosfocreatina, etc. Al realizar una espectroscopía de fósforo en los músculos, se puede evaluar la presencia de estas sustancias y el nivel de metabolismo en los músculos.

Espectroscopia $$$^ {13} C$ya se usa en la espectroscopía de RMN para analizar compuestos químicos orgánicos, pero in vivo su concentración en el cuerpo humano es baja, pero el método aún es aplicable.

Átomo $$$^ {17} O$tiene una baja concentración en su estado natural, pero si satura el aire que respira la persona investigada, puede construir un mapa de su tasa metabólica, que ayuda en el diagnóstico de tumores.

Pero aún así, antes del uso generalizado de la resonancia magnética multinuclear en las clínicas, todavía queda un largo camino por recorrer y tomará 20-30 años.

Fuentes