52601811-curs-rmn

5/10/2018 52601811-Curs-RMN - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/52601811-curs-rmn 1/15

Curs RMN

Vedere de ansamblu asupra procedurii RMN:

Img. 1

1. Pacientul este aşezat în interiorul magnetului

2. O undă electromagnetică este emisă (short burst RF Pulse)3. Unda de emisie este oprită4. Pacientul emite un semnal de răspuns care este captat şi5. Se reconstituie o imagine

Discuţia şi explicaţia acestor paşi:

1. Ce se întâmplă când pacientul este plasat în interiorul tomografului curezonanţă magnetică nucleară ?

Pentru a înţelege acest lucru este necesară cunoasterea unor noţiuni fundamentale de biofizică.

Conform cunoştiinţelor actuale atomii sunt formaţi din nucleu şi un „înveliş exterior”care este format din electroni. În nucleu în afara altor particule există protonii,

particule care au sarcina pozitivă. Aceşti protoni sunt în continuă mişcare în jurul axeilor, această mişcare fiiind denumită spin (termen provenit din limba engleză). Sarcina

pozitivă fiind ataşată de proton este şi aceasta în mişcare iar o sarcină electrică înmişcare este un curent electric. Conform legilor electricităţii un curent electric induceo forţă magnetică sau un câmp magnetic. Acolo unde avem un curent electric avem şiun câmp magnetic. Prin urmare se poate spune că un proton are o sarcină pozitivă iar aceasta fiind în mişcare protonul are un câmp magnetic propriu (fig1).

1



Fig. 1.

Prin extrapolare protonul poate fi privit ca un mic magnet (fig.2.).

] Fig.2.

Axul de rotaţie a protonilor în stare naturală este orientat haotic. Acest ax totuşi se

alinează dacă protonii sunt expuşi unui câmp magnetic puternic extern. Axul protonilor se poate alinia numai în două moduri faţă de liniile de câmp ale câmpuluimagnetic exterior, paralel sau antiparalel. Acest lucru poate fi comparat cu aliniereaacului unei busole în câmpul magnetic terestru. Totuşi există o diferenţă, aculmagnetic se poate orienta doar într-un singur mod, protonii pot lua două orientări. Oorientare este cea clasică N-N , S-S, sau complet opus, N-S, S-N. Aceste orientăridiferă în funcţie de nivelul energetic.

2



Fig. 3.

Orientarea preferată este cea clasică N-N, S-S care necesită mai puţină energie, decimai mulţi protoni sunt pe un nivel energetic mai mic. Oricum diferenţa dintre protonii

orientaţi într-un fel sau celelalt este foarte mică. Dacă avem 10.000.007 protoniorientaţi clasic atunci probabil că avem 10.000.000 orientaţi invers. Această diferenţăde 7 protoni la zece milioane este importantă pentru procesul imagistic.Protonii expuşi câmpului magnetic nu se opresc din rotaţie ci îşi continuă mişcarea,această mişcare de rotaţie fiind denumită precesie. Rotaţia protonului nu este chiar rectilinie în jurul axei ci are un unghi care prin mişcarea de rotaţie crează un con.Pentru a înţelege această mişcare va fi surprins în imaginea următoare un stop cadru aacestei mişcări (fig. 4).

3



Fig. 4.

Este foarte important să cunoaştem viteza de rotaţie a acestui proton. Ca unitate demăsură se foloseşte frecvenţa de precesie care reprezintă numărul de rotaţii pesecundă a protonului. Această frecvenţă de precesie nu este constantă, depinde de

intensitatea câmpului magnetic la care este expus protonul. Cu cât intensitateacâmpului magnetic este mai mare cu atât mai mare este şi frecvenţa de precesie.Intensitatea câmpului magnetic este exprimată în Tesla sau Gauss. Între cele douămărimi există relaţia : 1T = 10000 GaussEste necesar şi posibil să calculăm această frecvenţă de precesie. Calculul seefectuează folosind ecuaţia Larmor:

ω0=γB0

ω0 este frecvenţa de precesie în Hz sau MHz

γ este rata giromagnetică

B0 este intensitatea câmpului magnetic extern în Tesla

Rata giromagnetică este o constantă a materialului, pentru protonii de hidrogen este42,5 MHz/T

Pentru a înţelege mai bine mişcarea de precesie a protonilor este necesar să adoptămun sistem de coordinate (fig. 5.):

4



Fig. .5.

După cum se poate observa axa Z este paralelă cu liniile câmpului magnetic. Pentru oşi mai bună înţelegere putem simplifica imaginea, renunţând la reprezentareacâmpului magnetic exterior.

Fig. 6.

5



În imaginile care urmează protonul va fi reprezentat ca un vector (un vector reprezintăo forţă care actionează într-o anumită direcţie). Forţa pe care o reprezentăm vectorialeste forţa magnetică.

Fig. 7.

Dacă observăm cu atenţie fig. 7.a. se poate vedea că avem 9 protoni (vectori) orientaţiîn sus şi 5 protoni orientaţi în jos. Aceasta este o reprezentare a unui stop cadru pe ofracţiune de timp. La un alt moment situaţia ar fi diferită. După cum am precizatanterior frecvenţa de precesie a unui proton de hidrogen este de 42,5 MHz/T, ceea ceînseamnă că un proton se învârte de 42,5 milioane de ori pe secundă într-un câmpmagnetic cu o intensitate de un Tesla. Datorită conţinutului ridicat de apă, înorganismul uman sunt miliarde de protoni de hidrogen care efectuează mişcarea de

precesie. Este foarte uşor de miaginat că la un moment dat există protoni orientaţi în

ambele direcţii. Conform legilor fizicii două forţe de aceeaşi mărime şi semn contrar se anulează reciproc. Acest fapt se poate observa în Fig. 7 . b. . După ce anulămforţele de semn contrar, rămân doar acei protoni suplimentari, care reprezintă micadiferenţă de număr a protonilor care sunt orientaţi N-N, S-S. Bineânţeles forţelemagnetice se anulează dacă sunt dispuse în sens opus şi pe axele x şi y. În schimb toţivectorii orientaţi în sus pe axa z se însumează (fig. 8. ).

6



Fig. 8.

Prin urmare se poate deduce: prin plasarea unui pacient în câmpul magnetic al unuitomograf cu rezonanţă magnetică nucleară, pacientul în sine devine un magnet, cu uncâmp magnetic propriu. Deoarece liniile de câmp magnetic ale pacientului vor fi

paralele cu liniile de câmp ale câmpului magnetic extern, această magnetizare senumeşte magnetizare longitudinală. Acest fapt se poate observa schematic în figura 9.

Fig. 9.

Din păcate forţa care determină acest vector nu poate fi măsurată deoarece sesuprapune peste direcţia de câmp a câmpului magnetic exterior.

7



Prin urmare avem nevoie de o încă o forţă exterioară pentru a destabiliza câmpulmagnetic al pacientului. Acest lucru se realizează prin emiterea unui impuls scurt deunde electromagnetice în spectrul radio. Acest impuls emis este necesar să schimbeenergie cu protonii pentru a schimba alinierea acestora. Schimbul energetic este

posibil numai atunci când protonii şi pulsul de radiofrecvenţă au aceeaşi frecvenţă.

Frecvenţa necesară este dată de ecuaţia Larmor. Acest fenomen este denumitrezonanţă.Prin fenomenul de rezonanţă se asigură un transfer energetic către protoni prin undade radiofrecvenţă emisă. Protonii care captează această energie trec la un nivelenergetic superior şi îşi schimbă orientarea, ceea ce are un efect asupra câmpuluimagnetic emis de pacient. Să presupunem că avem iniţial 6 protoni orientaţi N-N S-S,apoi după aplicarea impulsului RF doi din aceşti protoni îşi schimbă orientarea. Drepturmare avem 4 protoni orientaţi în sus şi doi protoni orientaţi în jos iar acest faptdetermină anularea forţei magnetice a încă doi protoni orientaţi în sus. Schematicacest fenomen este reprezentat în imaginea 10.

Fig. 10.Prin aplicarea pulsului RF se mai întâmplă un fenomen: protonii se sincronizează pedirecţia undei aplicate rezultând un nou vector lateral pe planul x-y (Fig. 11.). Acestvector se roteşte în jurul axei z. Acest fenomen se mai numeşte şi magnetizaretransversală.

8



Fig. 11.

În funcţia de intensitatea impulsului RF magnetizaţia longitudinală scade sau chiar este anulată. Ca şi concluzie: aplicarea unui puls RF transversal determină scădereamagnetizării longitudinale şi determină apariţia unei magnetizări transversale datorităsincronizării protonilor care vor avea mişcarea de precesie în aceeaşi fază.După cum am explicat mai sus vectorul de magnetizare transversală se roteşte odatăcu protonul. Acest câmp magnetic induce un curent electric într-o antenă receptoare

(fig. 12). Acest semnal este semnalul util în imagistica medicală.

Fig. 12.

9



Deoarece vectorul transversal este în rotaţie, antena recepţionează semnalul înmomentul în care vectorul este îndreptat către ea, deci putem spune că avem unsemnal alternativ cu o frecvenţă egală cu frecvenţa de precesie a protonului.Cum obţinem o imagine din acest semnal? Pentru acest fapt este necesar să ştim dince parte a corpului provine acest semnal. Acest lucru se întâmplă în felul următor:

pacientul se află într-un câmp magnetic. Intensitatea acestui câmp magnetic scade peo direcţie longitudinlă cu pacientul. După cum ştim frecvenţa de precesie estedependentă de intensitatea câmpului magnetic. Dacă intensitatea câmpului magneticeste diferită de la o secţiune transversală la alta a pacientului, atunci şi protonii au oaltă frecvenţă de precesie în funcţie de secţiune, ceea ce însemnă că semnalul utilrezultat are şi el o frecvenţă diferită, egală cu cea de precesie. Datorită acestei variaţiide frecvenţă putem determina valoarea acestui semnal pentru o locaţie specifică.În momentul anulării pulsului RF întreg sistemul revine la starea iniţială (serelaxează). Magnetizarea transversală dispare, acest proces fiind denumit relaxaretransversală. Ca urmare a relaxării transversale magnetizarea longitudinală revine lavaloarea iniţială, proces denumit relaxare longitudinală sau spin lattice relaxation.Această relaxare nu se întâmplă la toţi protonii în acelaşi timp ci gradat. Energiacedată de protoni se pierde în mediul înconjurător. Această relaxare poate fi redatăsub forma unui grafic (fig.13.) şi mai este denumită curba T 1.

Fig. 13.

Graficul reprezintă magnetizarea longitudinală în funcţie de timp. Timpul necesar recuperării magnetizării longitudinale este denumit şi timp de relaxare longitudinală

sau T 1. Timpul T1 nu este întotdeauna constant 100%, de aceea el poate fi comparat cuscăderea radioactivităţii în timp a unui material radioactiv.Protonii mai sunt influenţaţi şi de câmpurile magnetice mici ale celorlaţi protoniînconjurători, ceea ce determină mici variaţii în frecvenţa de precesie. Acest faptdetermină o frecvenţă de precesie distinsă pentru fiecare tip de ţesut.Un grafic similar cu cel reprezentat mai sus se poate efectua şi pentru magnetizareatransversală, doar că acolo magnetizarea transversală dispare după încetarea pulsuluiRF (fig 14).

10



Fig. 14.

Timpul necesar dispariţiei magnetizării longitudinale este denumit timp de relaxaretransversală sau T 2. T2 mai este notat şi T t adică timp transversal. O altă denumire

pentru relaxarea transversală este şi relaxarea spin – spin. În mod normal T1> T2.

Pentru a reţine mai uşor curba T1 şi T2, a fost desenat un grafic care reuneşte ambelecurbe. Graficul poate fi asemănat cu un munte cu o pîrtie de schi.

Fig. 15

11



Recapitularea noţiunilor:

1. Protonii pot fi comparaţi cu un magnet mic2. În câmp magnetic extern protonii se alinează paralel sau antiparalel3. Alinierea paralelă este preferată (ceva mai mulţi protoni se aliniază în acest

fel)4. protonii efectuează o mişcare de rotaţie5. Această mişcare este denumită precesie6. Frecvenţa precesiei este dependentă de intensitatea cîmpului magnetic extern

(o relaţie descrisă de ecuţia Larmor)7. Cu cât câmpul magnetic exterior este mai puternic, cu atât mai mare este

frecvenţa de precesie8. Protonii care sunt orientaţi în sens contrar , anulează efectul magnetic a

protonilor aliniaţi „normal”9. Deoarece există mai mulţi protoni aliniaţi paralel şi pe direcţia cu liniile de

câmp magnetic extern decât protoni aliniaţi în sens invers, există un momentmagnetic net, aliniat longitudinal cu liniile de câmp externe.

10. Un puls de radiofrecvenţă care are aceeaşi frecvenţă cu protonii aflaţi înmişcare de precesie, poate cauza rezonanţă şi transfer de energie către protoni.Acest transfer energetic cauzează o reorientare a mai mulţi protoni în sensinvers liniilor de câmp, consecinţa este o scădere a magnetizării longitudinale.

11. Pulsul de radiofrecvenţă are ca efect de asemena şi precesia sincronizată a protonilor, în fază. Acest fapt duce la apariţia unui nou vector, magnetizareatransversală.

12. Când pulsul de radiofrecvenţă este oprit, magnetizarea longitudinală creşte dinnou, această relaxare longitudinală este descrisă de un timp T1, timpul de

relaxare longitudinală.Magnetizarea transversală descreşte până la dispariţie, acest timp de relaxaretransversală este descris de o constantă T2, timp de relaxare transversal.Relaxarea longitudinală şi transversală sunt două procese diferite şiindependente, de aceea sunt tratate separat

Cum se poate observa în figura 15, T1 este mult mai lung decât T2. Pentru a reţine mai bine putem compara din nou graficul reunit, ca şi un munte cu o pârtie de schi: timpulnecesar urcării este mai mare decât cel necesar coborârii.

În termeni biologici: pentru ţesuturi T1 este de aproximativ 300 – 2000 ms iar T2 estede 30 – 150 ms.Este dificil să precizezi când T1 sau T2 se sfirşesc, de aceea aceşti timpi nu au fostdefiniţi ca timpul când relaxarea are sfârşit ci: T1 a fost definit ca timpul în care 63%din magnetizarea longitudinală originală a fost atinsă; T2 a fost definit ca timpul încare magnetizarea ttransversală a scăzut la 37% din valoarea originală.Raportul 1/T1 este denumit şi rată de relaxare longitudinală iar raportul 1/T2 estedenumit şi rată de relaxare transversală.La începuturile aplicării metodei în domeniul medical s-a crezut că măsurând foarte

precis aceşti timp, se vor putea stabilii timpi caracteristici pentru tipuri de ţesuturi.Acest fapt nu a putut fi realizat practic deoarece aceşti timp se şi suprapun ca fenomen

fizic iar T1 este dependent şi de intensitatea câmpului magnetic folosit pentru

12



examinare. Oricum s-a putut stabili faptul că ţesuturile cu un conţinut bogat în apă auT1 şi T2 mai lungi. Ţesuturile adipoase au T1şi T2 mai scurte.

Influenţe asupra lui T1

1. Copoziţie ţesutului, structura sa, şi mediul înconjurător

T1 este legat de mediul înconjurător prin schimbul de energie termică. Pentru a serelaxa protonii trebuie să cedeze energie mediului înconjurător. Acest schimb areloc sub formă de energie termică. Dacă mediul înconjurător este format din apă,este dificil pentru protoni să cedeze rapid energie în acest mediu datorită mişcăriirapide a moleculelor de dimensiune mică a apei, drept urmare revenirea laalinierea longitudinală iniţială (T1) este mai lentă.În ţesut adipos transferul termic este mult mai rapid datorită compoziţiei chimice aacestuia în acizi graşi care prezintă multe legături de carbon.Dependenţa T1 de un câmp magnetic exterior mai puternic se poate deduce şi dinecuaţia Larmor; la un câmp magnetic mai puternic şi viteza de precesie a

protonilor este mai mare. Unui corp cu o viteză mai mare ăi trebuie mai mult timpsă revină la starea de repaus.

Influenţe asupra lui T2

Relaxarea de tip T2 apare când protonii ies din fază, care după cum deja ştim are douăcauze: neomogenitatea câmpului magnetic extern şi neomogenităţile câmpuluimagnetic din interiorul ţesuturilor. Deoarece moleculele de apă se mişcă foarte repedede asemenea şi câmpul lor magnetic local fluctuează rapid. Datorită acestui fapt nu

există diferenţe mari între câmpul magnetic extern şi cel intern (tisular) ceea ce ducela un timp T2 mai lung. Dacă lichidele sunt impure (conţinut ridicat în molecule mari)apar variaţii mai mari în câmpul magnetic local. Moleculele de dimensiune mare nu semişcă la fel de rapid, prin urmare câmpurile lor magnetice nu se anulează reciproc.Acest ediferenţe mari în câmpul magnetic local determină în consecinţă diferenţe maimari în frecvenţa de precesie, prin urmare aceşti protoni ies din fază mai rapid, adicăT2 este mai mic.

Toate aceste procese influenţează aspectul final al imaginii RMN.

Recapitulare:

T1 este mai mare decât T2T1 variază cu intensitatea câmpului magnetic, e mai lung în câmpuri magnetice mai

puterniceApa are un T1 lung, grăsimea are un T2 scurtT2 a apei este mai lung decât un T2 a lichidelor impure, cu molecule mai mari

După cum am menţionat mai sus, cu un anumit tip de puls RF putem cauza dispariţiamagnetizării longitudinale şi apariţia unei magnetizări transversale. Vectorul rezultatsau magnetizarea netă (suma vectorială a magnetizării longitudinale şi transversale)este orientat la 900 faţă de magnetizarea longitudinală. Pulsul RF corespunzător care

provoacă acest fenomen este denumit şi puls RF 900 .Componenta transversală a magnetizării nete induce un semnal măsurabil în o antenă.

13



Imediat ce relaxarea după pulsul RF începe, magnetizarea transversală începe sădispară şi relaxarea longitudinală reapare. Suma vectorială magnetică ia din noudirecţia alinierii longitudinale iniţiale, ca urmare semnalul dispare.Dacă trimitem un nou puls RF, fenomenul se repetă şi recepţionăm din nou unsemnal.

Intensitatea semnalului este dependentă (printre altele) şi de valoarea vectorului demagnetizare longitudinală de la care pornim. Dacă aşteptăm un timp mare după ceaplicăm pulsul RF, magnetizarea longitudinală revine complet la valoarea iniţială. Pede altă parte dacă nu aşteptăm atât de mult şi aplicăm pulsul RF mai devreme,semnalul rezultat se schimbă deoarece vectorul magnetizării longitudinale este maiimic.În imaginea care urmează se pot observa timpii T1 pentru ţesut cerebral şi lichid cefalorahidian.Timpul optim de aplicare a pulsului RF pentru a obţine o imagine ponderată T1 este denumit timp de repetiţie notat TR (time to repeat).

Baga poza 32 de la pag 49

La originea graficului se poate observa că timpii T1 sunt aproape identici pentruţesutul cerebral şi LCR. Dacă modificăm (scurtăm) intervalul de aplicare a pulsuluiRF se poate observa şi o diferenţiere a timpilor T1, ceea ce va duce la apariţia peimaginea RMN a unei diferenţieri de contrast a celor două tipuri de ţesuturi.Cum se poate observa tot din grafic , există un interval în care contrastul este mai

pronunţat. Imaginile obţinute prin această tehnică se numesc imagini ponderate T1.

Ar trebui introduse nişte imagini ponderate T1Teoretic dacă aşteptăm un timp suficient de lung între pulsurile RF, T1 nu ar maitrebui să influenţeze contrastul ţesuturilor. Totuşi o diferenţă oarecare se menţinedatorită diferenţei de densitate protonică a diferitelor ţesuturi. Atunci putem vorbidespre o imagine ponderată de densitatea protonică (spin density weighted image).

Până acum am explicat cum se obţin imaginile ponderate T1 sau ponderate prindensitate protonică.Acum să înţelegem cum se obţin imaginile ponderate T2

După un anumit timp notat TE/2 sau jumătate de TE aplicăm un puls RF de 1800

(pulsul RF pentru T1 este de 900

). Acest puls RF de 1800

se manifestă ca un perete degumă pentru protoni. El determină întoarcerea protonilor în aşa fel încât ei vor avea omişcare de precesie în direcţie opusă celei iniţiale. Ca rezultat protonii mai rapizi suntacum în spatele celor mai lenţi. După încă un interval TE/2 protonii sunt toţiaproximativ la acelaşi nivel, din nou în fază ceea ce are ca efect o magnetizaretransversală mai puternică – deci şi un semnal mai puternic. Puţin mai târziu aceastăsituaţie se modifică din nou, protonii mai rapizi depăşesc din nou protonii mai lenţi,semnalul scade din nou.Semnalul obţinut în urma aplicării pulsului RF de 1800 este denumit ecou sau spinecho. Pentru obţinerea imaginii ponderate T2 aplicarea pulsului RF 180 se repetă atâtatimp cât este necesar. Acest fapt se poate observa în graficul care reprezintă timpul

funcţie de intensitatea semnalului.

14



BAGA FIGURA 35 PAG 53

Din acest grafic se mai poate observa că ecoul (semnalul rezultat) scade în timp.Responsabil pentru aceasta este faptul că pulsul RF 180 neutralizează numai efectelecare influenţea protonii constant

15

52601811-curs-rmn

Documents