Espectroscopia por Resonancia Magnética

Proyecto Final Integrador de La

Tecnicatura en Diagnóstico por Imágenes

Escuela de Ciencia y Tecnología Universidad Nacional de General de San Martín

Alumna: Barbazán Sandra Valeria Orientador: Dra. Laura Falcón

Lic. Sivina Carpintiero

Año 2007

Índice Página

1. Introducción 4

2. Generalidades 6

2.1 Características 6

2.2 Herramientas 6

2.3 Utilidades 6

3. Factores físicos 8

4. Instrumentación utilizada 8

5. Núcleos utilizados 9

6. Secuencias de pulsos para la adquisición de espectros de H-1 11

6.1 Secuencia spin-echo 11

6.2 Secuencia de eco estimulado 12

6.3 Diferencia entre ambas secuencias 12

7. Neuroespectroscopia 13

7.1 Metabolitos presentes en el espectro 14

7.2 Metabolitos en diferentes patologías 16

7.3 Aplicaciones clínicas 16

8. Espectroscopia de fósforo 20

8.1 Utilidades 20

8.2 Regiones a examinar 20

8.3 Metabolitos de importancia diagnóstica 21

8.4 Realización del estudio

9. Apéndice 23

9.1 Principios físicos 23

2

9.1.1 Protones paralelos y antiparalelos al campo 24

9.1.2 Movimiento de precesión 25

9.1.3 Frecuencia de Larmor 26

9.1.4 Importancia de la constante de apantallamiento 28

9.2. Generación de la FID 29

9.2.1 Obtención del espectro 30

9.2.2 Desplazamiento químico 30

9.3. Adquisición del espectro 32

9.3.1 Imagen de referencia y selección del volumen de interés 32

9.3.2 Extensión a otros núcleos 32

9.3.3 Procesamiento del espectro 33

9.3.4 Análisis del espectro 34

10. Conclusión 36

11. Bibliografía 37

3

1. Introducción La resonancia magnética nuclear (RMN) es un fenómeno fisicoquímico que fue mencionado por primera vez en la bibliografía científica hace más de 50 años. En el año 1946, dos grupos de investigación dirigidos por Bloch y Purcell describieron el fenómeno de la resonancia magnética nuclear basado en las propiedades magnéticas de los núcleos. En la aplicación de la resonancia magnética en medicina se han observado diferentes fases relacionadas directamente con los avances tecnológicos que se han ido aconteciendo. Una primera etapa, que podríamos llamar “analítica”, viene marcada por la posibilidad apuntada por Damanian en 1971 de discriminar el tejido normal del neoplásico en animales de experimentación. Posteriormente, en el año 1973, Lauterbur publicó en Nature, la primera imagen tomográfica de tubos rellenos con agua mediante resonancia magnética. A partir de entonces los sucesivos avances de este nuevo método de imagen tomográfica se sucedieron en forma vertiginosa, y en 1977, Hinshaw et al publicaron las primeras imágenes obtenidas en humanos en la revista Nature. El primer estudio clínico que demostraba la existencia de enfermedad intracraneal fue publicado en 1980 por Hawkes et al y; finalmente en 1981, se instaló el primer prototipo de tomógrafo para uso clínico en el Hammersmith, hospital de Londres. (6) La etapa “clínica” de la resonancia magnética se inició a principios de los años ochenta, y ya de manera definitiva al final de esta década. A principios de la década de los noventa comenzó a utilizarse la resonancia magnética, no como una técnica diagnóstica complementaria a otras más establecidas como la radiología convencional, la tomografía computada, angiografía, etc.; sino como una técnica de primera elección en numerosos procesos patológicos, especialmente en el campo de las neurociencias. En los últimos años la resonancia magnética ha experimentado una progresión exponencial, su rápida evolución viene condicionada por los importantes avances tecnológicos: • en los imanes (con los constantes progresos en los imanes, se mejora la homogeneidad del campo magnético, y con ello la relación señal/ ruido para un mejor análisis de la imagen), • en los gradientes, • las antenas ( con el desarrollo de nuevas antenas y la posibilidad de ser usadas conjuntamente, ampliando el campo clínico de la resonancia magnética, mejorando la resolución espacial y con ello la interpretación de la imagen.), • las computadoras (hardware), • avances en los programas (software), que son los elementos básicos de un equipo de RMN. Dichos avances brindan no sólo la capacidad de obtener imágenes morfológicas de elevada resolución espacial y alto contraste tisular, sino también la posibilidad de obtener imágenes funcionales y dinámicas.

4

Se ha ingresado por lo tanto a una etapa denominada “funcional”, en la que no sólo se obtiene información diagnóstica estructural, sino también fisiológica y fisiopatológica con grandes posibilidades tanto en la medicina clínica como en la experimental. Entre las muchas innovaciones tecnológicas que se están desarrollando en los últimos años en la resonancia magnética, algunas de ellas con amplia implementación en los estudios clínicos habituales, cabe destacar la obtención de imágenes sensibles a movimientos microscópicos del agua tisular (difusión), los estudios hemodinámicos (perfusión), la identificación y cuantificación de metabolitos tisulares in vivo (espectroscopia), la determinación de la concentración tisular de macromoléculas (transferencia de magnetización) y el mapeo de zonas de activación cerebral (resonancia magnética funcional ). (6) La espectroscopia por resonancia magnética de protón (1H- ERM) es una técnica que permite determinar in vivo la concentración de diferentes metabolitos en regiones determinadas de un tejido. Esta capacidad se basa en el hecho de que la frecuencia de resonancia de un núcleo varia en función de su entorno químico. Al mismo tiempo, la amplitud de la señal obtenida proporciona información sobre la concentración en que se encuentra. La mayor limitación de esta técnica es su baja sensibilidad, ya que sólo metabolitos que estén en una concentración superior a 1 mM se pueden detectar con facilidad. Además, la espectroscopia por resonancia magnética de protón sólo detecta señal de los núcleos que tienen libertad de movimientos. En consecuencia, núcleos de moléculas grandes como proteínas, ácidos nucleicos o en macroestructuras como la mielina o membranas, aunque pueden encontrarse en concentraciones elevadas, son difíciles de detectar. Los cambios en la concentración de estos metabolitos, así como la aparición de otros, que en condiciones normales no son identificables (como la colina), son un reflejo de los cambios patológicos que se producen en una zona determinada del parénquima cerebral. (2)

5

2. Generalidades La espectroscopia es de gran importancia debido a que muchas decisiones quirúrgicas

están precedidas por imágenes.

Es utilizada también para la caracterización de una lesión, para realizar un diagnóstico o

bien evaluar alguna lesión.

2.1 Características

• Es una herramienta diagnóstica (llamada también biopsia virtual)

• Es un método no invasivo

• Proporciona información a nivel molecular y metabólico del tejido

• Debe ser evaluada conjuntamente con las imágenes correspondientes

2.2 Herramientas

• Debe realizarse una supresión de agua

• Debe ser seleccionado un sitio de interés, al cual se le realizará el espectro

• Juega un importante papel el TE, ya que este parámetro permite aparecer o

desplazar a los metabolitos

• El campo debe ser homogéneo

• La región de interés debe evitarse en zonas con alta concentración de líquido,

sangre, grasa, calcio y zonas con heterogeneidad

2.3 Utilidades • Es utilizado para evaluar próstata, hígado, y sistema nervioso central

• Diferencia tumores de otras patologías

• Evalúa grado de malignidad del tumor

6

• Diferencia tumores de metástasis

• Es utilizada en pacientes epilépticos o con HIV

• Es utilizada en el monitoreo de tratamientos • Es utilizada también la espectroscopia de fósforo en estudios musculares (11)

7

3. Factores Físicos

Desde el punto de vista físico existen diferencias entre las imágenes en resonancia

magnética (IRM) y la espectroscopía por resonancia magnética (E-RM). En principio la

IRM produce una imagen visual obtenida a partir de una señal de los protones de agua

que se adquiere en presencia de un gradiente de campo magnético. Por el contrario, en

la E-RM se ofrece información química del tejido cerebral que puede expresarse por

valores numéricos, obteniendo la señal a partir de metabolitos en concentraciones muy

inferiores, la cual puede realizarse en ausencia de un gradiente de campo magnético. El

espectro que se obtiene en la E-RM consta de una serie de picos relativamente

estrechos, cuya área es proporcional al número de núcleos detectados en el tejido.

En la nitidez de cada pico del espectro influyen varios factores entre los cuales tenemos:

la homogeneidad del campo magnético externo, ausencia de homogeneidad del campo

magnético dentro de la muestra y el tiempo de relajación transversal (T2); cuanto más

prolongado es el T2, más estrecho es el pico del espectro.

4. Instrumentación Utilizada

Para la E-RM se utilizan los mismos instrumentos que para la IRM: Imán, sintetizador de

radiofrecuencia, amplificador, receptor de radiofrecuencia y ordenador. En la E-RM la

homogeneidad del campo debe ser superior a la que se requiere en la IRM para no

perder información de la desviación química, por lo tanto se requiere de un equipo de 1.5

Tesla. Para la espectroscopía se puede prescindir de bobinas de gradiente de campo

magnético aunque éstas son necesarias para las técnicas de localización espacial.

Aunque no requiere de equipo para procesar imagen, se necesita de un conjunto de

hardware y software para visualizar los espectros, calcular la frecuencia de la desviación

química y medir el área de los picos.

8

5. Núcleos utilizados

La espectroscopia presenta mayores retos que la RM convencional. En primer lugar, los

metabolitos en el cerebro se encuentran en concentraciones milimolares, por lo tanto, las

señales del agua y la grasa del cerebro y las estructuras vecinas pueden sobrepasar y

distorsionar las señales de los metabolitos de interés. Para superar esto, se emplean

técnicas para suprimir estas señales o para impedirles resonar. (1)

Para las aplicaciones, los núcleos deben de tener ciertos requisitos, deben tener una

sensibilidad magnética: es decir, número impar de protones y neutrones.

Debido a que el isótopo de hidrógeno demuestra una gran sensibilidad magnética, por

definición posee una sensibilidad magnética relativa de 1 o 100%.

Abundancia isotópica natural (4)

Figura I

Sólo el hidrógeno (1H), fósforo (31P), sodio (23Na), potasio (K) y flúor (19F) son

magnéticos en la forma común que se encuentran existentes en el cuerpo humano. (4)

El carbono 13, un isótopo del carbono, también es magnético pero sólo se encuentra en

una proporción de un 1.1% respecto al carbono total, que mayormente es carbono 12.

Más aún, sólo el hidrógeno y el flúor son los de mayor sensibilidad y el flúor se encuentra

9

en pequeña proporción en los dientes. Los otros núcleos útiles son fósforo, sodio, potasio

y carbono 13; pero tienen menores sensibilidades y se encuentran en bajas

concentraciones.

El fósforo y carbono 13 son núcleos útiles para estudiar el metabolismo, es decir, los

cambios químicos en la materia viviente. El carbono se encuentra en el azúcar y juega un

importante rol como fuente de energía del cuerpo.

Lo mismo es para el fósforo, el cual forma parte de moléculas requeridas, por ejemplo en

el ejercicio muscular y en otras funciones que requieren energía.

10

6. Secuencias de pulsos para la adquisición de espectros de H-1

Son una serie de pulsos de radiofrecuencia y de gradientes de campo magnético que se

activan a tiempos determinados para obtener la señal de resonancia.

Las secuencias más utilizadas son la SE y la STEAM, ambas descriptas a continuación.

6.1 Secuencia spin-echo (SE, PRESS, PRIME)

Constituida por tres pulsos de excitación, el primero de 90° y los otros dos de 180° (figura

II). El primer pulso excita la magnetización de un plano mientras que el segundo se aplica

en un plano perpendicular al anterior (4) . Finalmente se aplica el tercer pulso en un plano

perpendicular a las dos anteriores. El resultado final es una señal de eco que proviene

solamente del volumen de interés (VOI) que ha sido excitado por los tres pulsos (figura

III).(1)

Figura II

Figura III

11

6.2 Secuencia de eco estimulado (STEAM)

Para obtener la localización se utiliza la misma estrategia que en la secuencia SE.

E/2.(4)

encias entre ambas secuencias

o doble que STEAM. No obstante, la

ecuencia STEAM permite trabajar con TE más cortos que la secuencia SE. Aplicable a

nar la secuencia que

EL primer pulso enviado es de 90°, después de éste se deja transcurrir un tiempo T

Transcurrido este tiempo se envía el segundo pulso de 90°. Y tras este pulso también

debe dejarse pasar un intervalo de tiempo antes de enviar el tercer pulso de 90°. Dicho

intervalo oscila entre 13 y 30 ms y se lo denomina tiempo de mezcla. A continuación es

enviado el tercer pulso y después de un intervalo de tiempo TE/2, se registra la señal de

eco estimulado (figura IV). (1)

Figura IV

6.3 Difer

La secuencia SE produce una relación señal/ruid

s

los dos tipos de secuencia es el hecho que resonancias de metabolitos con un T2 corto

se desfasan muy rápido y pueden perderse durante el tiempo de eco. Por ello, espectros

obtenidos con un tiempo de eco largo muestran menos señales, por lo que son más

fáciles de analizar que los obtenidos con un tiempo de eco corto.

Una regla que se puede aplicar para decidir entre una secuencia SE y una STEAM es

que cuando se ha de utilizar un TE largo conviene seleccio

proporciona una mayor relación señal/ruido (SE), mientras que cuando interesa visualizar

el mayor número de compuestos escoger la secuencia que permite trabajar a un TE

menor (STEAM). (4)

12

7. Neuroespectroscopía – La espectroscopia por Resonancia Magnética en el Cerebro Humano –

a espectroscopia ha sido utilizada en diferentes enfermedades neurológicas, entre las

ue podemos mencionar: infarto cerebral, hipoxia encefálica, tumores cerebrales

).

l lactato no se detecta en condiciones normales en el cerebro humano debido a su baja

e

l (Mi), glutamato y glutamina (Glu) además de

stico en neuroespectroscopía consiste en definir

ada metabolito en el espectro cerebral de H1 y determinar si se encuentra elevado o

misferio contralateral.

cia, 2 ppm, se le asigna al

L

q

primarios y metastásicos, esclerosis múltiple, hemorragia intracraneal, traumatismo

craneoencefálico, enfermedades metabólicas, encefalopatía hepática, demencia,

diabetes mellitus, epilepsia focal y trastornos psiquiátricos como la esquizofrenia. (9)

Un espectro contiene señales de N-acetil aspartato (NAA), Creatina (Cr) y Colina (Co

E

concentración, no obstante, puede volverse detectable en condiciones patológicas qu

causan incremento en la concentración.

Un espectro que se obtiene al utilizar tiempo de eco corto contiene señales adicionales

de otros compuestos como el mioinosito

macromoléculas tales como lípidos. (9)

Un método apropiado para el diagnó

c

reducido con respecto a la creatina.

Para definir los índices normales se debe tener en cuenta la edad del paciente al igual

que el análisis comparativo con el he

La altura de los picos de los metabolitos representados en la espectroscopia se lee de

derecha a izquierda, el pico agudo más alto de resonan

marcador neuronal (NAA); el siguiente grupo de picos pequeños corresponden a la

glutamina y glutamato. La segunda resonancia más alta a 3 ppm es la Creatina (Cr) y

junto a ésta existe otro pico prominente asignado a la Colina (Co) la cual forma parte de

la membrana celular. La relación Co/Cr es de 0.5 espectros. Otro pequeño pico es el

mioinositol, cuya identificación es difícil debido a que tiene un espectro similar al de la

glucosa. Un pico que aparece a 1.33 ppm es el del lactato, el cual se observará elevado

en casos de necrosis o incluso en lesiones quísticas. (10)

13

En un espectro realizado a un recién nacido se encontrará una inversión en la altura de

los picos de NAA, Co, Cr y mioinosol y además que el pico de Co es mayor que el de Cr

iendo inverso en los estudios realizados en adultos). (5)

.1 Metabolitos presentes en el espectro

Es un marcador neuronal y sus concentraciones disminuyen en diferentes tipos de

patologías cerebrales. El NAA es localizado en los axones en la materia blanca.

(s

Figura V. Espectro obtenido con H-1

(8)7

1) N-acetil aspartato (NAA, pico 2.0 ppm)

14

2) Colina (Co, pico 3.2 ppm)

En el pico de la Co contribuyen la fosfocolina, glicerofosfodilcolina y fosfotidilcolina. La

olina forma parte de la membrana celular, su incremento refleja el aumento en la

íntesis de membranas o del número de células tal como se observa en tumores.

tes de

nergía en las neuronas, es utilizada como reserva de los fosfatos de alta energía y

de ATP-ADP.

el mecanismo oxidativo de respiración celular es inadecuado y que está

iendo reemplazado por el catabolismo. El Lactato lo podemos encontrar como un doble

ticas o quísticas.

inución de Mi se ha asociado con la

cción protectora del litio en la manía y en casos de neuropatía diabética. La

la disminución de NAA se ha observado en la

.

C

s

3) Creatina (Cr, pico 3.03 ppm y 3.94 ppm)

En el pico de Creatina contribuyen la fosfocreatina y en menor grado la lisina y el

glutatión; tiene un rol importante en el mantenimiento de los sistemas dependien

e

además actúa como buffer en los reservorios

La creatina es ingerida en la dieta, además es sintetizada en el hígado, riñones y

páncreas.

4) Lactato (Lac, pico 1.32 ppm)

Los niveles cerebrales de Lactato son muy bajos o se encuentran ausentes. Su presencia

indica que

s

pico a 1.32 ppm en lesiones necró

5) Mioinositol (Mi, pico 3.56 ppm)

Es un metabolito que actúa en la neurorrecepción hormona-sensitiva y es precursor del

ácido glucurónico. Su pico es a 3.56 ppm. La dism

a

combinación de Mi elevado con

enfermedad de Alzheimer.

6) Glutamato (Glu)

Neurotransmisor que actúa en el metabolismo de las mitocondrias. El pico de Glu se

localiza entre 2.1 y 2.5 ppm

15

7) Alanina s un aminoácido no esencial cuya función es incierta. Su pico se encuentra entre 1.3 y

.4 ppm. Se puede incrementar en ciertas lesiones del SNC, observándose esta

levación en tumores intracraneales tales como los meningiomas.

Metabolitos Aumentados Disminuidos

E

1

e

7.2 Metabolitos en diferentes patologías

NAA Canavan Hipoxia-Isquemia-

Epilepsia-Tumores

gliales-Trauma-Ictus-

Hemorragia

reatina aumatismo poxia-Ictus-Tumore

malignos

Tumor-Hipoxia-

hepatopatías crónicas

Neoplasias-

7.3 Aplicaciones clínicas

mores cerebrales

unque la RM convencional ha incrementado mucho la sensibilidad por la cual es posible

emento en la sensibilidad no ha sido paralelo a un

cremento en la especificidad. Con la espectroscopia se hace posible evaluar el

de la lesión lo que posibilita discernir con gran especificidad si se

trata de una lesión tumoral o no.

C Tr Hi s

Colina Trauma – Alzheimer-

Enfermedades

desmielinizantes

Demencia-Ictus-

Lactato Hipoxia – Anoxia-

Isquemia-Necrosis

Desconocido-Necrosis

Tu

A

detectar los tumores, este incr

in

espectro metabólico

16

En los tumores se observa una disminución NAA, esto se debe a que el tumor no está

compuesto de neuronas (que son las únicas que contienen NAA), también a que

conforme el tumor crece destruye parénquima cerebral destruyendo neuronas en las

zonas aledañas.

Pero probablemente el hallazgo más importante en la evaluación de los tumores sea el

aumento en la colina el mismo que se produce por la proliferación celular incrementada

que produce un recambio acelerado de la membrana celular, donde la colina se

encuentra enforma de fosfatidilcolina. (7)

Figura VI. Ubicación voxel en la lesión. Aumento de colina, con disminución de NAA y pico de lactato, característicos de

proceso tumoral.

Tuberculomas

Se observa una disminución del NAA, sin aumento de la colina. Se observa además, de

probablemente a la necrosis que se produce en este tipo de lesiones. (7)

manera característica un aumento importante del pico de lípidos, esto debido

Figura VII. Ubicación del voxel en la

lesión. Aumento de lípidos y glutamina con

disminución del NAA, característicos de

tuberculoma.

17

Neurocisticercosis

La neurocisticercosis ha sido estudiada por espectroscopia ya que es muy difícil

diferenciarla sólo por criterio de imágenes de un tuberculoma y aun de un glioma.

La espectroscopia nos permite observar algunas características que nos indican el

diagnóstico, puede existir u ero ésta es más bien leve, se

observa además un pico de ueño que el que se observa en

tuberculomas.(7)

E

La espectroscopia muestra que el NAA está substancialmente reducido en las lesiones

disminución como la recuperación del NAA tienen una estrecha correlación con las

alteraciones neurológicas observadas en pacientes con esclerosis múltiple (EM). En la

se aguda también se observa un gran incremento de la Colina debido en gran parte a

un movimiento de fosfolípidos de la membrana celular. También puede observarse un

moderado incremento del lactato, probablemente como resultado de la presencia de un

infiltrado inflamatorio. Es posible también observar un cierto aumento del mioinositol y de

na disminución del NAA, p

lípidos, pero mucho más peq

sclerosis múltiple

agudas, esta reducción muestra una recuperación parcial a través del tiempo. Tanto la

fa

los lípidos. Datos preliminares sugieren que este aumento de los lípidos detectado por

espectroscopia puede ocurrir antes que el desarrollo de las lesiones hiperintensas en T2. (8)

Figura VIII . Ubicación del voxel en la lesión.

Aumento de colina con disminución del NAA

característicos de esclerosis múltiple.

18

Enfermedad de Alzheimer

La espectroscopia se muestra muy promisoria en definir demencia (por la reducción de

NAA y NAA/Cr). Sin embargo, este hallazgo es común a varios tipos de demencia, el

aumento en el mioinositol (ml) y de la relación mi/cre distingue a la enfermedad de

Alzheimer del envejecimiento y de otras causas de demencia. (3)

19

8. ESPECTROSCOPIA DE FÓSFORO

Es un método como ya se ha mencionado anteriormente no invasivo. Mediante esta

técnica se analizan los metabolitos presentes en el músculo, el hígado y tejidos

cardiacos.

los metabolitos en el cuerpo humano que contienen fósforo, pero son de gran

portancia fisiológica; entre éstos puede mencionarse la fosfocreatina (PCr), fosfato

orgánico (Pi), adenosin trifosfato (ATP), fosfomonoester (PME) y fofopodiester (PDE),

dos ellos pueden ser registrados por este método. (1)

8.1 Utilidades:

a celular, como el fosfopodiester y

sfomonoestes.

cipales regiones que se estudiarán por espectroscopia de fósforo-

31 son las siguientes:

• Hígado

• Tejido muscular

• Corazón

Son pocos

im

in

to

• Detecta a la fosfocreatina y el fosfato inorgánico, ambos transportadores de energía

celular.

• La concentración relativa de estos metabolitos de fósforo revela la condición y

suministro de la energía celular.

• Brinda información de las membranas de los metabolitos y transporte de los productos

de descomposición o constituyentes de la membran

fo

8.2 Regiones a examinar: Las prin

(6)

20

8.3 LOS METABOLITOS MÁS IMPORTANTES DEL FÓSFORO

RIFOSFATO (ATP): es él más importante en el transporte de energía en el

a suman a éste los productos de la hidrólisis: ADP (Adenosindifosfato) y AMP

denosinmonofosfato). En el espectro del fósforo, los grupos alfa, beta y gamma del

TP son perfectamente visibles. (6)

OSFOCREATINA (pcR): La fosfocreatina es el más importante almacenamiento

molecular de la energía muscular.

grande que

n el ATP.

.

elular. En los tumores la concentración de PME

crementa mientras la PCr disminuye.

la posición de este en el espectro también decaerá.

8.4 Realización del estudio

Para la realización de estudios espectroscópicos de fósforo en hígado, corazón y

músculo son utilizadas antenas de polarización circular, que son diferentes a las

utilizadas para la MR convencional, el estudio puede realizarse tanto con el paciente en

prono como en posición supina.

Al realizar espectros del fósforo sobre el músculo se puede llevar a cabo tanto estudios

estáticos o dinámicos. Los estudios estáticos recogen el espectro en reposos. Algunas

ADENOSINT

hígado.

T mbién se

(a

A

F

La concentración del PCr en el músculo es aproximadamente 5 veces más

e

La fosfocreatina es usada como referencia interna, por estar como punto cero (0) en el

espectro

FOSFOMONOESTER (PME), FOSFODIESTER (PDE): Suministra características de los

componentes de la membrana c

in

FOSFATO INORGÁNICO: Es el encargado de determinar el valor del PH con relación a

la PCr, así si el valor del PH decrece

21

veces mediante el análisis de los espectros en reposos ya podemos sacar algunas

informaciones importantes tanto desde el punto fisiológico como patológico.

Pero sin duda la información más útil, se obtienen mediante los estudios dinámicos

permanece dentro del imán, con ergómetros

specíficamente diseñados para trabajar bajo campos magnéticos elevados. Estos

studios consisten en obtener el espectro P-31 en reposos como referencia y a

spectrales podemos tener una idea bastante completa

sarrollo del

31

realizados mientras la persona

e

e

continuación se recogen espectros consecutivos durante la ejecución de un determinado

ejercicio y finalmente, durante el periodo de recuperación. Los ejercicios pueden

planificarse de muy diversas formas, variando la carga, el tiempo, etc. Mediante la

observación de las variaciones e

de cómo han actuado las principales vías energéticas que intervienen en el trabajo

muscular.

Mediante estos estudios dinámicos puede seguirse tanto las variaciones metabólicas

como la rapidez con que suceden los acontecimientos tanto durante el de

trabajo muscular como durante la recuperación. Los estudios dinámicos son de gran

utilidad tanto para pacientes sanos como para estudiar el comportamiento de los distintos

metabolitos bajo diferentes patologías que intervienen en las vías metabólicas del trabajo

muscular.

Figura IX. Espectro obtenido con P

22

9. Apéndice

9.1 Principios Físicos

Todos los núcleos atómicos están compuestos por neutrones y por protones. El núcleo

más simple y más abundante en nuestro cuerpo es el hidrógeno (H); compuesto por un

sólo protón.

Los protones y neutrones tienen una propiedad denominada SPIN o momento angular

intrínseco, que puede ser descripta como una rotación alrededor de su eje.

Además de su spin, el protón tiene también un momento magnético por el cual se

omporta de forma similar a un imán; ya que todo objeto cargado eléctricamente y en

ovimiento produce a su alrededor un campo magnético.

se encuentra rotando alrededor de su eje, es decir en movimiento de

pin, el objeto es denominado dipolo magnético. (4)

La intensidad y orientación de este imán esta determinada por el vector momento

nético no solo produce un campo magnético, sino que

mbién responde a la presencia de un campo magnético externo. (1)

alelo o antiparalelo al campo.

undancia en el

uerpo humano y debido a que el núcleo de hidrógeno produce le señal más grande de

cleos los protones forman pares en los

c

m

Cuando el protón

s

magnético (µ). Un dipolo mag

ta

Para los protones, la dirección del momento magnético esta orientada a lo largo del eje del

spin. En presencia de un campo magnético externo el spin tiene dos orientaciones

posibles: par

Los núcleos de hidrógeno son los más importantes en RMN debido a su ab

c

RMN de todos los núcleos estables de la tabla periódica. Los otros núcleos consisten en

un número creciente de protones y neutrones; cuyos spines y momentos magnéticos

resultan de la suma de los individuales.

Si el número de protones y neutrones de un determinado núcleo es par, la contribución de

éstos al momento magnético total es cero. En los nú

cuales, los spines de cada uno apuntan en direcciones opuestas, resultando el spin del par

igual a cero. Los neutrones se comportan de la misma manera.

23

De esta forma, un núcleo con spin total cero, también tendrá momento magnético cero, y

por lo tanto no será útil para inducir RMN. Es por este motivo por el cual el 16O y el 12C, los

cuales son muy abundantes en los tejidos humanos, no son utilizados en RMN.

os núcleos solamente tendrán spin si tiene un número impar de protones o neutrones; y

L

serán éstos los utilizados para generar imágenes de RMN. (8)

9.1.1 Protones paralelos y antiparalelos al campo Normalmente, los spines de los protones presentes en los tejidos del cuerpo se

encuentran, debido a la agitación térmica orientados al azar. De ésta manera, el momento

magnético total resultante es nulo (figura X).

Figura X.

No obstante, cuando los protones son colocados dentro de un inmenso campo magnético

estático, los spines se orientan preferentemente en la dirección del campo. Los momentos

magnéticos de los protones pueden tener solamente dos orientaciones posibles: paralelo o

antiparalelo al campo. Las dos orientaciones representan para el protón dos diferentes

niveles de energía. (1)

El protón paralelo tiene una energía un poco menor que el protón antiparalelo. Bajo esta

premisa, se puede concluir que cuando un número grande de protones es colocado bajo

un campo magnético constante, después de un pequeño intervalo de tiempo, el número de

protones paralelos será mayor que el de protones antiparalelos.

24

Debido al mayor número de protones paralelos se crea un momento magnético neto en

dirección del campo, denominado vector magnetización o simplemente magnetización (M). Figura XI. (4)

M Figura XI.

Es, este vector magnetización quien, manipulado convenientemente, producirá la señal de

resonancia magnética.

En equilibrio térmic

o el número de protones paralelos respecto al número de protones

antiparalelos en una unidad de masa de tejido viene gobernada por la distribución de

Boltzmann:

Nparalelo = e∆Ε/Κt

Nantiparalelo

Donde:

∆Ε es la diferencia de energía entre los niveles

s la constante de Boltzmann

T es la temperatura absoluta

9.1.2 Movimiento de precesión

Si colocamos un protón en un campo magnético constante de forma tal que su eje de spin

(su momento magnético) forme un ángulo distinto de cero con la dirección del campo; en

K e

25

estas condiciones el campo magnético ejercerá un torque sobre el protón. El torque tratará

de alinear al protón con la dirección del campo magnético. Dado que el protón tiene spin

terminada y manteniendo un ángulo constante con éste. (1)

ste movimiento del vector µ alrededor del campo magnético B, se denomina “Movimiento

ura XII).

lo hecho de estar el núcleo de H bajo un

rio ningún tipo de emisión de rediofrecuencia.

Figura XII

9.1.3 Frecuencia de Larmor

movimiento de precesión se realiza a una determinada frecuencia denominada

cuencia de Resonancia o Frecuencia de Larmor. (1)

Fp = γ B / 2π

(“rota sobre su eje”), el torque no rotará el vector momento magnético µ para alinearlo con el

campo. En cambio, µ precederá alrededor de la dirección del campo magnético con

frecuencia de

E

de precesión” (Fig

El movimiento de precesión aparece por el so

campo magnético y no es necesa

El

Fre

26

Donde:

da en ciclos/segundo o hertz

γ es el cociente giromagnético nuclear

B es el valor del campo magnético efectivo que percibe el núcleo; donde:

B= Bo+Bgrad+Bbioq

El campo magnético efectivo (B) es la suma vectorial del campo magnético externo

producido por el imán (B0) mas el campo magnético sobreañadido que se crea mediante la

tivación de gradientes (BGRA) y el campo magnético inducido por las cargas en

movimiento que forman parte de las diferentes moléculas que hay en las células y que,

que se encuentra el núcleo (BBIOQ).

a suma de los campos magnéticos B0 y BGRA se denomina campo magnético externo. El

ico externo por lo que ejerce un efecto

e pantalla, de manera de que el núcleo percibe un campo magnético inferior al campo

agnético externo. El BBIOQ es proporcional al campo magnético externo a través de una

o (σ ). (8)

e definir como:

Fp= γ. BEXT (1-σ) / 2π

Fp es la frecuencia de precesión, expresa

ac

llamamos entorno bioquímico en el

L

BBIOQ es debido al campo magnético inducido por el movimiento de los electrones alrededor

de los núcleos, siempre se opone al campo magnét

d

m

constante denominada constante de apantallamient

BBIOQ= -σ.BEXT

Ahora la frecuencia de resonancia se pued

27

9.1.4 Importancia de la constante de apantallamiento La frecuencia de resonancia de un núcleo depende de la constante σ como se ha

estructura molecular de la que forma parte el núcleo considerado. Esta propiedad es la

que proporciona a la espectroscopia la posibilidad de det c

demostrado anteriormente. La constante de apantallamiento está relacionada con la

e tar los compuestos que hay

n una determinada muestra. (8)

e

9.2 Generación de la FID

magnetización creado por los protones en un campo

agnético estático es constante en modulo, dirección y sentido, por lo tanto no puede

ducir corriente en la bobina de recepción. Para ser capaz de inducir señal en la bobina,

l vector M debe ser inducido a moverse de su posición de equilibrio. Esto significa que,

l equilibrio de poblaciones que existe entre los estados paralelo y antiparalelo debe ser

odificado.

l equilibrio térmico puede ser perturbado entregando energía adicional al sistema de

rotones en el tejido. Esto puede ser realizado irradiando los protones con ondas

lectromagnéticas (EM) de una frecuencia precisa.

olocando una antena emisora con la dirección de máxima emisión hacia el voxel sobre

l plano transversal y vamos cambiando le frecuencia de emisión, cuando estemos

mitiendo a la frecuencia exacta de la frecuencia del movimiento de precesión, los

úcleos son capaces de absorber energía, es decir, entrar en resonancia.

uando los núcleos del voxel entran en resonancia, la magnetización M se desplaza

alizando un movimiento de giro en espiral respecto a la dirección de B0 a la frecuencia

e precesión y el extremo se va separando de su posición de equilibrio moviéndose

obre una esfera imaginaria conocida como movimiento de “nutación”. (4)

na vez finalizada la emisión de radiofrecuencia, la magnetización va a volver a su

osición inicial mediante un proceso de liberación energética denominada “relajación”. La

lajación se produce ya que los núcleos desprenden el exceso energético que han

bsorbido al entrar en resonancia.

l retorno a la posición de equilibrio de la magnetización produce unas modificaciones de

ampo magnético que pueden ser recogidas mediante una antena receptora; ya que las

ariaciones de campo magnético inducen una señal eléctrica con la que se obtendrán las

ágenes en RM.

Para que el vector magnetización produzca una señal detectable en la bobina de

recepción, su dirección debe variar en el tiempo de forma tal que al menos una

componente del mismo esté apuntando hacia adentro y hacia fuera del eje de la bobina

de recepción.

En equilibrio térmico, el vector

m

in

e

e

m

E

p

e

C

e

e

n

C

re

d

s

U

p

re

a

E

c

v

im

29

Por lo tanto, después de enviar un pulso de radiofrecuencia, la relajación de la

netización induce una señal eléctrica en la antena receptora denominada FID (Free (1)

se obtendrá el espectro compuesta por tantos picos de emisión como

n de Larmor

espectros obtenidos con diferentes equipos.

ara eliminar dicha dependencia se definen las posiciones de las distintas resonancias

(f – f )/ f = ( - )/ (1- )

Mag

Induction Decay). La FID es una señal sinusoide amortiguada.

9.2.1 Obtención del espectro

Luego de haber enviado un pulso de radiofrecuencia de un ancho de banda capaz de

producir la excitación de todos los núcleos de hidrógeno, la señal de relajación obtenida

estará compuesta por distintos tipos de emisión con frecuencias de resonancia

diferentes.

Si esta emisión es recogida por una antena y; luego representada sobre un eje de

frecuencias

núcleos atómicos se encuentren en la muestra.

9.2.2 Desplazamiento químico La escala de valores en el eje de las frecuencias, según ecuació

anteriormente mencionada; depende del valor del campo magnético.

Es decir, que un mismo compuesto en diferentes campos magnéticos presenta diferentes

frecuencias de resonancias. Esta dependencia provoca inconvenientes al comparar

P

mediante una escala relativa de valores respecto a un valor de referencia.

Se define la posición de la frecuencia de resonancia del radical B respecto al radical A

por el cociente:

A B B σB σA σB

30

La posición definida mediante la expresión anteriormente mencionada se conoce como

desplazamiento químico (δ). El cociente sólo depende de la constante de apantallamiento

y es totalmente independiente del campo magnético.

Es un valor adimensional y muy pequeño por lo que es multiplicado por 106 y se expresa

ten una serie de compuestos de referencia a partir de los cuales

rencias más habituales en estudios in vivo.

en partes por millón o ppm. (4)

Para cada núcleo exis

se tabula la posición de los demás. A la posición de referencia de estos compuestos se le

asigna el valor 0 ppm y se ha observado que respecto a ellas, el grupo metil de la

creatina/fosfocreatina aparece a 3.02 ppm y el grupo N-acetilaspartato a 2.02 ppm. Estos

son las refe

31

de la obtención de un espectro de

El primer paso para adquirir un espectro localizado es la obtención de imágenes de

referencia, la cual nos permitirá seleccionar gráficamente la región de la cual interesa

registrar el espectro.

Al obtener la imagen de referencia, se coloca el cursor (normalmente cuadrado o

rectangular) sobre la región de interés. (4)

Vale destacar que el tamaño del cursor es variable y puede adaptarse al tamaño de la

lesión (ya sea difusa o focal) o región seleccionada, la cual puede tener una apariencia

normal.

9.3.2 Extensión a otros núcleos

Para la obtención de espectros de núcleos diferentes al hidrógeno es necesario dotar al

quipo de resonancia de hardware y software adicional.

e necesita una antena sintonizada a la frecuencia de resonancia del núcleo que se

esea estudiar; pero como también será necesario registrar imágenes de referencia, la

ntena debe ser capaz de detectar señal de hidrógeno.

or este motivo son utilizadas antenas doblemente sintonizadas o bien, dos antenas

dependientes ensambladas en una única carcasa; que luego serán activadas una u otra

or medio del hardware.

or lo general se inicia el estudio activando la antena de hidrógeno con la que se

btienen las imágenes de referencia. A continuación se debe ajustar la homogeneidad

el campo magnético en el volumen que se desea estudiar.

uego se selecciona el núcleo del cual se desea registrar el espectro y se ajusta el

ansmisor, la frecuencia y el receptor de manera automática o manual según cada

equipo.

9.3 Adquisición de un espectro

A continuación se detallan las etapas en las se divi

protón.

9.3.1 Imagen de referencia y selección del volumen de interés

e

S

d

a

P

in

p

P

o

d

L

tr

32

9.3.3 Procesamiento del espectro

El procesamiento y análisis de los estudios espectroscópicos tienen como finalidad la

obtención de información sobre los compuestos presentes, su concentración y su

ntorno.

l finalizar la adquisición de los datos, algunos equipos en menos de un minuto realizan

el cual se

btiene información cuantitativa de los distintos metabolitos presentes.

uye entre 8- 20 minutos.

e

A

el procesamiento y análisis de dichos datos, y permiten ver el espectro d

o

Otros equipos tienen sistemas semiautomáticos de procesamiento y análisis un poco

más largos.

El tiempo empleado para la obtención del espectro de voxel único oscila entre 8- 40

minutos; aunque en la práctica éste dismin

Figura XIII

33

Como se ha descrito anteriormente, después de enviar una secuencia de pulsos de

diofrecuencia, la relajación nuclear induce una corriente eléctrica en la antena

ides originadas por los diferentes componentes de la muestra, la amplitud de la

radiación emitida por un núcleo en función de la frecuencia de resonancia

e dicho núcleo. Esto constituye el espectro de resonancia magnética nuclear (figura XIII

finalización del pulso

de excitación y el inicio de la detección de la señal, distorsiones causadas por el sistema

de recepción y anomalías en la detección de la fase es necesario realizar una corrección

de la fase que produce el espectro final que puede ser analizado (figura XIII c).

En la práctica pueden realizarse una serie de manipulaciones sobre la FID o sobre el

espectro, como por ejemplo la apodización de la señal mediante la aplicación de

diferentes funcione (exponencial, trapezoidal, sinusoidal, etc.) con el objetivo de eliminar

ruido del espectro aún a costa de perder un cierto grado de resolución y sensibilidad.

9.3.4 Análisis del espectro

Después del procesado de la señal original; se inicia el análisis del espectro para extraer

la información deseada. Los parámetros estudiados son los siguientes:

1. La posición de la resonancia permite identificar al compuesto que origina la señal.

2. El área bajo cada resonancia se puede cuantificar mediante procedimientos manuales

o semiautomáticos y es proporcional al número de núcleos que contribuyen a la señal,

on lo cual se puede llegar a determinar la concentración del compuesto.

ra

receptora.

Esta señal es la que constituye la FID (figura XIII a). La FID es una señal compuesta por

las sinuso

misma se encuentra relacionada con la concentración de núcleos presentes en dicha

muestra y la frecuencia de cada una de ellas se encuentra determinada por el campo

magnético efectivo que percibe cada uno.

Si a la FID se le aplica la transformada de Fourier se obtiene una representación de la

intensidad de

d

b).

Debido a características técnicas como puede ser el retraso entre la

c

34

Se pueden encontrar dos métodos de cuantificación:

-Cuantificación Relativa a través de porcentajes respecto a la suma de las áreas de todas

uesto del cual se conoce con exactitud la

de la altura es inversamente proporcional

oléculas

las resonancias presentes en el espectro. Esta es la forma más habitual de presentar los

resultados.

-Cuantificación Absoluta mediante la utilización de una referencia interna (agua, creatina

total, etc.) o externa (agua u otro comp

concentración).

3. El ancho de banda de la frecuencia a mitad

al tiempo de relajación transversal T2 del núcleo. En efecto, cuanto mayor es el valor de

T2 más sincrónica es la relajación de los núcleos lo cual implica que se relajan a

frecuencias muy similares y, en consecuencia, la resonancia es más estrecha. (1)

Los núcleos integrados en estructuras rígidas como pueden ser macrom

presentan valores de T2 muy cortos originan resonancias muy anchas y, en

consecuencia de baja amplitud que son difíciles de detectar y pueden contribuir a

complicar el análisis de espectros registrados con un TE corto.

35

10. Conclusión La espectroscopia por resonancia magnética es una herramienta que cobró en los

últimos años una gran importancia diagnóstica debido principalmente a que es una

técnica no invasiva que ofrece información del metabolismo in vivo.

frece una valoración bioquímica, metabólica y funcional en enfermedades sobre todo

ede determinar cualitativamente y cuantitativamente gran variedad de

etabolitos presentes en los tejidos; proporcionando una extensa información sobre su

etabolismo.

e en la

les características de los

iversos tipos tumorales.

a espectroscopia ha sido utilizada en distintas enfermedades neurológicas, entre las

ue podemos mencionar el infarto cerebral, epilepsia, etc.

La espectroscopia además de realizar el análisis de protones puede también estudiar el

etabolismo tisular determinando el ATP, fosfocreatina y fosfatos inorgánicos, mediante

utilización de fosforo-31; adicionalmente se puede medir el ph intracelular, observando

variación química del pico de señal del fosfato inorgánico.

Es una técnica en mejora continua, la cual se considera muy promisoria en la

vestigación no invasiva del metabolismo cerebral in vivo, tanto en condiciones normales

omo en enfermedades neurológicas agudas y crónicas.

o tiene contraindicaciones, exceptuando a aquellos pacientes portadores de

marcapasos, transplantes de oído interno y algunos clips de aneurismas cerebrales. (1)

O

del sistema nervioso central, que complementan los estudios convencionales.

Este método pu

m

m

El estudio de los protones en el cerebro humano mediante espectroscopia tiene tres

ventajas fundamentales: la abundancia de los protones en forma 100% natural evita la

necesidad de utilizar sustancias radiactivas para su realización; puede efectuars

mayoría de las máquinas de resonancia magnética utilizadas para la evaluación clínica

del paciente, sin necesidad de efectuar modificaciones significativas en su hardware y es

una técnica de alta especificidad.

Gracias a este método se han dado a conocer las principa

d

L

q

m

la

la

in

c

N

36

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