Bazele Imagisticii Prin Rezonanta Magnetica

Imagistica prin rezonanta magnetica(IRM) constituie o metoda non-invaziva deexaminare a afectiunilor neuron-musculo-scheletale.Obtinerea imaginilor prin rezonantamagnetica nucleara are la baza tehnologia rezonantei magnetice nucleare(rmn)utilizata inchimie pentru determinarea structurii substanrei.IRM se bazeaza pe descoperirea facuta in 1946 de Felix Bloch si EdwardPurcell(Premiul nobel,1952),care au constatat ca in prezenta campului magneticintens,nucleele se comporta ca niste magneti.Imaginile prin rezonanta magnetica nucleara se obtin ca urmare a absorbtiei si emisiei energiei din domeniul radiofrecventelor (RF)alespectrului electromagnetic de catre spinii protonilor.

Desi initial termenul adoptat pentru aceasta tehnica a fost imagistica prin rezonanta magnetica nucleara(Irmn), data fiind conotatia termenului nuclear incepand inca din 1970 s-a preferat varianta IRM.

Bazele imagisticii prin rezonanta magnetica:

La baza IRM sta capacitatea de localizare spatiala a atomilor de hydrogen din organism care genereaza campuri magnetice de mica intensitate. Vectorii de intensitate ai campului magnetic generate de nuclee de hydrogen au o distributie inselatoare, astfel in ansamblu, intensitatea campului magnetic rezultant este nula, desi concentratia atomilor de hydrogen din organism este foarte mare (80%).

In prezenta unui camp magnetic intens, fiecare dintre micii magneti generati de nuclee de hydrogen tind sa se orienteze pe directia campului exterior, paralel sau antiparalel cu acesta. Magnetii produsi de nucleele de hydrogen nu sunt stationari ci se rotesc in jurul campului magnetic exterior,executand o miscare de precesie asemanatoare unui titirez.

Frecventa miscarii de precesie sau Larmor, depinde de natura nucleului si de intensitatea campului magnetic exterior.

In cazul protonilor ea se deplaseaza in domeniul undelor de radiofrecventa (RF). Prin aplicarea unui camp magnetic cu o frecventa identicl cu frecventa Larmor, protonii absorb energia cuantei, ceea ce determina devierea magnetizarii produse de spini cu un unghi a carui valoare depinde de intensitatea si durata actiunii campului RF. Unghiul sub care se aplica acest camp este de 90 sau 180 de grade.

Dupa incetarea actiunii undei excitatoare urmeaza asa-numita relaxare, prin care energia acumulata de la unda de radiofrecventa este eliberata ,ceea ce determina realinierea magnetizarii nete de-a lungul axei Z. Energia eliberata este detectata de bobine,care actioneaza ca o antena, receptioneaza semnalul emis permitand obtinerea imaginii.

Bazele fizice ale formarii imaginii: Spinul protonilor

Nucleele de hidrogen(protoni) sunt caracterizate de spin,motiv pentru care sunt capabile sa genereze semnale de rezonanta magnetica. Protonul se comporta ca un magnet fiind caracterizat de cei doi poli, nord si sud. Dipolii magnetici proveniti din spinii protonilor au in absenta unui camp magnetic exterior, orientari haotice care nu permit sesizarea pe ansamblu a unei magnetizari-

Efectul aplicarii unui camp magnetic asupra dipolilor magnetici generate de spinii protonilor:

Analog electronului din atom, spinii sunt caracterizati de nivelele de energie. Aplicarea unui camp magnetic exterior va determina orientarea dipolilor elementari produsi de spin pe directia acestuia. La echilibrul termodinamic, numarul dipolilor orientati in sensul campului exterior depaseste cu putin numarul celor orientati paralel. In acest mod apare o magnetizare neta ,notata.

Frecventa de rezonanta (Larmor):

In realitate, micii magneti generati de spin nu se plaseaza pe directia campului exterior, ci executa o miscare de procesare in jurul lui similara cu miscarea unui titirez. Frecventa de precesie a unui spin aflat in campul magnetic exterior denumita si frecventa de rezonanta ,este direct proportionala cu intensitatea campului magnetic (legeaLarmor): Frecventa miscarii de precesie = Raportul giromagnetic x Intensitatea campului magneticexterior. Cu toate ca spinii nucleelor de hydrogen au aceeasi frecventa de rotatie, fazele lor difera.

Tranzitii:

Protonul poate suferi o tranzitie intre cele doua stari energetice prin absorbtia unui foton. Rezultatul tranzitiei este trecerea protonului din starea de energie minima in cea maxima.

Pentru ca absorbtia fotonului sa fee posibila este necesar ca energia lui sa fie identica cu diferenta dintre energiile celor doua stari.

Efectul aplicarii si intreruperii actiunii unui camp magnetic cu frecventa Larmor (plasata in domeniul radiofrecventelor si RF) asupra spinilor.

Daca pacientul aflat in campul magnetic intens B0 se aplica un camp magnetic B1cu frecventa din domeniul radiofrecventelor (RF) egala cu frecventa larmor, energia undei este absorbita, iar protonul trece intr-o stare de energie mai mare. Rezultatul aplicari iacestui camp este refazarea spinilor.

La nivel macroscopic aceasta echivaleaza cu o miscare pe o spirala catre planul XY sau cu o rotire a vectorului M0 plasat initial de-a lungul axei Z spre planul XOY. In rezonanta magnetica, pentru o mai buna intelegere a fenomenelor, este util sa raportam miscarea la doua sisteme de referinta:-Sistemul de referinta fix in care spinii executa o miscare de precesie.-Sistemul de referinta rotativ, solidar cu protonii fata de care laboratorul executa o miscare de rotatie, iar spinii apar stationari. La intreuperea actiunii undei de radiofrecventa, energia primita este eliberata, frecventa undei emise fiind egala cu cea a undei absorbite. Spinii excitati incep sa revina la pozitia initiala. Revenirea la starea de echilibru termodinamic este caracterizata de timpul T1,numit timp de relaxare longitudinal sau timp de relaxare spin-retea. Concomitent se produce defazarea spinilor din planul XOY, definite de timpul de relaxare transversal sau timpul de relaxare spin-spin.

Emisia radiatiei electromagnetice generate de rotatia vectorului intensitate a campului magnetic

Dupa ce vectorul intansitate al campului magnetic Mz a fost deviat fata de axa Z, el continua sa execute o miscare de precesie cu frecventa Larmor in jurul campului magnetic exterior B0. Deoarece orice camp magnetic in rotatie genereaza o unda electromagnetica, rezultatul obtinut va fi emisia unei unde de frecventa din domeniul undelor radio care constituie semnalul RM preluat de o bobina.

Timpul de relaxare T1:

Asa cum am aratat, magnetizarea neta poate fi modificata prin aplicarea unei energii a carei frecventa este egala cu diferenta dintre cele doua stari ale spinului. Dacaenergia externa este suficient de mare, componenta Mz scade in timp ce componenta din planul XY creste. La intreruperea campului RF spinul trece dintr-o stare de energie mare intr-una de energie mica, prin emisia de energie. Energia emisa are doua componente:-Energia undei de RF care constituie semnalul RM-Energia cedata sub forma de caldura tesutului inconjurator, sau altfel spus retelei. Interactiunea spin-retea este rezultatul trecerii sistemului excitat la starea de echilibru termodinamic. In sistemul de referinta al laboratorului acest fenomen este echivalent cu descresterea componentei Mxy a magnetizarii si cresterea componentei Mz spre valoarea initiala. Fenomenul este descris de timpul de relaxare longitudinal T1, denumit si timp de relaxare spin-retea.

Interactiunea spin-spin. Defazarea:

Pentru un proton izolat viteza precesiei este determinata exclusiv de intensitatea campului magnetic exterior B0. Cand spinii sunt deviati spre planul XY, ei sunt in faza. Ca urmare a deplasarii haotice a spinilor, acestia ajung unul in apropierea celuilalt si interactioneaza. Consecinta interactiunii spinilor este defazarea lor si reducerea semnalului. Fenomenul este descris de timpul de relaxare transversal T2 sau timp derelaxare spin-spin.

Timp de relaxare T2:

Constanta care descrie revenirea la echilibru a magnetizarii transversale Mxy, poarta numele de timp de relaxare spin-spin, notat cu T2, definit ca timpul de la excitare dupa care amplitudinea semnalului s-a redus la 38,8%. Valoarea lui T2 este caracteristica pentru fiecare tesut si depinde de mediul inconjurator fiind practic independenta de intensitatea campului magnetic extern. Desi procesele de relazare au fost tratate separate, in realitate ele au loc concomitant cu mentiunea ca T2 este cel mult egala cu T1.

Scaderea intensitatii semnalului:

Imediat dupa intreruperea actiunii campului magnetic cu frecventa undelor radio, protonii incep sa emita energia absorbita. Daca omogenitatea campului magnetic nu este afectata de factori perturbatori, toti protonii vor oscila cu frecventa de rezonanta. Amplitudinea initiala a semnalului depinde de unghiul de deviere a spinului fata de axa Z spre planul XY. Semnalul maxim se obtine pentru o deviere de 90 de grade fata de axa Z .Scaderea intensitatii semnalului va fi utilizata pentru receptionarea imaginii prin aplicarea transformarilor Fourier care fac conversia de la domeniul timp la domeniul frecventa.

Timp de relaxare real:

In realitate, scaderea semnalului are loc mai repede decat teoretic datorita neomogenitatii campului magnetic si a susceptibilitatii magnetice a diferitor tesuturi care determina distorsiuni in special la suprafata de separatie dintre tesut si aer.