Fundamentos de la Resonancia Magnética: Espín Protónico y Contraste T1, T2, DP

Fundamentos del Espín Nuclear y la Estructura del Protón

¿Por qué los protones tienen un espín 'up'? ¿Cuál es el espín neto de un núcleo de hidrógeno?

Los núcleos de los átomos están formados por protones y neutrones (nucleones). Estos, a su vez, están formados por tres quarks que giran sobre sí mismos:

• En los protones: Están compuestos por dos quarks arriba (up) y uno abajo (down). Dos de los quarks giran en un sentido y el tercero en sentido opuesto. Al asignar una dirección de espín en función del sentido de giro, el espín neto resultante es up (dos espines up se suman y uno down se resta, resultando en un espín neto up).
• En los neutrones: Están formados por un quark arriba (up) y dos quarks abajo (down). El espín neto resultante es down.

El hecho de que los quarks giren en diferentes direcciones confiere al nucleón un movimiento de giro global, denominado espín. Este espín es 'up' para los protones y 'down' para los neutrones.

Dado que el núcleo de hidrógeno ($ ext{}^1 ext{H}$) solo contiene un protón, su espín neto es up.

Interacción de Núcleos con Campos Magnéticos y Radiofrecuencia

Efecto de un Campo Magnético Externo ($B_0$)

¿Qué les sucede a los núcleos cuando son sometidos a un campo magnético externo? Al someter estos núcleos a un campo magnético externo potente ($B_0$), todos se alinean en dos posibles estados: paralelo o antiparalelo al campo.

• Los núcleos en la posición paralela están en un estado de menor energía.
• Los núcleos en la posición antiparalela están en un estado de mayor energía.

Debido a la diferencia energética, la mayoría de los núcleos ocupan la posición paralela. Al estar alineados y ser mayoría en una dirección, se genera una magnetización neta con un vector longitudinal.

Respuesta a un Pulso de Radiofrecuencia (RF)

¿Y cuándo, estando sometidos a este campo magnético, reciben un pulso de radiofrecuencia?

Un pulso de RF solo excita a los núcleos que precesan con su misma frecuencia (frecuencia de Larmor). Al aplicar el pulso, los núcleos absorben energía y cambian su estado de espín. Podemos modular la frecuencia de los pulsos de RF para obtener cortes sucesivos en la imagen por resonancia magnética (IRM).

Potenciación de la Imagen por Resonancia Magnética

Definición de Potenciación

Llamamos potenciación a la manera diferente de formar la imagen con la cual podemos diferenciar distintos tejidos, basándose en las propiedades de relajación de los núcleos de hidrógeno.

Potenciación por Densidad Protónica (DP)

La potenciación por Densidad Protónica (DP) implica medir la magnetización total. Estamos observando la densidad de los núcleos de hidrógeno ($ ext{H}$). Como cada núcleo de $ ext{H}$ suma una pequeña cantidad de magnetización, la magnetización total ($M_0$) estará directamente relacionada con el número de núcleos de $ ext{H}$ presentes.

La densidad DP indica la cantidad de núcleos de hidrógeno en un tejido. Cuanto mayor sea el número de núcleos de hidrógeno, mayor será el valor de $M_0$. Para obtener una imagen potenciada en DP, nos interesa dejar que el proceso de relajación finalice completamente, utilizando:

• Tiempos de Repetición (TR) largos.
• Tiempos de Eco (TE) cortos.

Potenciaciones Basadas en Tiempos de Relajación (T1 y T2*)

Las potenciaciones en T1 y T2* se basan en los procesos de relajación que ocurren después de la excitación por RF.

Relajación Longitudinal (T1)

La relajación T1 (o relajación longitudinal) describe cómo el vector de magnetización longitudinal se recupera hasta alcanzar el equilibrio térmico. Depende de cuántos núcleos de hidrógeno están en paralelo y cuántos en antiparalelo.

Cuando se aplica un pulso de 90º, el vector longitudinal se vuelve cero, ya que se cancela al haber el mismo número de núcleos paralelos y antiparalelos. Con el tiempo, los núcleos vuelven a la posición paralela (menor energía) hasta llegar al equilibrio térmico.

Relajación Transversal (T2*)

La relajación T2* (o relajación transversal) describe la pérdida de coherencia de fase de los núcleos. Depende de las interacciones que tengan los núcleos con el medio circundante y las inhomogeneidades del campo magnético.

Cuando se lanza el pulso de RF, todos los núcleos precesan en fase (girando juntos). Cuando el pulso termina, comienzan a desfasarse. Llega un punto en que miran cada uno hacia un lado, y el vector transversal se vuelve cero porque se cancelan entre sí.