40
Universitatea de Medicina si Farmacie “Gr. T. Popa”, Iasi Facultatea de Bioinginerie Medicala Specializare: Balneofiziokinetoterapie si Recuperare Rezonanţă magnetică nucleară (RMN) Studentă: Ciumanghel Ioana – Marina An III, grupa 4

Rezonanta magnetica nucleara

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Rezonanta magnetica nucleara

Universitatea de Medicina si Farmacie “Gr. T. Popa”, IasiFacultatea de Bioinginerie MedicalaSpecializare: Balneofiziokinetoterapie si Recuperare

Rezonanţă magnetică nucleară(RMN)

Studentă:Ciumanghel Ioana – Marina

An III, grupa 4

IAŞI-2011-

Page 2: Rezonanta magnetica nucleara

CuprinsI. Generalităţi

1. Cand a apărut RMN-ul?

2. Cine a inventat RMN-ul?

3. Ce face scanner-ul RMN?

4. Indicaţiile explorării IRM

5. Contraindicaţiile investigaţiei prin rezonanţă magnetică

6. Cât de sigur este RMN-ul?

7. Cum se desfăşoară examinarea?

8. Ce magneţi sunt folosiţi?

9. Dezavantajele RMN-ul

II. Imagistica medicală folosind rezonanţa magnetică nuclear

Principiile generale ale imagisticii medicale

III. Imagistica de rezonanţă magnetică nucleară

1. Principii

2. Spectre de rezonanţă magnetică nucleară

3. Spectroscopia RMN bidimensională

4. Relaxarea spinilor

5. Imagistica de rezonanţă magnetică (IRM)

6. Instalaţia

7. Achiziţia de date şi construirea imaginii

8. Calitatea imaginii

9. Contrastul

10. Rezoluţia

11. Zgomotul

Page 3: Rezonanta magnetica nucleara

Rezonanţa magnetică nucleară (RMN)

I. Generalităţi

1. Când a apărut RMN-ul?

La data de 3 iulie, în 1977. Atunci s-a efectuat prima scanare de genul

acesta pe o fiinţă umană şi obţinerea unei singure imagini a durat aproape 5

ore, iar după standardele din zilele noastre, imaginea a fost catalogată ca fiind

deplorabilă. Cam prin 1982 existau cam 5-6 astfel de maşinării pe suprafaţa

Statelor Unite. În ziua de azi există mii de astfel de aparate, în toată lumea, şi

tehnologia continuă să evolueze. Am reuşit să obţinem în secunde ce iniţial

obţineam în ore.

2. Cine a inventat RMN-ul?

Un anume fizician Dr. Raymond Damadian, împreună cu doi colegi :

Dr. Larry Minkoff şi Dr. Michael Goldsmith. Deşi prima apariţie a acestei

tehnologii a fost aproape inobservabilă, după 7 ani de muncă şi cercetări

intense, aceşti trei oameni au oferit medicinei un pilon extrem de important.

3. Ce face scanner-ul RMN?

Cu ajutorul unor impulsuri de energie sub formă de unde radio,

scanner-ul vede absolut tot ce se află într-un om, poate determina tipurile de

ţesut din el şi poate detecta orice obiect/formaţiune straină, fie ea cât de mică.

Scanner-ul RMN, scanează corpul uman strat cu strat, punct cu punct, pentru

a crea hărţi 2D sau 3D a ţesuturilor. La urmă pune toate informaţiile la un loc

pentru a crea imagini 2D sau modele 3D, foarte utile la diagnosticare.

Imagistica prin rezonanţă magnetică (IRM) sau Rezonanţa magnetică

nucleară (RMN) reprezintă o investigaţie modernă, foarte performantă,

ce oferă informaţii mai precise decât radiografia, ecografia sau tomografia

computerizată. RMN-ul foloseşte un câmp magnetic şi unde de radiofrecvenţă

pentru a oferi imagini ale diferitelor organe şi ţesuturi ale corpului. În anumite

Page 4: Rezonanta magnetica nucleara

situaţii, pentru o mai bună vizualizare a organelor, se pot folosi substanţe de

contrast.

Tehnica IRM este o metodă imagistică ce nu foloseşte radiaţia X ci

foloseşte proprietăţile protonilor de hidrogen (H+) din corpul omenesc, care

este format în proporţie de peste 90% din apă. Rezonanţa reprezintă

schimbul de energie între două sisteme ce oscilează cu aceeaşi frecvenţă.

Undele utilizate sunt unde de radiofrecvenţă (RF cu intensitate cuprinsă între

1 si 100MHz). 

IRM-ul este folosit pentru diagnosticarea unei mari varietăţi de

afecţiuni. Practic tot corpul poate fi cercetat cu acestă investigaţie, iar

modificările patologice sesizate sunt dintre cele mai mici.

Trebuie subliniat înca de la început faptul că în acest câmp magnetic

nu pot fi introduse metale sau alte dispozitive feromagnetice ce ar putea fi

atrase în interiorul tubului. Este vorba de o tehnică de imagistică secţională

multiplanară care prezintă capacitatea de a achiziţiona imagini 2D în oricare

din cele trei planuri fundamentale (axial, sagital, coronal), oblice sau imagini

tridimensionale 3D, cu un contrast optim intertisular.

IRM este metoda de explorare imagistică prin care se obţin secţiuni

tomografice cu grosimi de 1-30 în oricare plan al spaţiului, prin utilizarea unor

impulsuri de radiofrecvenţă într-un câmp magnetic intens şi omogen. Se

bazează pe comportamentul nucleilor atomilor într-un câmp magnetic intens -

în particular al nucleilor de hidrogen care se găsesc din abundenţă în corpul

uman - şi pe fenomenul de rezonanţă al acestora în câmpul magnetic la

aplicarea unui puls de radiofrecvenţă cu o frecvenţă specifică.

Informaţiile obţinute prin investigaţia imagistică prin rezonanţa

magnetică (IRM) pot fi stocate şi salvate în formă electronică. De asemenea,

în cazul în care situaţia o cere, aceste informaţii pot fi transformate în poze

sau filme.

Magnetul superconductibil, trebuie răcit cu heliu şi este de regulă de

mare intensitate, intensitate care poate varia cel mai frecvent pentru uzul

clinic între 0,5 si 3 tesla. Există şi magneţi destinaţi cercetării în care se pot

introduce animale mici sau mostre de material biologic care pot ajunge până

la intensităţi de 11 - 13 T. Magnetul este întotdeauna activ, "puterea" sa fiind

Page 5: Rezonanta magnetica nucleara

foarte mare, putând atrage o cheie din fier masiv de 25 cm de la o distanţă

mai mare de 7 m.

Pe masură ce intensitatea magnetului creşte, imaginile devin "mai

bune", crescând rezoluţia spaţială, iar secvenţele devin mai scurte. Există

însă şi dezavantaje, la câmpuri de intensitate mai mare, tehnicile de achiziţie

sunt puternic influenţate de artefacte; cele mai mici anomalii putând să ducă

la compromiterea totală a unei serii achiziţionate. 

Echilibrul între avantajele unui câmp "mare" şi dezavantajele acestuia

s-au stabilit la 1,5 T. La această intensitate se pot obţine imagini foarte bune,

cu o rezoluţie spaţială ce poate scădea sub 1mm, fără deteriorarea imaginilor

şi fără artefacte. 

Practic, pacientul este introdus într-un câmp magnetic de intensitate

crescută ce aliniază toţi protonii din organism pe aceeaşi direcţie. Alinierea

protonilor în câmp magnetic se face paralel cu câmpul magnetic principal sau

antiparalel cu el. Alinierea paralelă corespunde unui nivel minim energetic, iar

cea antiparalelă unui nivel maxim. 

Protonii aliniaţi nu se vor afla însă în repaus, ci într-o mişcare

permanentă de precizie asimilată cu mişcarea titirezului în jurul unui ax

imaginar. Pentru fiecare grup de secvenţe, caracteristicile tisulare ale

diferitelor structuri din organism se vor exprima printr-un semnal mai intens

sau mai puţin intens (mai alb - hipersemnal sau mai negru - hiposemnal).

Există ţesuturi foarte bogate în protoni - H+ (apa) şi ţesuturi foarte sărace în

H+ (corticala osoasă).

4. Indicaţiile explorării IRM cuprind:

 • Capul şi gâtul: IRM poate detecta anevrisme, sângerări cerebrale,

leziuni nervoase, accidente vasculare cerebrale, afecţiuni ale ochiului,

urechilor etc;

• Regiunea toracică: poate diagnostica afecţiuni ale cordului,

plămânilor, vaselor de sânge, cancerul de sân, cancerul pulmonar;

• Regiunea abdominală şi pelvisul: poate depista leziuni ale aproape

tuturor organelor abdominale şi pelvine: ficat, pancreas, splină, rinichi, vezică,

uter, ovare, prostată. Este un instrument folositor în diagnosticarea tumorilor

Page 6: Rezonanta magnetica nucleara

acestor organe, infarctelor, infecţiilor;

• Oasele şi articulaţiile: poate diagnostica tumori osoase, fracturi,

rupturi de tendoane şi ligamente, infecţii ale oaselor;

• Vasele de sânge: există o variantă de rezonanţă magnetică numită

Angio-RMN, specializată pe investigarea vaselor de sânge şi circulaţiei. Este

utilă în depistarea cheagurilor, trombozelor, anevrismelor şi altor afecţiuni

vasculare.

5. Contraindicaţiile investigaţiei prin rezonanţă

magnetică:

Există câteva categorii de persoane care nu pot beneficia de această

investigaţie, pentru care medicul trebuie să găsească metode alternative de

diagnostic:

• Persoanele alergice la substanţa de contrast – acestea sunt pe bază

de iod şi dacă există antecedente de alergie la diferite substanţe ce conţin

iod, investigaţia nu trebuie să aibă loc, deoarece riscurile sunt mai mari decât

beneficiul;

• Pacientele însărcinate;

• Pacienţii care au implanturi metalice: pacemakere, proteze de şold,

tije, valve cardiace metalice, sau orice alt fel de metal fixat pe corp. Orice

obiect metalic introdus în câmpul magnetic al aparatului de rezonanţă

magnetică devine un potenţial pericol;

• Pacientele cu dispozitive intrauterine trebuie să informeze medicul

asupra lor, deoarece unele contraindică investigaţia;

• Pacienţii cu boli renale nu pot primi substanţa de contrast;

• Pacienţii claustrofobi, agitaţi, care fac convulsii.

6. Cât de sigur este RMN-ul?

Scannerele RMN au nişte magneţi extraordinari de puternici.

Intensitatea lor se măsoară în nişte unitaţi numite tesla(1 tesla=10.000

gauss). Scannerele din ziua de azi variază de la 0.5 tesla până la 2 tesla

(5.000 gauss pâna la 20.000 gauss). În medicină nu exista magneţi mai

puternici de 2 tesla, deşi în cercetări se folosesc magneţi de până la 60 tesla.

Page 7: Rezonanta magnetica nucleara

Ca să înţelegeţi mai bine cât de puternici sunt aceşti magneţi, gândiţi-vă că

Pământul are un câmp magnetic cu o intensitate de aproximativ 0.5 gauss (2

tesla = 20.000 gauss).

Toţi pacienţii, înainte de a intra în camera scannerului, sunt rugati sa

indeparteze orice formă de metal, iar dacă au metale în ei nu se efectueaza

astfel de scanări (obiectele metalice din ei, depinzând de formă, mărime şi

densitate ar fi efectiv smulse din ei, sau ar vibra în ei cauzând multe traume).

Totuşi sunt câteva excepţii permise, cum ar fi majoritatea implanturilor

ortopedice, care deşi sunt feromagnetice, sunt foarte bine prinse de om. Tot o

excepţie constituie şi unele copci metalice, care după aproximativ 6

săptamani pot fi ţinute cu uşurinţă, de ţesutul uman, la locul lor.

7. Cum se desfăşoară examinarea?

Pacientul intră în camera de dezbrăcare, se dezbracă de hainele

purtate şi îmbracă un halat de unică folosinţă.

Înainte de a fi introdus în aparatul de rezonanţă magnetică pacientul

trebuie să înlăture orice obiect metalic pe care îl are asupra sa: ceas,

monede, agrafe de păr, bijuterii, plăci dentare, dispozitive de auz, carduri.

Este introdus în camera unde există magnetul şi este aşezat pe masa de

examinare de către personalul medical. În anumite situaţii, pe corpul

pacientului se aşează bobinele emiţătoare şi receptoare de unde de

radiofrecvenţă.

În timpul testului pacientul trebuie să stea întins pe o masă, nemişcat,

şi să efectueze comenzile pe care medicul i le cere. Testul durează de regulă

între 30 şi 60 de minute însă se poate prelungi în funcţie de ceea ce se

investighează.

  Pacienţii care se simt incomfortabil in interiorul magnetului trebuie

sedaţi pentru a se relaxa, sau pot fi investigaţi în aparate care au magnetul

deschis (nu înconjoară în totalitate corpul).

  Investigaţia nu produce durere, însă uneori poate apărea o senzaţie de

răceală sau căldură, furnicături, dificultăţi de respiraţie, greaţă, ameţeală.

Dacă este necesar, se va injecta substanţa de contrast paramagnetică.

Aceste substanţe sunt sigure, iar efectele adverse apar extrem de rar. Pentru

Page 8: Rezonanta magnetica nucleara

această explorare cu contrast este necesară analiza sanguină a ureei şi

creatininei, realizată cu 24-48 de ore înaintea examinării.

  Există mai multe tipuri de IRM, specializate pe diferite segmente: IRM

de difuzie, Angio- RMN, IRM funcţional, fiecare dintre acestea având o

aplicabilitate restrânsă.

Se face:

RMN FETAL. Când există suspiciuni de malformaţii sau când ecografia

nu oferă suficiente informaţii, medicii pot da un diagnostic folosindu-se de

RMN. El vizualizează malformaţii craniene, printre care ventriculomegalia

asimetrică, agenezia de corp calos, malformaţiile fosei posterioare, tumori.

RMN fetal poate vedea, de asemenea, herniile diafragmatice, malformaţiile

scheletice sau malformaţiile renale şi vezicale

RMN DESCHIS. Unele tipuri de RMN, numite RMN deschise, sunt

construite în forma literei C, aşa încăt magnetul să nu înconjoare corpul

pacientului în întregime. Aparatele deschise au avantajul că pot fi folosite

pentru pacienţii claustrofobi, pentru obezi sau pentru copii, care nu vor mai

intra astfel în panică în interiorul magnetului. Din păcate, acest tip de RMN nu

se întălneşte prea des.

Deşi este o metodă diagnostică extrem de utilă şi cu foarte multe

indicaţii, investigaţia prin rezonanţa magnetică rămâne totuşi un examen

destul de scump şi disponibil doar în marile centre medicale.

Din punct de vedere biologic nu s-a descoperit încă nici un pericol.

Totuşi se evită scanarea femeilor însărcinate. Încă nu se ştie cum ar putea

afecta un câmp magnetic atât de puternic un fetus în plină dezvoltare. Primul

trimestru al sarcinii e critic deoarece e perioada în care fetusul se dezvoltă cel

mai mult. Orice scanare după această perioadă se face după îndelungi

consultări cu un radiolog şi un obstetrician, pentru a determina dacă e în

siguranţă efectuarea unei scanări. Dacă o doamnă doctor e însarcinată, şi are

treabă cu scannerul, ea nu are voie să intre în camera cu aparatul în sine.

Poate totuşi supraveghea procesul din anexa de comandă.

Page 9: Rezonanta magnetica nucleara

8. Ce magneţi sunt folosiţi?

La scannerele astea se folosesc 3 tipuri de magneţi:

magneţi rezistivi,

magneţi permanenţi

 magneţi supraconductori. 

Magneţii supraconductivi sunt similiari magneţilor rezistivi, numai că

firele bobinei se află într-o baie de heliu lichid, care are o temperatură de 452

de grade sub 0. Greu de imaginat că intri într-un aparat, şi eşti înconjurat de

un lichid atât de rece, dar totuşi adevărat. E foarte bine izolat în schimb,

printr-un sistem de vid. De ce e nevoie de heliu lichid şi temperatură în halul

ăsta de scăzută? Temperatura aduce rezistenţă firelor bobinei la 0, ceea ce

face aceste sisteme extrem de ieftine de operat. Deşi scannerele cu acest tip

de magnet sunt încă foarte scumpe, ele sunt foarte utile, fiind capabile să

genereze intensitatea de 2 tesla, cu care se obţin cele mai detaliate şi mai

clare imagini.

9. Dezavantaje RMN-ul

Oamenii care au aparate numite “Pacemaker” , pot fi puşi în pericol.

Unii oameni sunt prea dolofani ca să poată fi scanaţi.

Efectul claustrofibic pe care îl provoacă spaţiul din interiorul aparatului.

Sunt extrem de zgomotoase scannerele provocând un sunet de

lovitură de ciocan repetat, care poate fi extraordinar de enervant.

Majoritatea pacienţilor poartă dopuri de ureche, căşti şi unora li se

permite să asculte muzică. Cu cât e mai puternică intensitatea

câmpului magnetic, cu atât e mai puternic zgomotul.

Când pacientul este scanat trebuie să stea absolut nemişcat, iar o scanare

poate dura între 30 si 60 de, mulţi adormind în interiorul aparatului. Orice

mişcare va face imaginea să fie neclară, deci trebuie să stai complet

nemişcat. Articole ortopedice (şuruburi, tije, articulaţii artificiale) pot provoca

distorsionări în câmpul magnetic. Pentru o imagine cât mai clară câmpul

Page 10: Rezonanta magnetica nucleara

trebuie să fie aproape perfect. Scannerele RMN sunt extrem de scumpe, iar

costurile unei scanări sunt, şi ele, extrem de scumpe.

II. Imagistica medicală folosind rezonanţa

magnetică nucleară

Principiile generale ale imagisticii medicale

Sintagma imagistică medicală se referă la obţinerea de informaţii

privind starea fiziologică ori patologică, pe baza interpretării imaginii unei

porţiuni a corpului. Definit în felul acesta termenul este foarte larg deoarece

imaginile ce se pot obţine se bazează pe fenomene diferite, deci poartă

informaţie diferită. Ele au totuşi unele elemente comune:

- reprezintă imagini construite, folosind mijloace tehnice avansate, pe

baza răspunsului organismului la interacţiunea cu factori fizici.

- vectorul fizic poate fi purtat de un factor chimic, de exemplu

radiofarmaceuticele. În acest caz, interacţiunea are loc între structurile

biologice şi factorul chimic, cel fizic fiind însă purtătorul informaţiei.

Interacţiunea cu factorul fizic implică cedarea unei cantităţi de energie

ţesutului. Cu cât energia cedată este mai mare, cu atât investigaţia respectivă

poate avea efecte colaterale mai importante.

Imaginea se construieşte de la gradul diferit în care un parametru al

factorului e modificat prin interacţiunea cu anumite ţesuturi, deci funcţie de

caracteristicile acestora. Valorile parametrului respectiv sunt convertite în

grade de luminozitate (nuanţe de gri sau culori asociate convenţional) a

imaginii. Cu cât diferenţa între caractericticile ţesuturilor, din punct de vedere

al factorului respectiv, va fi mai mare, cu atât va fi mai accentuat contrastul

imaginii. Calitatea imaginii este dată de contrast şi de posibilitatea de a

distinge mai multe detalii, deci de sensibilitate şi de rezoluţie. Calitatea

imaginii este afectată de zgomotul suprapus peste semnalul util şi de

eventuale artefacte. Aceşti parametri depind de răspunsul ţesutului dar şi de

Page 11: Rezonanta magnetica nucleara

caracteristicile radiaţiei incidente şi de prelucrarea tehnică a răspunsului.

Imaginile obţinute prin diferite tehnici diferă între ele, funcţie de:

factorul fizic şi parametrii acestuia;

mecanismul de interacţiune cu materialul biologic;

mijloace tehnice folosite pentru aplicarea factorului fizic şi înregistrarea

răspunsului;

modul de construire a imaginii, de regulă pe calculator, cel puţin la

tomografie; în felul acesta se poate îmbunătăţi calitatea imaginii.

Principalii factori fizicii utilizaţi astăzi în imagistica medicală sunt:

radiaţiile X (radiologie, tomografie X sau tomodensitometrie),

ultrasunetele (ecografie şi tomografie cu ultrasunete);

radiaţiile ionizante emise de substanţe radioactive, fixate, de regulă, pe

trasori specifici ţesutului investigat (scintigrafie, tomoscintigrafie sau

tomografie de emisie),

campul electromagnetic (tomografie RMN).

III. Imagistica de rezonanţă magnetică

nucleară

1. Principii

O particulă în mişcare de rotaţie e caracterizată de un moment cinetic

(L), vector perpendicular pe planul traiectoriei, dependent de masa şi viteza

particulei şi raza traiectoriei, deci descrie caracteristicile mişcării: L~mvr.

O sarcină electrică în mişcare este influenţată de un câmp magnetic,

deci se comportă ca un mic magnet, caracterizat printr-un moment magnetic.

Momentul magnetic e tot un vector perpendicular pe planul traiectoriei, sensul

depinzând de semnul sarcinii.

Page 12: Rezonanta magnetica nucleara

Momentul cinetic şi momentul magnetic

a. Momentul cinetic şi momentul cinetic de spin al unui electron; 

b. Momentul cinetic de spin şi momentul magnetic de spin al unui electron; 

c. Momentul cinetic de spin şi momentul magnetic de spin al unui proton;

L = momentul cinetic orbital al electronului; v = viteza; r = raza orbitei; S =

momentul cinetic de spin; µ = momentul magnetic de spin; e = sarcina

elementară; me, mp = masa electronului, respectiv a protonului.

Electronul are un moment cinetic şi, respectiv, un moment magnetic

orbital, corespunzator rotaţiei în jurul nucleului, dar şi un moment cinetic şi,

respectiv, un moment magnetic de spin. Acestea din urmă ar putea fi

interpretate intuitiv ca fiind corespunzatoare unei mişcări de rotaţie în jurul

propriei axe. În mecanica cuantică, momentul cinetic de spin sau spinul (S) e

cuantificat, depinzând de numărul cuantic de spin (s).

Momentul magnetic se măsoară în joule/tesla (J/T).

Mărimea μB=γh/2π=he/4πme se numeşte magnetonul lui Bohr

(me=masa electronului) se poate considera o cuantă de moment magnetic. În

mod similar protonul are şi el moment magnetic de spin. Se defineşte

magnetonul nuclear, μN=hγN/2π=he/4πmp, în care s-a înlocuit masa

electronului cu a protonului (mp); γN este raportul giromagnetic al protonului.

Magnetonul nuclear e cu trei ordine de mărime mai mic decât

magnetonul lui Bohr deoarece masa protonului este mai mare. Se constată şi

se demonstrează în mecanica cuantică faptul, inexplicabil în cadrul mecanicii

clasice, că neutronul, deşi neutru, are totuşi un moment magnetic de spin,

egal cu al protonului. Ca şi în cazul electronului, nucleonii se asociază în

Page 13: Rezonanta magnetica nucleara

perechi de spin opus (+1/2 si –1/2), astfel încât pentru un număr par, spinul

total e nul.

Pentru un nucleu, cuprinzând un număr Z de protoni şi A-Z neutroni,

momentul magnetic de spin total se obţine prin însumarea momentelor

corespunzătoare protonilor şi, respectiv, neutronilor. Sunt posibile trei cazuri:

atât protonii cât şi neutronii sunt în număr par (A si Z pare); rezultă un spin

nul;

numărul de masă (A) e impar, deci fie protonii, fie neutronii, sunt în număr

impar; rezultă un spin semiîntreg (+1/2 sau –1/2);

A e par şi Z impar, ceea ce înseamnă că atât protonii cât şi neutronii sunt în

număr impar; spinul este întreg (1), deoarece spinul semiîntreg rezultat pentru

fiecare tip de nucleoni în parte se adună, dând 1.

Dacă o particulă, având un moment magnetic nenul, e plasată în câmp

magnetic (B), asupra ei se exercită un cuplu de forţe, ceea ce imprimă o

mişcare de precesie, precesia Larmour, având ca ax direcţia câmpului

magnetic, în urma careia se va orienta pe direcţia lui B. E o mişcare similară

cu a unui titirez. Viteza unghiulară (ωL) şi, respectiv, frecvenţa (νL) mişcarii de

precesie sunt date de relaţiile:

ωL=gγB; νL=ωL/2π=g(γ/2π)B.

Înmulţind frecvenţa cu constanta lui Plank, se regăseşte expresia

magnetonului. Deci:

hνL=g(γh/2π)B=gμBB → pentru electron

hνL=gN(γNh/2π)B=gNμNB → pentru un proton.

Page 14: Rezonanta magnetica nucleara

Mişcarea de precesie a protonului în câmp magnetic

B = inducţia câmpului magnetic; µ = momentul magnetic; ωL = viteza

unghiulară a precesiei Larmour; θ = unghiul format de momentul magnetic şi

inducţia câmpului magnetic

Deci νL, frecvenţa Larmoure a protonului, e proporţională cu inducţia

câmpului magnetic şi cu magnetonul nuclear. Ea este de ordinul MHz, aşadar

în domeniul de radiofrecvenţă.

Dacă o particulă având un moment magnetic se plasează într-un câmp

magnetic uniform de inducţie B, ea va avea o energie potenţial:

ε=-μB=-gNμNBs.

Comparând această relaţie cu expresia frecvenţei Larmoure, rezultă că

la o variaţie a numărului cuantic de spin cu 1 unitate (între –1/2 si +1/2),

energia variază cu Δε=hνL.

Deci într-un câmp magnetic, protonul se poate afla în două stări

energetice, cea mai joasă corespunzând spinului +1/2. Cele două stări

reprezintă o orientare paralela (p), respectiv, antiparalela (a), cu direcţia

câmpului. La echilibru, într-o populaţie de protoni, repartiţia pe cele două

nivele este dată de relaţia lui Boltzmann:

în care: Np si Na reprezintă numărul de protoni aflaţi pe cele două nivele

(paralel, respectiv antiparalel).

B=inducţia câmpului magnetic;

k=constanta lui Boltzmann;

h=constanta lui Plank;

T=temperatura absolută.

Raportul are o valoare puţin mai mare decât 1, deci pe nivelul

fundamental se află mai puţini protoni. În consecinţă, la echilibru, μN rezultant

e paralel cu inducţia câmpului magnetic (B).

Page 15: Rezonanta magnetica nucleara

Nivelele energetice ale protonului

B = inducţia câmpului magnetic ; Np,Na = nr de protoni cu orientare paralelă şi,

respectiv , antiparalelă; Δε = diferenţa dintre nivelele energetice.

 Pentru ca un proton să treacă de pe nivelul fundamental pe nivelul

excitat, trebuie să i se furnizeze o energie egală cu Δε. Deci el poate absorbi

o radiaţie electromagnetică de frecvenţă egală cu frecvenţa Larmoure; este

frecvenţa de rezonanţă. După cum reiese din relaţiile de mai sus, această

frecvenţă e proporţională cu inducţia câmpului magnetic B.

2. Spectre de rezonanţă magnetică nucleară

O populaţie de nuclee cu spin nenul, plasată într-un câmp magnetic

uniform şi constant se repartizează, aşa cum am văzut între cele două nivele

energetice conform legii lui Boltzman. Dacă peste acest câmp se suprapune

un câmp electromagnetic cu frecvenţa Larmour, spinii absorb energia şi pot

trece rapid pe nivelul energetic superior; ei intră în rezonanţa cu câmpul EM.

Reorientarea spinilor induce o tensiune electromotoare într-o înfăşurare ce

înconjoară proba. Aplicându-se un câmp electromagnetic de frecvenţă

variabilă continuu (în domeniul de radiofrecvenţă), fiecare specie nucleară

cuprinsă în eşantion va intra în rezonanţă la propria frecvenţă Larmour (ν=νL);

s-a realizat astfel un baleiaj de frecvenţă. Înregistrându-se semnalul se obţine

spectrul RMN, A(ν); frecvenţa liniilor spectrale corespunde frecvenţei Larmour

a nucleelor, iar amplitudinea numărului de nuclee care absorb la frecvenţa

respectivă.

Page 16: Rezonanta magnetica nucleara

Schema de principiu a unei instalaţii de spectrometrie RMN

GRF = generator de radiofrecvenţă (RF); BE = bobină de excitare; BR =

bobină de recepţie; P = proba; RRF = receptor de RF; AF = analiza Fourier (în

cazul excitării cu un impuls scurt de frecvenţă fixă ; v = frecvenţa; A =

amplitudinea semnalului.

Operaţia se poate realiza şi altfel: câmpul EM aplicat are o frecvenţă

constantă, dar peste câmpul B se aplică un al doilea câmp, de intensitate mult

mai mică (ΔB) şi reglabil. Rezonanţa se obţine pentru gNμN(B+ΔB)=hνL. S-a

făcut un baleiaj de câmp.

În prezent, spectrele RMN se obţin prin aplicarea unui semnal de

radiofrecvenţă sub forma unor impulsuri scurte (μs), de frecvenţă fixă.

Acestea induc o perturbare a spinilor. După încetarea impulsului, ei revin în

situaţia de echilibru, printr-o precesie Larmour liberă, corespunzând unui

semnal sinusoidal amortizat, specific pentru fiecare specie nucleară prezentă.

Se înregistrează răspunsul sistemului ca o funcţie de timp f(t). Printr-o

transformare Fourier se obţine spectrul A(ν) al sistemului.

Frecvenţa Larmour, depinzând de inducţia câmpului magnetic în

imediata vecinătate a nucleului, e influenţată de câmpurile magnetice ale altor

nuclee prezente şi de norul electronic ce înconjoara nucleul. Acesta

realizează o ecranare, ce se manifestă prin faptul că nucleul „simte” un câmp

magnetic mai mic decât cel aplicat (B). Consecinţa va fi o deplasare a

frecvenţei de rezonanţă faţă de cea a nucleului izolat. Deplasarea e de ordinul

10-6 din frecvenţa de rezonanţă şi se exprimă în părţi pe milion (ppm=10-6).

Deplasarea poate da indicaţii asupra mediului ambiant. De exemplu,

frecvenţa de rezonanţă a protonilor în grăsimi e deplasată faţă de cea în apă

cu 3,3ppm. La B=1T, frecvenţa Larmour a protonilor fiind 42,6MHz

Page 17: Rezonanta magnetica nucleara

corespunde unei deplasări de 140Hz. Exprimarea în ppm are avantajul că nu

depinde de intensitatea câmpului.

3. Spectroscopia RMN bidimensională

La excitarea cu un câmp de RF a macromoleculelor, interacţiunile

dintre protoni sunt multiple, deci spectrele ce se obţin sunt extrem de

complexe, multe linii spectrale suprapunându-se, aşa că devine destul de

dificil de extras informaţia. Acest lucru este înlăturat prin spectroscopia

bidimensională. Excitarea se face în secvente. Într-o primă etapă, proba este

iradiată cu un semnal de RF care va excita toate nucleele. Fiecare însă va

avea o precesie cu o frecvenţă ce depinde de câmpul local, deci de

interacţiunile la care ia parte. După un timp t1 variabil în trepte, când spinii vor

fi defazaţi în funcţie de propria frecvenţă Larmour, se aplică un al doilea

semnal de RF, care va avea, evident, efecte diferite asupra fiecărui spin.

După un timp t2, timpul de achiziţie, se înregistrează răspunsul.

Operaţia se repetă pentru diferite valori ale lui t1, aşteptându-se, de fiecare

dată, revenirea în starea de repaus. Prin analiza Fourier a răspunsurilor

înregistrate, s(t1,t2), se obţine spectrul bidimensional, funcţie de două variabile

de frecvenţă, ν1 şi ν2, corespunzătoare timpilor t1 si t2. Spectrul va cuprinde o

serie de vârfuri aflate pe diagonală, reprezentând spectrul unidimensional, dar

şi alte vârfuri, aşezate simetric faţă de dagonală. Acestea indică interacţiunile

dintre protoni: un vârf având coordonatele (νa, νb) şi simetricul lui de

coordonate (νb, νa) indică interacţiunea dintre un nucleu cu frecvenţă de

rezonanţă νa şi unul cu frecvenţa νb. Spectroscopia RMN bidimensională e

foarte utilă pentru determinarea structurii proteinelor şi a altor macromolecule

biologice.

4. Relaxarea spinilor

Dacă peste câmpul magnetic uniform B0, care a orientat spinii pe

direcţia lui se suprapune un al doilea câmp, câmpul de excitare (β), variabil cu

frecvenţa Larmour şi orientat perpendicular pe primul, spinii vor ieşi din starea

de echilibru. Ei se vor orienta pe direcţia câmpului de excitare, deci normal la

Page 18: Rezonanta magnetica nucleara

direcţia câmpului B0. Magnetizarea pe direcţia lui B0, pe care o vom nota cu λ

va deveni nulă, iar cea pe direcţia câmpului excitator (β), notată μx, va fi

maximă. La întreruperea câmpului β, spinii vor revenii, după un anumit timp,

la starea de echilibru, efectuând o mişcare de precesie cu frecvenţa Larmour.

Variaţia câmpului magnetic rezultată poate fi măsurată prin t.e.m. indusă într-

o bobină. Semnalul înregistrat e un semnal sinusoidal atenuat (după o lege

exponenţială), cu frecvenţa νL. Constanta de timp de atenuare se numeşte

timp de relaxare. Amplitudinea semnalului scade datorită cedării energiei

moleculelor înconjurătoare. Timpul de relaxare înregistrat pe direcţia

longitudinală (z = direcţia câmpului B0) se numeşte timp de relaxare

longitudinală sau timp de relaxare spin-reţea, reţeaua desemnând ansamblul

moleculelor cărora le cedează energie.

Timpul de relaxare înregistrat într-un plan perpendicular pe B0 se

numeşte timp de relaxare transversal sau timp de relaxare spin-spin.

T2 este mai scurt decât T1. Explicaţia este următoarea: în momentul

întreruperii câmpului excitator, toate nucleele au aceeaşi orientare, deci

oscilează în fază (semnalele sunt coerente). Pe măsura relaxării, are loc un

schimb de energie între nuclee (de aici denumirea de timp de relaxare spin-

spin) ceea ce face să se piardă coerenţa, deci rezultanta se va anula înaintea

revenirii pe direcţia lui B0. În tabelul de mai jos sunt daţi timpii de relaxare

pentru unele ţesuturi. T1 s-a indicat prin două valori ale câmpului magnetic,

deoarece depinde de acesta.

Timpii de relaxare ai unor ţesuturi

Ţesutul T2 (ms) T1 (ms) (B=0,5T) T1 (ms) (B=1,5T)

Adipos 80 210 260

Ficat 42 350 500

Muşchi 45 550 870

Materie albă 90 500 780

Materie cenuşie 100 650 920

 

Page 19: Rezonanta magnetica nucleara

La pierderea coerenţei contribuie esenţial şi neomogenităţile câmpului

magnetic extern (al magnetului) şi susceptibilitatea magnetică diferită a

ţesuturilor. Deci, de fapt, constanta de timp înregistrată va fi determinată de

aceste neomogenităţi, mascând constanta de timp caracteristică probei. Se

defineşte o constantă de timp T2* dată de neomogenităţile câmpului. Între

aceste constante de timp există relaţia: T2*<<T2<T1.

Aşa cum am văzut, numai nucleele cu spini nenuli sunt sensibile la

aplicarea unor câmpuri magnetice. În plus, momentul magnetic depinde, în

afara inducţiei câmpului magnetic şi magnetonului nuclear, de factorul Landé

(gN), specific fiecărei specii nucleare. Asta înseamna că sensibilitatea

diferiţilor nucleizi e mult diferită. Se defineşte ca sensibilitate relativă raportul

dintre intensitatea semnalului produs de o anumită specie nucleară şi a

semnalului produs de acelaşi număr de nuclee de hidrogen (protoni). Dată

fiind concentraţia mare în care se află în orice ţesut viu, este elementul cel

mai indicat pentru înregistrare RMN în vivo. Uneori se fac şi înregistrări ale

fosforului.

5. Imagistica de rezonanţă magnetică (IRM)

Imagistica RMN (IRM) are ca scop realizarea imaginii bidimensionale

dintr-o anumită secţiune a corpului din care e posibilă obţinerea unei imagini

tridimensionale, pornind de la un număr mare de secţiuni ori chiar a unei

înregistrări tridimensionale, a răspunsului ţesuturilor la un semnal magnetic ce

induce RMN a protonilor, oferind în felul acesta informaţii privind starea

fiziologică sau patologică a tesutului.

Parametrii măsurabili care mijlocesc aceste informaţii sunt densitatea

de protoni şi timpii de relaxare (T1 si T2). Primul parametru (densitatea de

protoni) este, evident, legat de hidratarea ţesuturilor, iar ceilalţi doi depind de

starea apei în ţesuturi (apa liberă, apa legată), deci de interacţiunea ei cu

moleculele biologice. Se observă că, spre deosebire de alte molecule

imagistice în care se înregistrează un singur parametru, radiaţia transmisă,

pentru razele x, radiaţia reflectată, în ecografie, ori gradul de fixare în ţesuturi,

Page 20: Rezonanta magnetica nucleara

în cazul scintigrafiei, imaginile RMN pot înregistra 3 parametrii, ceea ce

înseamnă o mai mare flexibilitate şi o cantitate mai mare de informaţie, dar şi

o complexitate sporită atât a aparaturii cât şi a protocoalelor de lucru deci

necesită o reglare mai fină a parametrilor funcţie de ceea ce se urmareşte. În

plus, prelucrarea răspunsului pentru obţinerea imaginii e şi ea mai complexă.

Marele avantaj al imagisticii RMN este faptul că nu utilizează radiaţii ionizante

(X sau γ ), deci nocivitatea este incomparabil mai mica.

Imaginea se obţine, ca şi în cazul altor forme de imagistică, prin

diferenţa intensităţii semnalului înregistrat în zone alăturate, corespunzând

unor caracteristici diferite. Deci problema care se pune e convertirea variaţiei

parametrilor înregistraţi în modificări ale intensităţii semnalului. În ceea ce

priveşte concentraţia protonilor, chestiunea e relativ simplă, dat fiind că

amplitudinea semnalului de RF de relaxare creşte monoton cu aceasta.

Pentru timpii de relaxare, intensitatea semnalului depinde de momentul în

care se înregistrează răspunsul şi de frecvenţa stimulilor de excitare. În

funcţie de acestea există mai multe regimuri de funcţionare, dând evident

informaţii diferite. Pentru îmbunătăţirea contrastului se folosesc şi „agenţi de

contrast”. Aceştia sunt, în general, materiale paramagnetice, substanţe cu

electroni nepereche; ele au o susceptibilitate magnetică ridicată, ceea ce

duce la o distorsiune locală a câmpului magnetic şi deci la modificarea

timpilor de relaxare.

6. Instalaţia

Corpul pacientului este introdus în interiorul unui magnet care

generează un câmp magnetic uniform. Se folosesc magneţi permanenţi,

electromagneţi ori magneţi supraconductori. Magneţii permanenţi sunt mai

puţin costisitori în exploatare (nu consumă energie); marele lor dezavantaj e

greutatea, care poate ajunge la 100t. Electromagneţii au un mare consum de

energie şi degajă o cantitate importantă de căldură, datorită disipaţiei pe

rezistenţa înfăşurărilor, ceea ce implică necesitatea unui sistem de răcire. Pot

genera câmpuri magnetice de până la 0,15T. Magneţii supraconductori sunt

Page 21: Rezonanta magnetica nucleara

electromagneţi răciţi până la -269°C, printr-un dublu circuit cu azot şi heliu

lichid. La această temperatură, rezistenţa înfăşurării devine nulă (fenomenul

de supraconductivitate), deci consumul de energie e foarte mic. Pot genera

câmpuri de până la 2T.

Schema generală a unei instalaţii de imagine RMN

RF = radio frecvenţa ; AF = analiza Fourier

Pentru stabilirea secţiunii şi a elementelor de volum de pe care se face

înregistrarea se aplică, pe anumite direcţii, câmpuri magnetice neuniforme

liniar variabile în spaţiu, suprapuse peste câmpul magnetic principal, asa-

numiţii gradienţi de câmp. Aceştia se obţin cu ajutorul unor înfăşurări cu o

geometrie şi orientare adecvate.

Semnalele de RF excitatoare se aplică prin intermediul unor bobine

prin care circulă un curent alternativ cu frecvenţa de rezonanţă (dependentă

de inducţia câmpului magnetic). Uneori, aceleaşi bobine se folosesc şi pentru

înregistrarea răspunsului.

Prelucrarea semnalelor înregistrate şi construirea imaginii se

realizează pe computer.

Dat fiind că se lucrează în câmp magnetic şi cu semnale

electromagnetice de radiofrecvenţă, pot apare interacţiuni cu mediul

Page 22: Rezonanta magnetica nucleara

înconjurator, în ambele sensuri. Omogenitatea câmpului magnetic poate fi

alterată de prezenţa unor obiecte feromagnetice, cu deosebire dacă acestea

sunt în mişcare; invers, câmpul magnetic poate perturba funcţionarea unor

aparate electrice cum ar fi: stimulatoare cardiace, monitoare video, suporturi

pentru înregistrare magnetică (discuri, benzi), tuburi de radiaţii X, etc.

Semnalele de RF înregistrate fiind slabe, pot fi perturbate de semnale

captate din exterior. Pentru evitarea acestor interacţiuni se face o ecranare a

încăperii şi se evită introducerea de surse de radiaţii (exemplu: iluminatul

fluorescent).

7. Achiziţia de date şi construirea imaginii

Ca şi în alte forme, imaginea RMN e constituită de o matrice de

puncte de luminozităţi diferite (pixel), corespunzând fiecare unui element de

volum (voxel). Luminozitatea corespunde amplitudinii semnalului RF

recepţionat din voxel-ul aferent.Semnificaţia depinde de regimul de

funcţionare ales şi de modul în care au fost stabiliţi parametrii semnalelor

excitatoare. Acest lucru trebuie să fie, evident, adecvat investigaţiei. Achiziţia

de date şi construirea imaginii în RMN e însa total diferită şi mai mult

complexă decât în alte forme de imagistică. Ea se bazează pe faptul că

frecvenţa de precesie depinde critic atât de caracteristicile ţesutului, cât şi de

inducţia câmpului magnetic. Semnalul de radiofrecvenţă înregistrat trebuie să

poarte informaţii nu numai privind răspunsul ţesutului, ci şi referitor la poziţia

elementului de volum, deci e nevoie de o codificare spaţială a semnalului.

Semnalul de RF înregistrat e un semnal complex, cuprinzând toate

informaţiile necesare pentru construirea imaginii. Decodificarea semnalului se

face pe calculator, prin analiza Fourier bidirecţională (2D). În felul acestă se

separă semnalele de frecvenţe şi, respective, faze diferite şi se înregistrează

amplitudinea lor. Fiecărei frecvenţe îi corespunde o poziţie (adresă) pe o

direcţie spaţială (coloană) şi fiecărei faze o poziţie pe cealaltă direcţie (linie).

Intensitatea luminoasă a elementului de volum va reprezenta amplitudinea

semnalului cu adresa respectivă, deci, implicit, intensitatea semnalului cules

din elementul de volum corespunzător.

Page 23: Rezonanta magnetica nucleara

8. Calitatea imaginii

Ca şi în alte forme de imagistică, calitatea imaginii e dată de contrastul

dintre zone având caracteristici diferite şi de rezoluţie. Acestea sunt limitate

de nebulozitatea imaginii. De zgomot şi de artefacte. Calitatea poate fi

îmbunătăţită prin alegerea parametrilor de lucru, deci a unui anumit protocol.

Momentan nu există ceva mai bun în întreaga lume, sau cel puţin nu

din câte ştie publicul larg. Nivelul de detalii pe care-l poate obţine un astfel de

scanner a fost catalogat drept “incomparabil”, faţă de celelalte metode de

imagistică folosite în medicină. Scanarea prin RMN este o metodă preferată

pentru diagnosticarea multor tipuri de afecţiuni, datorită capabilităţii de a oferi

un răspuns foarte precis la o întrebare la fel de precisă. Cum se întâmplă

asta? Prin schimbarea parametrilor, într-o scanare RMN se pot evidenţia

diferite tipuri de ţesuturi cu o precizie uimitoare. Asta îl ajută foarte mult pe

radiolog (care interpretează scanările RMN) la diagnosticare, orice anomalie

Page 24: Rezonanta magnetica nucleara

fiind puternic evidenţiată. De asemenea

un scanner RMN poate oferi o imagine a

fluxului sanguin, oriunde în corp. Asta ne

ajută să studiem sistemul arterial fără

ţesuturile din jurul său. În cele mai multe

cazuri un astfel de scanner poate oferi

imagini ale sistemului arterial fără

probleme. În radiologia vasculară este

nevoie de o injecţie cu un contrastant

pentru a evidenţia sângele în “poze”. Deşi

nu este necesar, unii medici solicită un

astfel de contrastant şi pentru RMN-uri.

9. Contrastul

Contrastul în IRM e dat de diferenţele în ceea ce priveşte concentraţia

de protoni şi timpii de relaxare, dar şi de modul în care aceşti parametri se

reflectă în semnalul înregistrat, ceea ce depinde esenţial de protocolul de

lucru. În funcţie de aceasta, poate predomina unul sau altul dintre parametri

ori se poate obţine o combinaţie a lor, utilizându-se mai multe cicluri, în aşa

fel încât contrastul să fie maxim.

Uneori, pentru mărirea contrastului se folosesc substanţe de contrast

paramagnetice, care micşorează timpii de relaxare a ţesuturilor în care se

fixează.

10. Rezoluţia

Rezoluţia în imagistica de rezonanţă magnetiă e dată în primul rând

de dimensiunea elementului de volum. Acesta depinde, în planul secţiunii, de

raportul dintre suprafaţa de pe care se face înregistrarea (latura de 100 – 500

mm) şi dimensiunea matricei. Dacă această suprafaţă e mai mică decât aria

Page 25: Rezonanta magnetica nucleara

secţiunii corpului pot apare artefacte. În general suprafaţa înregistrată

depinde de geometria şi mărimea înfăşurărilor de RF folosite. De obicei

dimensiunea cea mai mare a elementului de volum e grosimea secţiunii: 2 -10

mm.

Mişcările corpului determină o nebulozitate datorită faptului că

acelaşi element de volum se află în poziţii diferite de la o înregistrare la alta,

ceea ce duce la imagini neclare.

11. Zgomotul

Semnalul înregistrat în IRM fiind un semnal de RF, orice alt semnal

electric din acest domeniu de frecvenţe, recepţionat de bobinele de

înregistrare, apare ca un semnal de zgomot. Componentele unui circuit

electric generează zgomot de RF datorită agitaţiei termice, aşa numitul

zgomot termic.

Într-o instalaţie IRM, sursele de zgomot termic sunt înfăşurarea

bobinelor, componentele electronice şi, în special, corpul pacientului. Acesta

din urmă e cu atât mai important cu cât volumul cuprins în zona de captare a

semnalelor de către bobinele de înregistrare e mai mare.

Viitorul RMN-ului…

Imaginaţia umană e singura limită în ceea ce priveşte viitorul RMN-ului.

Peste tot în lume încep să apară scannere de dimensiuni reduse, în care îţi

poţi introduce doar o parte a corpului, specifică (ex: mână, picior, cap).  Se fac

cercetări şi în vedera dezvoltării calităţii imaginii. Există şi scannere

“deschise” după cum vedeţi în imaginea de mai jos. Nu există limite. Se poate

spune că RMN-ul este una din bazele medicinii moderne.

Page 27: Rezonanta magnetica nucleara

Bibliografie:

http://www.sfatulmedicului.ro/dictionar-medical/rezonanta-magnetica-nucleara-rmn_4820

http://medlive.hotnews.ro/aparat-de-rezonanta-magnetica-irm-3tesla-disponibil-

medlife.html

http://www.informatiamedicala.ro/dictionar-medical/r/rezonanta-magnetica-nucleara-

RMN-5478.html

http://www.ziaruldeiasi.ro/ghidul-pentru-sanatate/rezonanta-magnetica-ce-trebuie-sa-stim-

cind-facem-un-rmn~ni4tvq

http://healthy.kudika.ro/articol/healthy~medicina-interna/9296/rezonanta-magnetica-rmn-

diagnostic-de-performanta.html

http://www.jurnalul.ro/viata-sanatoasa/medicul-de-familie/imagistica-medicala-

305812.html

http://iulianmd.wordpress.com/2008/07/06/rmn/

http://www.referatele.com/referate/fizica/online9/Imagistica-medicala-cu-rezonanta-

magnetica-nucleara---Spectroscopia-RMN-bidimensionala-referatele-co.php