V(09-1)
1 INTRODUCCIÓN
INTRODUCCIÓN. RM, RMN, RMN, RME, IRM, ERM. ERM. Visión Visión global global de la obtención obtención de la señal RM. ........... ..... ............ ............ ............ ............ ........... ..... 1.1. Referencias de RM sobre otros núcleos aparte del H ANEXO A1.1.(C A1.1.(C): HISTORIA HISTORIA DE LA RM...................................................................................... A1.1.1 A1.1.1.. DESARROL DESARROLLO LO EN EL CAMPO CAMPO DE LA MEDICINA............................................................... MEDICINA............................................................... A1.1.3. A1.1.3. ANEXO A1.2.(C A1.2.(C) COMPARA COMPARACIÓN CIÓN TÉCNICA TÉCNICA TC-RX, TC-RX, IRM............................................................ A1.2.1. A1.2.1.
Nota del autor y cláusula de exención de responsabilidad.
Estos apuntes corresponden a las clases impartidas en el curso de doctorado de la Universidad Autónoma de Barcelona sobre “Introducción “Introducción biofísica a la Resonancia Magnética aplicada a la clínica” clínica” correspondiente al curso 2008-2009. El autor quiere indicar que tan solo son apuntes de un curso de postgrado y que con el objetivo docente de estar actualizados pueden contener puntos que están en pleno debate y que pueden ser modificados a medida que exista una mayor evidencia científica. En consecuencia antes de utilizar cualquier comentario de estos apuntes, debe ser convenientemente verificado y ver si existe alguna posterior modificación debido a la actualización del tema El autor no asume responsabilidad alguna sobre los errores u omisiones que pudieran incluir falta de precisión técnica o de otro tipo, o simplemente de errores tipográficos. Tampoco asume responsabilidad alguna sobre actuaciones de personas o entidades que utilicen cualquier información de estos apuntes ni de las consecuencias que de ellas se deriven. El autor agradecería que si el lector observa la existencia de puntos no suficientemente claros se le enviasen comentarios al respecto a fin de mejorar la finalidad docente que persiguen estos apuntes. La utilización de texto o figuras de estos apuntes están reguladas por el registro de la propiedad intelectual y debe ponerse previamente en conocimiento del autor. jaume.gili @gmail.com @gmail.com
Registro de la propiedad intelectual: B-49123 Jaume Gili
1. INTRODU INTRODUCCI CCI N. V(09-1 V(09-1))
1. 1.
1 INTRODUCCIÓN Primera imagen RM en España 14 diciembre 1983 Centre Diagnòstic Diagnòstic Pedralbes Barcelona
La técnica de Diagnóstico Clínico conocida como Resonancia Magnética ( RM) se basa en el fenómeno físico de la Resonancia Magnética Nuclear (RMN). Su fundamento es el denominado efecto Zeeman que describe la propiedad que presentan ciertos núcleos que al ser colocados bajo un campo magnético pueden presentarse en varios estados energéticos (niveles energéticos). Un núcleo puede pasar de un estado de menor energía a un estado de mayor energía si le comunicamos exactamente la diferencia entre niveles mediante la irradiación de un fotón (energía electromagnética). Cuando se produce esta absorción energética diremos que el núcleo ha entrado en resonancia y de aquí el nombre de Resonancia Magnética Nuclear. Aunque el fenómeno de la Resonancia lo presentan diversas partículas (por ejemplo los electrones: Resonancia Magnética Electrónica) su utilidad en el campo de la imagen diagnóstica se basa únicamente en la Resonancia Magnética producida con los núcleos atómicos (Resonancia Magnética Nuclear: RMN). En la rutina clínica habitual el término nuclear ha sido suprimido por las connotaciones que esta terminología sugiere al asimilarse a fenómenos de radiactividad radiactividad con los que la res onancia magnética no tiene nada que ver. Por lo que hablaremos de la aplicación clínica de la Resonancia Magnética (RM). La Resonancia Magnética la presentan los núcleos con un número impar de protones (Z impar) y/o con un número impar de Neutrones (N im par). De entre la multitud de núcleos que tienen estas características, tan sólo unos pocos son actualmente utilizados en clínica. Diferenciamos en diagnóstico dos técnicas: Las de imagen por RM ( IRM IRM) y las de análisis espectrométrico: Espectrometría por RM ( ERM ERM). Pueden obtenerse también imágenes basadas en análisis espectrométricos: Imágenes metabólicas De entre todos los núcleos, el más importante por su abundancia en los tejidos biológicos y por sus propiedades magnéticas es el núcleo de Hidrógeno: H-1. El núcleo de H que va a constituir la base de la señal en IRM procederá del radical –OH de la molécula del agua (en sus distintos estados) y del H de los radicales – (1)(2)(3)(4) (5) (5) (6) (6) CH2-CH3 de las grasas. Otros núcleos como el Na-23 ), el Li-7 , el Fl-19 , los gases hiperpolarizados (7)(8)(9) (10)(11) como el He-3 He-3 el Xe-129 o el C-13 están en fase experimental. experimental.
Por tanto en IRM nos vamos a referir únicamente a los núcleos de H-1. En ERM, los núcleos más utilizados son el H-1 y el P-31. 1
Pabst y col. MRM 45(1):164-166. 45(1):164-166. 2001 Reeder y col. Radigraphics 21(4):1047-1074. 2001 3 Sandstede J.W. y col RADIOLOGY 221 221 (1) 222-228. October 2001 4 Borthaku A y col. Quantifying S odium in the the Human Wrist in vivo by usin g MR Imaging. 2
RADIOLOGY 224(2). August 2002:598-602 Komoroski R.A. y col. MRM , 38(2):275-278 6 Shereiber W y col. MRM 45(4):605-613. 45(4):605-613. April 2001 7 Callot V y col. MAGMA 12(1) MAGMA 12(1) 16-22. Marzo 2001 8 Salermo M y col RADIOLOGY 222(1): 222(1): 252-260. Jan.2002 9 Owera-Bradley Ower a-Bradley J.R. y col col. MR Tagging of Human Lungs Using Hyperpolarized He-3 gas. JMRI 17(1):142-146. Jan 03 10 Kauczor H.U. RADIOLOGY ; 201(2):564-568.1996 201(2):564-568.1996 11 Möller H.E. y col MRI of the lungs using Hyperpolarized noble gases. MRM 47(6): 1029-1051. June 2002 5
1.2.
1. INTROD INTRODUCCI UCCI N. V(09-1 V(09-1))
Si nos concretamos concretamos al núcleo de H, teniendo en cuenta el valor de los campos magnéticos utilizados en la RM diagnóstica, resulta que los valores de la energía electromagnética a los que se produce el fenómeno de la RM corresponden a fotones de radiofrecuencia. Ello nos permite hacer un diagrama práctico simplificado de la técnica diagnóstica de la RM (Fig 1.1.)
CAMPO MAGNÉTICO
RADIOFRECUENCIA
NÚCLEOS H-1 H- 1
Absorción Energética: RESONANCIA
Liberación Energética: RELAJACIÓN
Señal RM Imagen (IRM)
Espectroscopia (ERM)
Fig 1.1.Esquema de la RM diagnóstica
Los núcleos núcl eos de H-1 sometidos a un campo magnético pueden absorber selectivamente energía de radiofrecuencia ( RESONANCIA). Una vez han entrado en resonancia, liberan el exceso energético mediante una transferencia energética al medio (RELAJACIÓN). Esta liberación energética genera en una bobina receptora una señal con la que puede obtenerse una imagen (IRM IRM) o realiza r un análisis espectrométrico (ERM ERM) o una combinación entre estas dos ( imagen espectrométrica ) La IRM y la ERM son dos formas distintas de presentar una información que emana del fenómeno de la Resonancia Magnética Nuclear. A di ferencia de téc nicas de imagen i magen c omo la TC por RX, en las que los da tos para realizar la imag en se obtienen de una forma directa desde la fuente física productora de la imagen (los detectores reciben directamente la radiación procedente del tubo de RX que no ha interaccionado con el paciente), en la RM la fuente productora de la imagen (emisión de radiofrecuencia) se desvincula de la formación de la imagen ya que el paciente juega un papel totalmente activo: Absorbe la radiación y genera una señal. Es por tanto necesario para poder construir la imagen un sistema de codificación espacial que indique el lugar donde se origina la señal en el paciente, un almacenamiento y un proceso de decodificación de la señal para construir la imagen en el sistema receptor. Este proceso indirecto se realiza a través de los gradientes magnéticos que nos proporcionan el medio de codificación, pasando localizaciones espaciales a frecuencias espaciales. El sistema de almacenaje en codificaciones de frecuencias espaciales ( Espacio-K) proporciona los datos de form a apropiada para aprovecharnos de las transformaciones matemáticas que decodifican dominios frecuenciales a dominios espaciales (Transformaciones Transformaciones de Fourier ) y obtener la imagen. (Ver A nexo A.2.(C)) La señal de relajación proviene de los núc leos de H del tejido pero es modulada por multitud de parámetros unos externos (como es por ejemplo los gradientes magnéticos de nuestro aparato de RM) y otros propios del tejido (como es por ejemplo el tipo de molécula en la que se encuentra el núcleo de H). Ello impli ca que la señal que detectamos contenga una gran cantidad de información. La habilidad de la técnica RM consiste en extraer de toda esta riqueza de información imágenes potenciadas en los parámetros que puedan interesarnos. Si en un principio la RM sorprendió como técnica morfológica por sus posibilidades para obtener imágenes tomográficas directas en cualquier dirección del espacio y fuera del isocentro. En la actualidad, los avances tecnológicos permiten sobrepasar el campo morfológico para visualizar y parametrizar in vivo y sin que nuestro instrumento de medida interfiera en los datos, procesos físico-químicos de nuestro organismo como difusión, análisis espectrométrico,..
1. INTRODU INTRODUCCI CCI N. V(09-1 V(09-1))
1. 3.
La tendencia a maximizar la señal aumentando el campo magnético (por ejemplo los 3T están plenamente en uso clínico), a sacar más información de la señal (por ejemplo mediante técnicas de transferencia de magnetización), a rentabilizar más la señal de relajación (por ejemplo mediante las técnicas de adquisición en paralelo), a acelerar los procesos de formación de la imagen (por ejemplo las estrategia sobre el Espacio-K)… son un claro ejemplo del avance imparable de esta tecnología. En IRM quizás más que en otra técnica, la calidad diagnóstica, en la que se involucran la resolución de contraste, el cociente señal/ruido, la resolución espacial y la resolución temporal, es un reto para el operador RM ya que cualquier parámetro que se varíe tratando de mejorar un valor, repercute en mayor o menor grado sobre el resto formándose un imbricado juego que hay que entender para optimizar todos los parámetros que permitirán visualizar una determinada sospecha diagnóstica. Desde el punto de vista práctico este juego relacionado de parámetros resulta trascendental ya que su desconocimiento puede ocasionar una perdida total de contraste entre estructuras. Las substancias de contraste permiten variar la señal que obtenemos de los núcleos de H, actuando sobre su relajación. Substancias como el Gadolinio (Gd) están plenamente consolidadas en el uso clínico y están evidenciando su eficacia en campos como la Angio-RM, la perfusión,.. perfusión,.. Otras substancias substancias de contraste contraste inespecíficas o con especificidad tisular (Mn) se están incorporando poco a poco al campo de la imagen RM. Especial mención merecen las substancias de contraste con compuestos de Fe. De entre ellas los USPIOS (compuestos de Fe) están siendo ensayados en el campo de la imagen RM-molecular como trazadores magnéticos, pudiéndose ya ser una realidad el seguimiento de implantes de células madre m ediante RM (2008) La posibilidad de fusionar la IRM con otros métodos de imagen permite añadir un sustrato morfológico a técnicas que intrínsecamente tienen una mayor sensibilidad (por ejemplo: fusión PET-RM). También la combinación de la RM con los US permite tratamientos guiados por RM que en 2008 están ya comercializados. La sensibilidad de la RM a los cambios bioquímicos in vivo, como el que ocurre con la molécula de oxihemoglobina en la actividad cerebral, permite sin el uso de sustancias de contras te, detectar áreas cerebrales que responden a estímulos creadas por paradigmas apropiados lo que permite no tan solo evidenciar la situación de la áreas motoras sino también abrir la RM-funcional en los campos inexplorados desde el punto de vista de la imagen como la esquizofrenia o diversas enfermedades mentales y con ello poder seguir los vínculos familiares ligados a la genómica. Es 2009 se está evidenciando la potencialidad de las imágenes basadas en la sensibilidad de la RM para detectar la difusión del agua. La parametrización de los coeficientes coeficientes aparentes de difusión (ADC) que impactaron en las aplicaciones neurológicas encuentran otros campos de aplicación (hepático, próstata,..). La tractografia mediante el tensor de difusión es visualmente otra de los grandes avances de esta tecnología. Pero las ventajas de la IRM y aun sus inconvenientes, quedan minimizados frente al gran trasfondo que representa una metodología de imagen que hasta el momento.(con más de 25 años de utilización clínica) continua considerándose que no ha evidenciado iatrogenia dentro de las normativas internacionales que
regulan su uso clínico. No obstante hay que separar los efectos biológicos de los riesgos que supone trabajar con campos magnéticos estáticos, campos magnéticos variables y emisiones de RF de alta potencia. La RM tiene que ser una técnica constantemente tutelada sometida a normas estrictas de vigilancia y deben mantenerse unos protocolos de seguridad que debido al progreso técnico implica que el personal involucrado en la RM deba estar constantemente actualizado. El impacto de la IRM en el mundo de la imagen clínica dejó en un principio relegada relegada a un segundo lugar la espectroscopia por RM (ERM). Pero las técnicas actuales incorporan un enorme grado de automatismo en el proceso, con tiempos de obtención que permiten realizar los análisis espectrométricos como prolongación de los estudios de imagen. La ERM y en especial las imágenes metabólicas se están convirtiendo en un valioso instrumento de trabajo clínico en m uchos campos del diagnóstico. Todo ello continua configurando un marco de futuro muy atractivo para la RM que hacen de esta tecnología una de las mayores aportaciones al arsenal del diagnóstico por la imagen puesto en manos de la ciencia médica.
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1.4.
1. INTROD INTRODUCCI UCCI N. V(09-1 V(09-1))
Este libro constituye los apuntes ampliados de clase del 25º curso de doctorado “Introducción Biofísica a la Resonancia Magnética Clínica” V(09-1) correspondiente al año académico 08-09 de la Universitat Autònoma de Barcelona.. Esta versión de los apuntes V(09-1) sustituye las versiones anteriores ya que a medida que se profundiza en el conocimiento de esta maravillosa tecnología algunos aspectos requieren ser expuestos de forma distinta a como se ha hecho en las versiones anteriores procurándose que cada vez nos acerquemos mas a la realidad cometiendo los menos errores posibles en las explicaciones. En este curso de doctorado que anualmente se imparte en la Universitat Autònoma de Barcelona, se intenta tratar los complejos apartados de esta tecnología de una forma lo más didáctica posible, sin pretender profundizar en aspectos físicos, aun a riesgo de pecar de superficialidad. En todo momento se quiere dar una idea intuitiva del tema de forma global, que permita extraer de esta tecnología toda la riqueza informativa que implícitamente contiene y de esta forma poderla aplicar en la práctica clínica con todo su potencial diagnóstico.
La línea didáctica va a recorrer por capítulos , todos los pasos de esta tecnología. El nivel de partida de estos apuntes es básico aunque en la mayoría de los apartados se profundiza sin perder el rigor necesario pero sin abrumar en formulaciones. Para aquellos que pretendan un nivel mas avanzado deberán remitirse a la bibliografía seleccionada. A lo largo del temario se van añadiendo ampliacione s puntuales en forma de NOTAS. En varios capítulos se añaden ANEXOS. Los ANEXOS son de dos niveles: Los ANEXOS COMPLEMENTARIOS COMPLEMENTARIOS al tema, anotados con la (C) al final del capítulo, complementan temas de interés general al mismo nivel del curso. Los ANEXOS DE AMPLIACIÓN anotados con la (A), se reservan a temas especiales bien por su temática bien por su complejidad y cuya lectura es más especializada y no es necesaria para seguir el curso. Al final de cada tema se coloca un test de seguimiento y autoevaluación. Las dudas sobre las respuestas podrán obtenerse vía e-mail del director del curso:
[email protected]
Jaume Gili
ANEXO ANEXO A1.1. HISTORIA DE LA RM. V(09-1)
ANEXO A1.1. HISTORIA HISTORIA DE LA RM
A1.1. 1
C
La tecnología que se mueve en el entorno del fenómeno de la Resonancia Magnética Nuclear está en continua evolución. Tendríamos que separar desde el punto de vista histórico, una primera parte que comprende todo lo que aconteció en el tiempo hasta el descubrimiento del fenómeno de la Resonancia Magnética Nuclear y un segunda parte que sigue la evolución tecnológica posterior al descubrimiento. La primera, se remonta a los inicios de los años 20 y viene jalonada por una serie de descubrimientos de los que varios obtuvieron el premio Nobel. La segunda tiene una primera fase de evolución en el campo de la química a la que posteriormente se le añadió el campo de aplicación al diagnóstico clínico por la imagen. La historia la podríamos empezar hacia los principios de los años 20. En 1924, Wolfgang Pauli supuso la existencia del espín y del momento magnético nuclear. Un año más tarde, George E. Uhlenbeck y Samuel A. Gougsmit introdujeron el concepto de espín electrónico. En 1927 W. Pauli y Charles Galton Darwin desarrollaron la formulación para enlazar el concepto de espín electrónico con la nueva teoría cuántica de Shöringer y Heisenberg. En 1933 Otto Stern y Walther Gerlach Gerlach fueron capaces de medir el efecto del espín espín nuclear nuclear mediante la deflexión de un haz de moléculas de Hidrógeno al separar haces de átomos mediante un campo magnético heterogéneo (experimento de Stern-Gerlach). El primer intento de medir el momento magnético nuclear, lo realizó Cornelius Jacobus Gorter en el año 1936 en Holanda sin obtener un resultado positivo. Durante los años 30 el laboratorio de Isidor Isaac Rabi en la Universidad de Columbia (New York), se había constituido como centro de investigación de referencia en esta materia. C.J.Gorter se desplazó a Columbia y el equipo de I.I. Rabí logró medir el momento magnético del protón de forma experimental y publicó " A N e w M e t h o d o f M e as as u r i n g N u c l e a r M a g n e t ic ic M o m e n t " en 1938. Aunque C.J. Gorter fue el primero en utilizar el término N u c l e a r M a g n e t i c R e s o n a n c e en un artículo suyo publicado en Holanda en 1942, siempre atribuyó la expresión a I.I.Rabi. I. I. Rabi obtuvo el premio Nobel de Física el año
1944. En 1940 Felix Bloch midió el momento magnético del neutrón. La guerra mundial representó un paréntesis en esta línea de investigación. También cabe destacar que la Unión Soviética estaba trabajando en la línea de la resonancia magnética nuclear. Yevgeni K. Zavoisky en la Universidad de Kazan en el Tartastan hizo el primer intento para detectar el fenómeno de la Resonancia Magnética Nuclear Nuclear en 1941 pero pero al igual que que sucediera con C. J. Gorter sus experimentos no terminaron con éxito. No fue hasta el final de la guerra que de forma independiente dos grupos en Estados Unidos reemprendieron las investigaciones sobre RMN. Uno de ellos dirigido por Edward Purcell en la Universidad de Harvard, Massachusetts. El otro dirigido por Felix Bloch en la Universidad de Stanford, California. Los dos investigadores no se conocían personalmente. E. Purcell nació en Illinois y trabajó en el Massachusetts Institute of Technology (MIT). F. Bloch nació en Zurich en 1905, fue profesor en la Universidad de Leipzig hasta 1933, emigrando posteriormente a los Estados Unidos para formar parte del grupo de la Universidad de Standford en Palo Alto. Regresó a Europa donde fue el primer director del CERN en Ginebra en 1962 y murió en Zurich en 1983. La primera detección de la resonancia magnética nuclear en materia condensada fue realizada por el equipo de Purcell, Torrey y Pound en Harvard a finales de 1945. Su artículo se recibió en la revista Phys. Rev. Lett. la vigilia de Navidad. También y de forma completamente distinta, fue a finales del Diciembre de 1945, cuando el equipo de F. Bloch, logró detectar la señal de resonancia magnética del protón de una muestra de agua. Inmediatamente Inmediatamente y desconociendo desconociendo el artículo que había escrito E. Purcell sobre el mismo tema, F. Bloch, W. Hansen y M.E. Packard enviaron el artículo a la misma revista Phys. Rev. Lett. el 29 de Enero de 1946. Los dos artículos fueron publicados en el mismo número de la revista. En 1952, Purcell y Bloch recibían
conjuntamente el premio Nobel de Física.
A1.1. 2
ANEXO A1.1. HISTORIA DE LA RM. V(09-1)
El período entre 1945 y 1955 estuvo marcado por el gran ritmo de descubrimientos dentro de la RMN. El desplazamiento químico que confiere a la RMN su valor analítico, fue publicado a la vez por W.G. Proctor y Yu 14 19 de la Universidad de Standford para el N y por W.C. Dickinson Dickinson del MIT para el el F en el mismo número de la revista Phys. Rev. Lett. en 1950. El procedimiento habitual para la observación de la RMN consistía en variar la frecuencia o el campo magnético recogiendo la señal en un osciloscopio. Este método se conoce como de onda continua (CW: C o n t i n u o u s W a v e ). Bloch sugirió el método de excitación nuclear mediante pulsos de radiofrecuencia. En 1949 E. Hanhn demostró que se podía obtener una señal (FID: (FID: Free Induc tion Decay). El método de pulsos
de Hanhn es la base de la metodología actual utilizada en RMN. El período siguiente fue marcado por la aplicación de la RMN a la química. En 1948 se fundó la empresa Varian Associates en California que comercializó los primeros espectrómetros por RMN. En 1959, apareció el libro de Jackman correlacionando los datos de la RMN con las estructuras moleculares. En 1962, se instala en el Laboratori de Química Orgánica de la Facultat de Ciències de la Universitat Autònoma de Barcelona, el primer espectrómetro RMN de España bajo la dirección del Prof. J. Castells. Del 1955-65, se desarrollaron los imanes superconductores refrigerados por Helio líquido permitiendo campos magnéticos altos muy estables. En 1967 apareció el primer estudio estructural detallado de las proteínas por RMN realizado aún por el método de emisión continua. Fue en 1966 cuando de la mano de R.R. Ernst, llegó una de las más modernas revoluciones tecnológicas: Analizar la RMN mediante pulsos de radiofrecuencia y las transformadas de Fourier, lo que permitió trabajar con las señales de “Free Induction Decay” mejorando los tiempos y el cociente señal/ruido en los espectros. Esta metodología constituye la base de la tecnología de uso clínico. Los primeros espectrómetros que utilizaron esta nueva tecnología fueron de la casa Bruker en 1970. R.R.
Ernst recibió el premio Nobel de química en 1991
Fig. A1.1.1. “The indomitable” (1976) primera máquina RM patentada. Grupo formado por R. Damadian a la izquierda y L. Minkoff y M. Goldsmith. La primera imagen RM con L.Minkoff haciéndose la exploración. (Gentileza de FONAR)
ANEXO ANEXO A1.1. HISTORIA DE LA RM. V(09-1)
A1.1. 3
DESARROLLO EN EL CAMPO DE LA MEDICINA. En la aplicación de la RMN en los dominios de la Medicina, se observan claramente varias fases, siempre al compás de las evoluciones tecnológicas. La primera etapa es puramente analítica. Debemos por un lado considerar los esfuerzos realizados por Erik Odeblad y Gunnar Lindström que publicaron en Estocolmo las primeras medidas de Resonancia Magnética en células vivas y en tejidos animales en 1955. A principio de los 60 el grupo de la Universidad Universidad de Aberdeen en Escocia encabezado por el Prof. John Mallard y Jim M.S.Hutchison empezaron a trabajar con Resonancia Magnética "in-vivo" en ratones. En el otro lado del Atlántico también estaban trabajando en la misma línea los grupos de Raymond V. Damadian en el Downstate Medical Center de Brooklyn y Donald P . Hollis en la Universidad John Hopkins de Baltimore. El grupo de R.V. Damadian logró medir los valores del T1 y T2 en muestras de tejido normal y canceroso de ratón, estableciendo que los tejidos cancerosos tenían tiempos de relajación mayores que los tejidos normales (Scienc e. Marzo.1971 Marzo.1971 ). A este método analítico que permitía la ). medida "in-vivo" de los tiempos de relajación R.V. Damadian la apodó " FONAR ". El equipo de R.V. Damadian publicaba la imagen de un tumor de rata en la cubierta de S c i e n c e en en 1976 y emprendía la construcción de lo llegaría a ser el primer tomógrafo RM de cuerpo entero al que llamarían " The Indomitable " (Fig A1.1.1). Su primera imagen fue obtenida en 1976. La actual Espectroscopia "in vivo" se originó en la década de los 70 en el grupo de Oxford, destacando a lo largo de su historia entre otros: Rex E. Richards , George K. Radda , David Hoult y David G. Gadian. Pero la verdadera historia de la RMN como técnica de imagen empieza cuando Paul Lauterbur en la universidad de New York en Stony Brook, tuvo la idea de codificar espacialmente la señal mediante la aplicación de gradientes magnéticos y después reconstruir la imagen mediante el método de retroproyección filtrada que ya se estaba utilizando en la TC por RX. P. Lauterbur publicó en Marzo de 1973 en la revista Nature , la primera imagen RM de dos tubos llenos de agua y en 1974 la imagen de una cavidad torácica de un ratón. La idea de P. Lauterbur abrió la RM al mundo de la imagen. Al método le llamó z e u g m a t o g r a f i a , del griego zeugma zeugma que significa unir, tratando de describir unión de un campo magnético con un campo de radiofrecuencia. A partir de entonces las aplicaciones del nuevo método de imagen se sucedieron de forma f orma vertigi nosa. En 1974, el grupo de Aberdeen con Jim Hutchison, John Mallard, Bill Edelstein, Ted Redpath y Margaret Foster entre otros, desarrollaron el método denominado "spin warp" y publicaron una primera imagen tomográfica en un ratón vivo. También en 1974 Waldo Hinshaw y William Moore desarrollaron una variante técnica conocida como "Sensitive Point". En 1975 Peter Mansfield y Andrew A. Mausdsley con ligeras variaciones tecnológicas lograron la primer imagen "in vivo" de una sección transversal del dedo humano. En 1975, Anil Kumar , Dieter Welti y Richard Erns, publicaron bajo el título "NMR Fourier Zeugmatography" la base de la formación actual de las imágenes que sustituía la retroproyección por el uso de gradientes magnéticos y transformadas de Fourier en dos direcciones. En 1977 W. Hinshaw con Paul Bottomley, William Moore, Neil Holland y Brian Worthington publicaron las primeras imágenes de una muñeca en la revista NATURE. El 2 de Julio de 1977, el grupo de R.V. DAMADIAN lograba mediante un barrido de 106 medidas puntuales en su "Indomitabl e ", reconstruir una imagen tomográfica de tórax. También en 1977, Peter Mansfield describió una ténica de imagen llamada Echo Planar Imaging (EPI) que requería unas prestaciones en los gradientes que por aquel entonces no podrían lograrse y en consecuencia las imágenes que se obtenían eran de baja calidad. Las primeras tomografías axiales seriadas de la cabeza humana fueron publicadas en 1979 por R.C. Hawkes y en 1980 William Moore y colaboradores presentaron las primeras imágenes coronales y sagitales de una cabeza humana. inalmente en 1981, se instaló el primer prototipo de tomógrafo por RM para uso hospitalario en el Hammersmith Hospital de Londres en el departamento del Prof. Robert E. Steiner pero pero los verdaderos pioneros fueron Graeme M. Bydder y y Ian R. Young. Resulta curioso que el primer tomógrafo por RM para uso clínico se instalara en Inglaterra repitiéndose lo que sucedió con el primer escáner-RX que se instaló en el Atkinson Morley Hospital. No obstante es significativo el hecho de que desde el primer intento tomográfico por RX de R. MAYER en 1916 y la primera publicación mediante escáner -RX de HOUNSFIELD y AMBROSE en 1972, transcurrieron 56 años, mientras que, entre la publicación de LAUTERBUR y la de HAWKES tan solo transcurrieron 6 años. Está muy claro que uno de los factores del rápido progreso de la RM fue el aprovechamiento del duro camino tecnológico abierto mediante la TC.
A1.1. 4
ANEXO A1.1. HISTORIA DE LA RM. V(09-1)
En España el primer tomógrafo por RM se instaló en el Centre Mèdic de Ressonància Magnètica NMR de Barcelona durante el año 1983 . Tan solo dos años después después del de Hammersmith y en el mismo año que la FDA americana dio permiso para el uso clínico de la RM. Fue un aparato resistivo de 0.15 T de la casa Technicare, adquirido por el grupo CETIR de los doctores F.M. Domènech y J. Setoain . y bajo la dirección técnica del Dr. Jaume Jaume Gili y la dirección médica del Dr. Manuel Sanz. La primera imagen (Fig A1.1.2) se obtuvo a las 18:31h del 14 de Diciembre de 1983.
Fig A1.1.2 Primera imagen RM obtenida en España. 14, Diciembre, 1983 Centre Mèdic de Ressonància Magnètica NMR. Barcelona
Después de años difíciles de introducción introducción de la tecnología, el centro se amplió en 1990 mediante la adquisición de una máquina de alto campo (1.5 T). Con ella fue posible obtener la primera Espectroscopia "in vivo" de P-31 sobre músculo humano (Fig A1.1.3)
Fig. A1.1.3 Primer espectro de P-31 "in vivo" sobre cuádriceps humano obtenido en el Centre Mèdic Pedralbes dentro del proyecto Sandoz Sport Research realizado en ocasión de los Juegos Olímpicos de Barcelona 1992.
Desde 1981, el desarrollo de la tecnología RM es una apasionante demostración de esfuerzo investigador que superando dificultades tanto de hardware como de software está logrando obtener en la actualidad imágenes en tiempos del orden de los milisegundos mediante diversas técnicas entre ellas la EPI (ECHO PLANAR IMAGING) que fue propuesta por P. MANSFIELD en un lejano 1977. La evolución tecnológica en RM a lo largo de estos años ha seguido una serie de fases, de peldaños, en los que tras un avance muy rápido, parecía estancarse y quedar limitada, para seguidamente pasar a una nueva fase. En cada una se presentaban mejoras, especialmente en el conjunto: tiempo de obtención y señal/ruido. La primera fas e se caracteriza por la obtención de imágenes mediante secuencias que recogían la señal mediante un eco generado por un pulso de radiofrecuencia (Eco de Espín). Estas secuencias se conocen como Secuencias de Eco de Espin o Secuencias Spin-Echo (SE). La carta de presentación era típicamente la imagen de un cráneo sagital medio en secuencias T1. Los tiempos eran largos y parecía que éste era la gran dificultad insalvable frente a la rapidez del escáner TC-RX. Se avanzó en rapidez cambiando la reconstrucción de retroproyección por la doble transformación de Fourier.
ANEXO ANEXO A1.1. HISTORIA DE LA RM. V(09-1)
A1.1. 5
El segundo gran peldaño lo constituye la obtención de la señal mediante un eco de gradiente . El desarrollo de las Secuencia de Eco de Gradiente o secuencias Gradient-Echo Gradient-Echo (GRE) disminuyó los tiempos tiempos de adquisición a expensas de permitir que influencias de heterogeneidad magnética aparecieran en la imagen. Esta fase la podríamos denominar etapa de las secuencias GRE. La primera de estas secuencias, la conocida como FLASH (Fast Low Angle Shot), se desarrolló sobre 1986 en el Instituto Max-Planck de Göttingen por Axel Haase y col. Los tiempos llegaron a disminuir a valores del orden de los segundos. La entrada del "flip angle" como nuevo parámetro en juego, permitió una mayor variabilidad en el contraste de determinadas estructuras. Por su lado continuaba el desarrollo de nuevas bobinas en especial las de superficie. Se abrió la RM al campo del sistema músculo-esquelético y a las posibilidades angiográficas, entre otras aplicaciones. El tercer gran paso surgió al explotarse las posibilidades que ofrecía el trabajar con la adquisición de la señal y la forma de almacenar los "row data". Esta fase se podría denominar etapa del espacio K . Trabajando en el espacio K y haciendo posible el manejo de los gradientes para que los datos se obtuviesen de formas adecuadas, se dio origen a las secuencias (FAST/TURBO) SE, que lograban rebajar los tiempos de obtención por debajo del segundo y podían volverse a obtener imágenes de SE, dependiendo por tanto únicamente de características propias del tejido. Las combinaciones en los parámetros de las secuencias permiten tantas variaciones que las publicaciones científicas se llenaron de verdaderas sopas de letras para designar secuencias muy similares. Los intentos realizados para unificar criterios en la denominación no han dado resultado por ahora. La tecnología parecía haber llegado a un techo, pero no fue así y en el año 94 aparecieron nuevos diseños de gradientes que aumentaron tanto el valor máximo como la rapidez de instauración. Esta fase la podríamos denominar etapa de los gradientes . Las imágenes se podían ya obtener en tiempos inferiores a los 50 ms. a expensas de perder calidad de imagen, pero con suficiente contraste para ser útiles. Los nuevos gradientes permitieron resoluciones temporales del orden de los ms y hacer de utilidad las secuencias EPI. Esta rapidez en la adquisición de las imágenes permitió el abordaje de campos como el cardíaco o el digestivo. También se mejoraron las resoluciones espaciales que llegaron a las 500 micras con suficiente calidad diagnóstica. Se implementaron la escópia por RM, o la imagen en tiempo real, así como el seguimiento de un "bolus" de contraste. A partir del año 2002 se comercializaron las llamadas técnicas en paralelo que permiten el aprovechamiento de la señal de relajación inducida simultáneamente en multitud de bobinas receptoras para mejorar la resolución temporal o aprovechar las señales para mejorar la resolución espacial. Este es una de las tendencias actuales de la evolución tecnológica que lleva a aumentar el número de bobinas receptora de los montajes en array o matriciales y a aumentar el número número de canales. En 2009 se están ensayando los montajes con 128 canales de recepción. También cabe citar la utilización de campos magnéticos cada vez más elevados. En 2007 se implantaron en la clínica los imanes de 3 T y se están ensayando en 20009 campos de 7 y 11 T. Otra variedad tecnológica de la RM es la posibilidad de obtener imágenes con un concepto parecido al TC helicoidal. Un array de bobinas receptoras que se activan cuando el paciente colocado sobre una mesa en movimiento continúo pase sobre un FOV fijado. Esta tecnología permite exploraciones de cuerpo entero, disminuyendo la longitud del cilindro de exploración y con ello la sensación de claustrofobia de los imanes cilíndricos largos. Objeto de investigación en 2009 son los montajes matriciales de bobinas emisoras quizás montadas no en el gantry y que permitirian regular las potencias de emisió n según la variabilidad de la zona.
Las sustancias de contraste continúan siendo un gran campo de investigación. El posible concepto de sustancia de contraste en RM fue descrito en los Estados Unidos por el grupo de Maria Helena Mendoça-Dias, Paul C. Lauterbur ,Robert Brasch y Gerald Wolf, el desarrollo científico tuvo lugar en Europa ya que SHERING en 1981 suministró su patente sobre el Gadolinio-DTPA-Dimeglumina Gadolinio-DTPA-Dimeglumina a un proyecto proyecto llevado a cabo por Hanns Joachim Weinmann y Ulrich Speck. En 1984 Dennis H. Carr del del grupo de Hammersmith y Wolfgang Schörner de Berlin publicaron las primeras imágenes en voluntarios. En la actualidad existen multitud de sustancias de contraste. Los nuevos agentes de contraste en IRM están redefiniendo las aplicaciones clínicas. Si primeramente los agentes de contraste basados en el Gadolinio como agente activo actuaban como substancias inespecíficas extracelulares cual contraste radiológico, las nuevas moléculas utilizadas permiten obtener substancias de contraste con especificidad celular (como los contrastes Gd hepatoespecíficos) o formando macomoléculas como “pools” vasculares. Aparte del Gd otros agentes de contraste como el Mn y los compuestos de Fe se están incorporando incorporando a la IRM. Cabe destacar los formados con sales de Hierro desde los mayores (SPIOS) (SPIOS) hasta los microcristales (MIONS) que pueden servir como marcadores magnéticos y aumentar las posibilidades de la imagen molecular con RM.
A1.1. 6
ANEXO A1.1. HISTORIA DE LA RM. V(09-1)
Como punto negativo sobre los contrastes hay que hacer notar las advertencias dadas por los organismos internacionales a lo largo del año 2007 sobre la patología conocida como fibrosis sistémica nefrogénica y su relación con (de momento) algunos contrates de gadolino en pacientes con problemas renales de especial riesgo. Advertenc ias que hay que seguir a medida que se vaya teniendo una mayor evidencia científica. La RM continua imparable en su evolución: Las aplicaciones al campo de las neurociencias con las nuevas imágenes tractográficas del tensor de difusión, la perfusión o imágenes funcionales cerebrales, las nuevas opciones angiográficas y de medida de flujo, las posibilidades que surgen de las imágenes de transferencia de magnetización, el poder de la espectroscopia que cada día va encontrando mayor utilidad en la práctica, debido en parte a la facilidad y a la rapidez logradas en las obtenciones multivóxel,... son un claro exponente de la progresión de la tecnología en el campo del diagnóstico. Pero no hay que dejar aparte las posibilidades de utilizar la RM como guía para procedimientos intervencionistas de forma directa o bien acoplando técnicas terapéuticas como los Ultrasonidos, el Láser o la Radiofrecuencia. Todo ello implicará, una vez más, un esfuerzo tecnológico que va a proseguir en los años venideros.
Premio NOBEL en en Medicina 2003 en
Fig A1.1.4. Premio Nobel de Medicina 2003 Paul Lauterbur
Peter Mansfield
Ciencias Cien cias Química Químicas s
Ciencies Físicas
En reconocimiento a la aportación de la Resonancia Magnética a diagnóstico clínico, el premio Nobel de Medicina del año 2003 fue otorgado a Paul Lauterbur y Peter Mansfield. (Fig A1.1.4) Diversos profesionales opinaron que también debería haberse mencionado a Raymon Damadian.
-------------------Bibliografía:
Becker ED, Fisk CL, Khetrapal CL : The Development of NMR . NMR . Ed. Grant DM y Harris RK: Encyclopedia of Nuclear Magnetic Resonance (Vol 1): 1-158. Wiley and Sons. 1996
Rink P.A. Magnetic Resonance Imaging: Historical Perspective Diagnostic Imaging Europe. (Febrero 1999)
ANEXO ANEXO A1.2. COMPARACIÓN TÉCNICA TC-RX, TC-RX, IRM V(09-1)
A1.2. 1
C
ANEXO A1.2. COMPARACIÓN TÉCNICA ENTRE TC- RX (TC) y la IRM
Al comparar las técnicas de obtención de imagen: TC-RX (TC) y la IRM, nos encontramos:
TC-RX PACIENTE
RX
EXCITACION por el el pulso RF
TUBO RX
RELAJACION Codificación
DETECTORES
Almacenamiento
IMAGEN
o.e.m. o.e.m.
IRM Eco
Pulso RF
Decodificación
PACIENTE BOBINA EMISORA
EXCITACION por el pulso pulso RF
RELAJACION Codificación
BOBINAS RECEPTORAS
Almacenamiento (Espacio-K) (Espaci (Es pacio pacio-K) o-K)
IMAGEN
o.e.m.
CAMPO MAGNETICO
Fig A1.2.1. Esquemas comparativos de las tecnología TC i RM El agente físico que incide sobre el paciente es el mismo (ondas electromagnéticas: o.e.m.). En la TC corresponden a o.e.m. ionizantes, mientras que en IRM corresponden a la banda de las o.e.m. de radiofrecuencia (muy por debajo del visible) aunque modificadas. Por esto se considera la IRM como la segunda ventana dentro del espectro de las o.e.m. para visualizar el organismo. La emisión en la TC se hace a partir de la interacción de electrones acelerados contra un ánodo en el tubo de RX, mientras que en la IRM la forma de emisión es mediante pulsos de RF a través de una bobina emisora. La imagen en el TC se generará por los fotones (o.e.m.) que no han interaccionado con el paciente. El resto de la radiación de RX es absorbida o dispersada dependiendo del coeficiente de atenuación de los diversos tejidos que encuentra la radiación al atravesar el organismo. Esto indica que la cantidad de señal que llega a los detectores la podemos regular externamente (mAs, kV y Filtro) de una forma directa y el paciente juega hasta cierto punto un papel pasivo. Por el contrario en IRM esta vía directa entre la producción y la captación de la señal se rompe ya que el paciente juega un papel completamente activo: Bajo un campo magnético, absorbe la radiación de RF en la excitación nuclear y en la relajación al transferir el exceso energético al medio induce una señal que es captada en la bobina receptora o en los arrays de bobinas, modulada por las características de los tejidos. Aunque podemos incidir externamente sobre el tipo de señal a través de parámetros que regularán las potencias, formas y tiempos de los pulsos de RF, la repercusión es siempre indirecta teniendo en cuenta que no variamos la cantidad de núcleos de H existentes en el voxel. El hecho de que en IRM no exista la acción directa entre la emisión y la recepción, obliga a un mecanismo de codificación de la señal que identifique la procedencia en el organismo y a un proceso inverso de decodificación para construir fielmente la imagen. Este mecanismo se realiza a través de codificaciones en frecuencias espaciales. En la codificación se utilizan los gradientes magnéticos para pasar de espacios a frecuencias espaciales y la decodificación aprovecha las propiedades matemáticas de las trasformaciones de Fourier para pasar de frecuencias espaciales al espacio imagen.
A1.2. 2
ANEXO ANEXO A1.2. COMPARACIÓN TÉCNICA TC-RX, TC-RX, IRM. V(09-1)
Si tratamos de aumentar la resolución espacial disminuyendo el tamaño del voxel, mientras en TC podemos fácilmente variar los parámetros externos, en IRM disminuir el tamaño del voxel implica una disminución de los núcleos de H y en consecuencia una disminución de la señal que complica la calidad de la imagen, En ambas técnicas es preciso almacenar los datos recogidos en los detectores/array de detectores (TC) o en la antena/array de antenas. En IRM el espacio donde se almacenan los datos codificados se denomina Espacio-K. que tiene una serie de propiedades que se aprovechan para la construcción de la imagen. La RM permite obtener de forma directa imágenes en cualquier plano y dirección del espacio (siempre que se cumplan determinadas condici ones de uniformidad de campo y de emisión), así como fuera del isocentro. Las técnicas 3D del TC permiten hacerlo por reconstrucción. Mientras que en TC solamente se juega con un parámetro básico ligado al coeficiente de atenuación relativa al agua, en RM hay múltiples parámetros para potenciar la imagen. Ello por un lado permite mayor aproximación histológica, pero por otro obliga a tener bien establecidos protocolos relacionados a sospechas diagnósticas para no perderse en la multitud de posibilidades que permiten las secuencias en RM. También implica un mayor tiempo en las exploraciones. Tanto en TC como en RM se presentan artefactos. En IRM son mucho más abundantes. Algunos son propios de la técnica (por ejemplo los artefactos artefactos de aliasing que nos se d an en TC). Pero los más importantes importantes son debidos a los movimientos, ya que una de las diferencias principales continua siendo la rapidez En ambas técnicas se utilizan sustancias de contraste, pero mientras en la TC-RX se visualizan directamente por su alto coeficiente de atenuación y por lo tanto impidiendo la llegada directa de radiación a los detectores, en IRM no se ve el contraste, sino el efecto que éste hace sobre la relajación de los núcleos de H. Por último, si bien la IRM no utiliza radiaciones ionizantes y por tanto carece del riesgo inherente de la TC y dentro de los límites establecidos internacionalmente se considera sin iatrogenia, el trabajo con campos magnéticos estáticos, campos magnéticos variables y emisiones de RF de alta potencia, implica una serie de peligros y normas estrictas de control para evitar accidentes. Por lo que, ambas técnicas precisan procedimientos supervisados y muy bien tutelados
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V(09-1)
TEST
1. INTRODUCCIÓN. Nº
C
F
1.1.
La RM es una propiedad exclusiva de los núcleos.
1.2.
El núcleo de Ca (Z=20, N=20) presenta resonancia magnética.
1.3.
Los electrones presentan resonancia magnética
1.4.
El Na11 presenta resonancia magnética.
1.5.
El calcio aparecen siempre en negro en RM.
1.6.
Una estructura hipointensa en RM es de baja densidad.
1.7.
En RM hay que usar dosímetros de protección personal
1.8.
En IRM hay una acción directa de la emisión de radiofrecuencia sobre las antenas receptoras.
1.9.
En IRM se utilizan radiaciones electromagnéticas
1.10.
La energía de las ondas electromagnéticas utilizadas en RM es superior a la de las radiaciones infrarrojas .
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