a excitación de un sistema en equilibrio siempre transfiere dicho sistema a un estado inestable de alta energía. La cantidad de tiempo en que el sistema mantendrá este estado dependerá de las condiciones del entorno (Figura 04-01).
Figura 04-01:
Girando en sueños: podéis necesitar tiempos en relajación para entender los tiempos de relajación. Pero, ¿cuánto tiempo podéis durar en esta posición de baja energía cuando las olas empiezan a pegaros?
Para un sistema de espín en un campo magnético se crea una situación inestable mediante la aplicación de una onda: el pulso de excitación — el sistema se "reactiva" gracias a la energía suministrada por el pulso de RF. A nivel molecular, el retorno al equilibrio depende de las condiciones magnéticas y eléctricas presentes en los núcleos excitados.
Si se dejase excitado un protón aislado en el vacío absoluto, en ausencia de cualquier campo electromagnético, podrían ser necesarios varios años antes de que el núcleo pudiese volver de forma espontánea al estado de equilibrio, de menor energía. Sin embargo, si el protón está rodeado por agua, este proceso puede ser "estimulado" por los núcleos circundantes y sólo serían necesarios unos pocos segundos.
Necesitamos una resonancia para que ocurra un intercambio de energía entre el mundo exterior y el sistema de espines. El sistema de espines excitado necesita ser expuesto a campos electromagnéticos que oscilen con una frecuencia igual o similar a la frecuencia de Larmor de los núcleos antes de que pueda relajarse. La relajación corresponde al retorno de los núcleos (que previamente fueron transferidos al nivel de energía superior) al nivel de energía más bajo (Figura 02-06 y Figura 04-02). La Tabla 04-01 ofrece una visión general de los diferentes fenómenos a los que el sistema está o puede estar expuesto durante su regreso al equilibrio.
Figura 04-02:
(a) y (b): Una bola se atasca en la cima de una colina (estado inestable de alta energía).
(c) y (d): Si dos niños tratan de bajarla arrojándole rocas, estadísticamente tomará menos tiempo a los dos niños que a uno sólo para alcanzar su objetivo.
Tabla 04-01:
Los diferentes procesos de relajación. Para la imaginería por RM, T1 y T2 son los tiempos de relajación importantes.
El primer proceso de vuelta al estado de equilibrio desde un estado excitado se denomina el proceso de relajación spin-red o proceso de relajación longitudinal. Este proceso viene caracterizado por el tiempo de relajación T1, que es el tiempo requerido para que el sistema recupere al 63% de su valor de equilibrio después de ser expuesto a un pulso de 90°.
Para un determinado tipo de núcleo, T1 dependerá de varios parámetros:
tipo de núcleo;
frecuencia de resonancia (intensidad de campo);
emperatura;
movilidad de los espines observados (microviscosidad);
presencia de moléculas grandes;
presencia de iones o moléculas paramagnéticos.
La presencia de moléculas de gran tamaño (macromoléculas) o de iones o moléculas paramagnéticos es de especial interés. En agua pura el proceso de reorientación (movimiento de traslación, rotación, etc.) de una sola molécula de agua se produce muy rápidamente. Dado que cada molécula tiene su propio campo magnético, esta reorientación rápida creará un campo magnético fluctuante en los núcleos vecinos.
Para favorecer la relajación, la frecuencia de reorientación debe ser igual o similar a la frecuencia de resonancia en agua pura. Si la frecuencia de esta reorientación es mucho mayor que la frecuencia de Larmor de los protones, la relajación es ineficiente.
Sin embargo, si se añaden al agua macromoléculas (tales como proteínas) de movimiento más lento, las moléculas de agua podrán interactuar con ellas. Esta interacción implica la unión temporal del agua a las proteínas y su posterior liberación. Esta unión temporal reduce radicalmente la frecuencia con la que las moléculas de agua se reorientan. El agua pura en masa se mueve mucho más rápidamente que el agua cercana a macromoléculas o membranas.
Entre más lento sea el movimiento molecular, más corto será el tiempo de relajación T1 (y T2), lo que se aprecia en la Figura 04-03 como un aumento de brillo.
Figura 04-03:
(a) Entre más lento sea el movimiento molecular, más corto será el tiempo de relajación T1 (visto como un aumento de brillo).
(b) Imagen influenciada por T1 posterior a una cirugía de tumor. Las áreas llenas de líquido se ven oscuras, mientras que las áreas edematosas son brillantes: La masa de agua se mueve más rápidamente, el agua unida a proteínas en el edema cerebral se mueve más lentamente (T1 más corta).
Con el fin de caracterizar el movimiento de una molécula, se utiliza el tiempo de correlación (tc) que mide el tiempo mínimo requerido para que una molécula se reoriente.
Debido a la presencia de superficies proteínicas, los tiempos de relajación T1 del agua en el tejido vivo son siempre más cortos que los obtenidos en el agua pura. La Tabla 04-02 enumera algunos valores representativos de T1 en tejidos sanos. Los valores T1 varían en relación con la intensidad del campo. Este hecho afecta al contraste de la imagen en IRM de tal manera que no se pueden hacer comparaciones cuantitativas directas entre los valores T1 en diferentes campos. Por lo tanto es necesario mencionar siempre la intensidad de campo cuando se citan valores de T1.
Tabla 04-02:
Valores de T1 en algunos tejidos humanos medidos con un sistema de IRM de 0,15 Tesla. La desviación estándar de estos valores puede estar entre 10 y 30%; en general, los valores de tiempos de relajación medidos in vivo no son muy confiables.
La Figura 04-04 muestra tiempos de relajación T1 en tejido cerebral con diferentes intensidades de campo (véase también el Capítulo 10).
Figura 04-04:
Cambios en los tiempos de relajación T1 en materia gris y blanca en relación a la intensidad de campo. La materia gris temporal (tGM) se muestra en verde y la materia gris parietal (pGM) en azul; la materia blanca frontal (fWM) se muestra en amarillo y la materia blanca temporal (tWM) en rojo. T = campo en log Tesla.
Los datos para esta figura se adquirieron con un equipo de RNM especial dedicado a la relaxometría. Esta subdisciplina de la RMN estudia el comportamiento de relajación de diferentes sustancias. Un relaxómetro con ciclado de campo (en inglés "field-cycling relaxometer") permite medir ex vivo o in vitro el comportamiento de relajación de muestras de tejido, o de compuestos que aumentan el contraste, a cualquier intensidad de campo y con un alto grado de exactitud. De esta manera, muestras idénticas pueden examinarse bajo condiciones idénticas.
La relaxometría con ciclado de campo ha demostrado que T1 aumenta de manera no-uniforme a mayores campos, lo cual conduce a "huellas" especificas del aumento de T1 para diferentes tejidos [⇒ Rinck 1988]. Sin embargo, dada la complejidad de este método, estas huellas o marcadores biológicos solo son de importancia científica y no de uso para diagnóstico clínico.
El ciclado de campo rápido (en inglés "Fast Field-Cycling, FFC) también puede utilizarse como técnica en la obtención de imágenes, ya que explota los campos magnéticos variables para cuantificar el movimiento molecular, proporcionando información estructural no-invasiva. La RMN-FFC puede ser potencialmente útil para biomarcadores en aplicaciones médicas [⇒ Broche 2019].
La explicación de cómo la presencia de iones o moléculas paramagnéticos puede aumentar la tasa de relajación del agua es altamente compleja. Los electrones producen un campo magnético mucho más fuerte que los núcleos pero cuando se produce emparejamiento de electrones solo se crea un campo neto débil.
Los compuestos paramagnéticos tienen una influencia similar sobre los espines excitados, acortando T1. En los iones paramagnéticos existen electrones desapareados cuya reorientación produce un fuerte campo magnético fluctuante lo que, a su vez, provoca una reducción significativa en el tiempo de relajación (Figura 04-05).
Figura 04-05:
Los niños de la Figura 04-02 invitaron a otro niño (llamado "Gadolinio"). Su presencia en la cima de la colina pateando la bola ha reducido significativamente el tiempo durante el cual la bola permanecería en estado inestable.
Sustancias paramagnéticas típicas incluyen Mn²+, Cu²+, Fe²+, Fe³+, Gd³+, así como el oxígeno molecular y los radicales libres. En ciertas circunstancias la capacidad de los compuestos paramagnéticos para alterar los tiempos de relajación puede ser utilizada para cambiar el contraste en imágenes de RM; es por esto, por ejemplo, que el gadolinio y algunos complejos de manganeso se utilizan como agentes de contraste de resonancia magnética (véase el Capítulo 13).
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Capítulo 4 — Página 1 |
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