Imágenes por resonancia magnética (IRM)

La resonancia magnética (IRM) es un dispositivo médico que utiliza un campo magnético y la resonancia natural de los átomos del cuerpo para obtener imágenes de tejidos humanos. El dispositivo básico se desarrolló por primera vez en 1945 y la tecnología ha mejorado constantemente desde entonces. Con la introducción de computadoras de alta potencia, la resonancia magnética se ha convertido en un importante dispositivo de diagnóstico. No es invasivo y es capaz de tomar fotografías de tejidos duros y blandos, a diferencia de otras herramientas de diagnóstico por imágenes médicas. La resonancia magnética se utiliza principalmente para examinar los órganos internos en busca de anomalías como tumores o desequilibrios químicos.

Historial

El desarrollo de la resonancia magnética (IRM) comenzó con los descubrimientos de la resonancia magnética nuclear (RMN) a principios del siglo XX. En este momento, los científicos acababan de comenzar a descubrir la estructura del átomo y la naturaleza de la luz visible y la radiación ultravioleta emitida por ciertas sustancias. Las propiedades magnéticas del núcleo de un átomo, que es la base de la RMN, fueron demostradas por Wolfgang Pauli en 1924.

El primer dispositivo básico de RMN fue desarrollado por I. I. Rabi en 1938. Este dispositivo pudo proporcionar datos relacionados con las propiedades magnéticas de ciertas sustancias. Sin embargo, adolecía de dos limitaciones importantes. En primer lugar, el dispositivo solo podía analizar materiales gaseosos y, en segundo lugar, solo podía proporcionar mediciones indirectas de estos materiales. Estas limitaciones se superaron en 1945, cuando dos grupos de científicos dirigidos por Felix Bloch y Edward Purcell desarrollaron de forma independiente dispositivos de RMN mejorados. Estos nuevos dispositivos resultaron útiles para muchos investigadores, ya que les permitieron recopilar datos sobre muchos tipos diferentes de sistemas. Después de nuevas mejoras tecnológicas, los científicos pudieron utilizar esta tecnología para investigar tejidos biológicos a mediados de la década de 1960.

Pronto siguió el uso de la RMN en medicina. Los primeros experimentos mostraron que la RMN podía distinguir entre tejido normal y canceroso. Experimentos posteriores demostraron que se podían distinguir muchos tejidos corporales diferentes mediante exploraciones por RMN. En 1973, se desarrolló un método de obtención de imágenes que utiliza datos de RMN y cálculos computarizados de tomografía. Proporcionó la primera imagen de resonancia magnética (IRM). En consecuencia, este método se utilizó para examinar un ratón y, aunque el tiempo de prueba requerido fue de más de una hora, se obtuvo una imagen de los órganos internos del ratón. Las imágenes humanas siguieron unos años más tarde. Desde entonces se han realizado varias mejoras tecnológicas para reducir el tiempo de escaneo requerido y mejorar la resolución de las imágenes. Se han realizado mejoras más notables en la aplicación tridimensional de la resonancia magnética.

Antecedentes

Las etapas básicas de una lectura de resonancia magnética son simples. Primero, el paciente se coloca en un campo magnético fuerte y constante y está rodeado por varias bobinas. Luego, se aplica radiación de radiofrecuencia (RF) al sistema, lo que hace que resuenen ciertos átomos dentro del paciente. Cuando se apaga la radiación de RF, los átomos continúan resonando. Finalmente, los átomos resonantes vuelven a su estado natural y, al hacerlo, emiten una radiación de radiofrecuencia que es una señal de RMN. Luego, la señal se procesa a través de una computadora y se convierte en una imagen visual del paciente.

Las señales de RMN que se emiten desde las células del cuerpo son producidas principalmente por los protones de las células. Las primeras imágenes de RM se construyeron basándose únicamente en la concentración de protones dentro de un tejido determinado. Sin embargo, estas imágenes no proporcionaron una buena resolución. La resonancia magnética se volvió mucho más útil para construir una imagen interna del cuerpo cuando se tuvo en cuenta un fenómeno conocido como tiempo de relajación, el tiempo que tardan los protones en emitir su señal. En todos los tejidos corporales, existen dos tipos de tiempos de relajación, T1 y T2, que pueden detectarse. Los diferentes tipos de tejidos exhibirán diferentes valores de T1 y T2. Por ejemplo, la materia gris en el cerebro tiene un valor de T1 y T2 diferente al de la sangre. Usando estas tres variables (densidad de protones, valor T1 y T2), se puede construir una imagen de alta resolución.

La resonancia magnética se utiliza principalmente para crear imágenes del cerebro humano. Es particularmente útil para esta área porque puede distinguir entre tejidos blandos y lesiones. Además de la información estructural, la resonancia magnética permite obtener imágenes funcionales del cerebro. Las imágenes funcionales son posibles porque cuando un área del cerebro está activa, aumenta el flujo sanguíneo a esa región. Cuando las exploraciones se toman con suficiente velocidad, de hecho, se puede ver sangre moviéndose a través de los órganos. Otra aplicación de la resonancia magnética son las imágenes del esqueleto muscular. Las lesiones de los ligamentos y cartílagos en las articulaciones de las rodillas, muñecas y hombros se pueden ver fácilmente con la resonancia magnética. Esto elimina la necesidad de cirugías invasivas tradicionales. Un uso en desarrollo de la resonancia magnética es el seguimiento de sustancias químicas a través del cuerpo. En estas exploraciones se reciben e interpretan las señales de RMN de moléculas como el carbono 13 y el fósforo 31.

Materias primas

Las partes de funcionamiento principales de un sistema de resonancia magnética incluyen un imán externo, bobinas de gradiente, equipo de RF y una computadora. Otros componentes incluyen un protector de RF, una fuente de alimentación, una sonda de RMN, una unidad de visualización y una unidad de refrigeración.

El imán utilizado para crear el campo magnético externo constante es la pieza más grande de cualquier sistema de resonancia magnética. Para que sea útil, el imán debe poder producir un campo magnético estable que penetre en un cierto volumen, o rebanada, del cuerpo. Hay tres tipos diferentes de imanes disponibles. Un imán resistivo está formado por delgadas bandas de aluminio envueltas en un bucle. Cuando se conduce electricidad alrededor del bucle, se crea un campo magnético perpendicular al bucle. En un sistema de resonancia magnética, cuatro imanes resistivos se colocan perpendiculares entre sí para producir un campo magnético constante. A medida que la electricidad se conduce alrededor del circuito, la resistencia del circuito genera calor, que debe ser disipado por un sistema de enfriamiento.

Los imanes superconductores no tienen los mismos problemas y limitaciones del tipo resistivo de imán. Los imanes superconductores son imanes de anillo, hechos de una aleación de niobio-titanio en una matriz de cobre, que se sobreenfría con helio líquido y nitrógeno líquido. A estas bajas temperaturas, casi no hay resistencia, por lo que se necesitan niveles muy bajos de electricidad. Este imán es menos costoso de operar que el tipo resistivo y se pueden generar mayores intensidades de campo. El otro tipo de imán utilizado es un imán permanente. Está construido con un material ferromagnético, es bastante grande y no requiere electricidad para funcionar. También proporciona más flexibilidad en el diseño del sistema de resonancia magnética. Sin embargo, la estabilidad del campo magnético que genera el imán permanente es cuestionable y su tamaño y peso pueden ser prohibitivos. Si bien cada uno de estos diferentes tipos de imanes puede producir campos magnéticos con diferente intensidad, no se ha descubierto una intensidad de campo óptima.

Para proporcionar un método para decodificar la señal de RMN que se recibe de una muestra, se utilizan gradientes de campo magnético. Normalmente, se utilizan tres conjuntos de bobinas de gradiente para proporcionar datos en cada una de las tres dimensiones. Al igual que los imanes primarios, estas bobinas están hechas de un bucle conductor que crea un campo magnético. En el sistema de resonancia magnética, se envuelven alrededor del cilindro que rodea al paciente.

El sistema de RF tiene varias funciones en una máquina de resonancia magnética. Primero, es responsable de transmitir la radiación de RF que induce a los átomos a emitir una señal. A continuación, recibe la señal emitida y la amplifica para que pueda ser manipulada por la computadora. Las bobinas de RF son las piezas principales de hardware en la RF. sistema. Están construidos para crear un campo magnético oscilante. Este campo induce a los átomos en un área definida a absorber la radiación de RF y luego emitir una señal. Además de enviar la señal de RF, las bobinas también pueden recibir la señal del paciente. Dependiendo del tipo de sistema de resonancia magnética, se utiliza una bobina de RF de asiento o una bobina de RF de solenoide. La bobina generalmente se coloca al lado del sujeto y está diseñada para adaptarse al paciente. Para reducir las interferencias de RF, se utiliza una hoja de aluminio.

El enlace final en el sistema de resonancia magnética es una computadora, que controla las señales enviadas y procesa y almacena las señales recibidas. Antes de que la computadora pueda analizar la señal recibida, se traduce a través de un convertidor analógico-digital. Cuando la computadora recibe señales, realiza varios algoritmos de reconstrucción, creando una matriz de números que son adecuados para el almacenamiento y construyendo una pantalla visual usando un transformador de Fourier.

El
proceso de fabricación

Los componentes individuales de un sistema de resonancia magnética generalmente se fabrican por separado y luego se ensamblan en una unidad grande. Estas unidades son extremadamente pesadas, a veces pesan más de 100 toneladas (102 toneladas métricas).

Imán

• 1 Los imanes que se utilizan con más frecuencia en un sistema de resonancia magnética son los electroimanes superconductores. Estos se pueden fabricar con varios materiales, pero el diseño básico implica una bobina de cable conductor, un sistema de refrigeración y una fuente de alimentación. Las bobinas están hechas enrollando alambre, construido a partir de filamentos de una aleación de niobio y titanio incrustados en cobre, en un bucle grande. Para crear el campo magnético necesario, se utilizan varias bobinas. En un tipo de sistema se utilizan ocho bobinas, seis para crear el campo magnético primario y dos para compensar el exceso de campo.
• 2 Las bobinas se sumergen en un recipiente que contiene helio líquido. Esto reduce la temperatura a un nivel que los hace superconductores. Para ayudar a mantener la temperatura estable, el recipiente está rodeado por dos recipientes más que contienen otros refrigerantes como nitrógeno líquido. Luego, esta construcción se suspende con varillas delgadas en un recipiente sellado al vacío. Una fuente de alimentación está conectada a las bobinas magnéticas y se usa solo cuando el imán necesita ser energizado. El imán está unido al soporte del paciente, que es una mesa deslizante que lleva al paciente al campo magnético.

Bobinas de degradado

• 3 Las bobinas de gradiente son electroimanes de tipo resistente. En un sistema de resonancia magnética, normalmente hay tres conjuntos de bobinas de gradiente. Cada bobina está hecha enrollando tiras delgadas de cobre o aluminio en un patrón específico. Las bobinas se fortalecen mediante la introducción de un epoxi en su estructura. El tamaño de estas bobinas determina el ancho de la abertura en la que se coloca al paciente. Dado que una bobina más pequeña requiere menos energía, este ancho debe ser lo suficientemente grande para evitar la claustrofobia en el paciente, pero lo suficientemente pequeño como para requerir una cantidad razonable de electricidad. Estas bobinas de gradiente suelen estar protegidas para evitar la interferencia de corrientes parásitas.

Sistema de RF

• 4 Los componentes electrónicos del sistema de RF pueden ser proporcionados por proveedores externos y ensamblados por el fabricante de MRI. Estos componentes están conectados a las bobinas de RF, que se fabrican con diferentes diseños. Las bobinas del transmisor y del receptor están compuestas del mismo tipo de materiales que las bobinas de gradiente. También están construidos de forma muy parecida al imán principal. Sin embargo, están formados por un bucle de material conductor, como el cobre, que puede crear un campo magnético oscilante. Un tipo de bobina de RF es una bobina de superficie, que tiene forma de círculo y se aplica directamente sobre el paciente. Otro tipo es la bobina de sillín. Estos pueden colocarse directamente en el orificio del imán o formarse en una bobina de jaula de pájaros y colocarse justo dentro de las bobinas de gradiente. Cada tipo de bobina está conectado a una fuente de alimentación.

Computadora

• 5 La computadora es suministrada por los fabricantes de computadoras y modificada y programada para su uso en un sistema de resonancia magnética. Se adjunta a él la interfaz de usuario, el transformador de Fourier, el convertidor de señal y un preamplificador. También se incluyen un dispositivo de visualización y una impresora láser.

Montaje final

• 6 Cada uno de los componentes de la resonancia magnética se ensambla y se coloca en un marco apropiado. El montaje puede realizarse en la planta o in situ, donde se utilizará el sistema. En cualquier caso, la naturaleza del imán normalmente requiere precauciones especiales de manipulación, como transportarlo en un vehículo con suspensión neumática.

Control de calidad

La calidad de cada sistema de resonancia magnética que se fabrica se garantiza mediante la realización de inspecciones visuales y eléctricas durante todo el proceso de producción. El rendimiento de la resonancia magnética se prueba para asegurarse de que esté funcionando correctamente. Estas pruebas se realizan en diferentes condiciones ambientales, como calor y humedad excesivos. La mayoría de los fabricantes establecen sus propias especificaciones de calidad para los sistemas de resonancia magnética que producen. Varias organizaciones médicas y agencias gubernamentales también han propuesto estándares y recomendaciones de desempeño.

El futuro

El enfoque de la investigación actual de la resonancia magnética se encuentra en áreas que incluyen mejorar la resolución del escaneo, reducir el tiempo de escaneo y mejorar el diseño de la resonancia magnética. Los métodos para mejorar la resolución y disminuir el tiempo de exploración implican reducir la relación señal / ruido. En un sistema de resonancia magnética, el ruido es causado por señales generadas aleatoriamente que interfieren con la señal de interés. Un método para reducirlo es mediante el uso de un campo magnético de alta intensidad. Los diseños mejorados para los sistemas de resonancia magnética también ayudarán a reducir esta interferencia y disminuir el ruido asociado con los electroimanes. En el futuro, deberían estar disponibles las imágenes por resonancia magnética en tiempo real.