Secuencias basicas de RM

1. Cátedra: Tecnología de las Imágenes III
“Resonancia Magnética Nuclear: Secuencias Básicas”
Docente:
Bioing. Gustavo Bizai
1º Cuatrimestre de 2018

2. Temas a desarrollar
OBJETIVOS:
• Aprender las secuencias básicas de pulsos para obtener
imágenes en RMN
• Comprender cómo se obtiene el contraste
• Examinar el efecto de la Recuperación de la Inversión en
el contraste
AGENDA:
• Secuencias básicas de eco:
o Recuperación de la Saturación (SR)
o Spin Eco (SE),
o Field Eco (FE),
o Recuperación de la Inversión (IR)
2

3. ¿Qué es la RMN?
3
Fenómeno físico por el cual ciertos
núcleos atómicos (aquellos con un
número impar de protones) pueden
absorber selectivamente energía de RF al
ser colocados bajo un intenso campo
magnético.
Resonancia: Respuesta amplificada ante un estímulo de
la misma frecuencia natural.

4. Excitación y Relajación
4
• Excitación
• Al aplicar energía de RF (B1) sobre los spines a
la frecuencia de precesión, algunos de ellos
cambiaran su estado energético de paralelo a
anti-paralelo y vice-versa
• Es un proceso de absorción energética
• Relajación
• Cuando se quita B1, los spines retornan a su
estado de equilibrio original, liberando la
energía almacenada a su entorno, a la misma
frecuencia de resonancia y mediante
comportamientos de tipo exponencial con
constantes de tiempo T1 & T2.

5. 5
Principios DO
La ecuación de Larmor
0 =  . B0
0 : Frecuencia de
Larmor (MHz)
 : Cte.Giromagnética
(42,6
MHz/Tesla)
B0: Intensidad de
campo (Tesla)
• Solo hay resonancia si la RF es aplicada al
valor de frecuencia definido por Larmor
• Se requiere de un campo magnético muy
homogéneo y estable
• La frecuencia de excitación y relajación
depende de B0
• 1.5 T: 63.9 MHz, 0.5 T: 21.3 MHz
• De aquí deriva el principio básico de la IRM
para distinguir entre dos puntos y
conformar la imagen espacialmente
• Modificar el campo magnético B0
empleando un sistema de gradientes
magnéticos en las 3D

6. 6
Sistema de Coordenadas
• Asumiendo el eje z para la
dirección del campo B0,
entonces M está también a lo
largo de Z
• El proceso de excitación y
relajación puede describirse por
medio del comportamiento de
M
• Mz: componente
longitudinal de M (a lo
largo de z)
• Mxy: componente
transversal de M (sobre el
plano x-y)
x
y
Magnetización
M
z

7. Formulación Matemática
7
• Dos procesos independientes de tipo
exponencial con constantes de tiempo T1 y T2
• Relajación T1 o longitudinal (Spin-lattice o
spin-red)
• Mz (t) = M0*(1-exp(-t/T1))
• Define el comportamiento a lo largo del eje z (en
la dirección del campo magnético)
• Relajación T2 o transversal (Spin-spin)
• Mxy(t) = M0*exp(-t/T2)
• Define el comportamiento en el plano
transversal xy

8. VII.
8
Observando la Señal de Eco
• La bobina receptora o de
paciente capta una señal
eléctrica muy débil
durante la relajación
• Debe ser perpendicular
a B0
• La señal recibida es
luego procesada por el
sistema
• Esta señal captada por la
bobina de paciente recibe
el nombre FID (free
induction decay)

9. La señal FID
9
• Arriba:
• Señal senoidal debida a
una rotación de M con
velocidad y amplitud
constante
• Abajo:
• FID (Free Induction
Decay). La señal se
extingue debido al
decaimiento de la
componente Mxy

10. Principio de formación de imagen Mxy & Mz
10
• Se realizan repetidas excitaciones
y relajaciones para obtener los
datos necesarios para formar una
imagen
• Depende de la resolución
espacial requerida por el
usuario
• Solo Mxy contribuye a la FID y a
la intensidad de señal de eco
captada
• Mz aporta al Mxy en la siguiente
excitación y contribuye de ese
modo a la siguiente señal FID
M
Mxy
Mz
xy
z

11. Proceso completo de imagen
11
Excitación Relajación
X
Y
Z
X
Y
Recepción
Computo
Display
RF
ECO
Z
Y
X

12. 12
Generación de la señal de eco
• Concepto de Relajación T1 y T2 (repaso)
• Contraste T1 y contraste T2 de la imagen de RM
• Secuencias básicas de imagen:
• SE (Spin-Eco)
• FE (Field-Eco ó Eco de Gradiente)
• IR (Inversión-Recuperación)

13. Breve repaso: Excitación
13
• Hemos visto que cuando se
aplica RF, el vector de
magnetización M rota con
un ángulo de rotación o Flip
Angle determinado.
• Controlando la energía de RF
podemos controlar el ángulo
(FA)
• Una vez finalizada la excitación
con el pulso de RF se inicia el
proceso de Relajación

14. 14
Curva de Relajación T1
Mz
Tiempo
Grasa 260 ms
Sustancia gris 920 ms
LCR (CSF)
4000ms
Contraste T1
Mz (t) = M0*(1-exp(-t/T1))
• T1 corto >> Rápida recuperación. En imágenes
potenciadas en T1, tejidos con T1 corto brindan mayor
señal
• T1 es el tiempo en que se recupera el 63 % de Mz
• Se utilizan T1 intermedios (recuperación parcial de Mz)
para generar distintos contrastes entre los tejidos
63%
100%

15. Curva de Relajación T2
15
MXY
Tiempo
Grasa 80 ms
Sustancia gris 100 ms
LCR (CSF) 2000 ms
100%
37%
Contraste T2
• T2 largo >> decaimiento lento. En imágenes potenciadas en T2,
tejidos con T2 largos brindan mayor señal
• T2 es el tiempo en que la excitación inicial decae al
37%
• Se utilizan T2 intermedios para distintos contrastes
entre tejidos
Mxy(t) = M0*exp(-t/T2)

16. 16
T1 y T2 de diferentes tejidos
T1/1.5T T1/0.5T T2
CSF >4000 >4000 >2000
Sustancia gris 920 660 100
Sustancia
blanca
790 540 90
Bazo 780 560 62
Riñon 650 450 58
Higado 490 320 40
Musculo 870 600 50
Grasa 260 220 80
T2 mas cortos en abdomen que en cerebro
T1 & T2 largos en CSF y líquidos
T1 corto en la grasa

17. Cambios de T1 y T2 según anormalidad
17
T2 Largo
Corto
T1
Músculo
Deshidratación
Grasa
Largo
Corto
Degeneración
grasa
Órganos
Tumor
Inflamación
Edema
Desnaturalización

18. T1/T2W en cerebro
18
• Imagen ponderada
en T2 (Izquierda)
• CSF (T2=2000 ms)
• GM (T2=100 ms)
• WM (T2=90 ms)
• Imagen ponderada
en T1 (Derecha)
• WM (T1=540 ms)
• GM (T1=660 ms)
• CSF (T1=4000 ms)

19. Señal intensa en imágenes T1W
19
• Grasa
• Sustancia blanca: acortamiento de T1 debido a
mielina & agua
• Acortamiento de T1 por efecto paramagnético
(derecha)
• Gd (Agente de contraste)

20. Señal débil en imágenes T1W
20
• Baja densidad protónica: Pulmones, gas en sist. digestivo,
cavidades
• Baja movilidad protónica: Hueso, calcificación, tendón,
ligamentos
• Agua libre: CSF, saliva, jugos gástricos, liquido sinovial
• Inflamación, edema, tumor

21. Señal intensa en imágenes T2W
21
• Agua libre: CSF, saliva, jugos gástricos, liquido
articular
• Inflamación, edema, tumor
• Varias clases de anormalidades

22. Señal débil en imágenes T2W
22
• Baja densidad protónica: Pulmones, gas en sist. digestivo,
cavidades
• Baja movilidad protónica: Hueso, calcificación, tendón,
ligamentos
• Acortamiento de T2 por efectos paramagnéticos
• Hierro, sangre (tumor, derrame)

23. 23
T2* (T2 estrella ó aparente)
• Varias razones producen defasaje de los
spines
• Intrínsecas al tejido (relajación Spin-spin,
T2)
• Externas: Variaciones de campo magnético
o In homogeneidad (usualmente el efecto
dominante)
o Susceptibilidad magnética (habilidad para
magnetizarse)
o Corrimiento químico (diferencias en la frecuencia
de resonancia debido a diferentes entornos de las
moléculas)
• Todo esto resulta en un acortamiento del T2
(T2* ó aparente) y en pérdida de señal
• T2 mas importante que T2* >> Spin Eco

24. 24
Comportamiento de los Spines luego de la
Excitación
• Los spines se mantienen en
fase si ignoramos los efectos
de T2 y T2*
• Si cada spin esta expuesto a
diferente intensidad de campo
B0, estos comenzaran a
separarse al rotar a distinta
velocidad
• B0-2B: -2f
• B0-B: -f
• B0: Se mantiene igual
• B0+B: +f
• B0+2B: +2f
y
x
x
+2B
+B
y
x
x
+2B
+B
y
x
x
+2B
+B
y
x
x
+2B
+B
y
-2B
-B

25. 25
T2 & T2*
Signal decrease after
excitation (FID signal)
Echo signal

26. 26
T2 & T2*

27. 27
Refase del Eco (Refocalización)
• Volver a poner los spines desfasados nuevamente
en fase
• Se logra así adquirir la máxima señal (eco)
• Dos modos de producir el refase:
• SE (Spin Echo): Pulso de RF de 180º, cancela
los efectos externos (in-homogeneidad &
susceptibilidad)
• FE (Field Echo): Reversión por medio de
campo de Gradientes. No elimina in
homogeneidad y pondera en T2*
o FE (Field Echo) = GE (Gradient Echo)

28. 28
Secuencias básicas de pulsos
• Mediante el uso de secuencias de pulsos de RF
podemos hacer prevalecer uno de los parámetros (T1,
T2, PD, T2*) en el contraste de la imagen
• Son módulos básicos de pulsos de RF de valores
concretos separados por tiempos apropiados para
cada contraste
• SR (Saturation Recovery)
• SE (Spin Echo)
• FE (Field Echo)
• IR (Inversion Recuperación)

29. Secuencia Recuperación de la saturación
29
RF
90 90 FID 90
TR
TE
En desuso, sirve a los efectos didácticos

30. 30
Secuencia Recuperación de la saturación

31. Secuencia Recuperación de la saturación
• Si TR ↑ potencia la Densidad protónica
Hay tiempo para que los protones se relajen
• Si TR ↓ potencia la señal T1
Queda la señal de resonancia del pulso
anterior
• Su uso primario es medir T1 más rápidamente
que la secuencia IR
• La señal FID reflejará diferencias de T1 debido
a diferentes cantidades de recuperación Mz
durante el período TR
31

32. 32
La secuencia Spin Eco
• La secuencia clásica SE consiste en enviar un primer pulso de 90º
que excita los núcleos del voxel
• Se deja relajar el voxel un cierto tiempo (TE/2) durante el cual
los spines se desfasarán
• Se envía un segundo pulso de 180º de forma que se inviertan las
posiciones de los spines respecto al campo magnético
• Transcurrido exactamente un nuevo intervalo de tiempo TE/2 de
recoge la señal (se forma el eco)
• Todo el proceso se repite otra vez a intervalos de tiempo TR
hasta obtener suficientes ecos para formar la imagen

33. 33
Principio de la secuencia de SE
Z
X
Y
Z
X
Y
Z
X
Y
Fast Slow
Slow
Fast
180° RF
pulse
Z
X
Y
Z
X
Y
Slow
Fast
Fast
Slow
En fase justo luego
de excitados
Desfase debido a in homogeneidad y a T2
Inversión de spines por pulso 180º
Los spines entran en fase,
generando el eco
90° RF
pulse

34. 34
TR & TE en SE
½ TE
RF
90 180 eco
90
TR
TE
½ TE
TR: Tiempo de Repetición TE: Tiempo de Eco
SE queda definido por TR/TE (también el contraste de la
imagen)
El eco se genera a tiempo igual que entre el pulso de 90º y el de
180º
La inversión producida por el pulso de 180º corrige
heterogeneidades en el campo magnético (aquellas que son fijas
en tiempo y espacio)

35. Formulación del contraste en SE
35
½ TE
RF
90 180 eco
90
TR
TE
½ TE
Relajación T2 >>> Señal de esta excitación
Relajación T1 >>> Señal de la sig. excitación
La intensidad de señal en SE es una función de (TR,TE,T1,T2,PD)
F = PD * [1-exp{-(TR-TE)/T1}] * exp(-TE/T2)
Dens. Protónica Recuperación de Mz Decaimiento Mxy
TR largo (>>T1) disminuye la potenciación T1
TE corto (<T2) disminuye la potenciación T2
Imagen PDW

36. Formulación del contraste en SE
36
Mz
Tiempo
Grasa
Sustancia gris
LCR (CSF)
Contraste T1
63%
100%
MXY
Tiempo
100%
37%
Contraste T2
Grasa
Sustancia gris
LCR (CSF)
TR, pulso90
TE, pulso180
TE corto:
no influencia T2
• TR intermedio: T1W
• TR largo: PDW
TR largo:
no influencia T1
• TE corto: PDW
• TE intermedio: T2W
TE
TR
T1W PDW
T2W
X

37. Dependencia de TR en SE
37
• SE 35/15 (Arriba izquierda)
• Prácticamente todo
saturado
• SE 200/15 (Arriba derecha)
• Scan corto, poco
contraste
• SE 500/15 (Abajo izquierda)
• Imagen T1W
• FSE 3000/12 (Abajo derecha)
• Imagen PDW

38. Dependencia de TE en SE
38
• FSE 3000/12 (Arriba izq.)
• Imagen PDW
• FSE 4000/80 (Arriba der.)
• Imagen T2W
• FSE 4000/120 (Abajo izq.)
• Imagen T2W
• FSE 9000/254 (Abajo der.)
• Imagen T2W pesada
• Casi todo desfasado
excepto liq. cefalo
raquídeo (CSF)

39. La secuencia Field Eco
39
• La secuencia clásica FE consiste en enviar un primer pulso de
RF de flip variable () que excita los núcleos del voxel
• Luego se interfiere el normal comportamiento de los spines
con un gradiente externo de defasaje (se potencia el defasaje)
• Se envía un segundo gradiente, inverso al anterior, de forma
de producir el refase de los spines y poder captar un eco
• Ambos ciclos de gradiente son de igual amplitud y duración
pero de opuesta polaridad (gradiente bipolar)
• Todo el proceso se repite otra vez a intervalos de tiempo TR
hasta obtener suficientes ecos para formar la imagen

40. Principio de la secuencia de FE
40
Reversión
De gradientes
Z
X
Y
Z
X
Y
Z
X
Y
-
+
_ - -
+ +
Defasaje Intencional
Gradiente ext. + T2*
Spines en fase luego de
Revertir gradientes
T2*
Z
X
Y
Z
X
Y

41. TR & TE en FE
41
TR: Tiempo de Repetición TE: Tiempo de Eco
FE queda definido por  (flip), TR y TE (también el contraste de imag)
El eco se genera al finalizar el gradiente de rephase
Potenciación cambia de T2 a T2* (no compensa la in-homogeneidad)
Tiempos menores y menos RF a costa de menor señal y mayor ruido
RF
 eco 
TR
TE
+Gx
-Gx

42. Formulación del contraste en FE
42
• Intensidad de señal en FE es función de (FA, TR, TE,
T1, T2, PD)
aprox = PD * sin (FA) * [1-exp(-TR/T1)] *
exp(-TE/T2)
• Hay varios factores no incluidos en esta ecuación
• Susceptibilidad & in homogeneidad del campo, diferencias de
fase entre agua y grasa (in / out of phase), etc
• Ponderación en T2* (T2*W)
• Información de T2 mas efectos de susceptibilidad e in
homogeneidad
• FA chicos (5-45º) para disminuir efecto de T1
• Ponderación de T1 (T1W)
• Buen contraste T1 y nivel de señal
• FA grandes (45-90º) para disminuir efecto de T2

43. Dependencia de FA en FE
43
• FE 300/14
• En fase, 0.5 T
• FA=10/30/50/70/90
(Desde arriba a la
izquierda hasta
abajo a la derecha)
• Contraste cambia de
T2*W a T1W

44. SE & FE
44
• SE
• Refase de spines por medio de pulso de RF de 180º
• Cancela efectos de in homogeneidad & susceptibilidad
• Se obtienen precisas imágenes ponderadas en T2
• FE
• Refase de spines por reversión de gradientes
• In homogeneidad & susceptibilidad genera ponderación en
T2*
• Se necesitan menores TR & TE (scan corto, mas cortes)
• Menor RF aplicada por no haber pulsos de 180º (SAR)
• Imágenes mas ruidosas (menor calidad de señal) y con
algunos artefactos (susceptibilidad en interfases de tejido,
implantes, etc)

45. Secuencia IR (recuperación de la inversión)
45
180 180
90 180
TR
TI TE
• Aplica pulsos de 180º previo al SE
• Pulso de Inversión de 180º
• Se obtienen imágenes mas pesadas en
T1
• Numero de cortes limitado
• TI: Tiempo de Inversión

46. Formulación del contraste en IR
46
Mz
Time
Fat Grey Matter
CSF
90
TI
180
0
• Intensidad de señal en IR es función de (TI, TR, TE, T1, T2, PD)
aprox = PD * [1-2*exp(-TI/T1) + exp(-TR/T1)] * exp(-TE/T2)
Dens. Prot. * Recuperación T1 luego de inversión y 90º * Decaimiento T2

47. FLAIR (Fluid attenuated IR) & STIR (Short Time IR)
47
(Suppression of Fat)
(Suppression of Water)
STIR: T1(Fat)=260 ms(1.5T)
TI = 60-160 ms
T1W: TI=700 ms
FLAIR: T1(CSF)>4000 ms
TI=1900-2200 ms