Cómo funciona la resonancia magnética: explicación de la física

Resonancia Magnética Nuclear (RMN)

La resonancia magnética se basa en el fenómeno de la mecánica cuántica de resonancia magnética nuclear (RMN). Ciertos núcleos atómicos (aquellos con números impares de protones o neutrones, incluidos ¹H, ¹³C, ³¹P) tienen una propiedad cuántica llamada girar (Yo ≠ 0). El giro crea un pequeño momento dipolar magnético μ = γIℏ, donde γ es la relación giromagnética específica del núcleo.

Para protones de hidrógeno (I = ½): γ = 2,675 × 10⁸ rad·s⁻¹·T⁻¹. Cuando se coloca en un campo magnético externo B₀, el espín puede alinearse en paralelo (menor energía, giro hacia arriba |+⟩) o antiparalelo (mayor energía, giro hacia abajo |−⟩). La diferencia de energía:

Para una resonancia magnética de 1,5 T: f₀ = (2,675 × 10⁸ × 1,5) / 2π ≈ 63,9 MHz — en el rango de radiofrecuencia. Para 3 T: f₀ ≈ 127,7 MHz.

En el equilibrio térmico, un poco más de espines se alinean en paralelo (distribución de Boltzmann), creando una magnetización masiva neta M₀ a lo largo de B₀ (la dirección longitudinal, eje z). Esto es pequeño (alrededor de 3 giros por millón a 1,5 T), pero con 10²³ protones en un cuerpo humano, es detectable.

Precesión de Larmor

Como un giroscopio inclinado en dirección opuesta a la vertical, la magnetización neta M precede alrededor de B₀ en el Frecuencia de larmor f₀. Esta precesión es la resonancia fundamental explotada por la resonancia magnética:

La importancia clínica: si se hace coincidir la frecuencia de un campo magnético oscilante aplicado (pulso de RF) con la frecuencia de Larmor, los espines giratorios absorben energía: resonancia. Esta es la "R" en resonancia magnética.

El pulso de RF: inclinando la magnetización

Se aplica un pulso de RF a la frecuencia de Larmor perpendicular a B₀. En el marco de referencia giratorio, esto aparece como un campo estático B₁ que gira M alejándolo del eje z (el ángulo de giro α depende de la duración del pulso y la amplitud de B₁):

• Pulso de 90°: Gira M completamente hacia el plano transversal (xy). Máxima detección de señal.
• Pulso de 180°: Invierte M (utilizado para mediciones T1 y secuencias de eco de espín).

Una vez en el plano transversal, M precede en ω₀ e induce un voltaje oscilante en la bobina receptora (según la ley de inducción de Faraday). Esta señal: el desintegración por inducción libre (FID) - son los datos sin procesar de la resonancia magnética.

Relajación T1 y T2

Después del pulso de RF, la magnetización perturbada vuelve al equilibrio mediante dos procesos de relajación independientes:

T1 — Relajación (longitudinal) de Spin-Lattice

M_z(t) = M₀(1 − e^−t/T1). T1 es la constante de tiempo para que se recupere la magnetización longitudinal. Refleja la eficiencia con la que los espines intercambian energía con su entorno (la "red"). Los líquidos tienen T1 largo (~1 a 4 s); los tejidos grasos tienen T1 corto (~200 a 300 ms).

T2 — Relajación Spin-Spin (transversal)

M_xy(t) = M₀ e^−t/T2. T2 es la constante de tiempo para la caída de la magnetización transversal, causada por faltas de homogeneidad del campo magnético local debido a que los espines vecinos se desfasan entre sí. T2 ≤ T1 siempre. El LCR tiene T2 largo (~2 s); El músculo esquelético tiene T2 corto (~30 ms).

Al variar el tiempo de eco (TE) y el tiempo de repetición (TR), el operador de resonancia magnética selecciona qué propiedades del tejido dominan el contraste de la imagen:

• Ponderada en T1: TR corto, TE corto. La grasa es brillante, el agua es oscura. Bueno para la anatomía.
• Ponderada en T2: TR largo, TE largo. El agua/LCR es brillante. Bueno para edemas e inflamación.
• Densidad de protones (PD): TR largo, TE corto. Refleja el contenido de agua. Bueno para el cartílago.

Bobinas de gradiente: posición de codificación

La innovación clave que permite obtener imágenes por resonancia magnética (en lugar de solo espectroscopia) es el bobina de gradiente sistema. Tres conjuntos de bobinas de gradiente (Gx, Gy, Gz) agregan campos que varían espacialmente encima de B₀:

La frecuencia de Larmor ahora varía linealmente en todo el cuerpo. By applying a selective RF pulse at frequency f₀ ± Δf, only a thin slice (where B is tuned to resonance) is excited — selección de rebanadas. Dentro de ese segmento, gradientes adicionales codifican las posiciones xey mediante codificación de frecuencia y codificación de fase.

Reconstrucción de imágenes — Matemáticas de Fourier

Cada adquisición de datos muestra una línea de espacio k — la transformada de Fourier de la imagen final. Después de recolectar muchas líneas del espacio k (una por TR), una transformada de Fourier inversa (FFT) 2D reconstruye la imagen. El tiempo para llenar el espacio k determina el tiempo de exploración:

tiempo de exploración = TR × número de pasos de codificación de fase × número de promedios

Las secuencias avanzadas (EPI – Echo Planar Imaging, utilizadas en fMRI) llenan todo el espacio k en una sola TR, lo que permite tiempos de exploración inferiores a un segundo. Resonancia magnética anatómica estándar: 3 a 15 minutos por secuencia.

Agentes de contraste

Los agentes de contraste a base de gadolinio (p. ej., gadopentetato de dimeglumina) acortan el T1 de los tejidos en los que penetran, lo que hace que esas regiones parezcan más brillantes en las imágenes potenciadas en T1. Se acumulan en áreas de ruptura de la barrera hematoencefálica (tumores, inflamación, lesiones activas de la EM), lo que proporciona una especificidad diagnóstica que no está disponible sin contraste. El gadolinio es un metal de tierras raras (número atómico 64) con 7 electrones desapareados, lo que le confiere fuertes propiedades paramagnéticas.

Resonancia magnética funcional (fMRI)

La resonancia magnética funcional explota el Efecto BOLD (Depende del nivel de oxigenación en sangre). La hemoglobina oxigenada (oxHb) es diamagnética; La hemoglobina desoxigenada (desoxiHb) es paramagnética. Actividad neuronal → aumento del flujo sanguíneo local → aumento de la oxigenación de la sangre → reducción de la falta de homogeneidad del campo local → T2* más prolongado → señal de resonancia magnética más fuerte. Los mapas de activación cerebral se construyen correlacionando los cambios de señal BOLD con el tiempo de la tarea.

Resolución temporal: 1 a 2 segundos. Resolución espacial: ~1–3 mm. A pesar de su ubicuidad en la neurociencia, BOLD fMRI mide el flujo sanguíneo, no la actividad eléctrica: hay un retraso hemodinámico de 4 a 6 segundos y la relación entre la activación neuronal y la respuesta BOLD es compleja y aún se está caracterizando.

Seguridad en la resonancia magnética

La resonancia magnética no es ionizante: utiliza ondas de radio, no rayos X, y deposita una energía insignificante en el tejido con intensidades de campo clínicas. Sin embargo:

• Efecto proyectil: El campo magnético ejerce una fuerza enorme sobre los objetos ferromagnéticos (herramientas de acero, cilindros de oxígeno), que se convierten en peligrosos proyectiles en las zonas de resonancia magnética de la zona 3/4. Es obligatorio realizar una estricta detección de metales.
• Calentamiento del implante: Los implantes de plomo, los estimuladores neuronales y algunos dispositivos cardíacos antiguos pueden calentarse significativamente en el campo de RF. Los implantes modernos están diseñados para estar condicionados a la resonancia magnética.
• Ruido acústico: El cambio rápido de las bobinas de gradiente produce un ruido acústico de más de 100 dB; la protección auditiva es estándar.
• 7 T y superiores (investigación): En campos ultraaltos, la estimulación de los nervios periféricos mediante el cambio de gradiente y los límites de la tasa de absorción específica (SAR) se vuelven más restrictivas, pero no se ha confirmado ningún daño biológico a largo plazo solo por el campo B₀.

Preguntas frecuentes