Espectroscopia por Resonancia Magnética Proyecto Final Integrador de La Tecnicatura en Diagnóstico por Imágenes Escuela de Ciencia y Tecnología Universidad Nacional de General de San Martín
Alumna: Barbazán Sandra Valeria Orientador: Dra. Laura Falcón Lic. Sivina Carpintiero Año 2007
Índice Página 1. Introducción
4
2. Generalidades
6
2.1 Características
6
2.2 Herramientas
6
2.3 Utilidades
6
3. Factores físicos
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4. Instrumentación utilizada
8
5. Núcleos utilizados
9
6. Secuencias de pulsos para la adquisición de espectros de H-1
11
6.1 Secuencia spin-echo
11
6.2 Secuencia de eco estimulado
12
6.3 Diferencia entre ambas secuencias
12
7. Neuroespectroscopia
13
7.1 Metabolitos presentes en el espectro
14
7.2 Metabolitos en diferentes patologías
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7.3 Aplicaciones clínicas
16
8. Espectroscopia de fósforo
20
8.1 Utilidades
20
8.2 Regiones a examinar
20
8.3 Metabolitos de importancia diagnóstica
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8.4 Realización del estudio 9. Apéndice
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9.1 Principios físicos
23
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9.1.1 Protones paralelos y antiparalelos al campo
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9.1.2 Movimiento de precesión
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9.1.3 Frecuencia de Larmor
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9.1.4 Importancia de la constante de apantallamiento
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9.2. Generación de la FID
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9.2.1 Obtención del espectro
30
9.2.2 Desplazamiento químico
30
9.3. Adquisición del espectro
32
9.3.1 Imagen de referencia y selección del volumen de interés
32
9.3.2 Extensión a otros núcleos
32
9.3.3 Procesamiento del espectro
33
9.3.4 Análisis del espectro
34
10. Conclusión
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11. Bibliografía
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3
1. Introducción La resonancia magnética nuclear (RMN) es un fenómeno fisicoquímico que fue mencionado por primera vez en la bibliografía científica hace más de 50 años. En el año 1946, dos grupos de investigación dirigidos por Bloch y Purcell describieron el fenómeno de la resonancia magnética nuclear basado en las propiedades magnéticas de los núcleos. En la aplicación de la resonancia magnética en medicina se han observado diferentes fases relacionadas directamente con los avances tecnológicos que se han ido aconteciendo. Una primera etapa, que podríamos llamar “analítica”, viene marcada por la posibilidad apuntada por Damanian en 1971 de discriminar el tejido normal del neoplásico en animales de experimentación. Posteriormente, en el año 1973, Lauterbur publicó en Nature, la primera imagen tomográfica de tubos rellenos con agua mediante resonancia magnética. A partir de entonces los sucesivos avances de este nuevo método de imagen tomográfica se sucedieron en forma vertiginosa, y en 1977, Hinshaw et al publicaron las primeras imágenes obtenidas en humanos en la revista Nature. El primer estudio clínico que demostraba la existencia de enfermedad intracraneal fue publicado en 1980 por Hawkes et al y; finalmente en 1981, se instaló el primer prototipo de tomógrafo para uso clínico en el Hammersmith, hospital de Londres. (6) La etapa “clínica” de la resonancia magnética se inició a principios de los años ochenta, y ya de manera definitiva al final de esta década. A principios de la década de los noventa comenzó a utilizarse la resonancia magnética, no como una técnica diagnóstica complementaria a otras más establecidas como la radiología convencional, la tomografía computada, angiografía, etc.; sino como una técnica de primera elección en numerosos procesos patológicos, especialmente en el campo de las neurociencias. En los últimos años la resonancia magnética ha experimentado una progresión exponencial, su rápida evolución viene condicionada por los importantes avances tecnológicos: • en los imanes (con los constantes progresos en los imanes, se mejora la homogeneidad del campo magnético, y con ello la relación señal/ ruido para un mejor análisis de la imagen), • en los gradientes, • las antenas ( con el desarrollo de nuevas antenas y la posibilidad de ser usadas conjuntamente, ampliando el campo clínico de la resonancia magnética, mejorando la resolución espacial y con ello la interpretación de la imagen.), • las computadoras (hardware), • avances en los programas (software), que son los elementos básicos de un equipo de RMN. Dichos avances brindan no sólo la capacidad de obtener imágenes morfológicas de elevada resolución espacial y alto contraste tisular, sino también la posibilidad de obtener imágenes funcionales y dinámicas. 4
Se ha ingresado por lo tanto a una etapa denominada “funcional”, en la que no sólo se obtiene información diagnóstica estructural, sino también fisiológica y fisiopatológica con grandes posibilidades tanto en la medicina clínica como en la experimental. Entre las muchas innovaciones tecnológicas que se están desarrollando en los últimos años en la resonancia magnética, algunas de ellas con amplia implementación en los estudios clínicos habituales, cabe destacar la obtención de imágenes sensibles a movimientos microscópicos del agua tisular (difusión), los estudios hemodinámicos (perfusión), la identificación y cuantificación de metabolitos tisulares in vivo (espectroscopia), la determinación de la concentración tisular de macromoléculas (transferencia de magnetización) y el mapeo de zonas de activación cerebral (resonancia magnética funcional ). (6) La espectroscopia por resonancia magnética de protón (1H- ERM) es una técnica que permite determinar in vivo la concentración de diferentes metabolitos en regiones determinadas de un tejido. Esta capacidad se basa en el hecho de que la frecuencia de resonancia de un núcleo varia en función de su entorno químico. Al mismo tiempo, la amplitud de la señal obtenida proporciona información sobre la concentración en que se encuentra. La mayor limitación de esta técnica es su baja sensibilidad, ya que sólo metabolitos que estén en una concentración superior a 1 mM se pueden detectar con facilidad. Además, la espectroscopia por resonancia magnética de protón sólo detecta señal de los núcleos que tienen libertad de movimientos. En consecuencia, núcleos de moléculas grandes como proteínas, ácidos nucleicos o en macroestructuras como la mielina o membranas, aunque pueden encontrarse en concentraciones elevadas, son difíciles de detectar. Los cambios en la concentración de estos metabolitos, así como la aparición de otros, que en condiciones normales no son identificables (como la colina), son un reflejo de los cambios patológicos que se producen en una zona determinada del parénquima cerebral.
(2)
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2. Generalidades La espectroscopia es de gran importancia debido a que muchas decisiones quirúrgicas están precedidas por imágenes. Es utilizada también para la caracterización de una lesión, para realizar un diagnóstico o bien evaluar alguna lesión.
2.1 Características • Es una herramienta diagnóstica (llamada también biopsia virtual) • Es un método no invasivo • Proporciona información a nivel molecular y metabólico del tejido • Debe ser evaluada conjuntamente con las imágenes correspondientes
2.2 Herramientas • Debe realizarse una supresión de agua • Debe ser seleccionado un sitio de interés, al cual se le realizará el espectro • Juega un importante papel el TE, ya que este parámetro permite aparecer o desplazar a los metabolitos • El campo debe ser homogéneo • La región de interés debe evitarse en zonas con alta concentración de líquido, sangre, grasa, calcio y zonas con heterogeneidad
2.3 Utilidades •
Es utilizado para evaluar próstata, hígado, y sistema nervioso central
•
Diferencia tumores de otras patologías
•
Evalúa grado de malignidad del tumor
6
•
Diferencia tumores de metástasis
•
Es utilizada en pacientes epilépticos o con HIV
• Es utilizada en el monitoreo de tratamientos •
Es utilizada también la espectroscopia de fósforo en estudios musculares (11)
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3. Factores Físicos Desde el punto de vista físico existen diferencias entre las imágenes en resonancia magnética (IRM) y la espectroscopía por resonancia magnética (E-RM). En principio la IRM produce una imagen visual obtenida a partir de una señal de los protones de agua que se adquiere en presencia de un gradiente de campo magnético. Por el contrario, en la E-RM se ofrece información química del tejido cerebral que puede expresarse por valores numéricos, obteniendo la señal a partir de metabolitos en concentraciones muy inferiores, la cual puede realizarse en ausencia de un gradiente de campo magnético. El espectro que se obtiene en la E-RM consta de una serie de picos relativamente estrechos, cuya área es proporcional al número de núcleos detectados en el tejido. En la nitidez de cada pico del espectro influyen varios factores entre los cuales tenemos: la homogeneidad del campo magnético externo, ausencia de homogeneidad del campo magnético dentro de la muestra y el tiempo de relajación transversal (T2); cuanto más prolongado es el T2, más estrecho es el pico del espectro.
4. Instrumentación Utilizada Para la E-RM se utilizan los mismos instrumentos que para la IRM: Imán, sintetizador de radiofrecuencia, amplificador, receptor de radiofrecuencia y ordenador. En la E-RM la homogeneidad del campo debe ser superior a la que se requiere en la IRM para no perder información de la desviación química, por lo tanto se requiere de un equipo de 1.5 Tesla. Para la espectroscopía se puede prescindir de bobinas de gradiente de campo magnético aunque éstas son necesarias para las técnicas de localización espacial. Aunque no requiere de equipo para procesar imagen, se necesita de un conjunto de hardware y software para visualizar los espectros, calcular la frecuencia de la desviación química y medir el área de los picos.
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5. Núcleos utilizados
La espectroscopia presenta mayores retos que la RM convencional. En primer lugar, los metabolitos en el cerebro se encuentran en concentraciones milimolares, por lo tanto, las señales del agua y la grasa del cerebro y las estructuras vecinas pueden sobrepasar y distorsionar las señales de los metabolitos de interés. Para superar esto, se emplean técnicas para suprimir estas señales o para impedirles resonar. (1) Para las aplicaciones, los núcleos deben de tener ciertos requisitos, deben tener una sensibilidad magnética: es decir, número impar de protones y neutrones. Debido a que el isótopo de hidrógeno demuestra una gran sensibilidad magnética, por definición posee una sensibilidad magnética relativa de 1 o 100%.
Abundancia isotópica natural (4)
Figura I
Sólo el hidrógeno (1H), fósforo (31P), sodio (23Na), potasio (K) y flúor (19F) son magnéticos en la forma común que se encuentran existentes en el cuerpo humano.
(4)
El carbono 13, un isótopo del carbono, también es magnético pero sólo se encuentra en una proporción de un 1.1% respecto al carbono total, que mayormente es carbono 12. Más aún, sólo el hidrógeno y el flúor son los de mayor sensibilidad y el flúor se encuentra
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en pequeña proporción en los dientes. Los otros núcleos útiles son fósforo, sodio, potasio y carbono 13; pero tienen menores sensibilidades y se encuentran en bajas concentraciones. El fósforo y carbono 13 son núcleos útiles para estudiar el metabolismo, es decir, los cambios químicos en la materia viviente. El carbono se encuentra en el azúcar y juega un importante rol como fuente de energía del cuerpo. Lo mismo es para el fósforo, el cual forma parte de moléculas requeridas, por ejemplo en el ejercicio muscular y en otras funciones que requieren energía.
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6. Secuencias de pulsos para la adquisición de espectros de H-1 Son una serie de pulsos de radiofrecuencia y de gradientes de campo magnético que se activan a tiempos determinados para obtener la señal de resonancia. Las secuencias más utilizadas son la SE y la STEAM, ambas descriptas a continuación.
6.1 Secuencia spin-echo (SE, PRESS, PRIME) Constituida por tres pulsos de excitación, el primero de 90° y los otros dos de 180° (figura II). El primer pulso excita la magnetización de un plano mientras que el segundo se aplica en un plano perpendicular al anterior
(4)
. Finalmente se aplica el tercer pulso en un plano
perpendicular a las dos anteriores. El resultado final es una señal de eco que proviene solamente del volumen de interés (VOI) que ha sido excitado por los tres pulsos (figura III).(1)
Figura II
Figura III
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6.2 Secuencia de eco estimulado (STEAM) Para obtener la localización se utiliza la misma estrategia que en la secuencia SE. EL primer pulso enviado es de 90°, después de éste se deja transcurrir un tiempo TE/2.(4) Transcurrido este tiempo se envía el segundo pulso de 90°. Y tras este pulso también debe dejarse pasar un intervalo de tiempo antes de enviar el tercer pulso de 90°. Dicho intervalo oscila entre 13 y 30 ms y se lo denomina tiempo de mezcla. A continuación es enviado el tercer pulso y después de un intervalo de tiempo TE/2, se registra la señal de eco estimulado (figura IV). (1)
Figura IV
6.3 Diferencias entre ambas secuencias La secuencia SE produce una relación señal/ruido doble que STEAM. No obstante, la secuencia STEAM permite trabajar con TE más cortos que la secuencia SE. Aplicable a los dos tipos de secuencia es el hecho que resonancias de metabolitos con un T2 corto se desfasan muy rápido y pueden perderse durante el tiempo de eco. Por ello, espectros obtenidos con un tiempo de eco largo muestran menos señales, por lo que son más fáciles de analizar que los obtenidos con un tiempo de eco corto. Una regla que se puede aplicar para decidir entre una secuencia SE y una STEAM es que cuando se ha de utilizar un TE largo conviene seleccionar la secuencia que proporciona una mayor relación señal/ruido (SE), mientras que cuando interesa visualizar el mayor número de compuestos escoger la secuencia que permite trabajar a un TE menor (STEAM).
(4)
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7. Neuroespectroscopía – La espectroscopia por Resonancia Magnética en el Cerebro Humano –
La espectroscopia ha sido utilizada en diferentes enfermedades neurológicas, entre las que podemos mencionar: infarto cerebral, hipoxia encefálica, tumores cerebrales primarios y metastásicos, esclerosis múltiple, hemorragia intracraneal, traumatismo craneoencefálico,
enfermedades
metabólicas,
encefalopatía
hepática,
demencia,
diabetes mellitus, epilepsia focal y trastornos psiquiátricos como la esquizofrenia. (9) Un espectro contiene señales de N-acetil aspartato (NAA), Creatina (Cr) y Colina (Co). El lactato no se detecta en condiciones normales en el cerebro humano debido a su baja concentración, no obstante, puede volverse detectable en condiciones patológicas que causan incremento en la concentración. Un espectro que se obtiene al utilizar tiempo de eco corto contiene señales adicionales de otros compuestos como el mioinositol (Mi), glutamato y glutamina (Glu) además de macromoléculas tales como lípidos. (9) Un método apropiado para el diagnóstico en neuroespectroscopía consiste en definir cada metabolito en el espectro cerebral de H1 y determinar si se encuentra elevado o reducido con respecto a la creatina. Para definir los índices normales se debe tener en cuenta la edad del paciente al igual que el análisis comparativo con el hemisferio contralateral. La altura de los picos de los metabolitos representados en la espectroscopia se lee de derecha a izquierda, el pico agudo más alto de resonancia, 2 ppm, se le asigna al marcador neuronal
(NAA); el siguiente grupo de picos pequeños corresponden a la
glutamina y glutamato. La segunda resonancia más alta a 3 ppm es la Creatina (Cr) y junto a ésta existe otro pico prominente asignado a la Colina (Co) la cual forma parte de la membrana celular. La relación Co/Cr es de 0.5 espectros. Otro pequeño pico es el mioinositol, cuya identificación es difícil debido a que tiene un espectro similar al de la glucosa. Un pico que aparece a 1.33 ppm es el del lactato, el cual se observará elevado en casos de necrosis o incluso en lesiones quísticas. (10)
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En un espectro realizado a un recién nacido se encontrará una inversión en la altura de los picos de NAA, Co, Cr y mioinosol y además que el pico de Co es mayor que el de Cr (siendo inverso en los estudios realizados en adultos). (5)
Figura V. Espectro obtenido con H-1
7.1 Metabolitos presentes en el espectro (8)
1) N-acetil aspartato (NAA, pico 2.0 ppm) Es un marcador neuronal y sus concentraciones disminuyen en diferentes tipos de patologías cerebrales. El NAA es localizado en los axones en la materia blanca.
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2) Colina (Co, pico 3.2 ppm) En el pico de la Co contribuyen la fosfocolina, glicerofosfodilcolina y fosfotidilcolina. La Colina forma parte de la membrana celular, su incremento refleja el aumento en la síntesis de membranas o del número de células tal como se observa en tumores. 3) Creatina (Cr, pico 3.03 ppm y 3.94 ppm) En el pico de Creatina contribuyen la fosfocreatina y en menor grado la lisina y el glutatión; tiene un rol importante en el mantenimiento de los sistemas dependientes de energía en las neuronas, es utilizada como reserva de los fosfatos de alta energía y además actúa como buffer en los reservorios de ATP-ADP. La creatina es ingerida en la dieta, además es sintetizada en el hígado, riñones y páncreas. 4) Lactato (Lac, pico 1.32 ppm) Los niveles cerebrales de Lactato son muy bajos o se encuentran ausentes. Su presencia indica que el mecanismo oxidativo de respiración celular es inadecuado y que está siendo reemplazado por el catabolismo. El Lactato lo podemos encontrar como un doble pico a 1.32 ppm en lesiones necróticas o quísticas. 5) Mioinositol (Mi, pico 3.56 ppm) Es un metabolito que actúa en la neurorrecepción hormona-sensitiva y es precursor del ácido glucurónico. Su pico es a 3.56 ppm. La disminución de Mi se ha asociado con la acción protectora del litio en la manía y en casos de neuropatía diabética. La combinación de Mi elevado con la disminución de NAA se ha observado en la enfermedad de Alzheimer. 6) Glutamato (Glu) Neurotransmisor que actúa en el metabolismo de las mitocondrias. El pico de Glu se localiza entre 2.1 y 2.5 ppm.
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7) Alanina Es un aminoácido no esencial cuya función es incierta. Su pico se encuentra entre 1.3 y 1.4 ppm. Se puede incrementar en ciertas lesiones del SNC, observándose esta elevación en tumores intracraneales tales como los meningiomas.
7.2 Metabolitos en diferentes patologías
Metabolitos
Aumentados
Disminuidos
NAA
Canavan
Hipoxia-IsquemiaEpilepsia-Tumores gliales-Trauma-IctusHemorragia
Creatina
Traumatismo
Hipoxia-Ictus-Tumores malignos
Colina
Lactato
Trauma – Alzheimer-
Tumor-Hipoxia-
Enfermedades
Demencia-Ictus-
desmielinizantes
hepatopatías crónicas
Hipoxia – Anoxia-
Desconocido-Necrosis
NeoplasiasIsquemia-Necrosis
7.3 Aplicaciones clínicas Tumores cerebrales Aunque la RM convencional ha incrementado mucho la sensibilidad por la cual es posible detectar los tumores, este incremento en la sensibilidad no ha sido paralelo a un incremento en la especificidad. Con la espectroscopia se hace posible evaluar el espectro metabólico de la lesión lo que posibilita discernir con gran especificidad si se trata de una lesión tumoral o no.
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En los tumores se observa una disminución NAA, esto se debe a que el tumor no está compuesto de neuronas (que son las únicas que contienen NAA), también a que conforme el tumor crece destruye parénquima cerebral destruyendo neuronas en las zonas aledañas. Pero probablemente el hallazgo más importante en la evaluación de los tumores sea el aumento en la colina el mismo que se produce por la proliferación celular incrementada que produce un recambio acelerado de la membrana celular, donde la colina se encuentra enforma de fosfatidilcolina. (7)
Figura VI. Ubicación voxel en la lesión. Aumento de colina, con disminución de NAA y pico de lactato, característicos de proceso tumoral.
Tuberculomas Se observa una disminución del NAA, sin aumento de la colina. Se observa además, de manera característica un aumento importante del pico de lípidos,
esto debido
probablemente a la necrosis que se produce en este tipo de lesiones.
(7)
Figura VII. Ubicación del voxel en la lesión. Aumento de lípidos y glutamina con disminución del NAA, característicos de tuberculoma.
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Neurocisticercosis La neurocisticercosis ha sido estudiada por espectroscopia ya que es muy difícil
diferenciarla sólo por criterio de imágenes de un tuberculoma y aun de un glioma. La espectroscopia nos permite observar algunas características que nos indican el diagnóstico, puede existir una disminución del NAA, pero ésta es más bien leve, se observa además un pico de lípidos, pero mucho más pequeño que el que se observa en tuberculomas.(7)
Esclerosis múltiple
La espectroscopia muestra que el NAA está substancialmente reducido en las lesiones agudas, esta reducción muestra una recuperación parcial a través del tiempo. Tanto la disminución como la recuperación del NAA tienen una estrecha correlación con las alteraciones neurológicas observadas en pacientes con esclerosis múltiple (EM). En la fase aguda también se observa un gran incremento de la Colina debido en gran parte a un movimiento de fosfolípidos de la membrana celular. También puede observarse un moderado incremento del lactato, probablemente como resultado de la presencia de un infiltrado inflamatorio. Es posible también observar un cierto aumento del mioinositol y de los lípidos. Datos preliminares sugieren que este aumento de los lípidos detectado por espectroscopia puede ocurrir antes que el desarrollo de las lesiones hiperintensas en T2. (8)
Figura VIII . Ubicación del voxel en la lesión. Aumento de colina con disminución del NAA característicos de esclerosis múltiple.
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Enfermedad de Alzheimer La espectroscopia se muestra muy promisoria en definir demencia (por la reducción de NAA y NAA/Cr). Sin embargo, este hallazgo es común a varios tipos de demencia, el aumento en el mioinositol (ml) y de la relación mi/cre distingue a la enfermedad de Alzheimer del envejecimiento y de otras causas de demencia. (3)
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8. ESPECTROSCOPIA DE FÓSFORO Es un método como ya se ha mencionado anteriormente no invasivo. Mediante esta técnica se analizan los metabolitos presentes en el músculo, el hígado y tejidos cardiacos. Son pocos los metabolitos en el cuerpo humano que contienen fósforo, pero son de gran importancia fisiológica; entre éstos puede mencionarse la fosfocreatina (PCr), fosfato inorgánico (Pi), adenosin trifosfato (ATP), fosfomonoester (PME) y fofopodiester (PDE), todos ellos pueden ser registrados por este método. (1)
8.1 Utilidades: • Detecta a la fosfocreatina y el fosfato inorgánico, ambos transportadores de energía celular. • La concentración relativa de estos metabolitos de fósforo revela la condición y suministro de la energía celular. • Brinda información de las membranas de los metabolitos y transporte de los productos de descomposición o constituyentes de la membrana celular, como el fosfopodiester y fosfomonoestes.
8.2 Regiones a examinar: Las principales regiones que se estudiarán por espectroscopia de fósforo31 son las siguientes: (6) • Hígado • Tejido muscular • Corazón
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8.3 LOS METABOLITOS MÁS IMPORTANTES DEL FÓSFORO ADENOSINTRIFOSFATO (ATP): es él más importante en el transporte de energía en el hígado. También se suman a éste los productos de la hidrólisis: ADP (Adenosindifosfato) y AMP (adenosinmonofosfato). En el espectro del fósforo, los grupos alfa, beta y gamma del ATP son perfectamente visibles. (6)
FOSFOCREATINA (pcR): La fosfocreatina es el más importante almacenamiento molecular de la energía muscular. La concentración del PCr en el músculo es aproximadamente 5 veces más grande que en el ATP. La fosfocreatina es usada como referencia interna, por estar como punto cero (0) en el espectro. FOSFOMONOESTER (PME), FOSFODIESTER (PDE): Suministra características de los componentes de la membrana celular. En los tumores la concentración de PME incrementa mientras la PCr disminuye. FOSFATO INORGÁNICO: Es el encargado de determinar el valor del PH con relación a la PCr, así si el valor del PH decrece la posición de este en el espectro también decaerá.
8.4 Realización del estudio
Para la realización de estudios espectroscópicos de fósforo en hígado, corazón y músculo son utilizadas antenas de polarización circular, que son diferentes a las utilizadas para la MR convencional, el estudio puede realizarse tanto con el paciente en prono como en posición supina. Al realizar espectros del fósforo sobre el músculo se puede llevar a cabo tanto estudios estáticos o dinámicos. Los estudios estáticos recogen el espectro en reposos. Algunas 21
veces mediante el análisis de los espectros en reposos ya podemos sacar algunas informaciones importantes tanto desde el punto fisiológico como patológico. Pero sin duda la información más útil, se obtienen mediante los estudios dinámicos realizados mientras la persona permanece dentro del imán, con ergómetros específicamente diseñados para trabajar bajo campos magnéticos elevados. Estos estudios consisten en obtener el espectro P-31 en reposos como referencia y a continuación se recogen espectros consecutivos durante la ejecución de un determinado ejercicio y finalmente, durante el periodo de recuperación. Los ejercicios pueden planificarse de muy diversas formas, variando la carga, el tiempo, etc. Mediante la observación de las variaciones espectrales podemos tener una idea bastante completa de cómo han actuado las principales vías energéticas que intervienen en el trabajo muscular. Mediante estos estudios dinámicos puede seguirse tanto las variaciones metabólicas como la rapidez con que suceden los acontecimientos tanto durante el desarrollo del trabajo muscular como durante la recuperación. Los estudios dinámicos son de gran utilidad tanto para pacientes sanos como para estudiar el comportamiento de los distintos metabolitos bajo diferentes patologías que intervienen en las vías metabólicas del trabajo muscular. Figura IX. Espectro obtenido con 31P
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9. Apéndice 9.1 Principios Físicos Todos los núcleos atómicos están compuestos por neutrones y por protones. El núcleo más simple y más abundante en nuestro cuerpo es el hidrógeno (H); compuesto por un sólo protón. Los protones y neutrones tienen una propiedad denominada SPIN o momento angular intrínseco, que puede ser descripta como una rotación alrededor de su eje. Además de su spin, el protón tiene también un momento magnético por el cual se comporta de forma similar a un imán; ya que todo objeto cargado eléctricamente y en movimiento produce a su alrededor un campo magnético. Cuando el protón se encuentra rotando alrededor de su eje, es decir en movimiento de spin, el objeto es denominado dipolo magnético. (4) La intensidad y orientación de este imán esta determinada por el vector momento magnético (µ). Un dipolo magnético no solo produce un campo magnético, sino que también responde a la presencia de un campo magnético externo. (1) Para los protones, la dirección del momento magnético esta orientada a lo largo del eje del spin. En presencia de un campo magnético externo el spin tiene dos orientaciones posibles: paralelo o antiparalelo al campo. Los núcleos de hidrógeno son los más importantes en RMN debido a su abundancia en el cuerpo humano y debido a que el núcleo de hidrógeno produce le señal más grande de RMN de todos los núcleos estables de la tabla periódica. Los otros núcleos consisten en un número creciente de protones y neutrones; cuyos spines y momentos magnéticos resultan de la suma de los individuales. Si el número de protones y neutrones de un determinado núcleo es par, la contribución de éstos al momento magnético total es cero. En los núcleos los protones forman pares en los cuales, los spines de cada uno apuntan en direcciones opuestas, resultando el spin del par igual a cero. Los neutrones se comportan de la misma manera.
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De esta forma, un núcleo con spin total cero, también tendrá momento magnético cero, y por lo tanto no será útil para inducir RMN. Es por este motivo por el cual el 16O y el 12C, los cuales son muy abundantes en los tejidos humanos, no son utilizados en RMN. Los núcleos solamente tendrán spin si tiene un número impar de protones o neutrones; y serán éstos los utilizados para generar imágenes de RMN. (8)
9.1.1 Protones paralelos y antiparalelos al campo Normalmente, los spines de los protones presentes en los tejidos del cuerpo se encuentran, debido a la agitación térmica orientados al azar. De ésta manera, el momento magnético total resultante es nulo (figura X).
Figura X.
No obstante, cuando los protones son colocados dentro de un inmenso campo magnético estático, los spines se orientan preferentemente en la dirección del campo. Los momentos magnéticos de los protones pueden tener solamente dos orientaciones posibles: paralelo o antiparalelo al campo. Las dos orientaciones representan para el protón dos diferentes niveles de energía. (1) El protón paralelo tiene una energía un poco menor que el protón antiparalelo. Bajo esta premisa, se puede concluir que cuando un número grande de protones es colocado bajo un campo magnético constante, después de un pequeño intervalo de tiempo, el número de protones paralelos será mayor que el de protones antiparalelos. 24
Debido al mayor número de protones paralelos se crea un momento magnético neto en dirección del campo, denominado vector magnetización o simplemente magnetización (M). Figura XI. (4)
M
Figura XI.
Es, este vector magnetización quien, manipulado convenientemente, producirá la señal de resonancia magnética. En equilibrio térmico el número de protones paralelos respecto al número de protones antiparalelos en una unidad de masa de tejido viene gobernada por la distribución de Boltzmann: Nparalelo = e∆Ε/Κt Nantiparalelo Donde: ∆Ε es la diferencia de energía entre los niveles K es la constante de Boltzmann T es la temperatura absoluta
9.1.2 Movimiento de precesión Si colocamos un protón en un campo magnético constante de forma tal que su eje de spin (su momento magnético) forme un ángulo distinto de cero con la dirección del campo; en
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estas condiciones el campo magnético ejercerá un torque sobre el protón. El torque tratará de alinear al protón con la dirección del campo magnético. Dado que el protón tiene spin (“rota sobre su eje”), el torque no rotará el vector momento magnético µ para alinearlo con el campo. En cambio, µ precederá alrededor de la dirección del campo magnético con frecuencia determinada y manteniendo un ángulo constante con éste. (1) Este movimiento del vector µ alrededor del campo magnético B, se denomina “Movimiento de precesión” (Figura XII).
El movimiento de precesión aparece por el solo hecho de estar el núcleo de H bajo un campo magnético y no es necesario ningún tipo de emisión de rediofrecuencia.
Figura XII
9.1.3 Frecuencia de Larmor El movimiento de precesión se realiza a una determinada frecuencia denominada Frecuencia de Resonancia o Frecuencia de Larmor. (1)
Fp = γ B / 2π
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Donde: Fp es la frecuencia de precesión, expresada en ciclos/segundo o hertz γ es el cociente giromagnético nuclear B es el valor del campo magnético efectivo que percibe el núcleo; donde: B= Bo+Bgrad+Bbioq
El campo magnético efectivo (B) es la suma vectorial del campo magnético externo producido por el imán (B0) mas el campo magnético sobreañadido que se crea mediante la activación de gradientes (BGRA) y el campo magnético inducido por las cargas en movimiento que forman parte de las diferentes moléculas que hay en las células y que, llamamos entorno bioquímico en el que se encuentra el núcleo (BBIOQ). La suma de los campos magnéticos B0 y BGRA se denomina campo magnético externo. El BBIOQ es debido al campo magnético inducido por el movimiento de los electrones alrededor de los núcleos, siempre se opone al campo magnético externo por lo que ejerce un efecto de pantalla, de manera de que el núcleo percibe un campo magnético inferior al campo magnético externo. El BBIOQ es proporcional al campo magnético externo a través de una constante denominada constante de apantallamiento (σ ). (8) BBIOQ= -σ.BEXT
Ahora la frecuencia de resonancia se puede definir como: Fp= γ. BEXT (1-σ) / 2π
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9.1.4 Importancia de la constante de apantallamiento La frecuencia de resonancia de un núcleo depende de la constante σ como se ha demostrado anteriormente. La constante de apantallamiento está relacionada con la estructura molecular de la que forma parte el núcleo considerado. Esta propiedad es la que proporciona a la espectroscopia la posibilidad de detectar los compuestos que hay en una determinada muestra.
(8)
9.2 Generación de la FID Para que el vector magnetización produzca una señal detectable en la bobina de recepción, su dirección debe variar en el tiempo de forma tal que al menos una componente del mismo esté apuntando hacia adentro y hacia fuera del eje de la bobina de recepción. En equilibrio térmico, el vector magnetización creado por los protones en un campo magnético estático es constante en modulo, dirección y sentido, por lo tanto no puede inducir corriente en la bobina de recepción. Para ser capaz de inducir señal en la bobina, el vector M debe ser inducido a moverse de su posición de equilibrio. Esto significa que, el equilibrio de poblaciones que existe entre los estados paralelo y antiparalelo debe ser modificado. El equilibrio térmico puede ser perturbado entregando energía adicional al sistema de protones en el tejido. Esto puede ser realizado irradiando los protones con ondas electromagnéticas (EM) de una frecuencia precisa. Colocando una antena emisora con la dirección de máxima emisión hacia el voxel sobre el plano transversal y vamos cambiando le frecuencia de emisión, cuando estemos emitiendo a la frecuencia exacta de la frecuencia del movimiento de precesión, los núcleos son capaces de absorber energía, es decir, entrar en resonancia. Cuando los núcleos del voxel entran en resonancia, la magnetización M se desplaza realizando un movimiento de giro en espiral respecto a la dirección de B0 a la frecuencia de precesión y el extremo se va separando de su posición de equilibrio moviéndose sobre una esfera imaginaria conocida como movimiento de “nutación”. (4) Una vez finalizada la emisión de radiofrecuencia, la magnetización va a volver a su posición inicial mediante un proceso de liberación energética denominada “relajación”. La relajación se produce ya que los núcleos desprenden el exceso energético que han absorbido al entrar en resonancia. El retorno a la posición de equilibrio de la magnetización produce unas modificaciones de campo magnético que pueden ser recogidas mediante una antena receptora; ya que las variaciones de campo magnético inducen una señal eléctrica con la que se obtendrán las imágenes en RM.
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Por lo tanto, después de enviar un pulso de radiofrecuencia, la relajación de la Magnetización induce una señal eléctrica en la antena receptora denominada FID (Free Induction Decay). La FID es una señal sinusoide amortiguada. (1)
9.2.1 Obtención del espectro Luego de haber enviado un pulso de radiofrecuencia de un ancho de banda capaz de producir la excitación de todos los núcleos de hidrógeno, la señal de relajación obtenida estará compuesta por distintos tipos de emisión con frecuencias de resonancia diferentes. Si esta emisión es recogida por una antena y; luego representada sobre un eje de frecuencias se obtendrá el espectro compuesta por tantos picos de emisión como núcleos atómicos se encuentren en la muestra.
9.2.2 Desplazamiento químico La escala de valores en el eje de las frecuencias, según ecuación de Larmor anteriormente mencionada; depende del valor del campo magnético. Es decir, que un mismo compuesto en diferentes campos magnéticos presenta diferentes frecuencias de resonancias. Esta dependencia provoca inconvenientes al comparar espectros obtenidos con diferentes equipos. Para eliminar dicha dependencia se definen las posiciones de las distintas resonancias mediante una escala relativa de valores respecto a un valor de referencia. Se define la posición de la frecuencia de resonancia del radical B respecto al radical A por el cociente: (fA – fB)/ fB = (σB - σA)/ (1- σB)
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La posición definida mediante la expresión anteriormente mencionada se conoce como desplazamiento químico (δ). El cociente sólo depende de la constante de apantallamiento y es totalmente independiente del campo magnético. Es un valor adimensional y muy pequeño por lo que es multiplicado por 106 y se expresa en partes por millón o ppm. (4) Para cada núcleo existen una serie de compuestos de referencia a partir de los cuales se tabula la posición de los demás. A la posición de referencia de estos compuestos se le asigna el valor 0 ppm y se ha observado que respecto a ellas, el grupo metil de la creatina/fosfocreatina aparece a 3.02 ppm y el grupo N-acetilaspartato a 2.02 ppm. Estos son las referencias más habituales en estudios in vivo.
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9.3 Adquisición de un espectro A continuación se detallan las etapas en las se divide la obtención de un espectro de protón.
9.3.1 Imagen de referencia y selección del volumen de interés El primer paso para adquirir un espectro localizado es la obtención de imágenes de referencia, la cual nos permitirá seleccionar gráficamente la región de la cual interesa registrar el espectro. Al obtener la imagen de referencia, se coloca el cursor (normalmente cuadrado o rectangular) sobre la región de interés. (4) Vale destacar que el tamaño del cursor es variable y puede adaptarse al tamaño de la lesión (ya sea difusa o focal) o región seleccionada, la cual puede tener una apariencia normal.
9.3.2 Extensión a otros núcleos Para la obtención de espectros de núcleos diferentes al hidrógeno es necesario dotar al equipo de resonancia de hardware y software adicional. Se necesita una antena sintonizada a la frecuencia de resonancia del núcleo que se desea estudiar; pero como también será necesario registrar imágenes de referencia, la antena debe ser capaz de detectar señal de hidrógeno. Por este motivo son utilizadas antenas doblemente sintonizadas o bien, dos antenas independientes ensambladas en una única carcasa; que luego serán activadas una u otra por medio del hardware. Por lo general se inicia el estudio activando la antena de hidrógeno con la que se obtienen las imágenes de referencia. A continuación se debe ajustar la homogeneidad del campo magnético en el volumen que se desea estudiar. Luego se selecciona el núcleo del cual se desea registrar el espectro y se ajusta el transmisor, la frecuencia y el receptor de manera automática o manual según cada equipo.
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9.3.3 Procesamiento del espectro El procesamiento y análisis de los estudios espectroscópicos tienen como finalidad la obtención de información sobre los compuestos presentes, su concentración y su entorno. Al finalizar la adquisición de los datos, algunos equipos en menos de un minuto realizan el procesamiento y análisis de dichos datos, y permiten ver el espectro del cual se obtiene información cuantitativa de los distintos metabolitos presentes. Otros equipos tienen sistemas semiautomáticos de procesamiento y análisis un poco más largos. El tiempo empleado para la obtención del espectro de voxel único oscila entre 8- 40 minutos; aunque en la práctica éste disminuye entre 8- 20 minutos.
Figura XIII
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Como se ha descrito anteriormente, después de enviar una secuencia de pulsos de radiofrecuencia, la relajación nuclear induce una corriente eléctrica en la antena receptora. Esta señal es la que constituye la FID (figura XIII a). La FID es una señal compuesta por las sinusoides originadas por los diferentes componentes de la muestra, la amplitud de la misma se encuentra relacionada con la concentración de núcleos presentes en dicha muestra y la frecuencia de cada una de ellas se encuentra determinada por el campo magnético efectivo que percibe cada uno. Si a la FID se le aplica la transformada de Fourier se obtiene una representación de la intensidad de radiación emitida por un núcleo en función de la frecuencia de resonancia de dicho núcleo. Esto constituye el espectro de resonancia magnética nuclear (figura XIII b). Debido a características técnicas como puede ser el retraso entre la finalización del pulso de excitación y el inicio de la detección de la señal, distorsiones causadas por el sistema de recepción y anomalías en la detección de la fase es necesario realizar una corrección de la fase que produce el espectro final que puede ser analizado (figura XIII c). En la práctica pueden realizarse una serie de manipulaciones sobre la FID o sobre el espectro, como por ejemplo la apodización de la señal mediante la aplicación de diferentes funcione (exponencial, trapezoidal, sinusoidal, etc.) con el objetivo de eliminar ruido del espectro aún a costa de perder un cierto grado de resolución y sensibilidad.
9.3.4 Análisis del espectro Después del procesado de la señal original; se inicia el análisis del espectro para extraer la información deseada. Los parámetros estudiados son los siguientes: 1. La posición de la resonancia permite identificar al compuesto que origina la señal. 2. El área bajo cada resonancia se puede cuantificar mediante procedimientos manuales o semiautomáticos y es proporcional al número de núcleos que contribuyen a la señal, con lo cual se puede llegar a determinar la concentración del compuesto.
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Se pueden encontrar dos métodos de cuantificación: -Cuantificación Relativa a través de porcentajes respecto a la suma de las áreas de todas las resonancias presentes en el espectro. Esta es la forma más habitual de presentar los resultados. -Cuantificación Absoluta mediante la utilización de una referencia interna (agua, creatina total, etc.) o externa (agua u otro compuesto del cual se conoce con exactitud la concentración).
3. El ancho de banda de la frecuencia a mitad de la altura es inversamente proporcional al tiempo de relajación transversal T2 del núcleo. En efecto, cuanto mayor es el valor de T2 más sincrónica es la relajación de los núcleos lo cual implica que se relajan a frecuencias muy similares y, en consecuencia, la resonancia es más estrecha. (1) Los núcleos integrados en estructuras rígidas como pueden ser macromoléculas presentan valores de T2 muy cortos originan resonancias muy anchas y, en consecuencia de baja amplitud que son difíciles de detectar y pueden contribuir a complicar el análisis de espectros registrados con un TE corto.
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10. Conclusión La espectroscopia por resonancia magnética es una herramienta que cobró en los últimos años una gran importancia diagnóstica debido principalmente a que es una técnica no invasiva que ofrece información del metabolismo in vivo. Ofrece una valoración bioquímica, metabólica y funcional en enfermedades sobre todo del sistema nervioso central, que complementan los estudios convencionales. Este método puede determinar cualitativamente y cuantitativamente gran variedad de metabolitos presentes en los tejidos; proporcionando una extensa información sobre su metabolismo. El estudio de los protones en el cerebro humano mediante espectroscopia tiene tres ventajas fundamentales: la abundancia de los protones en forma 100% natural evita la necesidad de utilizar sustancias radiactivas para su realización; puede efectuarse en la mayoría de las máquinas de resonancia magnética utilizadas para la evaluación clínica del paciente, sin necesidad de efectuar modificaciones significativas en su hardware y es una técnica de alta especificidad. Gracias a este método se han dado a conocer las principales características de los diversos tipos tumorales. La espectroscopia ha sido utilizada en distintas enfermedades neurológicas, entre las que podemos mencionar el infarto cerebral, epilepsia, etc. La espectroscopia además de realizar el análisis de protones puede también estudiar el metabolismo tisular determinando el ATP, fosfocreatina y fosfatos inorgánicos, mediante la utilización de fosforo-31; adicionalmente se puede medir el ph intracelular, observando la variación química del pico de señal del fosfato inorgánico. Es una técnica en mejora continua, la cual se considera muy promisoria en la investigación no invasiva del metabolismo cerebral in vivo, tanto en condiciones normales como en enfermedades neurológicas agudas y crónicas. No tiene contraindicaciones, exceptuando a aquellos pacientes portadores de marcapasos, transplantes de oído interno y algunos clips de aneurismas cerebrales. (1)
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11. Bibliografía 1.
Karen Belkie: Molecular Imaging Through Magnetic Resonance for Clinical Oncology – Cambridge, GBR: Cambridge International Science Publishing, 2004. ISBN: 1-90460229-0.
2. Vlaardinger Broek M.T: Magnetic Resonance Imaging – Ed. Springer Verlag. 1996. ISBN: 3-540-60080-9. 3.
Palmero Carmelo R- Rodríguez Rojas R- Morales Chacón L- Carballo Barredo MMachado Curbelo C: Espectroscopia protónica por resonancia magnética en epilepsia de lóbulo temporal. Revista Mexicana de Neurociencia. Julio/ agosto 2004. Vol.5. ISSN: 1665-5044.
4.
Gupta, Rakesh K: MR Imaging and Spectroscopy of Central Nervous System Infection- Hingham, MA, USA. 2001- ISBN: 0-306-46844-1.
5.
Faerber, E.N: CNS Magnetic Resonance Imaging Infants and Children- Ed. Cambridge University Press. 1995- ISBN: 1-898-68301-8.
6. Nanny, Mark A.: Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy . Cary, NC, USA: Oxford University Press. 1997. ISBN: 0-19-509751-3. 7.
F.J.Olazarán – J.Alvarez- Linera- J.Benito- Leon: Utilidad de la perfusión por resonancia magnética y de la espectroscopia combinada en un caso de demencia frontotemporal. Fuente: Neurologia. Enero 2002. Vol. 17. ISSN: 0213-4853.
8. Victoria Diaz, Potiño- Torrealva, Mr. Ramos- Cuevas: Caracterización de las lesiones quísticas mediante espectroscopia por resonancia magnética. Archivo de Neurociencias 2001. Suplemento, Vol.5 - ISSN: 1028-5938. 9.
Carlos Martinot.: Espectroscopia RM. Rev.Neurol. 2001.
10.
Yan, Hong: Signal Processing for Magnetic Resonance Imaging Spectroscopy- New York, NY, USA. 2002. ISBN: 08247-06536.
11.
Pedro Joseph- Nathan / Eduardo Diaz Torres: Elementos de Resonancia Magnética Nuclear de hidrógeno. Ed. Iberoamericana. 1993. ISBN: 970-625-019-0.
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