Capítulo Cuatro
Tiempos de Relajación
y Secuencias de Pulsos Básicas

04-01 T1: el tiempo de relajación espín-red

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: Podeis necesitar tiempos en relajación pa­ra entender los tiempos de relajación. Pero, ¿cuanto tiempo podeis 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 un pulso de excitación, una "onda": el sistema se "eleva" gracias a la energía suministrada por el impulso de RF. A ni­vel mo­le­cu­lar, el re­tor­no al equilibrio depende de las condiciones magnéticas y eléctricas en los núcleos excitados.

Del mismo modo necesitaremos determinadas condiciones de resonancia para que se de un intercambio de energía entre el mundo exterior y el sistema de espi­nes. El sistema 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).

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 dos niños que a uno sólo para alcanzar su objetivo.

Si se excitase 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 serian necesarios unos pocos se­gun­dos para que alcanzase la relajación.

La Tabla 04-01 ofrece una visión general de los diferentes fenómenos a los que el sistema está o puede estar expuesto al regresar al equilibrio.

Tabla 04-01:
Los diferentes procesos de re­la­ja­ción. Para la aplicación clínica, T1 y T2 son los tiempos de re­la­ja­ción importantes.

El 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. El tiempo de re­la­ja­ción T1 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);
 temperatura;
 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 pequeña 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 macromoléculas tales como pro­te­í­nas de movimiento más lento, las moléculas de agua podrán interactuar con ellas. Esta relación 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), 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 (un T1 más corto).

El tiempo de correlación (tc) mide el tiempo mínimo requerido para que una mo­lé­cu­la se reoriente y es la magnitud utilizada para caracterizar el movimiento de las mismas.

Debido a la presencia de proteínas de superficie 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 en tejido sano de los tiempos de relajación T1.

Tabla 04-02:
Algunos valores de T1 en 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.

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 directas cuantitativas entre los valores T1 en diferentes campos. Por lo tanto es necesario mencionar siempre la intensidad de campo cuando se citan valores de T1. 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.

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 (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 solo son de importancia científica.

La explicación de cómo la presencia de iones o moléculas paramagnéticos pu­e­de aumentar la velocidad 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 se crea un campo neto débil.

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.

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).

Sustancias paramagnéticas típicas serían Mn²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Gd³⁺, tam­bién 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; por ej­em­plo el ga­do­li­nio y algunos complejos de manganeso se utilizan como agentes de contraste de resonancia magnética con este fin (véase el Capítulo 13).