04-03 T1 en la escala macroscópica: secuencias de pulsos

Para recapitular, el tiempo de relajación T1 es el tiempo requerido para que el sistema se recupere al 63% de su valor de equilibrio después de que haya sido expuesto a un pulso de 90°. Para medir este tiempo se pueden emplear varias secuencias de pulsos de radio-frecuencia.

04-03-01 Secuencia de pulsos de saturación parcial

Esta es la secuencia más simple en resonancia magnética. También se conoce como secuencia de "recuperación de saturación" ("saturation recovery", SR), aunque en realidad esta última difiere de la secuencia de saturación parcial (PS) por requerir mayores tiempos de repetición.

Si, en un tiempo cero, la magnetización de equilibrio (M₀) es expuesta a un pulso de 90° ésta se inclinará hacia abajo en el plano x'-y'. Después de un tiempo de retardo llamado tiempo de repetición (TR) el sistema se expone a un segundo pulso de 90° que lleva la magnetización a una posición en el plano x'-y' donde la FID puede ser medida (Figura 04-07).

Figura 04-07: Pulse sequence diagram of a partial saturation sequence, consisting of 90° pulses. The time between the pulses is called repetition time, TR. When TR is not long enough for the spins to return completely to the equilibrium (i.e., TR < 5×T1), the signal intensity of the FID is lower than the maximal signal intensity possible.

Si el TR es igual o mayor que 5 × T1 la magnetización en el plano x'-y' es igual a M₀. Sin embargo, si TR es comparable a T1 tendrá lugar una relajación incompleta dando lugar a una magnetización observable que será menor que M₀ (Figura 04-08).

Figura 04-08:
Secuencia de saturación parcial: La magnetización M₀ es inclinada por un pulso de 90°.
Durante el tiempo de repetición, TR, el sistema se relajará y la magnetización comenzará su retorno al estado de equilibrio. Para supervisar la dimensión de la magnetización, el sistema es espuesto a un secondo pulso de 90°, que hace retornar la magnetización al plano x'-y', donde puede ser supervisada.

La dependencia del tiempo de Mz (la magnetización z que es igual a la intensidad de la señal) en el TR se puede estudiar mediante la introducción de un rango de repetición de TR. En el caso más simple, el retorno al equilibrio viene definido por una función monoexponencial:

Mz(TR) = Mz(0) (1 - exp[-TR / T1])

Por lo tanto, es comprensible que si el sistema está siendo re-excitado con un tiempo de repetición menor a 5 × T1, la magnetización registrada es menor que el valor máximo M0, cuánto menos dependerá de la relación entre TR y T1. Este efecto puede ser útil cuando existen diferentes sustancias con diferentes valores de T1 en una muestra. Es posible reducir la parte de la señal que sale de la muestra, por ejemplo en las secuencias con supresión de la señal que surge del tejido graso. Además las diferentes muestras responden de manera muy diferente a un tren de pulsos equidistantes 90° (Figuras 04-09 y 04-10). Esto explica la influencia de los tiempos de repetición en la generación de contrastes en imagen basada en RM.

La saturación parcial tal como la describimos sólo se utiliza de forma modificada en la práctica clínica, en concreto en las secuencias de eco de gradiente. Se trata de una secuencia de imágenes FLASH que será comentado posteriormente.

Figura 04-09: Tres muestras diferentes: (1) sangre, (2) músculo, y (3) grasa, las que se suponen cuentan con igual cantidad de hidrógeno pero diferentes tiempos de relajación, son expuestas a un tren de pulsos con un tiempo de repetición, TR. Obsérvese que la muestra de sangre presenta el comportamiento de saturación más pronunciado porque posee el T1 más largo.

Figura 04-10:
The relative signal intensity (SI) in a partial saturation experiment. TR is the repetition time between two 90° pulses. Two different tissues with T1 relaxation times of 500 and 1,500 ms, respectively, are shown. The signal recovery is 63% after a period of T1.

04-03-02 Secuencia de pulsos de inversión-recuperación

Si un spin en equilibrio es sometido a un pulso de 180°, la magnetización total M₀ se invierte con respecto a la dirección del campo exterior y pasa a situarse en posición antiparalela. Tras esta inversión la magnetización comienza a recuperarse hacia su estado de equilibrio. La velocidad de recuperación vendrá determinada por T1. Si después de un cierto tiempo de retraso, conocido como tiempo de inversión (TI) se expone el sistema a un pulso de 90° la magnetización Mz(TI) será observable en el plano x'-y' como un FID. Mediante la aplicación de una serie de distintos tiempos de retardo la variación de la magnetización en función del tiempo y por tanto el tiempo de inversión de la señal, pueden ser estudiados en detalle. Después de un tiempo de retardo de aproximadamente 5 × T1 la magnetización volverá al equilibrio.

Esta secuencia de pulsos de 180°-90° se llama secuencia de inversión-recuperación (inversion recovery, IR) (Figuras 04-11 y 04-12).

En el caso más simple, el retorno al equilibrio viene definido por una función monoexponencial:

Mz(TI) = Mz(0) (1 - 2 × exp(-TI / T1))

Figura 04-11: Pulse sequence diagram of an inversion-recovery sequence. The 180° inversion pulse inverts the magnetization. During the inversion delay (TI), the magnetization recovers at a rate determined by the T1 of the sample. At a certain point during recovery, a 90° pulse is applied and the resulting signal is measured.

Figura 04-12:
Inversion-recovery sequence: The magnetization is inverted by a 180° pulse. During the delay time TI, the system will relax and magnetization will start its return to the equilibrium state. To monitor the size of the magnetization, the system is exposed to a 90° pulse, which tips the magnetization into the x'-y' plane and converts the magnetization into signal.

La evolución de la intensidad de la señal a lo largo de este proceso se representa en las figuras 04-13 y 04-14.

Figura 04-13: Pulse sequence diagram of an inversion-recovery sequence. The first 90° pulse is from the previous cycle. Data collection follows after the second 90° pulse. The time between the 180° pulses is called repetition time, TR.

Figura 04-14:
The relative SI measured in an IR experiment as a function of TI, the time between the 180° pulse and the 90° pulse.
Note that Mz = 0 for TI = 0.69×T1 (in this example two tissues with T1 = 500, ρ = 72% and 1500 ms, ρ = 100%; TR = 2000 ms).

Al igual que en el caso de la secuencia de pulso de saturación parcial, la intensidad de la señal dependerá del tiempo de repetición (TR).

En el caso de la secuencia IR el TR corresponde con el tiempo entre los pulsos de 180°. Es recomendable elegir un TR de al menos 3 × T1 del tejido de interés para permitir la recuperación de la relajación longitudinal de dicho tejido entre los pulsos evitando así una reducción en la intensidad de la señal.

En química analítica, inversión-recuperación se aplica como una secuencia de pulsos de 180°-90°. La amplitud inicial de la FID es proporcional al valor de la magnetización neta en el momento de la medición. En RM clínica la secuencia se ajusta comúnmente a las necesidades de creación de una imagen y, por ejemplo, se combina con una secuencia de pulsos de eco de espín.