Relajación de espín y red

Durante las observaciones de resonancia magnética nuclear , la relajación de espín-red es el mecanismo por el cual el componente longitudinal del vector de momento magnético nuclear total (paralelo al campo magnético constante) se relaja exponencialmente desde un estado de no equilibrio de mayor energía hasta un equilibrio termodinámico con su entorno (la "red"). Se caracteriza por el tiempo de relajación de espín-red , una constante de tiempo conocida como T ₁ .

Existe un parámetro diferente, T ₂ , el tiempo de relajación espín-espín , que se refiere a la relajación exponencial del componente transversal del vector de magnetización nuclear ( perpendicular al campo magnético externo). Medir la variación de T ₁ y T ₂ en diferentes materiales es la base de algunas técnicas de imágenes por resonancia magnética . ^[1]

T ₁ caracteriza la velocidad a la que el componente longitudinal M _z del vector de magnetización se recupera exponencialmente hacia su equilibrio termodinámico, según la ecuación Or, para el caso específico que$${\displaystyle M_{z}(t)=M_{z,\mathrm {eq} }-\left[M_{z,\mathrm {eq} }-M_{z}(0)\right]e^{-t/T_{1}}}$$${\displaystyle M_{z}(0)=-M_{z,\mathrm {eq} }}$$${\displaystyle M_{z}(t)=M_{z,\mathrm {eq}}\left(1-2e^{-t/T_{1}}\right)}$$

Es por tanto el tiempo que tarda la magnetización longitudinal en recuperar aproximadamente el 63% [1-(1/ e )] de su valor inicial después de ser volcada hacia el plano transversal magnético por un pulso de radiofrecuencia de 90°.

Los núcleos están contenidos dentro de una estructura molecular y están en constante movimiento vibratorio y rotacional, creando un campo magnético complejo. El campo magnético causado por el movimiento térmico de los núcleos dentro de la red se llama campo reticular. El campo reticular de un núcleo en un estado de energía más bajo puede interactuar con núcleos en un estado de energía más alto, haciendo que la energía del estado de energía más alto se distribuya entre los dos núcleos. Por lo tanto, la energía obtenida por los núcleos del pulso de RF se disipa como un aumento de la vibración y la rotación dentro de la red, lo que puede aumentar ligeramente la temperatura de la muestra. El nombre de relajación de espín-red se refiere al proceso en el que los espines devuelven la energía que obtuvieron del pulso de RF a la red circundante, restaurando así su estado de equilibrio. El mismo proceso ocurre después de que la energía del espín se haya alterado por un cambio del campo magnético estático circundante (por ejemplo, prepolarización o inserción en un campo magnético alto) o si el estado de no equilibrio se ha alcanzado por otros medios (por ejemplo, hiperpolarización por bombeo óptico). ^{[ cita requerida ]}

El tiempo de relajación, T ₁ (la vida media de los núcleos en el estado de mayor energía) depende de la relación giromagnética del núcleo y de la movilidad de la red. A medida que aumenta la movilidad, aumentan las frecuencias vibratorias y rotacionales, lo que aumenta la probabilidad de que un componente del campo de la red pueda estimular la transición de estados de alta a baja energía. Sin embargo, a movilidades extremadamente altas, la probabilidad disminuye a medida que las frecuencias vibratorias y rotacionales ya no se corresponden con la brecha energética entre estados.

Los distintos tejidos tienen distintos valores de T _1. Por ejemplo, los fluidos tienen T ₁ largos (1500-2000 ms), y los tejidos a base de agua están en el rango de 400-1200 ms, mientras que los tejidos a base de grasa están en el rango más corto de 100-150 ms. La presencia de iones o partículas fuertemente magnéticas (p. ej., ferromagnéticas o paramagnéticas ) también altera fuertemente los valores de T ₁ y se utilizan ampliamente como agentes de contraste de MRI .

La resonancia magnética utiliza la resonancia de los protones para generar imágenes. Los protones se excitan mediante un pulso de radiofrecuencia a una frecuencia adecuada ( frecuencia de Larmor ) y luego el exceso de energía se libera en forma de una cantidad minúscula de calor al entorno a medida que los espines vuelven a su equilibrio térmico. La magnetización del conjunto de protones vuelve a su valor de equilibrio con una curva exponencial caracterizada por una constante de tiempo T ₁ (véase Relajación (RMN) ). ^{[ cita requerida ]}

Las imágenes ponderadas en T ₁ se pueden obtener configurando un tiempo de repetición (TR) corto, como < 750 ms, y un tiempo de eco (TE) corto, como < 40 ms en secuencias de eco de espín convencionales , mientras que en secuencias de eco de gradiente se pueden obtener utilizando ángulos de giro mayores a 50 ^° mientras se configuran valores de TE menores a 15 ms.

El contraste T1 es significativamente diferente entre la materia gris y la materia blanca y se utiliza para realizar exploraciones cerebrales. Existe un fuerte contraste T1 entre el líquido y las estructuras anatómicas más sólidas, lo que hace que _{el contraste} T1 _sea adecuado para la evaluación morfológica de la anatomía normal o patológica, por ejemplo, para aplicaciones musculoesqueléticas.

La relajación de espín-red en el marco giratorio es el mecanismo por el cual M _xy , el componente transversal del vector de magnetización, decae exponencialmente hacia su valor de equilibrio de cero, bajo la influencia de un campo de radiofrecuencia (RF) en resonancia magnética nuclear (RMN) e imágenes por resonancia magnética (IRM). Se caracteriza por la constante de tiempo de relajación de espín-red en el marco giratorio, T _1ρ . Se denomina así en contraste con T ₁ , el tiempo de relajación de espín-red . ^[2]

La resonancia magnética T _1ρ es una alternativa a la resonancia magnética T ₁ y T ₂ convencional por el uso de una frecuencia de radio de baja potencia y larga duración denominada pulso de bloqueo de espín (SL) aplicado a la magnetización en el plano transversal. La magnetización está efectivamente bloqueada por espín alrededor de un campo B ₁ efectivo creado por la suma vectorial del B ₁ aplicado y cualquier componente fuera de resonancia. La magnetización bloqueada por espín se relajará con una constante de tiempo T _1ρ , que es el tiempo que tarda la señal de resonancia magnética en alcanzar el 37% (1/e) de su valor inicial, . De ahí la relación: , donde t _SL es la duración del campo de RF.$Estilo de visualización M_{xy}(0)}$${\displaystyle M_{xy}(t_{\rm {SL}})=M_{xy}(0)e^{-t_{\rm {SL}}/T_{1\rho }}\,}$

La T _1ρ se puede cuantificar (relaxometría) ajustando la curva de la expresión de señal anterior como una función de la duración del pulso de bloqueo de espín mientras que la amplitud del pulso de bloqueo de espín ( γB ₁ ~0,1-algunos kHz) es fija. Los mapas cuantitativos de relajación de T _1ρ en la resonancia magnética reflejan la composición bioquímica de los tejidos. ^[3]

La resonancia magnética T _1ρ se ha utilizado para obtener imágenes de tejidos como el cartílago, ^{[4] [5]} los discos intervertebrales, ^[6] el cerebro, ^{[7] [8]} y el corazón, ^[9] así como ciertos tipos de cáncer. ^{[10] [11]}

• Relajación (RMN)
• Tiempo de relajación espín-espín
• Angulo de Ernst

• McRobbie D., et al. Resonancia magnética: de la imagen al protón. 2003
• Hashemi Ray y col. MRI, Conceptos básicos , 2.ª edición, 2004