Desplazamiento químico.

Aníbal J. Morillo, M.D.

Apuntes de interpretación libre de Stark, Mitchell, Schiebler, Schnall, Elster... La serie APUNTES de PONDO ® es una compilación de índole educativa, con la que se pretende divulgar información relacionada o no con la radiología y ciencias afines o disímiles. Se basa en referencias bibliográficas, conferencias, esquemas y experiencia (que no siempre es sinónimo de vejez). Cualquier laxitud en las normas de autoría se basa en la intención docente y sin ánimo de lucro de esta información. Sin embargo, se han hecho ingentes esfuerzos para dar un adecuado reconocimiento a las fuentes utilizadas, plagiadas o modificadas. Aunque los APUNTES de PONDO® son de uso y divulgación libre, se recomienda abstenerse de utilizar las fotografías, figuras, esquemas y tablas con fines diferentes a los de la formación personal, ilustración o diversión, para evitar la propagación de violaciones flagrantes a los derechos de autor. La ciencia está en permanente evolución. La lectura de la serie APUNTES de PONDO® debe ser crítica y complementada con otras fuentes de información. El autor no se hace responsable por el contenido o veracidad de esta información o por las consecuencias derivadas de conductas o decisiones tomadas con base en los APUNTES de PONDO ®.

El término desplazamiento químico se refiere al cambio en la frecuencia de precesión de los

protones, relacionado con el medio ambiente molecular en que se encuentren. La frecuencia de

resonancia de un núcleo de hidrógeno no está determinada únicamente por la intensidad del

campo magnético externo, sino por el campo magnético local experimentado por el núcleo.

No todos los átomos de hidrógeno experimentan el mismo campo, y por lo tanto, entran en

resonancia a frecuencias ligeramente diferentes, explicadas por el medio ambiente molecular en

que se encuentran. Estas pequeñas diferencias se expresan en ciclos por segundo o Hz, y son

proporcionales al campo externo. Si se expresan como una fracción de dicho campo magnético,

el desplazamiento químico tiene un valor constante, independiente de la radiofrecuencia aplicada

y del campo magnético externo, medido en partes por millón (ppm).

Desplazamiento químicoTetrametilsilano

(Si(CH3)4)Agua

4.7ppmGrasa

1.2ppm

3.5 ppm

H+ 42.576 MHz/T

Para los materiales orgánicos se usa el tetrametilsilano o TMS (Si(CH3)4) como punto de

referencia para medir desplazamientos químicos, que son del orden de 4.7 ppm para el agua y de

1.2 ppm para la grasa. La diferencia en frecuencias de precesión entre protones de agua y de

grasa es entonces de 3.5 ppm. Si se conoce la frecuencia de precesión para los protones de

hidrógeno (42 Mhz/T), se puede calcular esta diferencia de frecuencias en ciclos por segundo.

Desplazamiento químico

-OH4.7ppm

-CH21.2ppm

H+ 42.576 MHz/T

ν0: frecuencia de resonancia a B0

Si B0 = 1.5T, ν0= 63.86MHz

Desplazamiento químico

-OH4.7ppm

-CH21.2ppm

H+ 63.86 MHz (1.5T)

B0 = 1T, 3.5 ppm x 42.576 =149 Hz

0.5T = 74.5 Hz

0.35T = 52 Hz

3.5ppm x 64MHz = 225 Hz

En imágenes SE convencionales, la posición de las señales se asigna a lo largo de la dirección

de codificación de frecuencia. Debido a las diferencias en frecuencias de precesión entre

protones de agua y grasa, al encontrarse el sistema sintonizado con el agua como punto de

referencia, se codifican los protones de grasa en forma errónea, creando una imagen falsa

conocida como el artificio de desplazamiento químico del primer tipo.

La grasa tiene un TI cercano a 110 ms. Esto corresponde al punto nulo en secuencias STIR, y se

calcula como 0.7 del T1 del tejido a cancelar, usando TR largo ³ 2000ms.

Desplazamiento químico

-OH4.7ppm

-CH21.2ppm

H+ 63.86 MHz (1.5T)

Si t =1/2 δν:

φ= 2πδν x 1/2 δν

Período de oscilación de fase1/δν

Fase φ en radianes varía con t φ = 2πδνt

La relación giromagnética para los protones [H+ ] es de 42.576 MHz /T, pero hay una diferencia

en la frecuencia de resonancia entre los protones de agua [-OH ], que precesan a 4.7 ppm y los de

metileno [-CH2- ]n, en los ácidos grasos, los cuales precesan a 1.2 ppm. La diferencia en la

frecuencia de precesión es entonces 3.5 ppm.

v0 es la frecuencia de resonancia a un campo B0

Si B0 = 1.5 Tesla, v0 = 63.86 Mhz.

El desplazamiento químico entre protones [-OH ] y [-CH2- ]n es entonces de

3.5 ppm x 64 MHz @ 225 Hz.

a B0 = 0.5 T, v0 = 21.288 MHz. Desplazamiento químico = 74.5080 Hz

B0 = 0.35 T, 52 Hz

B0 2T (85.1MHz), v0 = 297.5 Hz 1/δv = 3.3 ms (ciclo)

B0 = 1T, 3.5ppm x 42.576 v0= 149.016 Hz. 6.71 ms en fase, 3.35 en fase opuesta.

El desplazamiento de las líneas de resonancia es proporcional a la intensidad del campo

magnético. La grasa no es un componente único. Su señal tiene una contribución principal de

protones en los grupos metileno de los ácidos grasos de cadena larga [-CH2-] n, con

contribuciones menores del metilo terminal [-CH3] y del vinilo terminal [-HC=CH-] en los

ácidos grasos, así como de la colina [N-(CH3)2] en la fosfatidilcolina.

Desplazamiento químico

A 1.5T, δν= 225 Hzalineación cada 1/δν (4.4ms)

oposición cada 1/2δν (2.2ms)

Vectores alineados cada 1/δν:EN FASE

Vectores opuestos cada 1/2δν:EN FASE OPUESTA

Hay además una contribución mínima de los protones de otros metabolitos, como el lactato y el

n-acetilaspartato, que se encuentran en concentraciones milimolares (10-4 a 10-5 veces menos

que la concentración de H2O). Para detectar estos últimos metabolitos, se requieren técnicas

especiales capaces de suprimir los ácidos grasos.

Las imágenes de desplazamiento químico son una técnica para suprimir la grasa que se basa en

contrastes de fase. Se usa para determinar la presencia de grasa mezclada con H2O, en un método

conocido como la técnica de Dixon. Se pueden hacer imágenes de desplazamiento químico con

secuencias SE modificadas, o con secuencias GE o FE.

Desplazamiento químico

SE convencional enfoca fases

Campo B0 FASE OPUESTA EN FASE 1.5 T 2.2ms 4.4ms1T 3.4ms 6.7ms0.5T 6.6ms 13.2

Técnica Dixon: desfase entre 90o / 180o y eco

Las señales de protones de H2O y grasa pueden sumarse o restarse cuando se encuentran en los

estados en fase o en fase opuesta. Para esto se utiliza una técnica de SE en la que el tiempo entre

el pulso de 180o y el eco no es igual al tiempo entre los pulsos de 90o y 180o.

Debido a que la técnica SE convencional enfoca las fases, la alternativa es GE, en donde no se

produce este enfoque, y por lo tanto se pueden obtener imágenes en fase y en fase opuesta al

modificar el TE.

El período de oscilación de fase es igual al inverso de la derivada de la frecuencia de resonancia

(1/δv). Si la diferencia en la frecuencia de precesión es de 3.5 ppm, lo cual ocurre a 1.5 T, el

ciclo se repite cada 4.4 ms.

El ángulo de fase φ en radianes entre los vectores OH y CH cambia como el tiempo t desde la

excitación

φ = 2πδvt

si t= 1/2δv:

φ = 2πδv× 1/2δv

a φ = π, los vectores se oponen.

a 2t = 1/δv:

φ = 2πδv× 1/δv

φ = 2π , los vectores completan un ciclo.

Desplazamiento químico

4.4ms

2.2ms 6.6s

8.8ms

S

t

Este período de ciclos continúa, pero cada vez la intensidad de señal decrece debido al efecto

T2*

Los vectores se alinean cada 1/δv, en donde ocurre señal máxima, por encontrarse en fase, los

correspondientes a agua y grasa se suman.

Los vectores se oponen cada 1/2δv, en donde ocurre señal mínima, por encontrarse en fase

opuesta los correspondientes a agua y grasa se restan entre sí.

Si se aplican estas fórmulas a 1.5 T, con diferencia de 3.5 ppm, o 225 Hz de δv, la alineación

ocurre cada 1/δv, es decir cada 4.4ms. Los vectores se encuentran en fase opuesta cada 1/2δv, es

decir cada 2.2ms.

Desplazamiento químico

En fase En fase opuesta

Debido a que la frecuencia de precesión varía con el campo magnético, los valores

correspondientes a 0.5 T serían (75Hz):

En fase(1/δv): 13.2ms

En fase opuesta (1/2δv): 6.6 ms

A 1T (149Hz)

1/δv: 6.7ms

1/2δv: 3.4ms

A 1.5 T, las diferencias entre metileno y vinilo son de 256Hz, lo que significa ciclos de 3.9 ms.

Ojo: los valores descritos por Mitchell a 1.5 T son similares a los aquí calculados para los

vectores en fase y en fase opuesta, lo que sugiere que: ¡la matemática funciona!:

en fase en fase opuesta

4.2 2.1

8.4 6.3

12.6 10.5

En la técnica de Dixon, con SE modificado, el tiempo de desfase τ = 1/4δv para el pulso de 180o,

lo que implica 1.1 ms a 1.5 T, 4.8 ms a 0.35T

La utilidad de las imágenes de desplazamiento químico se observa en casos como la infiltración

grasa del hígado. En una imagen SE convencional, con TR/TE de 500/20, la señal del hígado no

se aumenta en forma detectable, y sigue siendo mayor que la del bazo. Si se hace una imagen T1

con técnica de Dixon, con los mismos parámetros, pero con desfase entre el tiempo de aplicación

del pulso de enfoque, la señal del hígado se hará menor que la del bazo. En un hígado sin

infiltración grasa, las imágenes en fase y en fase opuesta no cambian la relación de estas señales,

lo que indica que el contenido graso en el parénquima hepático es nulo o mínimo. Para este caso,

el TR óptimo está entre 250 y 500 ms, con el mínimo TE posible, lo que produce la usual

relación de señal Hígado >Bazo.

La señal se suprime en forma óptima cuando en un pixel existe igual proporción de agua y grasa.

Esto se observa como un borde negro muy marcado en las interfases, como alrededor de los

riñones. Este artificio es un fenómeno cíclico, dependiente del TE en imágenes GE, y se conoce

como artificio de desplazamiento químico del segundo tipo. Es debido a la presencia de protones

de agua y grasa en las interfases, y no depende de la dirección de codificación de frecuencia,

debido a que se trata de un efecto de cancelación de fase. El artificio de desplazamiento químico

del primer tipo sí se limita a la dirección de codificación de frecuencia, y no es un fenómeno

cíclico.

Desplazamiento químico

Fase opuesta

-CH2

-OH

-CH2

-OH-CH2

-OH-CH2

-OH

En fase

Segundo tipo Primer tipo

Otra importante aplicación de las imágenes de desplazamiento químico es el estudio de las

masas suprarrenales. Se espera que aquellas que están involucradas en el metabolismo de las

sustancias adrenocorticales contengan una importante concentración de moléculas de ácidos

grasos, además de las de agua de sus células. Esto implica que podría presentarse el fenómeno de

cancelación de fase en masas como los adenomas, mientras que en lesiones metastásicas no tiene

por qué haber concentraciones significativas de moléculas lipídicas. Al hacer estudios con

desplazamiento químico, es posible obtener información molecular de las masas, para sugerir su

origen benigno (adenoma) o maligno (metástasis), un problema clínico común en la masa

incidental de pequeño tamaño. Hay dos posibles fuentes de error, pues se espera que los

carcinomas adrenocorticales tengan áreas de cancelación de fase por la mezcla de protones de

agua y grasa. Algo similar ocurriría si se trata de una metástasis de un carcinoma de células

claras de riñón a una suprarrenal, por su componente de células con contenido graso.

Desplazamiento químico

En fase En fase oouesta

Disminución en señal en tejidos con componentes de agua Y grasa

Otra aplicación de las imágenes de desplazamiento químico es el estudio de prótesis mamarias,

en busca de ruptura de las mismas hacia los tejidos vecinos. A 1.5 T, se pueden detectar

diferencias entre interfases Silicona - Grasa (100Hz), con ciclos de 10ms, o Silicona- Agua (300

Hz) con ciclos de 3.3ms.

Con estas técnicas, la resonancia magnética aporta información bioquímica adicional a la

morfológica, la cual puede ayudar en la toma de decisiones de algunos problemas clínicos

específicos.