Influencia de la difusión en imágenes de resonancia magnética de gases

Facultad de Ciencias UNIVERSITAS SCIENTIARUM Agulles-Pedrós et al Disponible en línea en: www.javeriana.edu.co/universitas_scientiarum 2008, Vol. 13 N° 3, 281-289 Artículo original Influencia de la difusión en imágenes de resonancia magnética de gases Luis Agulles-Pedrós1*, Rodolfo H. Acosta2, Peter Blümler3, Hans W. Spiess4 1 Departamento de Física, Facultad de Ciencias, Pontificia Universidad Javeriana, Cra. 7ª # 45, Bogotá D.C., Colombia. 2 Facultad de Matemática, Astronomía y Física, Universidad Nacional de Córdoba, X5016LAE Córdoba, Argentina. 3Institute of the Chemistry and Dynamics of the Geosphere, ICG-III: Phytoshpere, Research Center Jülich, 52425 Jülich, Alemania. 4Max Planck-Institute for Polymer Research, Mainz, Germany Recibido: 11-07-2008; Aceptado: 29-01-2009 Resumen La resolución en experimentos de resonancia magnética nuclear (RMN) con gases que hacen uso de gradientes de campo magnético, suele verse reducida debido a la rápida difusión de los mismos. En este artículo se presenta una solución a este problema basada en la mezcla de gases hiperpolarizados con láser (3He o Xe) con otros gases más pesados o más ligeros. De este modo, el coeficiente de difusión es modificado hasta en un orden de magnitud. La señal de imágenes en una dimensión de 3He es descrita en función de la concentración en una mezcla binaria de gases, y se muestra la existencia de una concentración óptima para ciertos parámetros de resolución en las imágenes. Los experimentos muestran que con dicha concentración, se consiguen ganancias de hasta 10 veces la señal del 3He puro, concordando con la teoría para difusión no restringida. Finalmente, se ilustra el método en imágenes 2D de 3He mezclado con diversos gases en un pulmón, que contiene cavidades restrictivas de diversos tamaños. Palabras clave: IRM de gases, difusión restringida, pulmón, gases inertes, contraste, gases hiperpolarizados. Abstract Diffusion influence on gas magnetic resonance imaging. Resolution of nuclear magnetic resonance (NMR) experiments with gases employing magnetic field gradients is greatly reduced due to their rapid diffusion. In this paper, we present a solution to this problem based on a mixture of gases hyperpolarized with laser (LP) (3He or Xe) with other heavier and lighter buffer gases. In this way the diffusion coefficient can be modified up to one order of magnitude. The signal of 1D images of 3He is described as a function of the concentration in a binary mixture of gases, and we show the existence of an optimum concentration for some image resolution parameters. Experiments show that with this concentration, the signal can gain an increase of up to 10 times the signal with pure 3He, in agreement with the theory of non-restricted diffusion. Finally, the method is illustrated with 2D images of LP-3He mixed with several gases in a lung containing restrictive cavities with different sizes. Key words: gas MRI, restricted diffusion, lung, buffer gas, contrast, hyperpolarized gases Resumo Influência da difusão nas imagens de ressonância magnética de gases. A resolução nos experimentos de ressonância magnética nuclear (RMN) com gases que usam gradientes de campo magnético, frequentemente é reduzida por causa da rápida difusão dos mesmos. Neste artigo apresenta-se uma solução para este problema baseada na mistura de gases hiperpolarizados com laser (3He ou Xe) com outros gases mais pesados ou mais leves. Desta forma, o coeficiente de difusão é modificado até uma ordem de magnitude. O sinal de imagens numa dimensão de 3He é descrita em função da concentração numa mistura binária de gases, e se mostra a existência de uma concentração otimizada para certos parâmetros de resolução das imagens. Os experimentos mostram que com essa concentração, conseguem-se ganâncias de até 10 vezes o sinal do 3He puro, concordando com a teoria para a difusão não restringida. Finalmente, ilustra-se o método em imagens 2D de 3He misturando com diversos gases num pulmão, que contem cavidades restritivas de diversos tamanhos. Palavras chave: IRM de gases, difusão restringida, pulmão, gases inertes, contraste, gases hiperpolarizados 281 Universitas Scientiarum, 2008, Vol. 13 N° 3, 281-289 INTRODUCCIÓN Las imágenes de resonancia magnética (IRM) se han caracterizado principalmente por la alta resolución que se obtiene en el estudio de materiales no sólidos (Callaghan y Eccles, 1988). Dentro de este tipo de materiales, se puede hacer una distinción entre los líquidos y los gases basada en la difusión, debido a que estos últimos tienen un coeficiente de difusión (D) alrededor de 4 órdenes de magnitud mayor en condiciones de laboratorio estándar (Tª = 25°C y P= 1 atm). Por esta razón, el uso de los gases en IRM está ligado con las medidas del coeficiente de difusión, ya que la señal adquirida dentro de un gradiente magnético —necesario para correlacionar la frecuencia de Larmor con el espacio— decae exponencialmente con el coeficiente de difusión según (Chen et al., 1999). ln S(b) S(0) = -bD donde 2 3 b = γ 2 G 22  δ3 + ε3 δε 2  −  30 6  , (1) siendo S(b) la señal, γ la razón giromagnética del núcleo en cuestión, G la intensidad del gradiente y δ y ε los tiempos descritos en la figura 1. Esta combinación de imágenes y medidas del coeficiente de difusión ha sido utilizada para estudiar la estructura microscópica, en especial la relativa a los órganos respiratorios (Goodson, 2002; Möller et al., 2002). Analizando la ecuación (1) podría esperarse una gran pérdida de la señal en estudios como los anteriormente citados; sin embargo, el hecho de estudiar cavidades porosas, como los pulmones, hace que la partícula estudiada tenga limitado el movimiento debido a las colisiones con las paredes de las cavidades de los poros, en este caso los alveolos, y por lo tanto restringida la difusión. Otro factor a tener en cuenta es el que se va a desarrollar a lo largo de este artículo: en una mezcla de gases de diferente masa molecular, la interacción del gas más ligero con el más pesado restringe el movimiento del primero –— pero no detiene sustancialmente el movimiento del segundo. Por lo que si se observa el gas más ligero, se detectará una disminución en el coeficiente de difusión. En ambos casos —en el estudio en cavidades porosas y en la mezcla de gases— se habla de un coeficiente de difusión aparente (ADC por sus siglas en inglés). El uso de este ADC por medio de imágenes sopesadas por difusión, pro- Figura 1. Diagrama de tiempos utilizados en una secuencia de pulsos y gradientes para medir el coeficiente de difusión con gradientes trapezoidales en una secuencia de eco de gradiente (a) y una secuencia para hacer imágenes monodimensionales (b). Los esquemas superiores representan los pulsos de radio frecuencia y los inferiores los de gradiente. 282 Agulles-Pedrós et al duce mapas de difusión que ayudan al estudio microscópico de la estructura del pulmón (Goodson, 2002; van Beek, 2004). En el caso de una mezcla de dos (...truncated)