Erresonantzia magnetiko aspergarri bat

Demagun ospitalean zaudela. Demagun erresonantzia magnetikoa egin behar dizutela, dena delakoarengatik, garunean, bihotzean, artikulazioren batean… Jantzi duzu mantal zuria, ipurdia erdi-agerian uzten duten horietakoa; erantzi dituzu, batez ere, metalezko eraztunak, erlojua edo belarritakoak, eta egiaztatu dute medikuek ez daukazula inongo inplante metaliko edo taupada-markagailurik; tatuajeei eta azazkaletako esmalteari buruzko argibideak ere eman dizkizute, duten beruna dela-eta. Bazoaz, beraz, zilindro klaustrofobiko zaratatsu ezagun horren barruan etzatera, taladroarekin lan egiteko moduko aurikular eta guzti.

Egin izan dizkizute bestelako proba erradiologikoak: erradiografiak, ekografiak, OTAk [1], baita PETak [2] ere, baina inoiz ez zara gelditu pentsatzera zein den horien guztien arteko desberdintasuna, horietako bakoitzaren atzean datzan oinarri fisikoa. Hortaz, ia mugitu gabe egon behar duzun ordu erdi luze honetan ez aspertzeko, zure gorputza barrutik ikustea ahalbidetuko duten erresonantzia magnetiko bidezko irudien (EMI) nondik norakoak azalduko dizkizut laburki.

Lehenik eta behin, zergatik demontre zaude zilindro handi baten barruan? “Erresonantzia magnetiko” terminotik erraz ondorioztatuko zenuenez, eremu magnetiko bat (Bo) behar da (eta indartsua, gainera) teknika honetarako. Batxilergoko fisikan ikasi zenuen mugitzen den edozein kargak eremu magnetiko bat sortzen duela, eta, beraz, korronte elektriko batek ere bai (gogoratzen biderketa bektoriala eta eskuin-eskuaren araua?). Bada, korrontea daramaten kableak zilindro baten inguruan harilkatzen baditugu, elektrizitatea pasatzean sortuko den eremu magnetikoa askoz handiagoa izango da zilindro horren barruan (zu zauden lekuan, alegia). Haril edo bobina horrek sortuko duen eremu magnetikoaren magnitudea eman diogun buelta-kopuruarekiko eta igarotzen den korrontearekiko proportzionala da.

Irudia: haril batean zehar igarotzen den korronte elektrikoa eta harilak induzitutako eremu magnetikoa, baita ipar- eta hego-poloak (I eta H) ere. Iturria: https://www.incb.com.mx/index.php/component/content/article?id=1819:curso-de-electronica-06

Eta galdetuko duzu: zenbateraino da indartsua hegotik iparrera (oinetatik burura) zeharkatzen nauen eremu magnetikoa? Orokorrean, medikuntzan erabiltzen diren mota honetako eremuak 1 eta 3 Tesla artekoak izan ohi dira. Zenbaki txikiak dirudite, agian, baina ez dira txantxetakoak! Pentsa: kasualitatez erizain bat hurreratuko balitzaizu, eta, deskuiduan, poltsikoan metalezko artazi batzuk balitu (zeinak edozein imanek erakarriko lituzkeen), eremu magnetiko horren eraginez hegan aterako lirateke harilerantz, bala bat nola, eta bidean aurkitutako edozer (zu zeu barne) zulatuko lukete.

Eremuaren magnitude hori lortzeko, hariletik pasatzen den korronte elektrikoak izugarri handia izan behar du (bira kopurua espazioak mugatua baitago). Gaur egun supereroaleak (ia erresistentziarik gabe eroaten duten materialak) baliatzen dira, batik bat, niobiozko eta titaniozko aleazioak. Horiek eragozpen bat dute, ordea: oso tenperatura hotzetan egon behar dute supereroankortasuna mantentzeko, -270 ºC-tan, gutxi gorabehera. Hori dela eta, harila helio likidotan murgilduta dago inguratzen zaituen zilindro honetan.

Tira, orduan, imana aktibo dago. Zu barruan zaude. Eta zer? Ez duzu ezer igartzen, baina zu osatzen zaituzten atomoen nukleoek bai. Spin ez-nulua duten nukleoek eremu magnetikoarekin lerrokatzeko joera daukate (z deritzon ardatz horizontalean). A, ez dut esan, spina: zer da? Bada, partikula batek kanpoko eremu magnetiko bati nola erantzuten dion neurtzen duen magnitudea (kargak eremu elektrikoarekiko erantzuna eta masak eremu grabitatorioarekikoa zenbatesten duten moduan).

Edonola ere, zu atomo desberdin askoz osatuta zaude, eta horietako guztiak ez dira interesgarriak, kasu honetan. Erresonantzia magnetiko bidezko irudietan hidrogeno-atomoak hartzen dira aintzat. Zergatik? Alde batetik, asko eta asko dituzulako (zure gorputzaren % 70 ura da, eta ur-molekula bakoitzak bi hidrogeno-atomo ditu); bestalde, hidrogenoak faktore giromagnetiko altua duelako, hots, kanpoko eremu magnetiko baten aurrean duen erantzuna oso gogorra delako, eta, guretzat, neurgarria.

Zure gorputzeko hidrogeno-atomoen nukleoak (protoiak) iman ñimiño gisa irudikatuko ditugu hemendik aurrera; horietako bakoitzean gezi ñimiño bat marraztuko dugu imantxoaren hego-polotik ipar-polora. Hortaz, eremuarekin lerrokatzen direla diogunean, gezitxo horiek eremu-lerroen paralelo kokatzera egingo dutela pentsatuko dugu. Egia esan, ez da hain sinplea: kuantikak frogatu duenez, paralelo nahiz antiparalelo lerroka daitezke nukleoak, baina gehiago dira paralelo lerrokatzen direnak (egoera horrek energia baxuagoa du-eta). Gainera, ez dira guztiz lerrokatzen: norabide horren inguruan oszilatzen hasten dira, hau da, prezesatzen. Prezesio horren maiztasuna (Larmor-ena) faktore giromagnetikoaren eta eremuaren magnitudearen araberakoa da.

Horixe da, hain zuzen ere, nukleoen erresonantzia-maiztasuna: maiztasun jakin horretako indarrek nukleo horien oszilazioak anplifikatuko dituzte. Ikusi dituzu bideo horiek non koordinatuta eta erritmo jakin batean dabilen jendeak zubi bat bortizki mugiarazten duen [3]? Fenomeno horixe da erresonantzia. Orain badakizu zergatik den “erresonantzia magnetikoa”: nukleoen erresonantzia, hots, oszilazioen anplifikazioa, eragiten delako indar magnetikoaren bidez.

Orduan: zu aspertzen hasi zara hor barruan etzanda, baina imanak magnetizazio neto bat eragin dizu gorputzean (Mz), eremuaren noranzko berean (oinetatik burura). Momentuz, nukleoen prezesioak desfasatuta daude, eta, ondorioz, elkar deuseztatzen dute (Mxy=0). Orain zu oinetatik bururako gezi horizontal handi bat baino ez zara. Baina horrek ez digu balio, ezin baita neurtu eremu magnetikoaren norabide berean doan ezer, hain baitira indartsuak Tesla gutxi horiek, non gainerako guztia ezkutatzen duten.

Beraz, hau da estrategia: zure gezi hori birarazi egingo dugu, eremu nagusiarekiko perpendikular geratu arte. Horretarako, irrati-maiztasuneko uhinak igorriko zaizkizu, eremu nagusiarekiko norabide perpendikularrean (IM pultsua deituko diogu). Entzuten dituzu aurikular lodiak ere zeharkatzen dituzten uhin desatseginak? Irrati-uhinak hain justu ezin dituzu entzun, baina bai horiek harilean eragindako bibrazioak. Dena dela, badatoz!

Horien maiztasun zehatza ikusi nahi denaren araberakoa da. Gogoratzen duzu prezesioa eremu magnetikoaren magnitudearen araberakoa zela? Bada, eremua ez denez guztiz homogeneoa (handiagoa da, demagun, oinetan buruan baino, eta, beraz, oinetako atomoek azkarrago oszilatzen dute burukoek baino), maiztasuna doituz erabaki daiteke pultsua garunari, bihotzari ala belaunari igorri. Izan ere, IM pultsuaren maiztasuna berdin-berdinean prezesatzen duten nukleoen gezia baino ez dugu mugiaraziko (alegia, erresonantzia-maiztasun horixe duten nukleoei soilik eragingo die pultsuak).

Irudia: a) Hasieran, nukleoen momentu magnetikoak ausazko norabideetan daude. b) Bo eremu magnetikoa aplikatzean, horrexekin lerrokatzera joko dute (prezesatu bitartean), eta Mz magnetizazio netoa sortuko da. c) IM pultsua jasotzean, maiztasun jakin horretako nukleoen magnetizazio netoa 90º biratuko da: Mxy sortuko da. d) Azkenik, IM pultsua gelditzean, magnetizaziak lehengoratzera egingo du, eta seinale bat igorriko du. Iturria: https://merritt.biochem.med.ufl.edu/about-mri/

Baina, zer esan nahi du zehazki gezia biratzeak? IM pultsua jasotzean, maiztasun jakin horretako nukleoei bi gauza gertatzen zaizkie. Bat: eremuarekiko paraleloa den egoerak energia txikiagoa izateari uzten dio, antiparaleloaren aldean, eta horrek polo batera eta bestera begira dauden nukleoen kopurua berdintzen du (Mz=0). Bi: desfasatuta prezesatzen ari ziren nukleoak fasean jartzen dira, eta elkar deuseztatzeari uzten diote; ondorioz, magnetizazio netoa izango dugu eremu nagusiarekiko perpendikularra den planoan (Mxy), z ardatz nagusiaren inguruan biratzen ari dena. Hori guztia eragiten duen IM pultsuari 90ºko edo pi/2-pultsua deritzo.

Behin puntu honetara iritsita, zeharkako magnetizazio mugikor hori neurgarria da (aldakorra den magnetizazioak eragindako eremu magnetikoak korronte elektrikoa sortzen baitu norabide horretako detektagailuetan).  Hemen hasten da jokoa: gorputzeko atal jakin bateko hidrogeno-nukleoak guk nahi dugun norabidean eta maiztasunean ditugu biraka, ados, baina zelan egin garunaren, bihotzaren, belaunaren irudi bat hori baliatuz?

IM pultsua geldiaraztea da gakoa! Uhinok itzaltzean, Mxy zeharkako magnetizaziotik Mz magnetizazio zuzenera itzuli nahi izango dute nukleoek, eta, esan dugunez, magnetizazioaren aldaketa batek seinale bat sortzen du, kasu honetan, irrati-maiztasunean igortzen dena. Eta hori bai neur dezakegu!

IM pultsua isiltzean, piztean bezala, bi gauza gertatzen dira, independenteki. Bat: eremuarekiko paraleloa den egoerak energetikoki merkeagoak bilakatzen dira, berriro, egoera antiparaleloarekin konparatuta; horrenbestez, Mz magnetizazio netoa (oinetatik bururakoa) berreskuratzen da, pixkanaka. Horri luzetarako erlaxazioa deritzo. Bi: IM pultsuak fasean jarri dituen nukleoak berriz ere desfasatzen dira, eta elkar deuseztatzen dute, hau da, Mxy zerora bueltatzen da. Beste horri Induzkio Askearen Erorketa deritzo (ingelesez Free Induction Decay izenaz ezaguna).

Irudia: Bo eremu magnetikoaren eraginpean, Mxy desagertu eta Mz berreskuratzean horrelako ibilbidea du magnetizazioa netoak (ezkerrean). Mxy-ren eta Mz-ren bilakaera IM pultsua askatzean, eta T1 eta T2 denborak (eskuinean). Iturria: https://en.wikipedia.org/wiki/Spin%E2%80%93spin_relaxation

Funtsezkoa da ulertzea bi fenomeno horiek ez doazela elkarrekin, eta bakoitzak bere denbora propioa hartzen duela. My-ren % 63 [4] berreskuratzeko behar den denborari T1 esaten zaio; Mxy-ren % 63 ezeztatzeko behar den denborari, ostera, T2. Esan bezala, denbora horiek ehun motaren araberakoak dira; hori dela-eta, gorputzeko atal bakoitzak (gibelak, hezurrek, begiek…) bi denbora propio ditu: T1 eta T2. Esate baterako, gantzaren kasuan, T1 = 250 milisegundo da eta T2 = 70 milisegundo; gibelean, aldiz, T1 = 500 milisegundo da, eta T2 = 40 milisegundo.

Irudia: Buruko T1 (ezkerrean) eta T2 (eskuinean) irudi axialak. Ageri denez, irudi-mota bakoitzean ehun desberdinak nabarmentzen dira, eta gorputzeko atal beraren ezaugarri desberdinak ikus daitezke. Iturria: https://radiopaedia.org/cases/cerebral-cavernoma-7?lang=us

Beraz, jokoa maiztasunak eta denborak doitzean datza. Maiztasuna, gorputzeko atal bat edo beste behatzeko; denbora-tarteak, ehun mota bat edo beste bereizteko. Helburuaren arabera, IM pultsu konplexu samarrak diseinatzen dira, azalduko ez dizkizudan beste ekarpen batzuk ere badituztenak. Ostean, hartutako irudien tratamenduak ere badu bere garrantzia, ez pentsa! Amaitzeko, aipatu barik utzi ditugu kontraste-agenteak, 4D bideoak, difusio- eta fluxu-irudiak, eta teknika honek zabaltzen duen mundu interesgarri osoa.

Loak hartu al zaitu? Zarata honekin, ez dut uste. Tira, ez dakit medikuek bilatzen zutena aurkituko zizuten ala ez, baina espero dut zilindro klaustrofobikoaren barnean eman duzun denboran, behintzat, zerbait ikasiko zenuela. Eta hori, nabaritu ere egin gabe! Ez horregatik!

Oin-oharrak:

1. Ordenagailu bidezko Tomografia Axiala: https://eu.wikipedia.org/wiki/Ordenagailu_bidezko_Tomografia_Axiala

2. Positroi Igorpenaren bidezko Tomografia: https://eu.wikipedia.org/wiki/Positroi-igorpenaren_bidezko_tomografia

3. Millenium zubiaren erresonantzia: https://www.youtube.com/watch?v=2cuXbpXRvJ0 Inauguratu bezain laster itxi behar izan zuten zubia, erresonantziaren efektuak konpontzeko.

4. Prozesu esponentzialak Eulerren e zenbakiari estu lotuta daude, eta horrek ezartzen du denbora-unitate naturala. Erlaxazio-denbora sistemak 1/e = 0,37 inguru (% 37) hazteko edo murrizteko behar duen denbora gisa definitzen da. Horren konplementarioa da 1 - 0,37 = 0,63 inguru (%63).

Gehiago ikusteko:

https://www.youtube.com/watch?v=jLnuPKhKXVM

https://www.youtube.com/watch?v=gtnOlotFgUY&list=PLWfaNqiSdtzVkfJW2gO-unAYjcDji7-9i

EMI irudi gehiago:

https://radiopaedia.org/cases/cerebral-cavernoma-7?lang=us

Esker bereziak Ainitze Biteri Uribarreni <3