La espectroscopia de resonancia magnética in vivo ( MRS ) es una técnica especializada asociada con la resonancia magnética (MRI) . [1] [2]
La espectroscopia por resonancia magnética (MRS), también conocida como espectroscopia por resonancia magnética nuclear (NMR) , es una técnica analítica no invasiva y libre de radiación ionizante que se ha utilizado para estudiar los cambios metabólicos en tumores cerebrales , accidentes cerebrovasculares , trastornos convulsivos , enfermedad de Alzheimer , depresión y otras enfermedades que afectan al cerebro. También se ha utilizado para estudiar el metabolismo de otros órganos como los músculos . En el caso de los músculos, la RMN se utiliza para medir el contenido de lípidos intramiocelulares (IMCL). [3]
La espectroscopia por resonancia magnética es una técnica analítica que se puede utilizar para complementar la resonancia magnética (RM) más común en la caracterización de tejidos. Ambas técnicas suelen adquirir señales de protones de hidrógeno (también se utilizan otros núcleos endógenos como los de carbono, nitrógeno y fósforo), pero la RM adquiere señales principalmente de protones que residen en el agua y la grasa, que son aproximadamente mil veces más abundantes que las moléculas detectadas con la RM. Como resultado, la RM a menudo utiliza la señal más grande disponible para producir imágenes 2D muy nítidas, mientras que la RM muy frecuentemente solo adquiere señales de una única región localizada, denominada "vóxel". La RM se puede utilizar para determinar las concentraciones relativas y las propiedades físicas de una variedad de sustancias bioquímicas a las que se suele denominar "metabolitos" debido a su papel en el metabolismo .
La adquisición de una resonancia magnética es muy similar a la de una resonancia magnética, con algunos pasos adicionales previos a la adquisición de datos. Estos pasos incluyen:
Durante la adquisición de datos, el escáner adquiere datos brutos en forma de espectros. Estos datos brutos deben cuantificarse para lograr una comprensión significativa del espectro. Esta cuantificación se logra mediante la combinación lineal. [5] La combinación lineal requiere el conocimiento de las formas espectrales subyacentes, denominadas conjuntos de base. Los conjuntos de base se adquieren mediante simulación numérica o se miden experimentalmente en fantasmas. Hay numerosos paquetes disponibles para simular numéricamente los conjuntos de base, incluidos MARSS, [6] FID-A, [7] entre otros, como GAMMA, VESPA y Spinach. [8] Con los conjuntos de base, los datos brutos ahora se pueden cuantificar como concentraciones medidas de diferentes especies químicas. Se utiliza software para completar esto. LCModel, un software comercial, ha sido durante la mayor parte de la historia del campo el paquete de cuantificación de software estándar. Sin embargo, ahora hay muchos paquetes de software gratuito para cuantificación: AMARES, AQSES, Gannet, INSPECTOR, jMRUI, TARQUIN y más. [5]
Antes de la combinación lineal, se solía utilizar la extracción de picos para cuantificar los datos. Sin embargo, esto ya no es popular ni se recomienda. [5] La extracción de picos es una técnica que integra el área debajo de una señal. A pesar de su aparente sencillez, existen varios inconvenientes con esta técnica. Principalmente, las formas lorentzianas individuales empleadas no se escalan para igualar la complejidad de las formas espectrales de los metabolitos acoplados a J y es demasiado simple discernir entre picos superpuestos. [5]
De manera similar a la resonancia magnética, la resonancia magnética utiliza secuencias de pulsos para adquirir señales de varias moléculas diferentes y generar un espectro en lugar de una imagen. En la resonancia magnética, las dos técnicas principales de secuencia de pulsos que se utilizan son STEAM (método de adquisición de eco estimulado) y PRESS (espectroscopia de resolución puntual). En términos de ventajas, STEAM es mejor para obtener imágenes de metabolitos con T2 más corto y tiene una SAR más baja, mientras que PRESS tiene una relación señal-ruido (SNR) más alta que STEAM. STEAM y PRESS son las más utilizadas debido a su implementación en los principales proveedores de escáneres de resonancia magnética. Además de STEAM y PRES, existen secuencias que utilizan pulsos adiabáticos. Los pulsos adiabáticos producen ángulos de giro uniformes incluso cuando hay una falta de homogeneidad extrema de B1 . Por lo tanto, estas secuencias nos permiten lograr una excitación que logra la insensibilidad a B1 y la resonancia fuera de resonancia buscadas en la bobina de RF y el objeto muestreado. En concreto, los pulsos adiabáticos resuelven el problema de la pérdida de señal que proviene de los diferentes patrones de flujo B 1 que resultan de las bobinas de transmisión de superficie utilizadas y el uso de pulsos normales. [9] Los pulsos adiabáticos también son útiles para las restricciones en la potencia pico de RF para la excitación y la reducción del calentamiento del tejido. Además, los pulsos adiabáticos tienen un ancho de banda sustancialmente mayor, lo que reduce el artefacto de desplazamiento por desplazamiento químico, lo que es particularmente importante en altas intensidades de campo y cuando se desea medir un amplio rango de frecuencias (es decir, medir tanto las señales de campo ascendente como de campo descendente del agua en MRS de protones).
En PRESS, las dos principales desventajas son el tiempo de eco prolongado (TE) y los artefactos de desplazamiento por desplazamiento químico (CSD). [10] El tiempo de eco prolongado surge del hecho de que PRESS utiliza dos pulsos de 180°, a diferencia de STEAM que utiliza exclusivamente pulsos de 90°. La duración de los pulsos de 180° es generalmente mayor que la de los pulsos de 90° porque se necesita más energía para voltear un vector de magnetización neta por completo en comparación con solo 90°. Los artefactos de desplazamiento por desplazamiento químico surgen en parte debido a perfiles de selección de corte menos óptimos. Múltiples pulsos de 180° no permiten un TE muy corto, lo que resulta en un perfil de selección de corte menos óptimo. Además, múltiples pulsos de 180° significan un ancho de banda menor y, por lo tanto, un desplazamiento por desplazamiento químico mayor. Específicamente, los artefactos de desplazamiento por desplazamiento químico ocurren porque las señales con diferentes desplazamientos químicos experimentan diferentes selecciones de corte codificadas por frecuencia y, por lo tanto, no se originan del mismo volumen. Además, este efecto se vuelve mayor a mayores intensidades de campo magnético.
SPECIAL consiste en un pulso de inversión de preexcitación espacialmente selectivo (normalmente AFP) seguido de pulsos de excitación y reenfoque espacialmente selectivos, los cuales suelen ser pulsos SLR o sinc truncados. [5]
SPECIAL es un híbrido de PRESS y espectroscopia in vivo con selección de imágenes (ISIS). ISIS logra la localización espacial en las tres dimensiones espaciales a través de una serie de ocho pulsos de preinversión selectivos de cortes que se pueden posicionar adecuadamente de modo que la suma de los ocho ciclos elimine toda la señal fuera de la región 3D deseada. [5] SPECIAL obtiene la localización espacial de una sola dimensión con pulsos de inversión de preexcitación (que se activan y desactivan cada dos tiempos de repetición [TR]), lo que la convierte en una secuencia de dos ciclos.
El uso del pulso de preinversión para eliminar un pulso de reenfoque (en comparación con PRESS) es lo que permite a SPECIAL lograr un TE corto, alcanzando un mínimo de 2,2 ms en un escáner preclínico en cerebro de rata mientras que puede recuperar la señal completa y tan solo 6 ms en un escáner clínico 3T. [5]
El mayor inconveniente de SPECIAL y SPECIAL-sLASER es que son esquemas de dos ciclos y las variaciones sistemáticas entre ciclos se manifestarán en sus espectros de diferencia. La contaminación lipídica es un problema particularmente grande con SPECIAL y secuencias similares.
La secuencia de localización más avanzada es sLASER, [11] que utiliza dos pares de pulsos de reenfoque adiabáticos. Esta ha sido recientemente recomendada por consenso. [12]
El primero es a través de OVS, que reducirá la contaminación de las señales lipídicas que se originan fuera del vóxel, aunque esto se produce a costa de un aumento de la SAR. El segundo no es establecer la amplitud del pulso de inversión de preexcitación a cero cada dos TR, sino en cambio cambiar la ubicación de este plano ISIS de modo que el volumen excitado para la condición de apagado esté fuera del objeto. Se ha demostrado que esto reduce en gran medida la contaminación lipídica, que se especula que surgió de la interacción entre el pulso de RF y los compartimentos lipídicos debido a la relajación incompleta, la transferencia de magnetización o el efecto Overhauser homonuclear, aunque el mecanismo exacto sigue siendo desconocido. [5] El tercero es utilizar una lectura ecoplanar que desfase la magnetización desde fuera del vóxel, lo que también se ha demostrado que reduce sustancialmente los artefactos lipídicos. Los tres métodos podrían combinarse para superar la contaminación lipídica. [5]
Una de las dimensiones que hay que entender sobre una secuencia de pulsos es su vía de coherencia. La vía de coherencia es la secuencia de números de coherencia cuántica que toma la señal antes de su adquisición. Todas las vías de coherencia terminan en -1, ya que es la única vía de coherencia detectada por las bobinas de cuadratura. Las secuencias de tipo eco de espín (PRESS, sLASER, LASER) simplemente alternan entre +1 y -1. Por ejemplo, la vía de coherencia para PRESS (expresada como un vector) es [-1, 1, -1]. Esto indica que después del pulso de RF inicial (pulso de excitación) los espines tienen una coherencia cuántica de -1. Los pulsos de reenfoque luego intercambian el -1 a +1, luego vuelven de +1 a -1 (donde luego se detecta). De manera similar, para sLASER, la vía de coherencia es [-1, 1, -1, 1, -1]. La vía de coherencia para LASER es [-1, 1, -1, 1, -1, 1, -1]. La vía de coherencia para sSPECIAL es [0, 1, -1]. Esto indica que después del primer pulso de RF la señal reside como una población, debido a su número de coherencia cuántica 0. Las vías de coherencia son fundamentales, ya que explican cómo las secuencias se ven afectadas por los trituradores y el ciclo de fases. Como tal, el análisis de vías de coherencia se ha utilizado para desarrollar esquemas de trituradores optimizados [13] y esquemas de ciclo de fases [14] para un experimento MRS arbitrario.
La MRS permite a los médicos e investigadores obtener información bioquímica sobre los tejidos del cuerpo humano de forma no invasiva (sin necesidad de una biopsia ), mientras que la MRI sólo les da información sobre la estructura del cuerpo (la distribución del agua y la grasa). [15]
Por ejemplo, mientras que la resonancia magnética se puede utilizar para ayudar en el diagnóstico del cáncer , la resonancia magnética podría utilizarse potencialmente para ayudar a obtener información sobre la agresividad del tumor. [16] Además, debido a que muchas patologías parecen similares en las imágenes de diagnóstico (como la necrosis inducida por radiación y el tumor recurrente después de la radioterapia), la resonancia magnética puede utilizarse en el futuro para ayudar a distinguir entre pronósticos que parecen similares.
El equipo de resonancia magnética puede sintonizarse (como un receptor de radio ) para captar señales de diferentes núcleos químicos dentro del cuerpo. Los núcleos más comunes que se estudian son los protones ( hidrógeno ), fósforo , carbono , sodio y flúor .
Los tipos de sustancias bioquímicas ( metabolitos ) que se pueden estudiar incluyen compuestos que contienen colina (que se utilizan para formar membranas celulares ), creatina (una sustancia química involucrada en el metabolismo energético ), inositol y glucosa (ambos azúcares ), N-acetilaspartato , y alanina y lactato, que están elevados en algunos tumores.
En la actualidad, la MRS se utiliza principalmente como herramienta por científicos (por ejemplo, físicos médicos y bioquímicos ) para proyectos de investigación médica , pero cada vez está más claro que también tiene la capacidad de proporcionar a los médicos información clínica útil , especialmente con el descubrimiento de que se puede utilizar para sondear la concentración de ácido alfa-hidroxiglutárico , que solo está presente en los gliomas mutados IDH1 e IDH2 , lo que altera el régimen de tratamiento prescrito.
La MRS se utiliza actualmente para investigar una serie de enfermedades del cuerpo humano , en particular el cáncer (de cerebro , mama y próstata ), la epilepsia , la enfermedad de Alzheimer , la enfermedad de Parkinson y la corea de Huntington . La MRS se ha utilizado para diagnosticar la tuberculosis pituitaria. [17]
Cáncer de próstata : Combinada con una resonancia magnética (RM) y dados resultados iguales, la RM tridimensional puede predecir la prevalencia de una degeneración maligna del tejido prostático en aproximadamente un 90%. La combinación de ambos métodos puede ser útil en la planificación de biopsias y terapias de la próstata, así como para monitorear el éxito de una terapia. [18]
A continuación se muestra una resonancia magnética cerebral (en el plano axial , es decir, un corte de adelante hacia atrás y de lado a lado a través de la cabeza ) que muestra un tumor cerebral ( meningioma ) en la parte inferior derecha. El recuadro rojo muestra el volumen de interés del que se obtuvo información química mediante resonancia magnética (un cubo con lados de 2 cm que produce un cuadrado al intersectar el corte de 5 mm de espesor de la resonancia magnética).
Cada sustancia bioquímica, o metabolito, tiene un pico diferente en el espectro que aparece a una frecuencia conocida. Los picos correspondientes al aminoácido alanina están resaltados en rojo (a 1,4 ppm). Este es un ejemplo del tipo de información bioquímica que puede ayudar a los médicos a realizar su diagnóstico . Otros metabolitos destacables son la colina (3,2 ppm) y la creatina (3,0 ppm).
En la espectroscopia de resonancia magnética de 1 H, cada protón puede visualizarse en un desplazamiento químico específico (posición máxima a lo largo del eje x) dependiendo de su entorno químico. Este desplazamiento químico está determinado por los protones vecinos dentro de la molécula. Por lo tanto, los metabolitos pueden caracterizarse por su conjunto único de desplazamientos químicos de 1 H. Los metabolitos que la espectroscopia de resonancia magnética busca tienen desplazamientos químicos ( 1 H) conocidos que se han identificado previamente en los espectros de RMN. Estos metabolitos incluyen:
La principal limitación de la espectroscopia por resonancia magnética es la baja señal disponible debido a la baja concentración de metabolitos en comparación con el agua. Por ello, tiene una resolución temporal y espacial inherentemente deficiente. Sin embargo, ninguna técnica alternativa es capaz de cuantificar el metabolismo in vivo de forma no invasiva y, por lo tanto, la espectroscopia por resonancia magnética sigue siendo una herramienta valiosa para la investigación y los científicos clínicos.
Además, a pesar de los recientes esfuerzos por lograr un consenso internacional de expertos sobre detalles metodológicos como el calce, [21] la corrección del movimiento, [22] la edición espectral, [23] la neuroimagen espectroscópica, [24] otros métodos avanzados de adquisición, [25] el procesamiento y cuantificación de datos, [26] la aplicación al cerebro, [27] la aplicación de la espectroscopia de protones al músculo esquelético, [28] la aplicación de fósforo al músculo esquelético, [29] la descripción de los métodos, [30] el informe de resultados, [31] y otras consideraciones, las implementaciones publicadas actualmente de la espectroscopia de resonancia magnética in vivo se agrupan en literaturas que exhiben una amplia variedad de técnicas individualizadas de adquisición, procesamiento, cuantificación e informe. [32] Esta situación puede contribuir a una baja sensibilidad y especificidad de, por ejemplo, la espectroscopia de resonancia magnética de protones in vivo para trastornos como la esclerosis múltiple , que continúan cayendo por debajo de los umbrales clínicamente beneficiosos para, por ejemplo, el diagnóstico. [32]
31 Espectroscopia de resonancia magnética de fósforo
El éxito clínico de la RMN de 1 H solo es comparable al de la RMN de 31 P. Esto se debe en gran parte a la sensibilidad relativamente alta de la RMN de fósforo (7 % de protones) combinada con una abundancia natural del 100 %. [19] : 90–93 En consecuencia, se adquieren espectros de alta calidad en cuestión de minutos. Incluso con intensidades de campo bajas, se obtiene una gran resolución de espectros debido a la dispersión de desplazamiento químico relativamente grande (~30 ppm) para los fosfatos in vivo. Clínicamente, la RMN de fósforo se destaca porque detecta todos los metabolitos que desempeñan papeles clave en el metabolismo energético tisular y puede deducir indirectamente el pH intracelular. Sin embargo, la RMN de fósforo se ve principalmente desafiada por el número limitado de metabolitos que puede detectar. [19] : 90–93
13 Espectroscopia de resonancia magnética de carbono
A diferencia de la RMN de fósforo, la RMN de carbono es una técnica insensible. Esto surge del hecho de que la RMN de 13 C tiene una abundancia baja (1,1 %) y la baja relación giromagnética del carbono. [19] : 93–96 Esta baja abundancia se debe a que el 12 C no tiene un momento magnético, lo que lo hace no activo en RMN, lo que lleva al uso de 13 C para fines espectroscópicos. Sin embargo, esta baja sensibilidad se puede mejorar mediante desacoplamiento, promediado, transferencia de polarización y volúmenes mayores. [19] : 93–96 A pesar de la baja abundancia natural y sensibilidad del 13 C, la MRS de 13 C se ha utilizado para estudiar varios metabolitos, especialmente glucógeno y triglicéridos. [19] : 93–96 Ha demostrado ser especialmente útil para proporcionar información sobre los flujos metabólicos de los precursores marcados con 13 C. [19] : 93–96 Existe una gran superposición entre lo que la 1 H MRS y la 13 C MRS pueden obtener en términos espectrales y una gran razón, combinada con la alta sensibilidad de la 1 H MRS, es por qué la 13 C MRS nunca ha tenido una amplia aplicación como la 1 H MRS. Véase también MRI de carbono-13 hiperpolarizado .
23 Espectroscopia de resonancia magnética de sodio
La RMN de sodio es famosa por su baja sensibilidad (9,2 % en relación con la sensibilidad de los protones) y su baja relación señal-ruido (SNR) debido a su baja concentración de sodio (30-100 mM), especialmente en comparación con los protones (40-50 M). [19] : 96–102 Sin embargo, el interés en la RMN de sodio se ha visto renovado por los recientes avances significativos en la relación señal-ruido en campos magnéticos altos, junto con diseños de bobinas mejorados y secuencias de pulsos optimizadas. Hay muchas esperanzas en el potencial clínico de la RMN de sodio porque la detección de sodio intracelular anormal in vivo puede tener un potencial diagnóstico significativo y revelar nuevos conocimientos sobre la homeostasis de la electrólisis tisular. [19] : 96–102
19 Espectroscopia de resonancia magnética de flúor
La RMN de flúor tiene una alta sensibilidad (82% relativa a la sensibilidad de los protones) y una abundancia natural del 100%. [19] : 102–104 Sin embargo, es importante señalar que no se encuentran compuestos endógenos que contengan 19 F en los tejidos biológicos y, por lo tanto, la señal de flúor proviene de un compuesto de referencia externo. Debido a que el 19 F no se encuentra en los tejidos biológicos, el 19 F no tiene que lidiar con la interferencia de las señales de fondo como lo hace la MRS 1H in vivo con el agua, lo que la hace especialmente poderosa para los estudios farmacocinéticos. La MRI 1H proporciona los puntos de referencia anatómicos, mientras que la MRI/MRS 19 F nos permite seguir y mapear las interacciones específicas de compuestos específicos. [19] : 102–104 La MRS 19 F in vivo se puede utilizar para monitorear la absorción y el metabolismo de los medicamentos, estudiar el metabolismo de los anestésicos, determinar el flujo sanguíneo cerebral y medir, a través de compuestos fluorados ("sondas"), varios parámetros como el pH, los niveles de oxígeno y la concentración de metales. [19] : 102–104
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