Resonancia Magnetica

1. Antecedentes

 

    1. Introducción

 

El uso y valor de la resonancia magnética tanto en imagenología (IRM) como en espectroscopía (ERM) se ha incrementado de manera insospechada dentro de la medicina y la biología [1-33]. Un indicativo de la popularidad y demanda es el creciente número de hospitales y clínicas que cuentan con imaginadores por resonancia magnética, ver Fig. 1 (http://www.ismrm.org).

 

 

Figura 1. Sistema de Imagenología por Resonancia Magnética

 

Este hecho, muestra sin duda el enorme valor que ha adquirido dentro de la comunidad médica y científica. Esta técnica imagenológica debe su prestigio a la habilidad de producir imágenes de órganos internos y estructuras de seres humanos vivos de forma no dañina [1-4, 6, 23, 32-33]. Particularmente, la medicina se ha visto enormemente beneficiadas con esta técnica no destructiva y, en donde se encuentra el mayor número de ejemplos de aplicación de este método para generar imágenes.

 

Una característica muy importante es la capacidad de proveernos con un contraste entre distintos tejidos suaves de manera natural, Fig. 2(a). Esta inherente flexibilidad permite su aplicación en muchas tareas clínicas, a parte de la imagenología anatómica estática. Por ejemplo, la Imagenología por Resonancia Magnética (IRM) es una herramienta muy poderosa para cuantificar flujo sanguíneo en el sistema cardiovascular, con fines de diagnóstico de algunas enfermedades del corazón, Fig. 2.(b).

Esto significa que es posible realizar estudios del funcionamiento del corazón, por mencionar un caso en especial [28, 30, 34-37].

 

La IRM se ha convertido en parte especial de la radiología de diagnóstico. Esta técnica es preferida por encima de las demás, por su capacidad de producir imágenes de una sección con una orientación y posición totalmente arbitrarias.

 

 

 

 

Figura 2. a) Imagen izquierda: espina completa T1 (izquierda), T2 (derecha), TurboSpin Echo. TE = 59 s, TR = 2:04 min, FOV = 50 cm. b) Imagen derecha: flujo sanguíneo en las carótidas (FOV: Field of View). (http://www.siemens.de/med/e/gg/mr/mir.html)

 

 

    1. La Imagenología por Resonancia Magnética en México.
    2.  

      1. Antecedentes.

       

      Desde que el primer imaginador por RM se instaló en Monterrey, México en 1987 [44], el número de unidades ha crecido considerablemente, si consideramos los precios de los sistemas, costos de mantenimiento y de instalación. En este momento, el país cuenta con alrededor de 40 unidades distribuidas por todo el territorio nacional. Esta información se obtuvo vía telefónica con las empresas que manufacturan y venden estos equipos médicos.

       

      Desafortunadamente no existen estadísticas de estos sistemas, donde se registre el número de médicos radiólogos trabajando por cada imaginador, así como el número de técnicos radiólogos, el número de pacientes examinados por unidad de tiempo, los costos de operación, etc. Sólo se pueden consultar registros oficiales (INEGI) del número de gabinetes radiológicos, médicos y técnicos radiólogos, tanto en el sector público como privado [45]. Los aparatos de rayos X son los únicos mencionados en las estadísticas del gobierno.

       

      La Tabla 1 resume la información obtenida de las empresa que manufacturan imaginadores. No aparecen todas las marcas disponibles en el mercado, debido a que algunas empresas consideran información clasificada estos datos.

       

      Todos los imaginadores RM han sido manufacturados en el extranjero e importados al país (ver Tabla 2), esto nos ofrece una idea de la magnitud de recursos económicos invertidos por el país, contando solamente con una muy limitada asesoría que unos cuantos mexicanos, formados en la práctica han podido ofrecer para adquisición de los sistemas.

       

       

       

      Compañía

       

      0.5 T

       

      1.0 T

       

      1.5 T

       

      2.0 T

       

      General Electric

      11

      1

      2

       

      Siemens

      3

       

      2

       

      Philips

      4

         

      1

      Elscint

      1

         

      1

      Shimadzu

      10

           

       

      TABLA 1. Sistemas IRM instalados en México.

       

       

       

      Compañía

      manufacturera

       

       

      Sitio en INTERNET

      General Electric

      http://www.ge.com/medical/mr/iomri/index.htm

      Picker

      http://ww.picker.com

      Siemens

      http://www.siemens.de/med/e/gg/mr/mir.html

      Toshiba

      http://www.toshiba.com/tams/index2.html

      Hitachi

      http://www.hitachimed.com

      Philips

      http://www.medical.philips.com/products/index.html

      Shimadzu

      http://shimadzu.com/products/medlev1/mri.htm

      Fonar

      http://www.fonar.com/products

      Brucker

      http://www.brucker.de/medical/tmb/mri.htm

       

      TABLA 2. Páginas electrónicas de la compañías manufactureras de

      sistemas IRM.

       

      Los propietarios de estos equipos imagenológicos se encuentran en manos de las compañías que venden los equipos, debido a que no existe grupo alguno en el país que desarrolle tecnología, que resuelva los problemas específicos de este enorme mercado del diagnóstico médico. Esta situación genera una dependencia de productos y servicios que se ve reflejada en los precios que paga el paciente.

       

      Todas estas unidades están ubicadas en clínicas y hospitales tanto públicos como privados, que en su totalidad se dedican al uso diagnóstico. En algunas instituciones públicas, las unidades se utilizan también, con propósitos de enseñanza para formar médicos y técnicos radiólogos. Durante esta investigación ningún imaginador se utilizaba con fines de investigación para el desarrollo tecnológico en cualquier de sus áreas. El Hospital ABC y el Hospital Médica Sur han permitido el uso de sus equipos por períodos de tiempo muy limitados, por parte de algunos investigadores de la UAM-I y la UNAM con fines puramente de investigación.

       

      1.2.2. La investigación de la IRM en México.

       

      La situación de la investigación de la IRM en México es bastante precaria. Un buen número de hospitales han adquirido sistemas IRM sin contar con los recursos humanos capacitados, y por ello se han visto obligados a habilitar localmente a su personal. Esta habilitación técnica con sus limitaciones permite obtener personal para cubrir actividades rutinarias, pero no favorece la formación de investigadores en el campo, en detrimento de la calidad de servicios a la población. Consecuentemente, no es posible superar deficiencias de distintos tipos, tanto en procedimientos como en equipos y en la formación de nuevos recursos humanos con conocimientos sólidos.

       

      Esta situación impide que la atención al paciente sea la mejor posible ofrecida en hospitales y clínicas, además priva al país de la investigación de frontera, impidiendo resolver los problemas específicos de la población mexicana y latinoamericana en general.

       

      Existen algunos trabajos de investigación sobre IRM que se han reportado en revistas internacionales y nacionales, pero la mayoría de los éstos se refieren a caso clínicos de ciertas enfermedades.

       

      Por otro lado, ninguna institución de enseñanza superior pública o privada o centro de investigación cuenta con un imaginador RM para desarrollar tareas de investigación en esta disciplina. Esto implica que no se están formando cuadros de investigadores, ingenieros, técnicos que cubran las necesidades de operación, mantenimiento e investigación en las distintas áreas: diseño y construcción de nuevas antenas de radio frecuencia (Fig. 3), secuencias de pulsos (flujo, difusión, perfusión, relaxometría, imagenología funcional) que sean más eficientes o novedosas por su simplicidad, optimización de recursos, velocidad, calidad de la imagen (cociente señal a ruido, resolución espacial, temporal) [1, 23-28, 33, 38-43].

       

       

      Figura 3. Descripción esquemática de un sistema IRM.

       

      En particular, los paquetes de software encargados de hacer la reconstrucción de la imagen y controlar el imaginador, se vuelven obsoletos en muy pocos años, y sus actualización puede resultar muy costosa. Generalmente, el usuario se ve restringido a usar exclusivamente las herramientas de software del sistema, sin tener la oportunidad de agregar secuencias o modificar las ya existentes, con la finalidad de explorar otras posibilidades de los equipos.

       

       

    1. La UAM Iztapalapa y la Imagenología por Resonancia Magnética

 

Donación de un sistema de Imagenología por Resonacia Magnética.

 

El 26 de enero de 1998 la UAMI solicitó la donación al del Instituto Nacional de Neurología y Neurocirugía de la Secretaría de Salud y Asistencia (URL: http://www.ssa.gob.mx/insti_hosp/neuro.htm), el sistema de Imagenología por Resonancia Magnética fue trasladado a la unidad Iztapalapa el 20 de mayo de 1999, Figura 4.

Figura 4. Traslado del sistema de IRM a la UMA-I.

 

La donación forma parte de un programa de colaboración entre ambas instituciones, el cual tiene varios años de haberse establecido. El sistema donado cuenta con un imán superconductor Oxford de 0.5 Tesla de cuerpo entero para aplicaciones médicas [Oxford Magnet Technology, England, Serial No.: 41201 04 86, Model: CA 70126, Configuration: COLD SHIP, 1986]. Sin embargo, la consola de control no fue donada junto con el resto del equipo, por lo que se hace necesario adquirir una actualizada.

 

Proyectos relacionados.

 

El presente proyecto es parte del Proyecto de Repatriación: Imagenología por Resonancia Magnética [Conacyt-1998, Convenio No.: 400200-1, Expediente: 980073, monto: $ 82, 908] y el Proyecto de Instalación: Análisis Wavelet Aplicado a Imágenes de Flujo de IRM (véase Fig. 5) [Conacyt-1998, Convenio:. 400200-5-129960A, monto: $ 69, 200] ambos del Dr. Alfredo Odón Rodríguez González.

Figura 5. Imágenes procesadas con la transformada continua wavelet

[28, 34, 68-73].

 

Por otro lado, el proyecto de antenas de RF (ver Fig 6) está apoyado por fondos obtenidos a través del Fondo para Modernizar la Educación Superior de la Secretaría de Educación Pública con el proyecto: Diseño y Construcción de Antenas para Imagenología por Resonancia Magnética [Clave: P/FOMES 98-35-11, Monto: $ 319, 810].

 

 

Figura 6. Algunas antenas de Radio Frecuencia (RF) para IRM

 

Infraestructura.

 

La UAM-I cuenta con un laboratorio de Resonancia Magnética Nuclear (RMN), a cargo de el Dr. A. Gutiérrez Carrillo [45], dedicado a la investigación con ERM. Este laboratorio posee dos espectrómetros Bruker: un sistema de 500 MHz (líquidos) y otro de 300 MHz (sólidos), además de un imán para Resonancia Paramagnética de Electrones. La adición de un imaginador de IRM vendría a completar de manera ideal la investigación que se pueda realizar en y con la técnica Resonancia Magnética Nuclear.

 

Figura 7. Laboratorio de Resonancia Magnética Nuclear de la UAM Iztapalapa.

 

 

Dentro del Departamento de Ingeniería Eléctrica se crearon desde hace varios años, las Áreas de Ingeniería Biomédica y Procesamiento Digital de Señales e Imágenes Biomédicas [PDSIB, URL: http://itzamna], en las que se han consolidado líneas de investigación que vinculan la ingeniería con la medicina: en particular el Área PDSIB posee un reconocido prestigio dentro de la comunidad científica del país. El trabajo de investigación desarrollado por esta Área se favorecería enormemente con una imaginador RM.

Docencia.

 

Un imaginador RM dentro de una institución cuya función más importante es la enseñanza y la investigación, puede ayudar a resolver en alguna medida este problema de la capacitación y enseñanza del médico y radiólogo en particular. La continua preparación del médico, como la de cualquier otro profesionista, es una necesidad en un mundo que cambia rápidamente. Esta situación en el país ha sido reconocida en varios foros de la comunidad médica [46-49].

 

El sistema de IRM puede ser utilizado tanto para hacer investigación, como para impulsar programas de educación continua para médicos, técnicos radiólogos, etc. Estos programas estarían enfocados a ofrecerle al alumno experiencia práctica en el manejo de un imaginador, un conocimiento teórico práctico de las distintas secuencias imagenológicas [1, 3-4], consejos prácticos para la detección de problemas sencillos encontrados en la práctica diaria, etc.

 

La IRM cubre un espectro muy amplio de aplicaciones en las más diversas áreas del conocimiento: medicina, radiología, biología, bioquímica, físico-química, matemáticas, física, ciencia de los polímeros, electrónica de radio frecuencia, computación, procesamiento de señales. Cabe mencionar que el trabajo interdisciplinario es una condición muy importante para hacer investigación en IRM.

 

2. Metodología

 

Nuestro primera tarea importante es instalar y poner en marcha el sistema RM donado para producir nuestras primeras imágenes. Pretendemos actualizarlo tomando como base el imán superconductor Oxford de 0.5 Tesla. Es importante mencionar que el sistema fue desarmado y todas sus piezas y componentes fueron almacenados. El imán superconductor se encuentra en muy buen estado.

 

Actualización.

 

A pesar de que el sistema se encuentra mas o menos completo, es necesario realizar las siguientes tareas: a) adquirir la estación de trabajo: computadora encargada de controlar el sistema y reconstruir la imagen. b) actualizar la electrónica de RF: amplificador de potencia (gradient amplifier, ver Fig. 8) y radio frecuencia, generador de funciones. c) enfriar el imán inyectando los criogénicos: Helio (He) y Nitrógeno (N). e) reemplazar el cableado entre los amplificadores y los gradientes.

 

Figura 8. Diagrama de un amplificador de potencia para gradiente

de campo (http://www.techron.com/techron/frames.html).

 

Inmueble.

 

El sistema será ubicado en un laboratorio para el cual ya se cuenta con un área asignada por parte de la UAM-I (180 m2). Además, es importante mencionar que el proyecto arquitectónico se ha finalizado recientemente y procederemos a la licitación para su construcción.

 

 

Figura 9. Espacio otorgado por la UAM-I para el laboratorio de IRM.

 

Software.

 

Otro aspecto que se agrega, es la instalación del software de reconstrucción de la imagen y banco de secuencias imagenológicas sensibles al flujo, difusión, perfusión, que ha sido proporcionado por la compañía General Electric-Medical Systems, México para su puesta a prueba. Sin embargo, dentro del Área PSDIB se está conformando un grupo de programación orientada a objeto con el M. en C. Alfonso Martínez Martínez y el ingeniero Juan Ramón Jiménez Alaniz, con la finalidad de elaborar un paquete software para el análisis de imágenes biomédicas y el control del sistema IRM.

 

Antenas de Radio Frecuencia.

 

Diseñaremos y construiremos dos antenas de radio frecuencia: una denominada de superficie para estudios del sistema cardiovascular, y una segunda para medición del tamaño del hipocampo a través de imágenes.

 

 

3. Objetivos y Metas

 

3.1 Objetivos.

 

      1. Realizar investigación en instrumentación y procesamiento de imágenes en IRM, así como en nuevas aplicaciones.
      2.  

      3. Desarrollar tecnología propia en [34-43, 53-56]:

 

a) antenas de radio frecuencia: recepción y transmisión (Fig. 6); b) diseño y construcción de gradientes (Fig. 3: gradient coils); c) electrónica de radio frecuencia (recepción y transmisión); d) nuevas secuencias de pulsos; e) software para la reconstrucción de la imagen y control del sistema RM.

 

3.1.3 Implementar el análisis wavelet para reconstruir la imagen generada con el imaginador RM [50] y realizar análisis de imágenes: filtrado, mejoramiento de la calidad y visualización de flujo sanguíneo en el sistema cardiovascular (ver Fig. 5).

 

3.1.4 Establecer otros convenios de colaboración con una o unas de las empresas manufactureras de los equipos: Siemens, Shimadzu, Philips, con miras a probar sus equipos, software y capacitar al personal técnico y médico involucrado con los imaginadores.

 

 

3.2. Metas.

 

3.2.1 Instalar, actualizar y poner en funcionamiento el sistema de IRM donado por el INNN-SSA (Figuras. 4, 8 y 9).

 

      1. Construir 2 antenas de radio frecuencia para:

 

  1. medición de volumen del hipocampo (CNB-UNAM-Juriquilla), y
  2. sistema cardiovascular (Hospital ABC).

 

      1. Adquirir imágenes con diferentes cortes (sagital, coronal y transversal) para probar la técnicas de reconstrucción tridimensional de la Dra. Verónica Medina Bañuelos y la M. en C. Pilar Castellanos Ábrego [51].
      2. (http://itzamna/vera/)

         

      3. Consolidar los convenios de colaboración existentes con los siguientes grupos de investigación:
      4.  

        1. Centro de Neurobiología, UNAM, Campus Juriquilla, Quéretaro. (URL: http://www.cnb.unam.mx).
        2. Unidad de Resonancia Magnética, Hospital American British Cowdray Medical Center, IAP. (URL: http://www.abchospital.com).
        3. Instituto Nacional de Neurología y Neurocirugía, SSA.
        4. (URL: http://www.ssa.gob.mx/insti_hosp/neuro.htm)

        5. General Electric-Medical Systems, Mexico (URL: http://www.gemedicalsystems.com).
        6. Hospital General Manuel Gea González, SSA. (convenio en proceso).

 

 

4. Infraestructura y Apoyo Técnico

 

    1. Sistema de Imagenología por Resonancia Magnética.
    2.  

      El sistema de RM donado por el INNN nos brinda la infraestructura necesaria para comenzar a desarrollar investigación en esta área.

       

       

       

    3. Antenas de radio frecuencia.
    4.  

      La construcción de antenas de RF requiere de una analizador de red y un puente RLC para medir capacitancia, así como de capacitores no magnéticos y cerámicos con muy alta Q (http://www.stceramics.com), además de 500 m de cable coaxial estándar a 50 W, tubos de distintos diámetros (0.3 -15 mm), multímetro, cinta de cobre de 2 cm de ancho. El analizador de red (Network Analyzer) será adquirido con los fondos proporcionados por FOMES.

       

    5. Electrónica de radio frecuencia.
    6.  

      En este punto es importante enfatizar que la necesidad de reemplazar los amplificadores de potencia (ver Fig. 8), así como el amplificador de corriente es vital para el buen funcionamiento del sistema.

       

    7. Análisis de imágenes.
    8.  

      Se requiere de una estación de trabajo o computadora equivalente con arquitectura especial para el manejo y almacenamiento de imágenes (http://www.sci.org). Los requerimientos de software pueden ser cubiertos con paquetes comerciales como MATLAB (http://www.matworks.com) o IDL (Interactive Data Lenguaje, http://www.idl.com). El Área PDSIB de la UAM cuenta con la infraestructura necesaria de software y hardware para el análisis de la imágenes producidas (http://itzamna).

       

    9. Líquidos criogénicos.

 

El imán superconductor requiere de Helio y Nitrógeno para conservar su características de imán superconductor: para almacenar estos gases se requiere de un tanque: dewar (http://www.mmr.com/).

 

 

7. Bibliografía

 

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