Fisica de la RM

F´ısica de la RMN F´ısica M.Sc. Daniel Fino V. Fundaci´ on Escuela de Medicina Nuclear Mendoza, Argentina

Seminario de RMN, 2011

D. Fino (FUESMEN)

F´ısica de la RMN

Junio de 2011

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Contenido

Contenido

1

Generalidades

2

´ticas Ondas electromagne

3

´ mico Modelo Ato

4

´tico Campo magne

D. Fino (FUESMEN)

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´ticas Ondas electromagne

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´ mico Modelo Ato

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´tico Campo magne

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´ticas Ondas electromagne

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´ mico Modelo Ato

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´tico Campo magne

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´ticas Ondas electromagne

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´ mico Modelo Ato

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... “Someone told me that each equation I included in the book would halve the sales” A Brief History of Time (1988), Stephen Hawking

A menos que se mencione lo contrario, todas las im´agenes, videos y espectros anat´omicos que se muestren en la presentaci´on fueron adquiridas en el servicio de RMN de alto campo (FUESMEN)

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Generalidades

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´ticas Ondas electromagne

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´ mico Modelo Ato

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´tico Campo magne

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Generalidades

Importan dos t´ opicos claves... ´tica Onda electromagne Como se estimula y se recibe informaci´on Electricidad y Magnetismo Cursos de F´ısica II ´ mico Modelo ato Porque pasa lo anterior !!!

F´ısica moderna Cursos de F´ısica III Maxwell, Einstein, Planck, Poincar´ e, Lorentz

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Generalidades

Importan dos t´ opicos claves... ´tica Onda electromagne Como se estimula y se recibe informaci´on Electricidad y Magnetismo Cursos de F´ısica II ´ mico Modelo ato Porque pasa lo anterior !!!

F´ısica moderna Cursos de F´ısica III Maxwell, Einstein, Planck, Poincar´ e, Lorentz

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Ondas Electromagn´ eticas

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´ticas Ondas electromagne

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´ mico Modelo Ato

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Ondas Electromagn´ eticas

´tica Onda electromagne

Semejante al movimiento constante de un autom´ovil...

Distancia = Velocidad ∗ tiempo λ = c ∗ T = c ∗

1 ν

(1)

~ carga est´ ~ carga din´ E atica, B amica. c es constante !!! λ y ν cambian coordinandose mutuamente ´ Dualidad onda/corp´ usculo =⇒ FOTON D. Fino (FUESMEN)

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Ondas Electromagn´ eticas

´tica Onda electromagne

Semejante al movimiento constante de un autom´ovil...

Distancia = Velocidad ∗ tiempo λ = c ∗ T = c ∗

1 ν

(1)

~ carga est´ ~ carga din´ E atica, B amica. c es constante !!! λ y ν cambian coordinandose mutuamente ´ Dualidad onda/corp´ usculo =⇒ FOTON D. Fino (FUESMEN)

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Ondas Electromagn´ eticas

´tica Onda electromagne

Semejante al movimiento constante de un autom´ovil...

Distancia = Velocidad ∗ tiempo λ = c ∗ T = c ∗

1 ν

(1)

~ carga est´ ~ carga din´ E atica, B amica. c es constante !!! λ y ν cambian coordinandose mutuamente ´ Dualidad onda/corp´ usculo =⇒ FOTON D. Fino (FUESMEN)

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Ondas Electromagn´ eticas

´tico Espectro electromagne 3 Hz hasta 300 GHz .. Ondas de radio o RF 3-30 MHz, RF de alta frecuencia Horno microondas (2.4 GHz) Radiaci´on ionizante (3 PHz) D. Fino (FUESMEN)

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Ondas Electromagn´ eticas

´tico Espectro electromagne 3 Hz hasta 300 GHz .. Ondas de radio o RF 3-30 MHz, RF de alta frecuencia Horno microondas (2.4 GHz) Radiaci´on ionizante (3 PHz) D. Fino (FUESMEN)

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Ondas Electromagn´ eticas

´ n de Faraday Ley de induccio “El voltaje inducido en un circuito cerrado es directamente proporcional a la rapidez con que cambia en el tiempo el flujo magn´etico que atraviesa una superficie cualquiera con el circuito como borde.”

Voltaje inducido: Cambio del campo ~ en el magn´etico B tiempo y superficie

induction.avi

TENGO UNA ˜ SENAL QUE LA PUEDO MANIPULAR !!!

(Computacionalmente)

Play/Pause

Ir a RF D. Fino (FUESMEN)

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Modelo At´ omico

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´tico Campo magne

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Modelo At´ omico

´ mico Modelo ato En primera aproximaci´on...

La materia es algo vac´ıa...

Modelo actual: Schr¨ odinger =⇒ “Nube” de probabilidad El di´ ametro del n´ ucleo es aprox. 100000 veces menor que el ´ atomo.

7→ Hagamos una analog´ıa ...

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Modelo At´ omico

´ mico Modelo ato En primera aproximaci´on...

La materia es algo vac´ıa...

Modelo actual: Schr¨ odinger =⇒ “Nube” de probabilidad El di´ ametro del n´ ucleo es aprox. 100000 veces menor que el ´ atomo.

7→ Hagamos una analog´ıa ...

D. Fino (FUESMEN)

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Modelo At´ omico

Si el n´ ucleo fuera del tama˜ no de una bola de ping-pong...

El ´ atomo ser´ıa del tama˜ no de esta vista a´erea de B.Aires. problema...

Para interactuar con un n´ ucleo... mucho flujo de FOTONES !!!

D. Fino (FUESMEN)

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Modelo At´ omico

Si el n´ ucleo fuera del tama˜ no de una bola de ping-pong...

El ´ atomo ser´ıa del tama˜ no de esta vista a´erea de B.Aires. problema...

Para interactuar con un n´ ucleo... mucho flujo de FOTONES !!!

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Modelo At´ omico

Propiedades de las part´ıculas ...

Masa

Carga

Esp´ın (~I ) Concepto complejo... (del ingl´es spin =“giro”) “propiedad de las part´ıculas sub-at´ omicas, por la cual tienen un momento angular intr´ınseco de valor fijo” D. Fino (FUESMEN)

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Modelo At´ omico

Esp´ın “propiedad de las part´ıculas sub-at´ omicas, por la cual tienen un momento angular intr´ınseco de valor fijo” Momento Angular: Rotaci´ on caracter´ıstica de valor fijo No tiene cualquier valor Valores... ~Ie-,P+,N = ~Ifot´on = 1

1 2

Si, el neutr´ on y el fot´ on tienen esp´ın !!! ´ cleo donde hay muchas cosas ... pero ... y en el nu D. Fino (FUESMEN)

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Modelo At´ omico

Esp´ın “propiedad de las part´ıculas sub-at´ omicas, por la cual tienen un momento angular intr´ınseco de valor fijo” Momento Angular: Rotaci´ on caracter´ıstica de valor fijo No tiene cualquier valor Valores... ~Ie-,P+,N = ~Ifot´on = 1

1 2

Si, el neutr´ on y el fot´ on tienen esp´ın !!! ´ cleo donde hay muchas cosas ... pero ... y en el nu D. Fino (FUESMEN)

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Modelo At´ omico

´ cleo Esp´ın del nu N´ ucleo: Sus componentes interact´ uan, se acoplan ...

Nos interesan n´ ucleos con esp´ın 12 porque ???

=⇒

solo dos estados... | ↑> y | ↓>

Otros requerimientos...

N´ ucleos abundantes (biomol´eculas) Magn´eticamente susceptibles Soluci´ on !!!

1 H, 31 P

Otras... sustituyo el

D. Fino (FUESMEN)

13 C

por el

12 C

...

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15 N

por el

14 N

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Modelo At´ omico

´ cleo Esp´ın del nu N´ ucleo: Sus componentes interact´ uan, se acoplan ...

Nos interesan n´ ucleos con esp´ın 12 porque ???

=⇒

solo dos estados... | ↑> y | ↓>

Otros requerimientos...

N´ ucleos abundantes (biomol´eculas) Magn´eticamente susceptibles Soluci´ on !!!

1 H, 31 P

Otras... sustituyo el

D. Fino (FUESMEN)

13 C

por el

12 C

...

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15 N

por el

14 N

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Modelo At´ omico

´ cleo Esp´ın del nu N´ ucleo: Sus componentes interact´ uan, se acoplan ...

Nos interesan n´ ucleos con esp´ın 12 porque ???

=⇒

solo dos estados... | ↑> y | ↓>

Otros requerimientos...

N´ ucleos abundantes (biomol´eculas) Magn´eticamente susceptibles Soluci´ on !!!

1 H, 31 P

Otras... sustituyo el

D. Fino (FUESMEN)

13 C

por el

12 C

...

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por el

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Modelo At´ omico

Niveles de energ´ıa Un poco de f´ısica moderna y cu´ antica... ´ Nos interesa el NUCLEO Los n´ ucleos tienen niveles discretos de energ´ıa

Para ir de un estado a otro... ganar o perder fot´ on !!

Todos los n´ ucleos son diferentes

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Modelo At´ omico

Niveles de energ´ıa Un poco de f´ısica moderna y cu´ antica... ´ Nos interesa el NUCLEO Los n´ ucleos tienen niveles discretos de energ´ıa

Para ir de un estado a otro... ganar o perder fot´ on !!

Todos los n´ ucleos son diferentes

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Campo magn´ etico

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´ticas Ondas electromagne

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´tico Campo magne

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Campo magn´ etico

Que pasa con el esp´ın ??

´ !! ~ , NO CAMBIA SU ROTACION Se alinea con B A favor del campo: menor energ´ıa El problema del eje z ...

7→ Consecuencias en los niveles de energ´ıa...

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Campo magn´ etico

Que pasa con el esp´ın ??

´ !! ~ , NO CAMBIA SU ROTACION Se alinea con B A favor del campo: menor energ´ıa El problema del eje z ...

7→ Consecuencias en los niveles de energ´ıa...

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Campo magn´ etico

Niveles de energ´ıa ...

Hagamos una analog´ıa con la masa...

Que pasa cuando saltamos ???

La masa (sus efectos) toma m´ as relevancia en un campo gravitatorio !!

Igual pasa con el esp´ın !!

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Campo magn´ etico

~ Niveles de energ´ıa ... Ahora con B

... se denomina desdoblamiento de niveles Cambios de energ´ıa mucho m´ as peque˜ nos !!!

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Campo magn´ etico

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Campo magn´ etico

... Efecto Zeeman

Una gr´ afica que han visto... ven... y/o ver´ an !!!!!

~ La energ´ıa entre los dos niveles (I = 12 )... depende de B D. Fino (FUESMEN)

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Campo magn´ etico

´ mico a lo macrosco ´ pico De lo sub-ato Vamos por pasos...

A nivel sub-at´ omico

Esp´ın (Spin) =⇒ Precesa alrededor B~0 !!!

Varias orientaciones !!!

Magnetismo !!! momento magn´etico de esp´ın µ ~ concepto sub-at´omico

A nivel macrosc´ opico (Estad´ıstica ... lejos de ser sencilla !!)

Magnetizaci´on ≈ de los µ ~ de una muestra (paciente) ~ M : Tiene direcci´on y depende de la alineaci´on de los µ ~ ’s D. Fino (FUESMEN)

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Campo magn´ etico

´ mico a lo macrosco ´ pico De lo sub-ato Vamos por pasos...

A nivel sub-at´ omico

Esp´ın (Spin) =⇒ Precesa alrededor B~0 !!!

Varias orientaciones !!!

Magnetismo !!! momento magn´etico de esp´ın µ ~ concepto sub-at´omico

A nivel macrosc´ opico (Estad´ıstica ... lejos de ser sencilla !!)

Magnetizaci´on ≈ de los µ ~ de una muestra (paciente) ~ M : Tiene direcci´on y depende de la alineaci´on de los µ ~ ’s D. Fino (FUESMEN)

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Campo magn´ etico

´ mico a lo macrosco ´ pico De lo sub-ato Vamos por pasos...

A nivel sub-at´ omico

Esp´ın (Spin) =⇒ Precesa alrededor B~0 !!!

Varias orientaciones !!!

Magnetismo !!! momento magn´etico de esp´ın µ ~ concepto sub-at´omico

A nivel macrosc´ opico (Estad´ıstica ... lejos de ser sencilla !!)

Magnetizaci´on ≈ de los µ ~ de una muestra (paciente) ~ M : Tiene direcci´on y depende de la alineaci´on de los µ ~ ’s D. Fino (FUESMEN)

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Campo magn´ etico

´ mico a lo macrosco ´ pico De lo sub-ato Vamos por pasos...

A nivel sub-at´ omico

Esp´ın (Spin) =⇒ Precesa alrededor B~0 !!!

Varias orientaciones !!!

Magnetismo !!! momento magn´etico de esp´ın µ ~ concepto sub-at´omico

A nivel macrosc´ opico (Estad´ıstica ... lejos de ser sencilla !!)

Magnetizaci´on ≈ de los µ ~ de una muestra (paciente) ~ M : Tiene direcci´on y depende de la alineaci´on de los µ ~ ’s D. Fino (FUESMEN)

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Campo magn´ etico

´ n ... ??

Que es la magnetizacio Magnetizaci´ on, imantaci´ on o imanaci´on: El grado de “habilidad” de un material para generar un campo magn´ etico en si mismo en presencia de un campo magn´ etico externo Aparecen conceptos como ...

Permeabilidad magn´etica ...

Susceptibilidad magn´etica ...

Son coeficientes que permiten clasificar los materiales.

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Campo magn´ etico

´ n ... ??

Que es la magnetizacio Magnetizaci´ on, imantaci´ on o imanaci´on: El grado de “habilidad” de un material para generar un campo magn´ etico en si mismo en presencia de un campo magn´ etico externo Aparecen conceptos como ...

Permeabilidad magn´etica ...

Susceptibilidad magn´etica ...

Son coeficientes que permiten clasificar los materiales.

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Campo magn´ etico

... la u ´ltima de Teor´ıa ´ticos Materiales Ferromagne F´ acilmente “magnetizables”, “generan un campo magn´etico en s´ı mismos”... atraen el campo. Fe, Ni, Gd. ´ticos Materiales Paramagne Dif´ıciles de magnetizar. No interac~ . Aire, t´ uan significativamente con B Al, Na, Li, Gd ´ticos Materiales Diamagne Act´ uan d´ebilmente en contra del campo.”, “repelen el campo..”... H, He, S, Cu, Agua D. Fino (FUESMEN)

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Campo magn´ etico

Charlas recomendadas Ver antes: Introducci´ on a la RM Seguir con: Magnetizaci´ on en RM ´ n sobre seminario Informacio www.resonanciaaltocampo.com fadesa.org.ar/fadesa Red interna: en− transito en “Atuel” (Q:) - Seminario de RMN 2011

Gracias por su atencio´n !!!

1

E-mail: dfino@fuesmen.edu.ar 1 Si tiene problemas para ver las animaciones y videos de esta presentaci´ on, aseg´ urese de tener instalado un codec para ver formatos AVI. Haga click aqu´ı para descargar un codec gratuitamente.

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Charlas recomendadas Ver antes: Introducci´ on a la RM Seguir con: Magnetizaci´ on en RM ´ n sobre seminario Informacio www.resonanciaaltocampo.com fadesa.org.ar/fadesa Red interna: en− transito en “Atuel” (Q:) - Seminario de RMN 2011

Gracias por su atencio´n !!!

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Charlas recomendadas Ver antes: Introducci´ on a la RM Seguir con: Magnetizaci´ on en RM ´ n sobre seminario Informacio www.resonanciaaltocampo.com fadesa.org.ar/fadesa Red interna: en− transito en “Atuel” (Q:) - Seminario de RMN 2011

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