Fundamentos de Ressonância Magnética Nuclear

Imagens de Ressonância Magnética

Prof. Emery Lins

[email protected]

Curso de Bioengenharia – CECS, Universidade Federal do ABC

Ressonância Magnética: Princípios físicos

� Definições e histórico� Fundamentos físicos para geração dos Raios-X� Instrumentação

Ressonância Magnética: Imagens e instrumentação� Fundamentos

Roteiro

� Fundamentos� Instrumentação� Aplicação

Ressonância Magnética: Imagens anatômicas e funcionais� Fundamentos� Instrumentação� Aplicação

Revisão dos conceitos

FUNDAMENTOS DA RMN

As propriedades de ressonância magnética têm origem na interação entre um átomo em um campo magnético externo forte;

É um fenômeno em que partículas contendo momento angular e momento magnético exibem um movimento de precessão quando estão sob ação de um campo magnético externo. estão sob ação de um campo magnético externo.

Os principais átomos que compõem o tecido humano são: hidrogênio, oxigênio, carbono, fósforo, cálcio, flúor, sódio, potássio e nitrogênio. Estes átomos, exceto o hidrogênio, possuem no núcleo atômico prótons e nêutrons.

MAZZOLA, AA. Revista Brasileira de Física Médica. 2009;3(1):117-29.


FUNDAMENTOS DA RMN

O hidrogênio é o elemento visualizado nas Imagens de Ressonância Magnética voltada para o diagnóstico médico, pois ele:

- É o elemento mais abundante no corpo humano: cerca de 10% do peso corporal;

- As características de RMN se diferem bastante entre o hidrogênio presente no tecido normal e no tecido patológico;

- O próton do hidrogênio possui o maior momento magnético e, portanto, a maior sensibilidade a RMN.



FUNDAMENTOS DA RMN



FUNDAMENTOS DA RMN

Os momentos de spin do núcleo estão relacionados com movimentos paralelos ou anti-paralelos ao campo existente, e a energia desses estados depende do número quântico de spin.



FUNDAMENTOS DA RMN

Analogia com os elétrons

Energia do momento magnético

Relação entre o operador momento magnéticoRelação entre o operador momento magnéticoe o operador momento linear

Razão Giromagnética

ATKINS e DE PAULA. Físico-Química, 2º. Edição.


FUNDAMENTOS DA RMN

Analogia com os elétrons

No caso do momento magnético do spin, o número quântico do spin é s=1/2, e a solução é semelhante mas considera o fator g do elétron.



FUNDAMENTOS DA RMN



FUNDAMENTOS DA RMN

A interpretação atribuída ao excesso de energia existente com a presença do campo é o movimento de precessão do elétron, como no giroscópio.



FUNDAMENTOS DA RMN



FUNDAMENTOS DA RMN

Para os núcleos, os campos são da ordem de 2 a 20 T e a diferença deenergia entre os estados de spin está relacionado com uma radiaçãode frequência vL conhecidas como freqüências de Larmor. Taisfreqüências estão na ordem das radiofreqüências (MHz) para MRI.

Nucl Unpaired Unpaired Net (MHz/T)


Nuclei

Unpaired Protons

Unpaired Neutrons

Net Spin

(MHz/T)

1H 1 0 1/2 42.58

2H 1 1 1 6.54

31P 0 1 1/2 17.25

23Na 0 1 3/2 11.27

14N 1 1 1 3.08

13C 0 1 1/2 10.71

19F 0 1 1/2 40.08


FUNDAMENTOS DA RMN

O sinal detectado na RMN é divido ao desequilíbrio entre o número denúcleos com spin paralelos e anti-paralelos ao campo magnéticoexterno.

N-/N+ = e-E/kT. N-/N+ = e-E/kT.

E é a diferença de energia entre os estados de spin,

k é a constante de Boltzman, 1.3805x10-23 J/Kelvin,

T é a temperatura em Kelvin.


A figura mostra que haverá momento magnético resultante na direçãoz do campo externo aplicado (momento longitudinal), porém nãohaverá magnetização no plano xy (momento transversal) devido à faltade fase entre os movimentos de precessão dos núcleos.

Um artifício para a formação de imagens é a aplicação de um pulso de RF em fase com

Imagens da Ressonância Magnética

um pulso de RF em fase com a frequência de Larmor da precessão e transverso a M0.

Isso garantiria um campo magnético resultante no plano x-y (direção da bobina).


O efeito resultante no vetor magnetização (vetor M) é o de afastá-lo, por um dado ângulo de desvio (α), do alinhamento com B0.

Um dos pulsos de RF mais utilizados é o que irá resultar em um ângulo de desvio de 90º (pulso de excitação), transferindo assim todo o vetor M para o plano transversal.



Pulsos de 180º também são utilizados e são chamados de pulsos de inversão.



Em resumo, a aplicação do pulso de RF causa dois efeitos:

• Transfere energia para o vetor magnetização, desviando-o do alinhamento, ou jogando-o para o plano transversal, quando for de 90º;• Faz com que os núcleos precessem, momentaneamente, em fase no plano transversal.

Cessando a RF, é possível medir o processo de relaxação dos spins


Cessando a RF, é possível medir o processo de relaxação dos spins de volta ao seu estado inicial e duas constantes de tempo foram criadas para caracterizar os processos envolvidos: T1 e T2.

T1 está relacionada ao retorno da magnetização para o eixo longitudinal e é influenciada pela interação dos spins com a rede.

T2 faz referência à redução da magnetização no plano transversal e é influenciada pela interação spin-spin (dipolo-dipolo).


A constante de tempo que descreve como Mz = Σ µz retorna aoequilíbrio é chamada Tempo de Relaxação Longitudinal (T1) e reflete ainteração spin-rede. A equação que governa a relaxação é descritaabaixo:

Mz = Mo ( 1 - e-t/T1 )


A constante de tempo que descreve como Mxy retorna ao equilíbrio échamada Tempo de Relaxação Transversal (T2). A equação quegoverna a relaxação é descrita abaixo:

MXY =MXYo e-t/T2

Essa relaxação está relacionada com transições spin-spin


Variações locais do B0 causam defasagem dos momentos magnéticos,aumentando ainda mais a relaxação no plano transversal e acelerando odecaimento do sinal de indução livre. É conveniente definir outraconstante de tempo, chamada T2*


T2inomog: descreve o decaimento adicional no sinal devido a inomogeneidades do campo.

Estas inomogeneidades podem ter origem nas próprias diferenças de composição dos tecidos do corpo, como também em imperfeições na fabricação e ajustes do magneto.



Os valores de T1 e T2 variam de acordo com o tipo do tecido:



Como capturar o sinal de RF?

Aplicando um campo em xy com polarização circular a corrente na bobina temo formato de senóide.


90o

Aplicação de um pulso curto de RF na freqüência de Larmor

Técnicas pulsadas em MRI

Decaimento livre de indução (FID) – aplicando um campo magnético no planoxy o núcleo decai espontaneamente devido à defasagem ressonante dos spins


Detecção do sinal de RF emitido pelo núcleo


Pulso a 90º (medida de T2) – Cada tipo de tecido possui seu próprio tempo dedecaimento T2. Aplicando a Transformada de Fourier, temos:

F


tempo

freqüência

F

F-1



Eco de spins – Um aspecto fundamental para a coleta do sinal que irá gerar a imagem de ressonância magnética é o fenômeno de formação de ecos. Este fenômeno foi observado e descrito por Hahn em 1950 e é a base para estudarmos sequências de pulso.

Hahn descreveu que, se excitarmos os prótons com um pulso de RF inicial e,


Hahn descreveu que, se excitarmos os prótons com um pulso de RF inicial e, após um determinado tempo t, enviarmos um segundo pulso, observaremos que, além do surgimento de sinal na bobina após o primeiro pulso (SIL), também haverá o surgimento de um segundo sinal. Este segundo sinal é um eco do primeiro e aparece na bobina num tempo igual a 2t.

O surgimento do eco é um processo natural e ocorre devido a refasagem dos momentos magnéticos induzida pelo segundo pulso de RF.


Eco de spins –

Podemos controlar o momento em que o eco irá surgir através dos tempos e de aplicação dos pulsos, porém a defasagem e refasagem será dependente dos tipos de tecido em questão.


Há um pulso transversal que tende a por em fase os momentos no plano xy, na seqüência há uma natural defasagem e relaxamento do momento no plano xy; neste instante é aplicado um pulso transversal de 180º, há a inversão dos spins e os mesmos voltam a se alinhar.


Eco de spins –



Sequência de Eco de spins (SPIN Eco) – A sequência de pulso spin eco se caracteriza pela aplicação de um pulso inicial de RF de 90º, seguido de um pulso de RF de 180º.

Como já descrito anteriormente, o intervalo de tempo t entre a aplicação destes dois pulsos irá determinar o surgimento do eco em 2t. Chamamos de tempo de


dois pulsos irá determinar o surgimento do eco em 2t. Chamamos de tempo de eco (TE) o intervalo de tempo entre a aplicação do pulso inicial de RF de 90º e o pico do eco.

O tempo entre sucessivos pulsos de RF de 90º é chamado de TR, ou tempo de repetição. Enquanto o TE determina o quanto de relaxação no plano longitudinal estará presente no eco, o TR estabelece o quanto de magnetização longitudinal se recuperou entre sucessivos pulsos de 90º.


Sequência de Eco de spins (SPIN Eco) –


Formação de Imagens em MRI

Gradientes de campo magnético

Considerando que o campo magnético produzido pelo magneto possui um valor único e uniforme, se todo um volume de tecido, como o cérebro, for posicionado neste campo, e se um pulso de RF for enviado com valor de frequência exatamente igual à frequência de precessão dos prótons de


frequência exatamente igual à frequência de precessão dos prótons de hidrogênio, todo o volume será excitado.

Os prótons de hidrogênio do volume como um todo receberão energia do pulso de RF e retornarão sinal para a bobina. Este sinal contém informação de todo o tecido cerebral, mas não possibilita que saibamos de que parte do cérebro ele provém.



Para formar uma imagem bidimensional (2D), é preciso selecionar um corte do corpo para que, dentro deste corte, possa haver uma matriz de pontos organizada em linhas e colunas.


Para cada elemento desta matriz (pixel) deve ser obtido o valor de intensidade de sinal, para que através de uma escala de tons de cinza ou cores possamos visualizar a imagem final.

Com a introdução dos chamados gradientes de campo magnético, poderemos variar linearmente em uma dada direção a intensidade do campo magnético:






Gz: intensidade do gradiente aplicado (mT/m) na direção z;

Bz(z): novo valor de campo magnético numa dada posição z.


O novo campo criado localmente com o acionamento do gradiente fará com que a frequência de precessão mude, ou seja, cada posição do tecido na direção de aplicação do gradiente atinja precessão em uma frequência diferente.

A frequência poderá ser usada, agora, para localizar espacialmente o sinal. O acionamento de um gradiente de campo também altera a fase dos spins. Esta alteração é proporcional ao tempo que o gradiente fica ligado e amplitude do gradiente. Juntas, fase e frequência poderão fornecer informações espaciais do sinal.


Seleção do corte - São necessárias três etapas para a codificação do sinal de forma a obter uma imagem de RM: seleção de corte, codificação de fase e codificação de frequência. Cada etapa representa o acionamento de gradientes em uma dada direção.

Se o gradiente de seleção de corte for acionado na direção z, cada posição ao


Se o gradiente de seleção de corte for acionado na direção z, cada posição ao longo do eixo da mesa irá precessar com um valor diferente de frequência.

Se este gradiente permanecer ligado, podemos enviar um pulso de RF com frequência central de precessão igual a da região que queremos excitar. Assim, dividimos o paciente em cortes axiais.

Os outros dois gradientes (codificação de fase e frequência) serão acionados nos eixos que restaram (x e y ou y e x).


Seleção do corte - Quando o gradiente de codificação de fase é acionado, alteramos a fase dos spins de forma proporcional à sua localização. Assim, um dos eixos do corte fica mapeado com a fase. É necessário acionar n vezes o gradiente de codificação de fase. Cada vez que é acionado, altera-se a amplitude do gradiente.


No momento da leitura do sinal, o gradiente de codificação de frequência é acionado na direção restante. Desta forma, o segundo eixo do corte ficará mapeado em frequência.


Seleção do corte -


Hardware da Ressonância Magnética


B0


RM - Aplicações Médicas

Imagens do Encéfalo

Cortes de Rotina: (Sagital, Coronal e Axial)Estruturas mais bem Demonstradas: (Subst. Cinzenta, Subst. Branca

Tecido Nervoso, gânglios da Base, ventrílogo, tronco e encéfalo

Patologia Demonstrada: Doenças da Subst. Branca, principalmente Patologia Demonstrada: Doenças da Subst. Branca, principalmente esclerose múltipla

Agente de Contraste: Gd-DTPA com imagens ponderadas em T1Bobina para Cabeça Padrão


Imagem transversal com contraste por T1, mostrando área hipo-intensa típica de AVC antigo.

Imagem transversal com contraste por T2, mostrando área hiper-intensa típica de AVC recente.


Imagem da Coluna

Cortes de Rotina: (Sagital e Axial)

Estruturas mais bem Demonstradas: (Medula espinhal, tecido nervoso, discos intervertebrais, medula óssea, espaços entre as articulações

interfacetárias, veia basivertebral, ligamento amarelo

Patologia Demonstrada: Herniação e degeneração do disco, alterações do osso e da medula óssea, neoplasia, doença inflamatória e desmielinizante

Agente de Contraste: Gd-DTPA com ponderaçãoPosição do Paciente: Paciente deitado de costas, cabeça primeiro p/ coluna

cervical e pés primeiro para coluna lombar


Imagens Sagitais da coluna lombar com contraste por densidade, mostrando protusão dos discos invertebrais l3, l4 e l4 -l5


Imagens do Membro e Articulação

Cortes de Rotina: (Sagital, Coronal e Axial)Estruturas mais bem Demonstradas: (Gordura, músculo, ligamentos,

tendões, nervos, vasos sanguíneos, medula óssea)Patologia Demonstrada: Disturbios da medula óssea, tumores dos tecidos Patologia Demonstrada: Disturbios da medula óssea, tumores dos tecidos

moles, osteonecrose, rupturas de ligamento e tendão.Posicionamento no Aparelho: Cabeça ou pé primeiro, deitado de costas ou de

barriga, Anatomia de interesse centralizada na bobina. Bobina centralizada no magneto principal.


Imagem Coronal comcontraste por T1, MostrandoRuptura do menisco medial

Imagem Sagital comcontraste por T1, MostrandoRuptura do menisco medial


Imagens do Abdome e da Pelve

Cortes de Rotina: (Sagital, Coronal e Axial)Estruturas mais bem Demonstradas: (Fígado, pâncreas, baço, suprarenais,

vesícula biliar, rim, vasos, órgãos da reprodução.Patologia Demonstrada: Tamanho do tumor e estadiamento de tumores, Patologia Demonstrada: Tamanho do tumor e estadiamento de tumores,

principalmente tumores pediátricos, tais como neuroblastoma e tumor de Wilms.

Preparo para o exame: Neste caso, os pacientes podem ser instruídos a jejuar ou consumir apenas liquídos coados 4 hs antes do exame.


AbdomemOrientação axial

AbdomemOrientação axial

Imagens!

Normal Prolaps Malignancy ?

Exemplos da Ressonância Magnética(Espinha)

Exemplos da Ressonância Magnética(Fígado)

Arrows point to multiple lesions in the liver demonstrating metastases.

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Fundamentos de Ressonância Magnética Nuclear