Rm aula1

07/09/13

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Ressonância Magnética Nuclear Marcos Ely Andrade [email protected]

Disciplina �  Aulas expositivas �  Pesquisas

�  Artigos científicos �  Livros �  Internet

�  Listas de exercício

�  Avaliações �  2 provas �  Avaliação de eficiência �  Exercícios

RMN – FACIPE

O que é RMN???

RMN

Decifrando RMN � Ressonância – oscilação de um sistema

em máxima amplitude em certa “frequência ressonante”

RMN – o que é?

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O que é ressonância?

Ressonância



� Magnética – utiliza campo magnético

RMN – o que é?

Campo magnético



� Magnética – utiliza campo magnético

� Nuclear – núcleo do átomo

RMN – o que é?

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Átomo

Nuclear

1.  O paciente é colocado no interior de um magneto

4.  O sinal é processado para formar a imagem

RMN – como é?

2.  É enviado um sinal RF

3.  O paciente emite um sinal

RMN – como é?

Ressonância é uma tomografia???

� O que é tomografia? �  Tomo – fatia, secção �  Grafia – imagem

� Como são as imagens de RMN?

RMN – como é?

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Imagens por RMN – IRM

IRM

T2 FLAIR

T2* T1

IRM

IRM IRM

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O que acontece quando o paciente é colocado no interior do magneto?

?RMN – como é?

Histórico

Histórico "   1952 - Felix Bloch e Edward Purcell – fenômeno da ressonância magnética.

"   1971 - Raymond Damadian – tecidos e tumores respondem de forma diferente ao efeito do campo magnético.

"   1975 - Richard Ernst – método matemático para formação da imagem por ressonância magnética (IRM)

"   1977 - Peter Mansfield – técnica da Imagem Eco Planar (IEP), desenvolvida nos anos seguintes para produzir imagens de vídeo na taxa de 30 ms / imagem.

"   1992 – fIRM (funcional), possibilitando o mapeamento funcional de várias regiões do cérebro humano.

"   2003 - Paul C. Lauterbur (Universidade de Illinois) e Peter Mansfield (Universidade de Nottingham) – prêmio Nobel em Medicina por suas descobertas no campo da Imagem por Ressonância Magnética.

Revisão de física

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Revisão de física �  Ressonância �  Grandezas escalares e vetoriais �  Magnetismo

�  Campo Magnético �  Indução Magnética

� Domínios magnéticos �  Dipolo Magnético

� Momento Magnético �  Geração do Campo Magnético �  Classificação das Substâncias Magnéticas

Física aplicada à RMN

Ressonância acústica

Ressonância

Ressonância

Ponte de Tacoma, Ohio – 1940. http://www.youtube.com/watch?v=CQ9AHlwbLaI

Ressonância Princípios Físicos em Ressonância Magné>ca

IMIP 2009 -‐ Vagner Cassola

Grandezas escalares e vetoriais

•  Na Jsica existem grandezas escalares e vetoriais –  Escalares: são grandezas que ficam perfeitamente caracterizadas quando conhecemos apenas sua intensidade acompanhada pela correspondente unidade de medida.

Tensão: 220 V Massa: 110 kg

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Princípios Físicos em Ressonância Magné>ca


Grandezas escalares e vetoriais

•  Na Jsica existem grandezas escalares e vetoriais –  Vetoriais: são grandezas que para ficar totalmente caracterizada, é necessário saber não apenas a sua intensidade ou módulo mas também a sua direção e o seu sen<do.

Velocidade: 45 km/h (direção norte-‐sul, sen<do de sul para norte)

NorteßSul



Para que servem os vetores?

•  Os vetores auxiliam na solução de problemas Jsicos que envolvem grandezas vetoriais.

•  Vetores são geralmente representados por flechas.

Entretanto, não confunda vetores com flechas. Vetor é uma representação matemá>ca para uma grandeza Jsica.

+ = 0 = + a

b

a+b

a a

2a

a -‐a



Magne>smo

•  O magne>smo é uma propriedade fundamental da matéria. Toda a matéria é magné>ca em algum grau.

O aço é ferromagné<co e a madeira é paramagné<ca

Um ímã “gruda” na porta de aço da geladeira, porém “não gruda” numa porta de madeira.

O mais antigo livro de Medicina que se conhece, escrito cerca de 1000 anos antes de Cristo — o "Livro de Medicina Interna do Imperador Amarelo" — faz referência ao uso do magnetismo nas artes da cura. Há evidências, em obras hindus, egípcias e persas, de que as propriedades da magnetita eram conhecidas mesmo em épocas ainda mais remotas.

Carla Poliana Souza

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Campo Magné>co, B

•  Campo magné>co é uma região em torno de um ímã ou de uma bobina

•  A sua representação é feita a través de linhas de campo ou linha de indução, que são linhas imaginárias fechadas que saem do pólo norte e entram no pólo sul.

•  Cada ponto de um campo magné>co é caracterizado por um vetor B, denominado vetor indução magné<ca, sempre tangente às linhas de campo e no mesmo sen>do delas.



Campo Magné>co, B

N S

Linhas de indução



Campo Magné>co, B

•  Ao colocarmos bússolas em torno de um ímã verificamos que estas se orientam em diversas direções devido a ação de forças magné>cas.

•  O ímã cria um campo magné>co em torno de si

N S



Campo Magné>co, B

A primeira teoria: O modelo de Descartes para o magne>smo terrestre.

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Intensidade do campo magnético (B) Alguns valores de campo magnético (B)

Descrição Intensidade aproximada (T)

Superfície do núcleo atômico 1012

Superfície de uma estrela de nêutrons 108

Junto a um eletroímã de pesquisa de 2 a 4

Junto a um ímã de recados na geladeira 10-2

Na superfície do Sol 10-2

Na superfície da Terra 10-4

No espaço interestelar 10-10



Indução Magné>ca

•  É o fenômeno de imantação de um corpo por meio de um campo magné>co externo aplicado ao mesmo.

•  Exemplo: um prego de ferro normalmente não é imantado.



Indução Magné>ca

•  É o fenômeno de imantação de um corpo por meio de um campo magné>co externo aplicado ao mesmo.

•  Exemplo: um prego de ferro normalmente não é imantado. Porem, quando é colocado na presença de um ímã o vetor indução magné>ca do campo por ele criado, orienta os domínios elementares do prego imantado-‐o.



Domínio magné>cos

•  Domínios magné>cos são pequenas regiões dentro do material, onde cada uma delas pode ter uma determinada orientação magné>ca. –  Materiais que possuem seus domínios magné>cos orientados aleatoriamente, não apresentam efeito magné>co resultante.

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Domínio magné>cos

•  Domínios magné>cos são pequenas regiões dentro do material, onde cada uma delas pode ter uma determinada orientação magné>ca. –  Materiais que possuem seus domínios magné>cos alinhados, apresentam efeito magné>co resultante.



Dipolo magné>co

•  A estrutura magné>ca mais simples é o dipolo magné>co.

O monopolo magné>co foi proposto por Dirac por volta de 1930, e teve sua existência comprovada em 2009. hlp://www.inovacaotecnologica.com.br/no>cias/no>cia.php?ar>go=monopolos-‐magne>cos-‐

observados-‐pela-‐primeira-‐vez&id=

O dipolo é caracterizado pelo momento de dipolo magné>co (ou momento magné>co), μ

Um espira de corrente, um ímã e um solenóide são exemplos de dipolos magné>cos

Campo magnético

Magnética

Momento magnético �  O Momento Magnético é uma grandeza

vetorial que determina a intensidade da força que um imã pode exercer sobre uma corrente elétrica e o torque que o campo magnético gerado exerce sobre a mesma corrente.

�  O momento magnético influencia diretamente na intensidade do campo magnético e é uma medida da intensidade da fonte magnética de um corpo

Momento magnético

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Momento magné>co, μ

•  O modelo mais simples de momento magné>co é o de uma espiral condutora de eletricidade, percorrida por uma corrente i com uma área definida por A.

•  Podemos medir o momento de dipolo se colocarmos um campo magné>co externo B e medirmos o valor do torque τ que atua sobre a espira.

μ = .A

τ = μ x B

Até 1820 pensava-se que os fenômenos elétricos e magnéticos não tinham relação entre si.

Nesse ano, o físico dinamarquês H. Oersted (Universidade de Copenhague), realizou uma experiência mostrando que uma corrente elétrica produz um campo magnético.

Eletromagnetismo

James Clerk Maxwell criou 4 equações que descrevem o comportamento dos campos elétrico e magnético, bem como suas interações com a matéria. Estas equações resumem as leis fundamentais do eletromagnetismo:

1- Não existe carga magnética

2- Toda carga elétrica em movimento gera campo magnético

3-Todo campo magnético exerce uma força sobre uma carga elétrica em movimento

Eletromagnetismo

Geração do campo magnético �  O campo magnético é gerado quando uma

partícula carregada se move à corrente elétrica

�  Um fio condutor percorrido por uma corrente elétrica gera um campo magnético em sua volta, descrito pela lei de Ampère

�  A intensidade do vetor de indução magnética é representada por B.

�  A unidade da intensidade do campo magnético é o tesla (T)

Campo magnético

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Campo magné>co, B

Barra Solenóide Ferradura

Fio Anel

Campo magnético de um solenóide

�  O campo magnético no interior de um solenóide pode ser calculado por:

μ0 – permeabilidade magnética do vácuo (4π.10-7 T.m/A)

i – corrente elétrica que percorre o solenoide

N – número de espiras L – comprimento

B = μ0.i N/L

Solenóide



Classificação das substâncias magné>cas •  Quando um material é colocado sobre a influência de um campo

magné>co e aparecerem forças ou torques, se trata de uma substância magné>ca.

•  Isso é verdadeiro para todas as substâncias, mas em algumas o efeito é bem mais evidenciado, e essas são chamadas de magné>cas.

•  Os materiais que sofrem a influência do campo magné>co pode ser divididos em três categorias:

•  Diamagné>cos •  Paramagné>cos •  Ferromagné>cos



Substâncias Ferromagné>cas

•  São aquelas cujos os domínios magné>cos se orientam facilmente quando subme>do a ação de um campo magné>co externo.

•  Possuem susce>bilidade magné>ca muito maior que 1 (μ>>1).

•  Exemplos: ferro, níquel e cobalto.

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Substâncias Paramagné>cas

•  São aquelas cujo domínio magné>cos não se orientam facilmente sob a ação de um campo magné>co externo.

•  A imantação é pouco intensa. Possuem suscep>bilidade magné>ca menor que 1 (μ<1).

•  Exemplos: madeira, pla>na, plás>co e oxigênio.



Substância Diamagné>ca

•  São aquelas cujos domínios magné>cos se orientam em sen>do contrário ao vetor de indução, sendo, portanto repelidos pelo campo magné>co externo.

•  Possuem susce>bilidade magné>ca nega>va.

•  Exemplos: Mercúrio, prata, água e chumbo.

“A maioria dos tecidos humanos são diamagné:cos.”

Levitação diamagnética

Intensidade do campo magnético: 16 T http://www.youtube.com/watch?v=GLvA4p1QTXo

Fundamentos da RMN Ressonância – Marcos Ely Andrade

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O que representam estas imagens?

Imagens de CT

Imagem por RM e o átomo de Hidrogênio

O que representam as imagens de RM?

Representa o comportamento do átomo de hidrogênio

RMN e H

Átomo de 1H

H Princípios Físicos em Ressonância Magné>ca


Imagem por RM e o átomo de Hidrogênio •  A formação de imagem de RM devesse principalmente as

interações do próton do núcleo do ¹H. Mo>vos Jsicos

–  O próton do ¹H apresenta o maior sensibilidade as campos magné>cos; –  Possui uma abundância natural de 99,98%. Mo>vos biológicos

–  Aproximadamente, 10% da massa corporal é devido ao átomo de ¹H; –  As imagens só são possíveis para pequenas moléculas que contenham

o ¹H, como é o casos da água; –  As caracterís>cas de ressonância do ¹H nos tecidos doentes e saudável

geralmente é diferente, porque a quan>dade de água varia

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Sensibilidade de átomos a campos magnéticos externos

Símbolo Elemento Abundância

natural (%)

Concentração nos Tecidos

(mol/kg)

Sensibilidade a campos

magnéticos externos (%)

¹H Hidrogênio 99,98 100 100,00

¹³C Carbono 1,1 1,1 1,59 19F Flúor 100 Desprezível 83,30

²³Na Sódio 100 0,15 9,25

³¹P Fósforo 100 0,001-0,05 6,63 39K Potássio 93,1 0,05 0,05

Átomos sensíveis a B

3 tipos de movimentos

Spin

•  Elétrons orbitando o núcleo

•  Elétrons girando em volta de si

•  Núcleo girando em volta de si



Spin •  O spin é um propriedade fundamental da matéria, assim como a carga elétrica e a massa.

•  O spin é dado em múl>plos de ½ e pode ser nega>vo ou posi>vo.

•  Dois prótons com spins -‐½ e +½ (pareados) eliminam qualquer efeito observável.

•  A RM só pode ser aplicada a átomos que possuem núcleos não-‐pareados (massa ímpar)



Spin

Núcleo μ Spin

n -‐1,91 ½

¹H 2,79 ½

²H 0,86 1

¹²C 0 0

¹³C 0,702 ½

μ -‐ momento magné>co

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O núcleo do átomo de ¹H possui um próton em seu núcleo.

O próton possui um movimento de giro, ou spin, em torno do seu próprio eixo.

O movimento de cargas gera uma corrente elétrica.

Por consequência, a corrente gera um campo magné>co ao seu redor...

...com pólos norte e sul e um momento magné>co μ

Ou sej,a núcleos de átomo de hidrogênio podem ser vistos como pequenos ímãs.

μ Norte

Sul

Aproximação clássica ¹H Hidrogênio e campo magnético externo � Na ausência de um campo magnético

externo, os núcleos de H são orientados aleatoriamente

H e campo magnético

Hidrogênio e campo magnético externo � Na presença de um campo magnético

externo forte e estático, os núcleos de H são alinhados �  Alguns são alinhados paralelamente �  Outros no sentido oposto


B



B0 = 1,5 T

Interação com um campo magné>co está>co

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B0 = 1,5 T

-‐½γB0ħ

½γB0ħ

ΔE

Estado de maior energia

Estado de menor energia


γ -‐ constante giromagné>ca



B0 = 1,5 T

ΔE




B0 = 1,5 T

ΔE

T = 300 K

Momento magné>co resultante

Energia térmica �  Núcleos de H com alta energia térmica possuem

energia suficiente para se opor ao campo magnético.

�  Se aumentarmos a intensidade do campo magnético, cada vez menos núcleos de H conseguirão se opor

�  A energia térmica dos núcleos é determinada pela temperatura do paciente, mas não varia muito para pequenas mudanças de temperatura

�  Em equilíbrio térmico, a maioria dos núcleos possuem baixa energia e se alinham paralelos ao campo magnético


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007

O corpo humano, sob ação do campo magnético terrestre de 0,3 gauss (3.10-5 T), os momentos magnéticos não possuem uma orientação espacial definida.

1 T=10.000 G

A magnetização resultante de um volume de tecido é zero.


O paciente é posicionado no interior do magneto sob ação de um campo magnético de, por exemplo, 1,5 T, os prótons de hidrogênio irão se orientar de acordo com a direção do campo aplicado.

1 T=10.000 G

Os prótons de hidrogênio apontam tanto paralelamente quanto antiparalelamente ao campo. As duas orientações representam dois níveis de energia que o próton pode ocupar.


S

N

Magnetização

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S

N

Precessão

Precessão de um pião

Precessão

Precessão � Spin adicional (causado pela presença

do campo magnético B0)

� A velocidade do giro é chamada de frequência de precessão ou frequência de Larmor (ω)

�  A frequência é dada em megahertz (MHz)

� 1 Hz é um ciclo por segundo

Precessão

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