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Autores:Carlos Manuel Monteiro Nujo [email protected] 21200010

Marco André Costa Rocha [email protected] 21200009

Mestrado em Sistemas e Tecnologias da Informacao para a Saude

Difusão cerebral em RM

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RM, o que é?

A Ressonância Magnética é um fenómeno físico de troca de energia entre forças periódicas (ondas electromagnéticas) e corpos animados de movimento (certos núcleos atómicos).

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Tem como base a interacção de um elevado campo magnético com pulsos de radiofrequência e com os núcleos dos átomos que constituem o corpo humano.

Os núcleos em RM, devem possuir um momento angular , ou spin diferente de zero;

Na presença de um campo magnético, o núcleo em causa descreverá um movimento de acordo com este - precessão;

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Introdução – princípios físicos em RM

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Introdução – princípios físicos em RM

O núcleo de hidrogénio é a base da RM, não só pela sua elevada abundância no corpo humano , mas também porque tem elevada sensibilidade magnética.

Após a colocação do paciente num campo magnético externo, potente e uniforme, os protões de hidrogénio tendem para se orientar:– Paralelamente ao campo ( estado

de equilíbrio);– Anti-paralelamente ao campo

(estado de excitação).

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Fenómeno de Ressonância

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A resultante magnética Mz muda a sua orientação no espaço e vai preferencialmente assumir uma posição no plano transversal ( X,Y ).

Troca de energia com uma força periódica externa (ondas electromagnéticas de radiofrequência).

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Formação da Imagem:

O sinal de ressonância magnética, captado pelas antenas, vai ser localizado e codificado através dos gradientes, no espaço K (representação dos dados brutos);

Posteriormente, o sinal é reconstruído através da transformada de Fourier em imagem.

T1 T2 ÁGUA Hiposinal Hipersinal MÚSCULO Intermédio GORDURA Hipersinal Hiposinal AR Hiposinal Hiposinal CÁLCIO Hiposinal Hiposinal ÁGUA+PROTEÍNA Depende da concentração proteica

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Conceitos RM

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TR ( Tempo de Repetição ) TE ( Tempo de Eco ).

T1 - o tempo necessário para uma recuperação de aproximadamente 63% da magnetização longitudinal dos protões de um tecido.

T2 - é o tempo necessário para que a resultante magnética no plano transversal decaia até aproximadamente 37% do seu valor original.

SEQUÊNCIAS DE PULSOS :

• Inversion Recovery• Spin Eco • Sequência Fast Spin Eco ( Turbo Spin Eco ) • Sequencia Single Shot Fast Spin Eco – Ssfse• Etc

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As moléculas de água estão em constante movimento, movendo-se desordenadamente em altas velocidades em todas as direcções, colidindo umas com as outras;

A este movimento dá-se o nome de “Movimento Browniano”;

Esta mobilidade é resultado da dissipação da energia térmica na forma de energia cinética;

Deixa-se cair uma gota de tinta num copo com

água, e observa-se o tempo que a tinta demora

para se difundir;

Neste caso, coloca-se no tecido cerebral uma

gota de “tinta magica”, e observávamos o

progresso da tinta a difundir-se no tecido.

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O Que é a difusão?

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ISOTRÓPICA Estrutura e propriedades da difusão são as mesmas em todas as

direcções; Probabilidade difusão é a mesma em todas as orientações; Exemplos: copo de água, substância cinzenta cerebral.

ANISOTRÓPICA

Na presença de barreiras, as propriedades da

difusão são dependentes da direcção em que

são medidas;

Exemplos: cristais, fibras nervosas.

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Tipos de Difusão

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Para executar estudos de difusão, precisamos primeiro de aplicar

gradientes em adição às radiofrequências e gradientes usados numa

sequencia de RM “normal”;

Durante o tempo de eco (TE), os gradientes vão codificar a difusão;

A intensidade do sinal vai depender de:

S=Soexp ( -bADC )

ADC é o Coeficiente de Difusão Aparente;

b é o Factor de Gradiente;

So é a intensidade de sinal obtida quando não são usados gradientes.

Quando o paciente entra no túnel do aparelho, que tem um elevado

campo magnético estático, os spins ficam alinhados na direcção do

grande magneto;

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Princípios físicos da Difusão em RM

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São aplicados 2 pulsos de gradiente de magnitude semelhante, mas

de direcções opostas, 90º e 180º;

Quando se aplica o 1º pulso (90º):

Os spins das moléculas de água ficam fora de fase (não emitem sinal).

Este desfasamento dos spins pode ser devido:

Heterogeneidades do campo magnético;

Movimento dos spins (difusão).

Quando se aplica o 2º pulso (180º):

Os spins estacionários que estavam fora de fase devido às

heterogeneidades do campo, voltam a ficar em fase, e emitem sinal;

Os spins que não estejam estacionários, que estejam em movimento

(difusão), continuam fora de fase e não emitem sinal.

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Princípios físicos da Difusão em RM

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Para calcular o ADC, são feitas aquisições de imagens ponderadas em Difusão com b-factors diferentes, e através da formula, são calculados os valores de ADC para cada pixel, obtendo assim um mapa do ADC;

A intensidade do sinal nos pixeis reflecte a força da difusão nesses mesmos pixeis;

O valor de ADC é muito mais alto para o liquido cefaloraquídeo, do que para outros tecidos cerebrais;

Numa imagem ponderada em Difusão, o LCR tem hiposinal e os tecidos onde não exista difusão têm hipersinal;

O b-factor diz-nos que podemos aumentar a ponderação em Difusão,

aumentando o tempo de gradiente ou a força de gradiente;

Deve-se usar sempre os mesmos valores de b-factor como protocolo a seguir, para ser mais fácil ao médico radiologista aprender a interpretar as imagens.

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Coeficiente de Difusão Aparente e b-factor

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Difusão No cérebro

O cérebro é complexo e constituído por muitas estruturas diferentes, como por exemplo, membranas e fibras nervosas;

Estas estruturas podem permitir ou não que a água se mova livremente;

Observa-se que o movimento das moléculas é mais rápido acompanhando o sentido das fibras e mais lento nas restantes direcções;

No caso das fibras neurais, este efeito é intensificado pelos potenciais eléctricos gerados pelas bombas de Na/K ;

Devido aos spins da água movimentarem-se como constituintes das células, em diferentes concentrações e em compartimentos celulares diferentes, eles vão movimentar-se com diferentes velocidades;

Quando a difusão está mais concentrada numa determinada direcção, dá-se o nome de Difusão Anisotrópica.

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A difusão como um evento molecular

Na maioria das imagens clínicas de RM usam-se tamanhos de pixeis da ordem dos milímetros;

A informação fornecida pela imagem de difusão vai muito para além disto, visto estarmos a falar de eventos celulares ou mesmo moleculares em escalas muito menores;

Basta os spins sentirem uma ligeira obstrução para que seja logo notada;

Pacientes com patologias neurológicas, que alterem a distribuição da água nos compartimentos das células ou que alterem a capacidade desta passar pelas membranas, vão ter valores de ADC alterados;

A difusão é a única técnica de RM que permite obter este tipo de informação, que de outra maneira seria desconhecida.

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Num ambiente clínico, temos de cumprir vários requisitos: Limite de tempo (max. 15 min) para cada sequencia (T1W, T2W, DW,

etc);

15 a 20 cortes de maneira a cobrir grande parte do cérebro;

Cortes de 5 a 8mm de espessura;

Um TE de 120ms, para obter uma adequada sensibilidade para a difusão.

O melhor compromisso para a pratica clínica de imagem de difusão é: 3 eixos (x, y, z);

b-factor de 1000;

Por vezes, usar-se a técnica de FLAIR (Fluid Attenuation with Inversion Recovery), para eliminar o sinal do espaço LCR.

A separação dos efeitos de relaxamento é conseguido através do cálculo do ADC em vez de se usar apenas imagem ponderada em Difusão;

A eliminação da Difusão Anisotrópica é conseguida através do calculo da média dos 3 eixos ortogonais.

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A imagem de difusão na clínica

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Núcleos da base: Imagens ponderadas em Difusão no adulto demonstram hipossinal nos

núcleos da base, este hipossinal deve-se ao depósito normal de ferro nesta área;

Mapas ADC normalmente demonstram áreas isointensas, contudo podem aparecer hiper ou hipointensas de acordo com a susceptibilidade paramagnética de artefactos de ferro depositados.

Difusão Mapa ADC

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Estudo de difusão de Cérebro “normal”

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Substância cinzenta e substância branca: A substância cinzenta em imagens ponderadas em difusão é geralmente

hiperintensa quando comparada com a substância branca; Mapa ADC da substância cinzenta e da substância branca são no entanto

idênticos; Existem vários registos sobre valores de ADC a aumentar com a idade,

contudo este aumento é mínimo e é observado em todas as partes do cérebro.

Difusão Mapa ADC

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Estudo de difusão de Cérebro “normal”

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Plexos coróides: Em imagens de difusão monstra uma hiperintensidade proeminente

associada a um aumento do valor de ADC; Nestas situações o ADC é muito superior ao da substância branca,

contudo inferior ao do líquido cefalorraquídeo.; O elevado sinal de Difusão é representativo de alterações de quistos

gelatinosos dos plexos coróides, que podem surgir com a idade.

Difusão Mapa ADC

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Estudo de difusão de Cérebro “normal”

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Cérebro neonatal normal Imagem ponderada em difusão, apresenta hiposinal na substância branca

frontal (setas); Mapa ADC apresenta hipersinal sobretudo na substância branca frontal, estas

alterações no mapa ADC aparentam reflectir uma redução do conteúdo de água, maturação celular e a mielinização da substância branca.

Difusão Mapa ADC

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Estudo de difusão de Cérebro “normal”

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Cérebro das crianças: O valor de ADC à nascença é mais elevado na substância branca

sub cortical, do que em ambas as zonas do limbo da cápsula interna nas zonas posterior e anterior, é também mais elevado no córtex e no núcleo caudado do que no tálamo e no núcleo lentiforme, com excepção do fluido cefalorraquídeo;

Há tendência para o decréscimo de valores de ADC, ocorrendo este na maioria das áreas do cérebro pediátrico, está relacionada com a combinação de diferentes factores, incluindo uma redução do conteúdo aquoso, maturação celular e mielinização da substância branca;

As patologias da substância branca também podem ser "mascaradas" pela aparência normal, relacionada com a idade, da imagem de Difusão e ADC.

Estudo de difusão de Cérebro “normal”

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Estudo de difusão de Cérebro “normal”

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Armadilhas e Artefactos

Armadilhas:

T2 shine-through;

T2 washout;

T2 Blackout.

Artefactos:

Correntes de Eddy;

Susceptibilidade Paramagnética;

Chemical Shift;

Movimento.

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Este é um fenómeno bem conhecido que causa hiperintensidade nas imagens ponderadas em Difusão através da prolongação de T2;

Se o ADC diminuir ao mesmo tempo, pode resultar no realce da hiperintensidade nas imagens de Difusão;

Uma lesão que deveria ser hipointensa em imagem de Difusão, vai surgir hiperintensa.

T2 Difusão Mapa ADCImagem

Exponencial

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Armadilhas - T2 shine-through

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Armadilhas - T2 washout

FLAIR T2 Difusão Mapa ADC

Implica isointensidade nas imagens de Difusão que resultam de um balanço entre hiperintensidade nas imagens ponderadas em T2 e aumento do valor de ADC;

Este fenómeno é bem visível no edema vasogénico onde a combinação do aumento do ADC com a hiperintensidade em imagens ponderadas em T2 vão resultar imagens ponderadas em difusão isointensas.

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Demonstra hipointensidades nas imagens ponderadas em Difusão devido a hipointensidades na ponderação em T2 e é tipicamente visto em alguns hematomas;

Imagem ponderada em T2 demonstra lesão hipointensa no lobo fronto-parietal direito, (áreas em que está presente a desoxihemoglobina e intracelular metahemoglobina), a área em redor apresenta hiperintensidade de acordo com o edema;

O mapa ADC não pode ser calculado com precisão devido susceptibilidade magnética induzida por artefactos da desoxihemoglobina.

Armadilhas - t2 Blackout

T2 T1 Difusão Mapa ADC

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Artefactos - correntes de eddy

As ondas de gradiente são distorcidas devido as Correntes de Eddy das quais ocorrem falhas na imagem;

Correcção da imagem: pós processamento; Pré compensação, propositada para distorcer as correntes.

Difusão Mapa ADC

São correntes eléctricas induzidas num condutor por alteração do campo magnético;

Podem ocorrer nos pacientes e no próprio campo magnético incluindo cabos e bobines;

Estas correntes são particularmente severas quando os gradientes são alternados rapidamente para on e off, assim como nas sequências echo-planares;

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Artefactos - susceptibilidade

Os Artefactos de Susceptibilidade Paramagnética são causados pelo ar presente, por exemplo, nas mastoides, seio esfenoidal e etmoidal;

Este artefactos acontecem devido a erros de fase e frequência; Ocorrem sempre que existe uma “fronteira” muito ténue entre duas

matérias com características magnéticas muito diferentes.

Difusão

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Artefactos - Chemical Shift

Em imagens ponderadas em Difusão, ocorrem artefactos de “troca

quimica” devido às diferenças de frequência de ressonância da água

e da gordura produzidas ao longo da codificação de fase;

Este artefacto agrava-se na sequência usada para a técnica de

difusão (echo-planar), uma vez que nas sequências spin-echo usadas

em RM “convencional” são aplicadas bandas de saturação;

É fundamental em imagens de difusão uma técnica eficaz de

supressão de gordura assim como a selecção do método Chemical

Shift e um espectro selectivo de excitação de radiofrequência.

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Artefactos de movimento As fontes de artefactos devido ao

movimento incluem: movimentos bruscos da cabeça; movimentos respiratórios; movimentos relacionados com os

batimentos cardíacos; movimentos vibratórios devido aos

pulsos dos gradientes. Single-shot echo-planar tem pouca

sensibilidade aos movimentos do paciente, uma vez que, cada imagem é obtida num intervalo entre 100 e 300 ms a aquisição total não supera os 40s ;

Difusão Mapa ADC

Para tentar corrigir estes artefactos, devemos: Utilizar b-factor fixo, elevada amplitude de gradiente, mas

deve reduzir-se a duração do gradiente de pulso de modo a minimizar a sensibilidade ao movimento;

Pós processamento para corrigir erros de fase (Navigator method);

Eliminar a fase de codificação (line scan method, projection reconstruction);

Minimizar o tempo para evitar acumulação de erros de fase.

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Aplicações clínicas da difusão

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Patologias - Aplicações da Difusão

Edema Cerebral; AVC Isquémico; Hemorragia Intracraniana; Vasculopatia e Vasculíte; Epilepsia; Doenças Desmielinizantes e Degenerativas; Doenças Tóxicas e/ou Metabólicas; Doenças Infecciosas; Trauma; Neoplasias Cerebrais; Pediatria.

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Acidente vascular cerebral - isquémico

O acidente vascular cerebral (AVC) é uma das maiores causas de óbito e a principal causa de morbilidade de indivíduos adultos;

A Difusão por RM é o exame de eleição para o estudo da doença isquémica cerebral;

O exame de difusão permite: avaliação quantitativa da zona de isquémia; avaliação precoce do prognóstico; triagem para protocolos de tratamento à base de trombólise; controle evolutivo da área de enfarte; distinção entre lesões isquêmicas agudas e crónicas; Distinção entre lesões de natureza isquémica e outras condições

de etiologias diversas que apresentam padrões de imagem estrutural semelhantes.

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Acidente vascular cerebral - isquémico

Modelos de isquémia em animais têm demonstrado redução do ADC

em apenas dois minutos após oclusão vascular;

A difusão também possibilita a diferenciação entre zonas de isquémia

aguda e crónica, pois a restrição à difusão persiste em média por 5 a

10 dias;

Hiperagudo A gudo S ubagudo C rónico

D ifusão H iperintenso H iperintenso Iso/ hiperintenso Variável

A D C H ipointenso H ipointenso Iso/ hiperintenso H iperintenso

F L A IR Isointenso H iperintenso H iperintenso H iperintenso

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Avc isquémico sub agudo

AVC com evolução de 3 a 4horas;

T2 FLAIR Difusão

A imagem no T2 e no FLAIR são inconclusivas; A hiperintensidade que envolve a matéria branca sub

cortical e córtex superior no lóbulo parietal esquerdo é consistente com o AVC isquémico sub agudo (seta).

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AVC isquémico crónico

5 a 10 dias após o AVC isquémico, os valores de ADC vão aumentar acima do valor normal: Em imagens de difusão, isto é caracterizado por uma mudança da lesão

de hiper intensa para uma lesão iso/hipointensa.. Em mapas de ADC, a lesão passa de hipo intensa a iso/hiperintensa, logo

mais distinta.

FLAIR T2 Difusão Mapa ADC

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Acidente vascular cerebral - hemorrágico

T2 T1 - contraste Difusão Mapa ADC

Em ambas as imagens (DW e ADC), há uma perda importante do sinal devido ao desfasamento dos spins causado pela desoxihemoglobina;

O hipersinal (seta)em torno do hematoma é consistente com edema citotoxico.

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Tumores

Consiste num valioso método auxiliar na caracterização de tumores do cérebro, medula espinhal, e suas complicações;

O coeficiente de difusão aparente (ADC) permite a distinção entre áreas da substância branca normal e formação de necrose ou de quisto, edema, e tumor;

A difusão por RM permite: Caracterizar tumores de alta replicação ou com espaço extra celular

reduzido, tais como se observa nos tumores epidermóides e linfomas; Clara distinção entre lesões extra-axiais císticas (cisto aracnóide,

epidermóide); Na avaliação pós-cirúrgica diferenciar lesões isquémicas agudas, edema,

ou alterações relacionadas ao acto cirúrgico, permitindo avaliação mais adequada de défices neurológicos que se manifestam após a craniotomia;

Grande potência como método diferencial entre lesões malignas e benignas em lesões compressivas vertebrais.

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Tumores - Glioblastoma Múltiplo

O diagnóstico diferencial entre o glioblastoma e o abcesso são impossíveis nas imagens ponderadas em T2 e T1 com contraste;

Na imagem ponderada em Difusão temos a zona central da lesão hipointensa, e no mapa ADC temos a lesão hiperintensa, que é consistente com o diagnostico do tumor.

T2 T1 - contraste Difusão Mapa ADC

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Abcessos Os abcessos são hiperintensos em imagens de difusão com um valor

muito baixo de ADC (0.3-0.4); A presença de uma área central de hiperintensidade em imagens

ponderadas em difusão e os valores muito baixos do ADC sugerem fortemente a presença de pus, logo de um abcesso;

É diferenciado de um AVC isquémico, pois os valores do ADC são mais elevados após 8 horas no AVC;

Se a massa tiver hipointensidade central em imagens de difusão e os valores de ADC aumentados pode ser uma metástase cerebral ou um glioblastoma.

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T2 T1 - contraste Difusão Mapa ADC

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Doenças Desmielinizantes

A Difusão por Ressonância Magnética auxilia no diagnóstico e caracterização de uma variedade de patologias que acometem a substância branca;

A imagem Difusão é sensível ao nível dos axónios na matéria branca;

As alterações adquiridas mais frequentes da substância branca são: A esclerose múltipla (EM);

Desmielinização por doença vascular.

A capacidade de diferenciar edema Vasogénico de citotóxico ajuda a estabelecer distinção entre os vários tipos de doenças desmielinizantes;

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Doença de Pelizaeus-Merzbacher, a substância branca

"dismielinizada" apresenta elevada intensidade de sinal à

sequência ponderada em T2, enquanto a análise de difusão

revela elevada anisotropia;

Redução da anisotropia também foi observada em outra

patologia desmielinizante, a doença de Alexander;

Os estudos de difusão em esclerose múltipla tem se limitado à

fornecer melhor caracterização das placas de desmielinização.

Doenças Desmielinizantes

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Esclerose Múltipla

T2 FLAIR T1 - contraste

Nas formas clássicas de Esclerose Múltipla, observam-se lesões ovaladas, de tamanhos variáveis, distribuídas na substância branca periventricular, com um aspecto de pente ou dedos de luva (Dawson's fingers),  que é ocasionado pela distribuição perivenular da desmielinização;

As lesões da substância branca apresentam hipersinal nas sequências ponderadas em T2 e FLAIR.

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Estudos recentes apontam para a capacidade da sequência de Difusão em detectar precocemente as lesões agudas, mesmo em relação às sequências MTC com utilização de gadolínio, mostrando focos com hipersinal, decorrentes da presença de edema vasogénico determinado pelo processo inflamatório.

Esclerose múltipla

Difusão Mapa ADC

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A análise da difusão em relação à orientação das fibras da substância branca (SB)é feita através da imagem do tensor de difusão (DTI).

Permite o mapeamento das fibras de associação, projecção e vias comissurais

importante método na caracterização da conectividade cerebral.

A caracterização estrutural dos tratos da substância branca tem implicações fundamentais para compreensão de diversos distúrbios neurológicos lesionais primários ou secundários

A capacidade de identificar anormalidades microestruturais da SB tem despertado grande interesse, devido a possibilidade de se identificar os substratos patológicos em uma série de condições clínicas cujos achados de imagem estrutural são considerados normais (ex.: distúrbios cognitivos sem explicação aparente, autismo, epilepsias sem lesão estrutural evidente, atrasos de desenvolvimento psico-motor).

Diffusion Tensor Imaging - DTI

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Difusão local é representada por uma distribuição Gaussiana em 3D; Tensor é um modelo matemático da anisotropia direccional da

difusão; Determinado em cada voxel, resolvendo um sistema de equações; DTI mede o Coeficiente Aparente de Difusão em, pelo menos, 6

direcções diferentes e calcula o tensor de difusão.

Diffusion Tensor Imaging - DTI

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Aplicações: Diâmetro e visualização das fibras nervosas cerebrais e sua

densidade; Estado da mielinização na neurogénese (recémnascidos); Grau de (des)mielinização ao longo da idade e em casos de doença; Estudos pré e pós operatórios cerebrais; Esclerose Múltipla; Desordens psiquiátricas: Esquizofrenia; Estudo do miocárdio (músculo cardíaco).

Diffusion Tensor Imaging - DTI

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Vista superior e lateral das fibras nervosas cerebrais

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Bibliografia

Tadeusz Stadnik, Rob Luypaert, Tjeerd Jager, Michel Osteaux; Diffusion Imaging: From Basic Physics to Practical Imaging - disponível no site: http://ej.rsna.org/ej3/0095-98.fin

Schaefer PW, Grant PE, Gonzalez RG (2000) Diffusion-weighted MR imaging of the brain.

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Mestrado em Sistemas e Tecnologias da Informacao para a SaudeDifusao cerebral em RM

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Escola Superior de Tecnologia da Saúde de Coimbra

Se pudermos mostrar que a agua se está a mover num dada direcção no cerebro sabeque que baseado em conhecimentos neuro-anatomicos que temos axons a moverem-se atraves desse caminho

Temos agua dentro e fora dos nosso neuronios A agua no cerebro move-se facilmente dentro das celulas e fora delas,

mas dificilment e atraves de uma membrana. Por exemplo na membrana de mielina que cobre o axon

Se estas celulas forem saudaveis sabemos que n havera mt agua a atravessalas

O movimento das moleculas de agua deve ser entao paralelo à bainha de mielina dos axonios e não perpendicular

A materia branca do cerebro (que aparece branca por causa da gd % de gordura) serve para interligar e comunicar diferentes partes do cerebro

Esta tecnica permite medir a qt de agua a fluir nos axonios e por isso medir o grau de saude dos mesmos (mais movimentos de moleculas de auga é proporcional a mais axonios e mais saudaveis)

Além disto permite-nos ver onde temos axonios (redes de autoestrada) e se as estradas estão em boas condições ou não

Podem tambem autoestradas que estejam com mais actividade que num adulto normal, isto pode indicar que o cerebro compensa o fluxo perdiod noutras zonas nesta