Fundamentos de Ressonância Magnética Nuclear

Imagens de Ressonância Magnética
Prof. Emery Lins
[email protected]
Curso de Bioengenharia – CECS, Universidade Federal do ABC
Roteiro
Ressonância Magnética: Princípios físicos
Definições e histórico
Fundamentos físicos para geração dos Raios-X
Instrumentação
Ressonância Magnética: Imagens e instrumentação
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.
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.
Revisão dos conceitos
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.
MAZZOLA, AA. Revista Brasileira de Física Médica. 2009;3(1):117-29.
Revisão dos conceitos
FUNDAMENTOS DA RMN
MAZZOLA, AA. Revista Brasileira de Física Médica. 2009;3(1):117-29.
Revisão dos conceitos
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.
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Revisão dos conceitos
FUNDAMENTOS DA RMN
Analogia com os elétrons
Energia do momento magnético
Relação entre o operador momento magnético
e o operador momento linear
Razão Giromagnética
ATKINS e DE PAULA. Físico-Química, 2º. Edição.
Revisão dos conceitos
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.
ATKINS e DE PAULA. Físico-Química, 2º. Edição.
Revisão dos conceitos
FUNDAMENTOS DA RMN
ATKINS e DE PAULA. Físico-Química, 2º. Edição.
Revisão dos conceitos
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.
ATKINS e DE PAULA. Físico-Química, 2º. Edição.
Revisão dos conceitos
FUNDAMENTOS DA RMN
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Revisão dos conceitos
FUNDAMENTOS DA RMN
Para os núcleos, os campos são da ordem de 2 a 20 T e a diferença de
energia entre os estados de spin está relacionado com uma radiação
de frequência vL conhecidas como freqüências de Larmor. Tais
freqüências estão na ordem das radiofreqüências (MHz) para MRI.
1H
Unpaired
Protons
1
Unpaired
Neutrons
0
Net
Spin
1/2
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
Nucl
ei
ATKINS e DE PAULA. Físico-Química, 2º. Edição.
(MHz/T)
42.58
Revisão dos conceitos
FUNDAMENTOS DA RMN
O sinal detectado na RMN é divido ao desequilíbrio entre o número de
núcleos com spin paralelos e anti-paralelos ao campo magnético
externo.
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.
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Imagens da Ressonância Magnética
A figura mostra que haverá momento magnético resultante na direção
z do campo externo aplicado (momento longitudinal), porém não
haverá magnetização no plano xy (momento transversal) devido à falta
de 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
a frequência de Larmor da
precessão e transverso a M0.
Isso garantiria um campo
magnético resultante no
plano x-y (direção da bobina).
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Imagens da Ressonância Magnética
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.
ATKINS e DE PAULA. Físico-Química, 2º. Edição.
Imagens da Ressonância Magnética
Pulsos de 180º também são utilizados e são chamados de pulsos de
inversão.
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Imagens da Ressonância Magnética
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
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).
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Imagens da Ressonância Magnética
A constante de tempo que descreve como Mz = Σ µz retorna ao
equilíbrio é chamada Tempo de Relaxação Longitudinal (T1) e reflete a
interação spin-rede. A equação que governa a relaxação é descrita
abaixo:
Mz = Mo ( 1 - e-t/T1 )
Imagens da Ressonância Magnética
A constante de tempo que descreve como Mxy retorna ao equilíbrio é
chamada Tempo de Relaxação Transversal (T2). A equação que
governa a relaxação é descrita abaixo:
MXY =MXYo e-t/T2
Essa relaxação está relacionada com transições spin-spin
Imagens da Ressonância Magnética
Variações locais do B0 causam defasagem dos momentos magnéticos,
aumentando ainda mais a relaxação no plano transversal e acelerando o
decaimento do sinal de indução livre. É conveniente definir outra
constante 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.
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Imagens da Ressonância Magnética
Imagens da Ressonância Magnética
Os valores de T1 e T2 variam de acordo com o tipo do tecido:
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Imagens da Ressonância Magnética
Como capturar o sinal de RF?
Aplicando um campo em xy com polarização circular a corrente na bobina tem
o formato de senóide.
Imagens da Ressonância Magnética
Técnicas pulsadas em MRI
Decaimento livre de indução (FID) – aplicando um campo magnético no plano
xy o núcleo decai espontaneamente devido à defasagem ressonante dos spins
Aplicação de um pulso curto de RF na freqüência de Larmor
90o
Detecção do sinal de RF emitido pelo núcleo
Imagens da Ressonância Magnética
Técnicas pulsadas em MRI
Pulso a 90º (medida de T2) – Cada tipo de tecido possui seu próprio tempo de
decaimento T2. Aplicando a Transformada de Fourier, temos:
F
tempo
-1
F
freqüência
Imagens da Ressonância Magnética
Imagens da Ressonância Magnética
Técnicas pulsadas em MRI
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,
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.
Imagens da Ressonância Magnética
Técnicas pulsadas em MRI
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.
Imagens da Ressonância Magnética
Técnicas pulsadas em MRI
Eco de spins –
Imagens da Ressonância Magnética
Técnicas pulsadas em MRI
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
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.
Imagens da Ressonância Magnética
Técnicas pulsadas em MRI
Sequência de Eco de spins (SPIN Eco) –
Imagens da Ressonância Magnética
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
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.
Imagens da Ressonância Magnética
Formação de Imagens em MRI
Gradientes de campo magnético
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:
Imagens da Ressonância Magnética
Formação de Imagens em MRI
Gradientes de campo magnético
Imagens da Ressonância Magnética
Formação de Imagens em MRI
Gradientes de 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.
Imagens da Ressonância Magnética
Formação de Imagens em MRI
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
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).
Imagens da Ressonância Magnética
Formação de Imagens em MRI
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.
Imagens da Ressonância Magnética
Formação de Imagens em MRI
Seleção do corte -
Hardware da Ressonância Magnética
Hardware da Ressonância Magnética
B0
Hardware da Ressonância Magnética
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
esclerose múltipla
Agente de Contraste: Gd-DTPA com imagens ponderadas em T1
Bobina para Cabeça Padrão
RM - Aplicações Médicas
Imagem transversal com contraste
por T1, mostrando área hipointensa típica de AVC antigo.
Imagem transversal com contraste
por T2, mostrando área hiperintensa típica de AVC recente.
RM - Aplicações Médicas
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 ponderação
Posição do Paciente: Paciente deitado de costas, cabeça primeiro p/ coluna
cervical e pés primeiro para coluna lombar
RM - Aplicações Médicas
Imagens Sagitais da coluna lombar com contraste por densida
de, mostrando protusão dos discos invertebrais l3, l4 e l4 -l5
RM - Aplicações Médicas
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
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.
RM - Aplicações Médicas
Imagem Coronal com
contraste por T1, Mostrando
Ruptura do menisco medial
Imagem Sagital com
contraste por T1, Mostrando
Ruptura do menisco medial
RM - Aplicações Médicas
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,
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.
RM - Aplicações Médicas
Abdomem
Orientação axial
Abdomem
Orientação axial
Imagens!
Exemplos da Ressonância Magnética
(Espinha)
Normal
Prolaps
Malignancy ?
Exemplos da Ressonância Magnética
(Fígado)
Arrows point to multiple lesions in the liver demonstrating metastases.