Aula 11 e 12 – Imagens da Ressonância Magnética

Ressonância Magnética: Imagens
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
Breve revisão
Elétrons possuem momentos magnéticos devido aos momentos angulares
orbital e spin. Tais momentos interagem com campos magnéticos externos,
Para um elétron em uma órbita, temos:
Energia do momento magnético
Relação entre o operador momento magnético
e o operador momento linear
Razão Giromagnética
Breve revisão
A solução do sistema considera o momento magnético orbital e o número
quântico ml, quando um campo B0 é aplicado, temos:
Momento magnético orbital na direção z
Energia
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, de forma que:
Breve revisão
Como ms = ±1/2, há uma diferença entre as energias dos spins:
Magneton de Bohr
Breve revisão
A interpretação atribuída ao excesso de energia existente com a presença do
campo é o movimento de precessão do elétron, como no giroscópio.
Breve revisão
A diferença de energia entre os estados de spin está relacionado com uma
radiação de frequência v .
Ressonância Paramagnética Eletrônica (EPR) – campos de 0.3 T.
Breve revisão
Na temperatura ambiente, o número de spins de baixa energia, N+,
é suavemente maior que o número de spins em alta energia, N-. A
estatística de Boltzman nos informa que:
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, eT ié a temperatura
em Kelvin.
1.000.000
1.000.001
Breve revisão
Da mesma forma para o elétron, funciona para o núcleo; neste caso os campos
são da ordem de 2 a 20 T. A diferença de energia entre os estados de spin está
relacionado com uma radiação de frequência vL .
Que são conhecidas como freqüências de Larmor. Tais freqüências estão na
ordem das radiofreqüências (MHz) para MRI.
No caso do Hidrogênio:
Breve revisão
Aplicando um campo magnético na direção z (longituinal) na radiofreqüência
de Larmor, o núcleo transita forçosamente entre os dois estados de spin,
porém tende a voltar ao estado inicial.
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. A equação que
governa a relaxação é descrita
abaixo:
Mz = Mo ( 1 - e-t/T1 )
Essa relaxação está relacionada
com transições spin-rede
Breve revisão
Aplicando um campo magnético no plano xy (transverso, 90º) na freqüência de
Larmor, o núcleo transita forçosamente entre os dois estados de energia,
porém tende a voltar ao estado inicial.
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
Breve revisão
Aplicando um campo magnético unidirecional transverso (90º) o momento
magnético translada 90º. Se o campo tem várias direções em xy o momento
segue perpendicular à direção do campo.
Ressonância Magnética - Imagens
•
•
•
•
•
•
Radiação não-ionizante
Alto contraste em tecido mole
Imagens funcionais e anatômicas
Boa resolução geométrica
Alto custo ($ milhões)
Durante o exame acesso restrito ao paciente
Imagens de uso médico
Ressonância Magnética - Imagens
Etapas :
• Aplicar campo magnético estático
• 2. Selecionar corte aplicando campo magnético em
gradiente
• 3. Aplicar pulsos de RF
• 4. Receber sinal de RF
• 5. Converter o sinal em imagem
Ressonância Magnética - Imagens
Alguns núcleos atômicos são mais sensíveis aos efeitos da ressonância
magnética. Como regra geral o núcleo deve ser desemparelhado.
O Hidrogênio é o elemento mais explorado na IRM devido à quantidade de
água e gordura no corpo.
Nucle
i
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
Ressonância Magnética - Imagens
Como capturar o sinal de RF?
Aplicando um campo em xy com polarização circular a corrente na bobina tem
o formato de senóide.
Ressonância Magnética - Imagens
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
Ressonância Magnética - Imagens
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
Ressonância Magnética - Imagens
Técnicas pulsadas em MRI
Pulso a 90º – Quando dois elementos emitem campo na direção da bobina, o
resultado final contém informação das duas freqüências contidas no sinal.
Ressonância Magnética - Imagens
Técnicas pulsadas em MRI
Pulso a 90º – Devido a não homogeneidades do campo dentro dos tecidos, há
spins que transitam um alargamento da banda de freqüências e uma taxa de
relaxação transversa efetiva T2* pode ser medido.
Ressonância Magnética - Imagens
Técnicas pulsadas em MRI
Eco de spins (análogo ao eco audível) – Tem o objetivo de minimizar os efeitos
de alargamento das freqüência para que T2 seja medido com eficiência.
Após um pulso transversal ser emitido um
novo pulso é emitido e cria a seqüência
de pulsos em eco.
Ressonância Magnética - Imagens
Técnicas pulsadas em MRI
Eco de spins – Primeiro 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 (FID); neste instante é aplicado um pulso transversal
de 180º, há a inversão dos spins e os mesmos voltam a se alinhar.
Ressonância Magnética - Imagens
TE/2
90o
TE/2
180o
Ressonância Magnética - Imagens
Ressonância Magnética - Imagens
Técnicas pulsadas em MRI
Pulso a 180º (medida de T1) – A magnetização no sentido oposto inverte as
concentrações dos spins. O relaxamento do núcleo para voltar ao estado inicial
permite a detecção de T1.
Ressonância Magnética - Imagens
Equações de Block
Ressonância Magnética - Imagens
Gradiente no campo magnetico estático
Neste caso o campo magnético estático é aplicado com uma variação espacial
conhecida. O resultado é a modulação da freqüência de resposta em função da
distância.
B = Bo + Gx x
Bo = 1,5 T
Gx = 25 mT /cm
Modulação da freqüência:
df/dx = Gx γ = 1 kHz /cm = 100 Hz/mm
FFT Gradiente
tempo
f
Imagem de uma fenda
y
x
z
Gz
Slice selected echo
90o
180o
Only signal from slice
Gz
Normally chosen as z-direction
Read-out gradient
90o
180o
Gz
Gx
Phase encoding gradient
90o
180o
Gz
Gy
Gx
Repeat this, and you got the image
m data points
2D FFT
n
n repetitions
m
Another way to do imaging
Select one slice !
Do many experiments with different directions of readout gradient
Back projection
Filtered back projection
Radon transformation ( MRI, CT, PET, Spect ….)
S.R. Deans, S. Roderick
The Radon Transform and Some of its Applications.
Wilwy, New York
1983
Slice selective MRI by back
projection
Many values
Repeat
for
many
angles
Many values
Multi slice imaging
Inversion recovery imaging
MRI hardware
Magnet
B0
Gradientes
Imagens!
Lumbar spine MRI
Normal
Prolaps
Malignancy ?
Liver
Arrows point to multiple lesions in the liver demonstrating metastases.
IRM na Medicina
A Imagem
- Devido as Bobinas de Gradiente, o equipamento de RM nos permite fazer
imagens da estrutura desejada em formas de cortes em um sentido
previamente especificado, como poderemos ver nos exemplos abaixo.
- Para cada sentido escolhido, designimos um nome p/ o plano de corte da
imagem. São eles : Sagital, Axial ou Coronal
Coronal
Sagital
Axial
Cabeça do Paciente
A imagem
-Além da Bobina Gradiente, se torna necessário também para a
aquisição da Imagem, as Bobinas de Rádio-Frequência.
-São Responsáveis pela emissão e recepção dos sinais de rádio.
Podemos classificá-las da seguinte forma:
- Bobina Corporal :- está fica dentro do pórtico do magneto; circunda
completamente o paciente, inclusive a mesa onde ele fica
acomodado.
Obtenção da Imagem
- Bobina de volume integral circunferenciais :- menores e separadas, também
circundam a parte examinada... Ex: Bobina para Cabeça e a Bobina para
membro .
- Bobinas de superfície :- Estas são colocadas sobre a área a ser examinada.
Geralmente, este tipo de Bobina, é utilizada para visualização de regiões mais
superficiais... Ex.: Bobina para ombro. Principal vantagem, é o aumento da
razão Sinal Ruído.
A Imagem - Parâmetros da Imagem
Contraste do Objeto
Para tratarmos deste assunto, usaremos os parâmetros de relaxamento já
abordado; T1 e T2.
Embora o Relaxamento T1 e T2 ocorram simultaneamente, estes são independentes
entre si. Observe o tempo de relaxamento de alguns tecidos em T1 e T2
A Imagem - Parâmetros da Imagem
Tecido
Densidade
Protônica
T1 (ms)
T2 (ms)
LCE
10.8
2000
250
Subs. Cinzenta
10.5
300
118
Subs. Branca
11
150
133
Gordura
10.9
450
150
Músculo
11
250
64
Fígado
10
250
44
Observe que o T1 é maior que os tempos de relaxamento T2 p/ qualquer tecido ou
igual a ele. Geralmente são escolhido sequências de pulsos para acentuar a diferença
entre os tempos de relaxamento de diferentes tecidos. O constraste entre os tecidos é
atingido na IRM final por acentuação destas diferenças
A Imagem - Parâmetros da Imagem
Imagens ponderadas em T1: Afim de maximizar a diferença na intensidade de
sinal baseada em tempos de relaxamento T1. O TR da seqüência é encurtado.
Uma sequüencia de TR curto e TE curto produz uma imagem ponderada em
T1. Isso permite que estruturas com tempos de relaxamento T1 curtos sejam
brilhantes (gordura, líquidos proteinogênicos) e estruturas com T1 longo sejam
escuras (neoplasia, edema, inflamação, líquido puro)
Imagens ponderadas em T2: A Imagem ponderada em T2 emprega uma
seqüência de pulsos de TR longo e TE curto. Entretanto, quando TE é
aumentado o contraste T2 aumenta, a razão sinal ruído geral diminui. As
estruturas em uma imagem ponderada em T2 mostrarão inversão de contraste
a partir das estruturas na imagem ponderada em T1. As estruturas com T2
longo apresentam-se brilhantes (neoplasia, edema, inflamação, líquido puro)
As estruturas com T2 curto apresentam-se escuros (estruturas com ferro, como
produtos de decomposição do sangue)
A Imagem - Parâmetros da Imagem
Imagem Transversal
com contraste por T1
Imagem Transversal
com contraste por T2
A Imagem - Agentes de Contraste
Atualmente, o agente de contraste mais popular para exames de
RM, é o Gadolínio-DTPA (Gd-DTPA).
Atualmente é ministrada uma dose de 0,2 ml/kg com a velocidade da
injeção não excedendo 10 ml/min
As vantagens do Gd-DTPA são:
- menor toxidade e menos efeitos colaterais que o contraste
iodado
- O Contraste permanece no corpo da pessoal cerca de 60 min. O
que nos da um bom tempo para a realização do exame.. (uma vez
que um Exame de RM dura em torno de 40 a 50 min)
Contra indicação:
- Insifuciência renal.. Uma vez que o contraste é eliminado pela
urina
RM - Riscos e Precauções
A Energia liberada pelo IRM não ionizante, o que livra o paciente
dos riscos ocasionadas pelas energias ionizantes
No entanto o campo magnético gerado pela bobina do aparelho de
RM representa alguns riscos...
Ex: Torções de objetos Metálicos:
- Estão completamente proibidas de fazer uma IRM, pessoas
que tenham grampos cirúrgicos dentro do corpo, como por exemplo,
pacientes com grampos em aneurismas intracrânianos.
- Próteses metálicas dentro do corpo;
- artefatos de metal como projéteis de arma de foro ou
estilhaço de granada
RM - Riscos e Precauções
Ex: Interferências Elétricas com Implantes Eletromecânicos:
- Também são proíbidas de fazer os exames pessoas com
marcapasso.
- Outros dispositivos que podem ser afetados pela IRM são,
cartões e fitas magnéticas, relógios analógicos.
Interferências Elétricas com Funções Normais das Células Nervosas e fibras
Musculares:
- Os campos magnéticos induzidos por gradiente que se
modificam rapidamente podem causar corrente elétrica nos tecidos.
Estes podem ser suficientemente grandes para interferir com a
função normal de células nervosas e fibras musculares
Pacientes com Claustrofobia
Aquecimento Local de Tecidos e Objetos Metálicos
RM - Riscos e Precauções
- Apesar de não haver evidência de que exista qualquer risco para o feto,
recomenda-se às gestantes realizar o exame após o primeiro trimestre de
gravidez. Exames antes deste período podem ser realizados desde que o
diagnóstico seja imprescindível à gestante
Distâncias Minímas recomendadas
A Intensidade do Campo Magnético é inversamente prop. Ao cubo da distância
RM - Aplicações Médicas
A seguir, serão apresentados os exames mais comuns feitos por IRM,
serão também descritas as orientaçoes para o exame.
O principal objetivo de um exame por RM é a boa qualidade da imagem
em um limite de tempo aceitável
Os exames mais comuns são:
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