Avaliação Técnica de Ressonância Magnética, uma Abordagem na Qualidade das Imagens.

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1 1 Avaliação Técnica de Ressonância Magnética, uma Abordagem na Qualidade das Imagens. Luciano de Moraes, Renato Garcia Instituto de Engenharia Biomédica (IEB-UFSC) Universidade Federal de Santa Catarina Brasil Fone: Fax: ; Resumo: O avanço no diagnóstico por imagens utilizando a técnica de imagens por Ressonância Magnética (IRM) como instrumento clínico tem sido significativo, superando a rapidez de desenvolvimento de qualquer outra técnica de aquisição de imagens. Longe de estabilizar-se, esse processo tem-se desenvolvido e novas aplicações clínicas estão sendo definidas constantemente. No entanto, o aumento na potência dos magnetos e novas formas construtivas de bobinas de rádio-freqüência (RF), vêm despertando cada vez mais interesse, objetivando uma melhor qualidade nas imagens adquiridas. Ainda, novos programas de qualidade de imagens dentro de processos de gestão de tecnologia médico-hospitalar - GTMH, obrigam as estruturas de engenharia clinica a procurar definir protocolos para controle de qualidade em serviços de IRM. O presente estudo busca estabelecer protocolos sobre aspectos de funcionalidade e segurança da IRM, baseado em normas técnicas (a IEC ) e literatura técnica, buscando caracterizar as melhores condições para a qualidade das imagens geradas, assim como os mecanismos de funcionalidade e segurança dos equipamentos de IRM, possíveis de serem gerenciados por estruturas de engenharia clinica dentro de GTMH. Para definir o contexto de pesquisa, primeiramente, realizou-se uma estudo sobre o histórico e o estado da arte da IRM e, posteriormente passou-se aos princípios básicos da aquisição de imagens. Analisou-se com maiores detalhes o funcionamento e os princípios construtivos dos aparelhos e instrumentos da IRM, tais como, os gradientes de campo magnético na codificação e construção das imagens, os diferentes tipos de bobinas de RF, assim como os diferentes tipos de magnetos disponíveis, de modo a demonstrar o seu papel na qualidade das imagens gerada. A qualidade das imagens em IRM é controlada por muitos fatores, sendo necessário conhecer o modo como eles interagem, para permitir a melhora na sua qualidade. Nos estudos identificaram-se quatro parâmetros básicos para a determinação da qualidade das imagens: a razão sinal-ruído, a razão contrasteruído, a resolução espacial e o tempo de exame. Estes parâmetros, por sua vez, são definidos pelo ajuste de outras variáveis e de técnicas, dentre elas, as técnicas de seqüência de pulsos convencionais, as técnicas de aquisição de dados, as técnicas de compensação de fenômenos de artefatos e de fluxo no corpo humano, visando obter imagens com verdadeira consistência diagnóstica. Procura-se, neste trabalho, analisar os mecanismos das técnicas avançadas de aquisição de imagens e suas aplicações, tais como, as imagens funcionais do cérebro, as imagens em tempo real do movimento e da perfusão do coração e o monitoramento em tempo real de procedimentos de intervenção, que não são possíveis com as seqüências convencionais da IRM.

2 2 Aborda-se a segurança em IRM, do ponto de vista biológico e operacional, entrando no aspecto dos procedimentos para o uso seguro da IRM e os cuidados com o paciente, analisando a norma supracitada. Além disso, discute-se também os meios de contraste na IRM, suas aplicações clínicas, a metodologia, a administração e as precauções relativas aos diferentes meios de contraste empregados. Com este trabalho, pretende sistematizar o conhecimento a fim de estabelecer protocolos para a avaliação técnica da qualidade de imagens gerada em IRM junto às entidades assistenciais de saúde do estado de Santa Catarina, contribuindo para o processo de Gestão de Tecnologia Médico Hospitalar. Palavras-chave: IRM, qualidade das imagens, Engenharia Clínica, GTMH. Introdução Desde seu uso inicial para a aquisição de imagens humanas na década de 70, a Imagem por Ressonância Magnética (IRM) tem-se desenvolvido numa modalidade de imagem clínica amplamente utilizada e seu avanço do uso em diagnóstico por imagens tem sido significativo, superando a rapidez de desenvolvimento de qualquer outra técnica de aquisição de imagens.(riederer) A IRM é uma importante modalidade de imagem médica devido ao seu excepcional contraste aos tecidos moles e tem vantagens significativas sobre os outros sistemas de diagnóstico por imagem empregados atualmente, tais como: (Bronzino, Bushong) Melhor resolução de baixo contraste; Não utiliza radiações ionizantes; Imagem multiplanar direta; Não tem artefatos devidos ao ar e aos ossos; Medidas de fluxo diretas; Não invasiva. No intuito de oferecer um panorama geral da utilização desta tecnologia no Brasil, os dados do Ministério da Saúde do Brasil mostram um aumento na realização de procedimentos de IRM de mais de 235% (de para ), no período de 1998 a 2000 e, com relação aos gastos com estes procedimentos, um aumento de mais de 259% (de R$5.6 milhões para R$22,6 milhões). (Ministério da Saúde) Esta mesma fonte mostra que o estado de Santa Catarina é o segundo estado brasileiro que mais realiza procedimentos de IRM e, portanto, também é o segundo em gastos com a IRM. (Ministério da Saúde) Dada esta realidade e a necessidade de sistematizar informações relacionadas para serem aplicadas no projeto de GTMH em Santa Catarina, o propósito deste artigo é explanar sobre os aspectos de desempenho e segurança da IRM, baseado em normas e literaturas técnicas, buscando caracterizar as melhores condições para a qualidade das imagens geradas.

3 3 Metodologia O histórico da IRM, remonta aos meados dos anos 40, onde dois grupos de pesquisadores, dirigidos respectivamente por Felix Bloch e Edward Purcell, estudavam simultaneamente o comportamento dos núcleos atômicos imersos em um campo magnético. Eles descobriram que os núcleos absorviam energia das ondas de rádio de certas freqüências específicas. Uma análise dos picos do espectro de freqüências nos informa sobre o movimento e a composição das moléculas, informações utilizadas respectivamente no campo da física e da química. Esta técnica foi chamada de Espectroscopia por Ressonância Magnética Nuclear (RMN). Bloch e Purcell receberam em 1952 o prêmio Nobel de física por suas investigações científicas. (Bushong) Como era obvio que as técnicas de RMN eram sensíveis à dinâmica das trocas químicas, vários pesquisadores começaram a interessar-se na realização de medidas com tecidos vivos. Em 1971, Raymond Damadian, pesquisando sobre tecidos extirpados de ratos, informou que existiam diferenças significativas nos parâmetros de RMN entre os tecidos saudáveis de ratos e diversos tumores. Em 1973, Paul Lauterbur publicou uma imagem de RMN na qual se via a seção de dois capilares cheios de água obtidos mediante um espectrômetro de RMN modificado. Esta foi a primeira imagem de RMN. Damadian obteve em 1975 as primeiras imagens de animais. Vários autores, entre eles Peter Mansfield e Waldo Henshaw, investigaram muitos outros tipos de sistemas de visualização mediante RMN. (Bushong) No final dos anos 70, a IRM estava se desenvolvendo a toda velocidade. Os primeiros escaners para estudar o cérebro humano apareceram em 1978, seguidos pouco tempo depois pelos escaners de corpo inteiro. Atualmente, considera-se a IRM como uma modalidade de diagnóstico por imagem excepcionalmente boa. (Bushong) Portanto, a técnica da IRM é uma extensão das técnicas de Ressonância Magnética Nuclear (RMN) que são utilizados há muito tempo em física e química para fins diferentes da visualização e se baseia na interação dos campos magnéticos e radio-freqüências (RF). (Bronzino, Bushong, Woodward) Através da revisão bibliográfica de literatura técnica, buscou-se determinar os conceitos necessários para se compreender a qualidade da imagem em IRM e os aspectos de segurança em IRM, observando-se uma maior ênfase na segurança ao paciente. Também é analisada a norma IEC (Medical electrical equipment - Particular requirements for the safety of magnetic resonance equipment for medical diagnosis) que é uma norma particular e complementa as seguintes normas gerais: IEC :1988, Medical electrical equipment Part 1: General requirements for safety and its amendments 1 (1991) and 2 (1995);

4 4 IEC :2000, Medical electrical equipment Part 1-1: General requirements for safety Collateral Standard: Safety requirements for medical systems, e; IEC :1996, Medical electrical equipment Part 1: General requirement for safety 4. Collateral Standard: Programmable electronic medical systems. Resultados Qualidade de imagem em IRM é uma medida da precisão diagnóstica e aparência de uma imagem. É definida pelo contraste das imagens, a capacidade de detalhar espacialmente a resolução e a relação sinal-ruído. (Woodward) Já Catherine Westbrook e Carolyn Kaut dizem que a qualidade das imagens é determinada pelas quatro principais considerações seguintes: razão sinal-ruído (RSR), razão contraste-ruído (RCR), resolução espacial e, também o tempo de exame. (Westbrook and Kaut) A razão sinal-ruído (RSR) é a razão da amplitude do sinal recebido pela amplitude média do ruído. O ruído é constante para todo paciente e é gerado pela presença do paciente no magneto e pelo ruído elétrico de fundo do sistema. O sinal, todavia, é cumulativo, depende de muitos fatores e pode ser alterado. O sinal aumenta ou diminui em relação ao ruído. Em conseqüência disto, qualquer fator que afete a amplitude do sinal afeta por sua vez a RSR. (Westbrook and Kaut) Para terem-se imagens de qualidade ótima, a RSR deve ser a mais alta possível. Os fatores que afetam a RSR são: a densidade de prótons da área em exame, a homogeneidade do campo, o gap, o volume do voxel, a espessura do corte, TR, TE, o ângulo de inclinação, o número de aquisições ou NEX, o tamanho da matriz, o campo de visão, a largura da faixa de recepção, o tipo de bobina e as técnicas de redução de artefatos. (Westbrook and Kaut, Woodward) A razão contraste-ruído (RCR) é definida como a diferença na RSR entre duas áreas adjacentes e, portanto, é controlada pelos mesmos fatores que afetam a RSR, levando se em conta ainda, a seqüência de pulsos utilizada, tempo de inversão (TI), os tempos de relaxamento dos tecidos, o fluxo, os meios de contraste, e em imagens de escaneamento rápido, o comprimento de trem de ecos (ETL) e o tempo de eco efetivo (ETE). A RCR é provavelmente o fator mais criticamente importante dos que afetam a qualidade de imagem, pois determina diretamente a capacidade dos olhos em distinguir áreas de sinal forte de áreas de sinal fraco. (Westbrook and Kaut, Woodward) A administração de agentes de contraste tem o objetivo de aumentar a RCR entre patologias (intensificadas) e a anatomia normal (não intensificada). Estes agentes de contraste afetam seletivamente os tempos de relaxamento T1 e T2 nesses tecidos. Os agentes de contraste atualmente utilizados são o Gadolínio e o Feridex. (Westbrook and Kaut)

5 5 A resolução espacial é a capacidade de distinguirem-se dois pontos como separados e distintos, sendo controlada pelo tamanho do voxel. O tamanho do voxel é afetado pela espessura dos cortes, CDV e o número de pixels ou matriz. Pequenos voxels levam a uma boa resolução espacial. (Westbrook and Kaut) O gap entre os cortes pode afetar a resolução espacial e, nas técnicas de escaneamento rápido a escolha do comprimento do trem de ecos (ETL) e o espaçamento de trem de ecos (ETS) afetarão a resolução espacial. (Woodward) O tempo de exame é o tempo necessário para completar-se a aquisição de dados e são importantes para a manutenção da qualidade das imagens, já que longos tempos de exame dão ao paciente mais chance de se mover durante a aquisição, degradando a imagem. (Westbrook and Kaut) Neste ponto, observa-se a importância de se conhecer os artefatos e suas técnicas de compensação, para evitar a degradação das imagens. Dentre os artefatos podemos citar o mapeamento de fase incorreto, desvio químico, registro químico incorreto, de zíper, de envoltório, de movimento, etc. Os fenômenos de fluxo são artefatos produzidos por núcleos que se movem durante a aquisição de dados. O movimento de núcleos em fluxo causa o mapeamento incorreto de sinais e leva a artefatos designados como artefatos de movimento de fluxo ou fantasmas de fase. Os principais fenômenos de fluxo são o time of flight, fenômeno do corte de entrada e o defasamento intravoxel. (Westbrook and Kaut) É errônea a suposição de que o tipo e a potência do campo magnético definem integralmente o desempenho de um sistema de IRM. Embora o tipo de magneto e a potência do campo afetem efetivamente o desempenho das máquinas, os outros subsistemas podem contribuir de forma igual ou maior em algumas situações. (Lufkin) Quanto à segurança ao paciente em IRM, examinando-se em separado os diversos componentes do processo de aquisição (campo magnético principal, gradiente de campo e RF) de imagens por IRM, observaram-se alguns efeitos biológicos pouco significativos e reversíveis. (Westbrook and Kaut) Uma das maiores preocupações em segurança ao paciente são com os efeitos das forças exercidas pelo campo magnético dos sistemas de IRM em certos objetos metálicos, principalmente com os implantes biomédicos.(woodward) Existem aparelhos e implantes metálicos que são compatíveis à IRM, exigindo critérios específicos para considerá-los compatíveis, recomendados pela ISMRM (International Society for Magnetic Resonance in Medicine). Estes critérios são a aprovação pelo FDA, a declaração do fabricante e testes anteriores. (Westbrook and Kaut)

6 6 A norma IEC (Medical electrical equipment - Particular requirements for the safety of magnetic resonance equipment for medical diagnosis) dá a devida atenção aos aspectos técnicos do sistema de diagnóstico médico de IRM e o equipamento de IRM, relacionando a segurança dos pacientes examinados por este sistema e o pessoal envolvido na sua operação. Conforme mencionado na norma supracitada, ela suplementa e melhora um conjunto de publicações IEC, que são as seguintes: IEC :1988, Medical electrical equipment Part 1: General requirements for safety and its amendments 1 (1991) and 2 (1995); IEC :2000, Medical electrical equipment Part 1-1: General requirements for safety Collateral Standard: Safety requirements for medical systems, e; IEC :1996, Medical electrical equipment Part 1: General requirement for safety 4. Collateral Standard: Programmable electronic medical systems. Na seção 1, das generalidades é definida a organização da norma, em relação aos textos das cláusulas e subcláusulas da norma geral, a IEC :1988, para que estes textos possam ser substituídos, adicionados, melhorados ou ratificados. Ainda, são colocadas terminologias e definições particulares a IRM. Na cláusula três, das prescrições gerais, dispõe claramente que os aspectos de segurança geral dos sistemas eletromédicos são cobertos pela norma IEC e dispõe ainda que para haver concordância com a IEC necessita-se de identificação dos perigos, avaliação dos seus riscos e uma verificação e validação apropriadas de controle dos riscos. Salienta-se que todos os ensaios deveriam incluir, em suficiente detalhamento para que sejam exatamente repetíveis, um protocolo de ensaios, com todos os dados de entrada e os resultados esperados. Na subcláusula da norma IEC , adiciona-se a informação de que os documentos acompanhantes deveriam fornecer informação suficiente ao usuário para habilitá-lo a cumprir com os regulamentos gerais e prescrições para os limites de exposição apropriada ao operador, funcionários associados com a instalação da IRM e o público em geral. Na subcláusula 6.8.2, das instruções de utilização, o subitem dd) limita o ruído acústico para o paciente num nível abaixo de 99 db(a) e reporta-se às cláusulas 26 e) e 26 g) para que seja feita a medição deste nível de pressão acústico, estabelecendo, ainda, a utilização do protetor auricular para a proteção do paciente, a fim de auxiliar na redução do nível de pressão acústico abaixo de 99 db (A). No subitem ee) desta subcláusula, explana-se sobre a instalação de uma Área de Acesso Controlado em sistemas de IRM, quando a mesma o exigir, recomendando, deste modo, algumas instruções para utilização.

7 7 Ainda nesta subcláusula, o subitem ff), trata da questão do uso e controle dos líquidos e gases criogênicos em magnetos supercondutores, a fim de prevenir acidentes e QUENCH. O QUENCH é um termo da operação do equipamento que significa a transição da condutividade elétrica de uma bobina que está transportando corrente de um estado supercondutor para a condutividade normal, que resulta de uma evaporação rápida de fluído criogênico e decaimento do campo magnético. No subitem pp) desta mesma subcláusula, recomenda-se a necessidade de treinamento para médicos e o operador a fim de garantir a segurança e a efetividade com a operação do equipamento de IRM. A subcláusula 6.8.3, das descrições técnicas, indica em seu subitem aa), a necessidade de definir e instalar permanentemente uma Área de Acesso Controlado ao redor do equipamento de IRM e define que fora desta área a força marginal do campo magnético não deveria exceder a 0,5 mt e o nível de interferência eletromagnética deveria estar de acordo com a norma IEC :2001. A seção 2 e seção 3 da norma geral, IEC :1988, se aplicam integralmente. A seção 4 tem um substituto à cláusula 26, da vibração e ruído, na qual limita o valor do ruído máximo produzido pelo equipamento de IRM e apresenta um método de medição do nível de pressão acústico para verificar a sua concordância com as prescrições. A seção 5 adiciona à cláusula 36, da compatibilidade eletromagnética, o que está disposto na subcláusula 6.8.3, subitem aa), que já foi abordado anteriormente. A seção 6 da norma geral, IEC :1988, aplica-se integralmente. A seção 7 inclui, além de outras, uma subcláusula importante, denominada , na qual determina que um equipamento de IRM compreendido de um magneto supercondutor ou magneto resistivo deveria ser provido de uma Unidade de Interrupção do Campo, para uso em situações de emergência. A seção 8, que versa sobre a exatidão de dados de operação e proteção contra características de saída incorreta, é a que teve mais mudanças e adições. Primeiro, define os modos de operação possíveis dos equipamentos de IRM. Depois, prescreve sobre a proteção contra variações excessivas de campo de baixa freqüência produzido pelo sistema gradiente. Ainda estabelece, na subcláusula , limites para a saída do gradiente, detalhando os limites relacionados à prevenção de estimulação cardíaca e à estimulação dos nervos periféricos. Na subcláusula , da proteção contra a energia de radio freqüência excessiva, estabelece limites para temperatura no corpo do paciente e prescreve que para conseguir estes limites, tem-se que limitar os parâmetros da seqüência de pulso e limitar, também, a energia de radio freqüência através do controle da Taxa de Absorção específica (SAR). A Taxa de Absorção Específica é definida como a energia de radio freqüência específica por unidade de massa de um objeto e sua unidade de medida é em W/kg. Na cláusula da seção 8, são estabelecidos métodos para demonstrar a concordância com as exigências comentadas anteriormente. Tem-se nas

8 8 subcláusulas, método para determinação direta dos limites da saída do gradiente, método para a determinação da saída do gradiente máximo e método para determinação da deposição da energia de rádio freqüência. A seção 9 tem uma adição na subcláusula 52.1, onde prescreve que a segurança do equipamento de IRM deveria ser avaliada, verificando sua concordância com as exigências da cláusula 52 da norma colateral IEC A seção 10, das prescrições para construção, adiciona uma subcláusula para o líquido ou gás criogênico, recomendando que deveria ser fornecido um monitor de nível criogênico para equipamentos de IRM equipados com magneto supercondutor. Há ainda muita informação nos anexos que auxiliam no entendimento das razões para as recomendações prescritas na norma, além de exemplos de sinais de aviso e sinais proibitivos a serem colocados numa instalação de IRM. Discussões e Conclusões Observa-se, depois deste primeiro estudo que é grande o numero de parâmetros que determinam a qualidade das imagens em IRM. O segundo passo neste estudo é confrontarmos esta lista de parâmetros com os limites definidos pela norma IEC para, posteriormente, priorizar e verificar a viabilidade de supervisão e/ou controle que permitam definir protocolos de avaliação técnica da qualidade da imagem e segurança em IRM para os Estabelecimentos Assistenciais de Saúde no Estado de Santa Catarina. Podemos tecer ainda algumas observações com relação à correta interpretação das imagens em IRM dentro de um Centro de Diagnóstico, que pode ajudar na qualidade das imagens. A não existência de uma regra efetiva na IRM e a consideração das condições anteriores para a qualidade das imagens, leva-nos a inferir que podemos otimizar o processo. Manipular a RSR, o contraste de imagem, a resolução espacial e o tempo de exame é efetivamente uma arte e exige algum tempo e experiência. Com este panorama geral observa-se a necessidade de ter um corpo técnico e clínico bem treinado, com pouca e, na melhor das hipóteses, nenhuma mudança ou troca dos seus integrantes. Gerando, deste modo, uma interação da cultura e do conhecimento adquirido por cada um, auxiliando na correta interpretação das imagens. Ainda, providenciar a constante atualização dos membros com as novas técnicas, procedimentos e casos clínicos, além de deixá-los ciente dos procedimentos de segurança para o paciente e da real necessidade na administração de meios de contraste no realçamento de lesões, são formas de se obter a qualidade das imagens. Observa-se claramente que a norma particular analisada tem a legítima preocupação técnica, no intuito de proteger o paciente e os funcionários da

9 9 instalação de IRM, bem como o público em geral, justificando as considerações dispostas até o momento. Em suma, observa-se que além das barreiras técnicas exigidas para dominar o correto diagnóstico por imagens em IRM e segurança, torna-se importante cuidar da gestão organizacional da instalação, incentivando o espírito de equipe. A engenharia clínica, dentro da sua filosofia de gestão da tecnologia médica hospitalar, pode auxiliar neste processo, utilizando as técnicas e ferramentas de gestão organizacional e sistematizando o conhecimento, a fim de auxiliar o trabalho em equipe, dada a grande complexidade desta tecnologia médica hospitalar. Referências Riederer, Stephen J. (2000), Current Technical Development of Magnetic Resonance Imaging, IEEE Enginnering in Medicine and Biology Magazine, Volume 19, Number 5, p Bronzino, Joseph D, The Biomedical Engineering HandBook, Hartford, Connecticut. IEEE Press Bushong, Stewart C., Manual de radiologia para técnicos, Houston, Texas. Mosby/Doyma Libros. Ministério da Saúde, Secretaria de Assistência à Saúde, Departamento de Controle e Avaliação de Sistemas (2001), Assistência de média e alta complexidade no SUS. WoodWard, Peggy (2001), MRI for Technologists, Mill Valley, Califórnia. Editora McGraw-Hill. Westbrook, Catherine, Kaut, Carolyn (2000), Ressonância Magnética Prática. Editora Guanabara Koogan. Lufkin, Robert B. (1999), Manual de Ressonância Magnética. Editora Guanabara Koogan. Haaga, John R., Sartoris, David J., Lanzieri, Charles F., Zerhouni, Elias A., Tomografia Computadorizada e Ressonância Magnética do Corpo Humano, Volume 1, Editora Guanabara Koogan. IEC :2002, Medical electrical equipment - Particular requirements for the safety of magnetic resonance equipment for medical diagnosis.

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