UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL INSTITUTO DE BIOCIÊNCIAS DEPARTAMENTO DE BIOFÍSICA

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL INSTITUTO DE BIOCIÊNCIAS DEPARTAMENTO DE BIOFÍSICA TÉCNICA DE DIAGNÓSTICO POR IMAGENS : RESSONÂNCIA MAGNÉTICA NUCLEAR PROF. DR. EDUARDO DIAZ RIOS Porto Alegre, junho de 1998

2 IMAGEM POR RESSONÂNCIA MAGNÉTICA NUCLEAR (IRMN) No início dos anos 70, quando a tomografia computadorizada começava a ter ampla aplicação na visualização de estruturas internas do organismo examinado, outra técnica de diagnóstico por imagens já estava sendo desenvol-vida; fundamenta-se na Espectroscopia por Ressonância Magnética Nuclear e permite obter imagens de tecidos com uma resolução ainda não atingida por outros procedimentos. Os princípios desta nova técnica foram estabelecidos há quase 60 anos por F. Bloch e E.M.Purcell ao estudar o comportamento de núcleos atômicos colocados num campo magnético. Descobriram que os núcleos absorviam a energia de ondas de rádio de frequências específicas e, após um determinado tempo, emitiam sinais que eram registrados num espectro característico. Uma análise deste espectro informava sobre o movimento e composição das moléculas estudadas. F. Bloch e E. M. Purcell receberam, em 1952, o prêmio Nobel de Física por tais pesquisas. Desde então, esta técnica é utilizada por físicos e químicos para estudar a dinâmica dos átomos e as estruturas moleculares. Posteriormente foram desenvolvidas técnicas capazes de gerar imagens bidimensionais a partir dos sinais registrados. Na medicina, no entanto, seu potencial só começou a delinear-se em 1971, quando se observou que havia diferenças sistemáticas nas propriedades de relaxação nuclear dos tecidos normais, dos necrosados e tumorais. Tais diferenças podiam ser apreciadas claramente nas imagens processadas pela técnica de Ressonância Magnética Nuclear.

3 O uso desta técnica possibilita a obtenção de uma imagem tomográfica do tecido examinado, isto é, permite produzir um mapa que registra, em função da posição, algumas das propriedades do tecido, tais como: a densidade local de núcleos de hidrogênio, as variações de outros parâmetros existentes a nível molecular (T 1 e T 2 ). A técnica de Imagem Tomográfica por Ressonância Magnética Nuclear tem vantagens significativas sobre os demais sistemas de diagnóstico por imagens usados atualmente pelos seguintes motivos: permite gerar imagens das estruturas internas dos corpos sem utilizar radiações ionizantes, evitando assim riscos decorrentes da exposição; é por este motivo que esta técnica é chamada de não-invasiva; permite diferenciar, de modo mais preciso, tecidos sadios, enfermos ou necrosados, mesmo daqueles tecidos profundamente imersos em estruturas ósseas; o contraste obtido entre os tecidos moles do corpo é muito superior ao conseguido pelos métodos mais tradicionais, como a radiografia por raios-x e o ultrassom; permite obter imagens de diferentes planos - longitudinal, transversal e oblíquo, assim como também imagens volumétricas sem ter que mudar a posição do paciente.

4 Ressonância Magnética Nuclear Princípios Físicos do diagnóstico por Imagens Figura 1 : visão geral da técnica O exame de Ressonância Magnética Nuclear pode ser resumido através da seguinte sequência de procedimentos: o paciente é submetido a um campo magnético intenso; uma onda de radiofrequência incide no paciente; a onda de radiofrequência é desligada; o paciente emite um sinal que é usado para a reconstrução da imagem. O que acontece quando o paciente é colocado no campo magnético gerado pelo equipamento de Ressonância Magnética? Para entender isto é necessário rever alguns conhecimentos de Física básica, como por exemplo, lembrar que tudo na natureza está formado de pequenas unidades materiais chamadas de átomos; cada átomo está constituído por um núcleo e elétrons girando em órbitas específicas ao seu redor. No núcleo atômico se encontram, além de nêutrons, outras pequenas partículas dotadas de carga elétrica positiva - os prótons. O núcleo do átomo de hidrogênio é o mais simples - contém um único próton. Figura 2.

5 Devido à abundância de hidrogênio no organismo e sua alta sensibilidade à Ressonância Magnética, a técnica de IRM está limitada, quase que exclusivamente, ao estudo do átomo de hidrogênio. Para entender como estes átomos podem ser usados para produzir imagens dos órgãos internos do corpo, é necessário analisar o comportamento magnético do seu núcleo. O núcleo de hidrogênio é formado apenas por um único próton. Figura 3. Assim, examinemos os prótons: comportam-se como pequenos planetas e, como a terra, estão constantemente girando ao redor de um eixo; no caso do próton diz-se que ele possui Spin. Naturalmente, a carga atribuída ao próton também gira, isto é, se movimenta ao redor de um eixo. Mas o que acontece quando cargas elétricas se movimentam? O movimento de cargas elétricas gera uma corrente elétrica. Por outro lado, a corrente elétrica cria ao seu redor uma força magnética ou um campo magnético. Assim, sempre que haja uma corrente elétrica, haverá um campo magnético! Figura 4. Como o nosso planeta, os prótons estão girando continuamente ao redor de um eixo e possuem um campo magnético definido, com um polo norte e um polo sul e um momento magnético; eles podem ser vistos como pequenos ímãs.

6 Figura 5. No estado de equilíbrio, isto é, na ausência de um campo magnético externo, os momentos magnéticos dos prótons estão orientados ao acaso. Esta orientação aleatória faz com que o momento magnético macroscópico no paciente se anule (M = 0). O que acontece com os prótons se submetidos a um campo magnético externo? Os prótons agem como pequenos ímãs - alinham-se espontaneamente ao longo das linhas de força do campo magnético externo, da mesma forma como as agulhas de uma bússola se orientam no campo magnético da terra; mas com uma diferença fundamental: as agulhas da bússola orientam-se numa única direção. Figura 6. Os prótons, no entanto, podem orientar seus momentos magnéticos em duas direções: em direção ao campo magnético externo (paralelamente) ou em direção contrária (antiparalelamente); em cada uma dessas orientações possuem valores diferentes de energia potencial. A orientação paralela é a de menor energia potencial e, portanto, representa a situação mais estável. Na orientação antiparalela os prótons encontram-se num estado excitado possuindo uma maior energia potencial, superior à energia do estado paralelo. Os prótons escolherão a orientação que exija menor energia potencial; assim uma maior quantidade de prótons ocupará o nível mais baixo de energia, isto é, terão seus momentos magnéticos orientados em direção ao campo magnético. Para 10 7 prótons antiparalelos, por exemplo, haverá prótons paralelos ao campo magnético e são justamente estes 7 prótons móveis que têm grande importância na técnica de Ressonância Magnética. Observemos mais atentamente estes prótons: num campo magnético externo os prótons não estão totalmente enfileirados junto às linhas de força deste campo; eles se movimentam de maneira similar ao movimento que realiza o pião sobre a terra.

7 O brinquedo não gira numa posição vertical exata, o extremo superior de seu eixo descreve uma circunferência. Figura 7. Este tipo de movimento realizado pelo próton num campo magnético externo é chamado de precessão. Durante a precessão o vetor que representa o momento magnético do próton descreve uma figura cônica. A velocidade deste movimento pode ser caracterizada através da frequência da precessão do próton ω 0, que representa o número de vezes que o próton realiza o movimento de precessão num segundo. Figura 8. Esta frequência não é constante, ela depende diretamente da intensidade do campo magnético B 0 onde o próton se encontra. A equação de Larmor permite calcular exatamente a frequência de precessão. Num campo magnético de 1 Tesla, por exemplo, a frequência de precessão do hidrogênio é de 42 MHz! (os átomos de hidrogênio são bastante rápidos). A frequência de precessão é importante devido a sua relação com o fenômeno de ressonância, que será analisado mais adiante. Descrição do comportamento dos prótons submetidos a um campo magnético Introdução de um sistema de coordenadas Neste sistema de coordenadas, as linhas do campo magnético estão orientadas junto ao eixo z. Assim, nas próximas figuras, o campo magnético externo estará representado pela direção do eixo z enquanto os campos magnéticos dos prótons estarão representados através de pequenos vetores (vetor possui magnitude e direção).

8 Figura 9. Num campo magnético de 1 Tesla existem vários milhões de prótons precessando com uma frequência de 42 milhões de vezes por segundo. Estes prótons, como pequenos ímãs, orientam-se de forma paralela ou antiparalela ao campo magnético externo B 0. As forças magnéticas diametralmente opostas, como as indicadas na figura 10, através de A e A, eliminam-se mutuamente. Mas como sempre um maior número de prótons está alinhado no sentido do campo magnético (para cima), as forças magnéticas, nesta direção, não serão totalmente eliminadas. Por outro lado, para um próton que precessione à esquerda do eixo z (C), haverá outro que se encontra à direita (C ); da mesma forma para um próton que se encontre na frente (B) poderá encontrar-se outro próton precessando na parte detrás (B ), de tal forma que os componentes destes vetores (Spin dos prótons) nos eixos x e y, como isso está representado na figura 10, eliminam-se reciprocamente, sobrando unicamente os componentes no eixo z, os quais se adicionam mutuamente, resultando, a nível macroscópico, uma magnetização nesta direção. Figura 10.

9 O que significa isto? Significa que colocando um paciente no campo magnético de uma unidade de Ressonância Magnética, o próprio paciente transforma-se num ímã, isto é, adquire um campo magnético próprio. Nele, os vetores dos prótons que não se cancelam entre si, somam-se. E por estar essa magnetização direcionada ao longo do campo magnético externo é denominada de magnetização longitudinal. Assim, num campo magnético externo intenso, um novo vetor magnético será criado no paciente. Este vetor está orientado em direção ao campo externo e o sinal decorrente poderá ser útil para formação da imagem de Ressonância Magnética! Só existe um problema: a força magnética paralela ao campo magnético externo não pode ser medida! Somente uma magnetização perpendicular à direção do campo magnético pode ser medida! Como realizar isto? Mediante a excitação dos prótons, isto é, fornecendo energia ao movimento precessional dos prótons, a fim de que procedam à mudança da direção da magnetização gerada. O que acontece após a colocação do paciente no campo magnético? No paciente submetido a um campo magnético externo emitimos uma onda de radiofrequência (RF) sintonizada, ou seja, um tipo de radiação eletromagnética com frequência localizada na faixa das ondas de rádio e, mais exatamente, uma onda intensa de curta duração, isto é, um pulso de radiofrequência. Qual o objetivo? O objetivo é conseguir perturbar aqueles prótons que se encontram precessando pacificamente em direção ao campo magnético externo. Figura 11. É possível perturbar os prótons com qualquer tipo de pulso? Não. Para isso é necessário que o pulso de radiofrequência seja especial e assim consiga trocar energia com os prótons almejados. Quando um pulso de radiofrequência poderá trocar energia com os prótons em precessão? Quando o pulso de radiofrequência ω e a frequência de precessão dos prótons é a mesma! (é necessário que o pulso de radiofrequência tenha a mesma velocidade que os prótons). Este fenômeno é chamado de ressonância; daí o nome de Ressonância Magnética, dado a esta técnica de imagens. A absorção de energia é um fenômeno quântico, isto é, os prótons não recebem qualquer quantidade de energia mas apenas valores discretos.

10 Figura 12.: A transferência de energia só será possível quando os prótons e o pulso de RF possuírem a mesma frequência. O fenômeno de ressonância se estende a diversas atividades e técnicas integrantes do nosso cotidiano, como por exemplo, na sintonia de um receptor de rádio ou no ato de tocar um violino. Neste último, só as frequências vibracionais naturais de cada corda são amplificadas na caixa acústica a ponto de se tornarem audíveis, enquanto que uma infinidade de outras, igualmente produzidas pelo movimento do arco sobre o instrumento, se perde. O que acontece com os prótons expostos a estes pulsos de radiofrequência? Acontecem dois efeitos: uns absorvem a energia do pulso e mudam-se do nível de menor para o de maior energia (seus vetores apontarão para baixo), e começam a precessar em fase ( na mesma direção e no mesmo tempo). Tudo isto resulta, como pode ser visto na figura, numa redução do vetor da magnetização longitudinal e no crescimento de uma nova magnetização no plano (x,y) - chamada de magnetização transversal. Esta magnetização se movimenta com a mesma frequência de precessão dos prótons (frequência de Larmor ω 0 ). Figura 13. Em resumo: o pulso de radiofrequência provoca um decréscimo na magnetização longitudinal e estabelece uma nova magnetização - a transversal.

11 Se observarmos esta ação a partir de um ponto de referência, constataremos que o novo vetor da magnetização transversal primeiramente aproxima-se, passa à frente, e logo se afasta, e assim sucessivamente. Isto é importante. O vetor da magnetização transversal, no seu contínuo movimento com a frequência de Larmor, muda constantemente sua intensidade no ponto de recepção do sinal e é esta variação da intensidade que cria uma corrente elétrica na antena posicionada ao lado do paciente. Figura 14. Isto constitui o sinal da Ressonância Magnética que possuirá, por consequência, a mesma frequência de precessão que o vetor da magnetização transversal. A amplitude do sinal na antena é proporcional à intensidade da magnetização transversal. Por sua vez, a intensidade desse vetor depende da concentração dos prótons no meio estudado. Mas de que forma podemos obter uma imagem a partir do registro dessa corrente elétrica, que constitui até agora o único sinal útil de Ressonância Magnética? Para responder a esta pergunta devemos saber, primeiramente, de que parte do organismo o sinal foi emitido. Como determinar a procedência do sinal captado pela antena? O artifício é simples: ao campo magnético externo, que é constante, adicionamos um campo magnético com diferentes intensidades em cada ponto, por exemplo, crescente em direção à cabeça do paciente. Qual a finalidade? Lembremos: a frequência de precessão do próton depende de forma biunívoca da intensidade do campo magnético, registrada no local onde essa partícula se encontra e, pelo fato dessa intensidade ser diferente em cada ponto do paciente, nestes pontos, os prótons precessarão com frequências específicas. O sinal de Ressonância Magnética, obtido nos diferentes locais tem, por consequência, uma frequência própria. Desta maneira podemos relacionar a frequência registrada com uma determinada localização no paciente. Mais detalhes sobre o sinal de Ressonância Magnética Figura 15. Uma vez que o pulso de radiofrequência é desligado, o sistema total, que foi perturbado, retorna ao seu estado original de equilíbrio. A nova magnetização transversal estabelecida começa a desaparecer (o processo é chamado de relaxação transversal) enquanto que a magnetização longitudinal cresce até recuperar seu tamanho original (este último processo é chamado de relaxação longitudinal).

12 Qual a razão? Observemos inicialmente o que acontece com a magnetização longitudinal, isto é, aquela localizada ao longo do eixo z : uma vez que o pulso de radiofrequência é desligado, os prótons retornam do estado de maior energia (excitado) para seu estado fundamental, de menor energia. Este processo não acontece subitamente. Ocorre de forma sequencial - um próton depois do outro retorna ao seu estado originário (vide Figura 15). O que acontece com a energia transferida aos prótons pelo pulso de radiofrequência? Essa energia é transferida à rede (cristalina) nas imediações dos prótons perturbados. Por esta razão este processo também é chamado de relaxação Spin- rede. A representação gráfica da relação entre a magnetização longitudinal e o tempo é uma curva crescente chamada de curva T 1. O tempo necessário para que a magnetização longitudinal recupere seu valor inicial é descrito através do tempo de relaxação longitudinal, chamado de T 1. Figura 16. Observemos agora o que acontece com a magnetização transversal : Figura 17. Após o pulso de radiofrequência ser desligado, os prótons deixam de se movimentar de forma sincrônica, mantendo a coerência de fase. A figura 17 ajuda a explicar este processo; aqui os prótons, para facilitar a compreensão, estão apontando para cima. Como já vimos, os prótons realizam um movimento de precessão com frequência definida pela intensidade do campo magnético no local e, além disso, todos os prótons experimentam o mesmo campo magnético. Esta última afirmação, no entanto, não se dá sempre! já que : o campo magnético da unidade de Ressonância Magnética, onde o paciente é colocado, não é totalmente homogêneo, possui pequenas variações locais, o que produz diferentes frequências de precessão e, por outro lado,

13 cada próton é influenciado pela presença de cargas elétricas livres ou de pequenos campos magnéticos dos prótons na sua proximidade, o que, por sua vez, também determina valores diferentes das frequências de precessão. As variações internas do campo magnético são características para cada tecido. Após desligar o pulso de radiofrequência, os prótons não são obrigados mais a permanecer em sincronia e, por possuírem diferentes frequências de precessão, perderão a coerência de fase. É interessante observar a velocidade com que esta defasagem acontece: suponhamos que um próton (p1) precesse com uma frequência de 10 MHz. Devido à heterogeneidade do campo magnético, uma variação da sua intensidade em 1%, por exemplo, fará com que outro próton (p2), das imediações, adote uma frequência de 10.1 MHz. Em 5µs (p2) terá realizado 50.5 rotações enquanto que o próton (p1), somente 50. Assim, após um curto período de tempo ambos os prótons terão uma defasagem de 180º e, no plano (x, y), poderão eliminar-se mutuamente. A magnetização transversal irá diminuindo paulatinamente. De forma análoga à magnetização longitudinal, podemos representar num gráfico a relação da magnetização transversal em função do tempo e obteremos uma curva decrescente chamada de curva T 2. Aqui a constante de tempo que descreve a velocidade com a qual a magnetização transversal diminui é chamada de tempo de relaxação transversal ou tempo de relaxação Spin-Spin. T 1 é aproximadamente entre 2-10 vezes maior que T 2. Figura 18. O que significa ter um longo ou curto tempo de relaxação? Que tipo de tecido apresenta um tempo maior ou menor de relaxação? A água e os tecidos com alta concentração de líquidos possuem um longo T 1 e T 2. Neste sentido é interessante lembrar que tecidos patológicos possuem, geralmente, uma alta concentração de água em relação aos tecidos normais vizinhos; desta forma, tecidos patológicos poderão ser facilmente diferenciados por possuírem tempos de relaxação T 1 e T 2 relativamente mais longos que os dos tecidos sadios. Quais os parâmetros que influenciam T 1? O tempo de relaxação longitudinal - T 1 depende da composição e estrutura do tecido alvo e de sua proximidade com outros tecidos. T 1 tem a ver com a transferência de energia térmica dos prótons excitados ao seu redor - seu meio. Se este meio é um líquido puro, ou simplesmente água, a transferência de energia será dificultada devido à alta velocidade de movimentação das pequenas moléculas de água. Os prótons requerem um tempo maior para conseguir transferir sua energia ao meio e retornar ao seu estado de equilíbrio. A magnetização longitudinal precisará, então, de um tempo mais longo para recuperar seu valor inicial e isto significa que líquidos puros e água possuem tempos de relaxação longitudinal T 1 longos.

14 O tempo de relaxação T 1 será mais curto quando se tratar de tecidos corpóreos formados por líquidos que contêm moléculas de diversos tamanhos; nestes meios a energia térmica poderá ser transferida mais rapidamente já que aí as moléculas se movimentam e possuem campos magnéticos com frequências próximas à frequência dos prótons excitados. Esta condição ressonante é indispensável para uma transferência de energia. Figura 19. Quais os parâmetros que influenciam o tempo de relaxação transversal T 2? A relaxação transversal é produto da heterogeneidade presente no campo magnético externo e interno. Como foi mencionado anteriormente, as moléculas de água se movimentam rapidamente em meios líquidos e, assim, seus campos magnéticos mudam também rapidamente, não deixando se estabelecer uma grande diferença entre os campos magnéticos de um ponto para outro. Não havendo grande diferença na intensidade do campo magnético no meio, os prótons ficarão precessando juntos durante um tempo maior, em fase, o que fará com que o tempo de relaxação transversal T 2 seja também maior. Figura 20. Nos líquidos com impurezas, que contêm grandes moléculas, existe uma grande variação na intensidade dos campos magnéticos locais. As grandes moléculas se movimentam mais lentamente, assim seus campos magnéticos não se eliminam tanto. A grande diferença dos campos magnéticos locais gera, por sua vez, uma grande diferença nas frequências de precessão e, desta maneira, mais prótons abandonam a coerência de fase. Neste caso o tempo de relaxação transversal T 2 será menor. Todos estes processos, vistos anteriormente, influenciam na qualidade final da imagem gerada no equipamento de Ressonância Magnética. Tempo de repetição dos pulsos de radiofrequência TR Consideremos dois tipos de tecidos - A e B - com tempos de relaxação distintos. O tecido A apresenta um tempo curto de relaxação tanto longitudinal T 1 quanto transversal T 2, em relação ao tecido B. Inicialmente emitimos em ambos tecidos um pulso de radiofrequência de 90º. Este pulso é capaz de inclinar o vetor da magnetização longitudinal do eixo z para o plano (x, y). Esperamos um determinado período de tempo igual ao tempo TR longo, e emitimos, finalmente, um segundo pulso de radiofrequência de 90º. Qual o efeito produzido em ambos tecidos? Primeiramente, após o tempo TR longo,

15 tanto o tecido A como o tecido B recuperam totalmente sua magnetização longitudinal e, após o segundo pulso de 90º, a magnetização transversal terá o mesmo valor para ambos tecidos (se repetirá a situação inicial). Na figura 21, A e B representam Figura 21. tecidos com diferentes tempos de relaxação. O quadro 0 mostra a situação anterior ao pulso de radiofrequência de 90º; o quadro 1, a situação imediatamente posterior ao mesmo pulso. Se esperarmos um longo intervalo de tempo igual à TR longo, a magnetização longitudinal em ambos tecidos estará totalmente recuperada, como mostra o quadro 5. Um segundo pulso de 90º, emitido após este tempo, originará uma magnetização transversal em ambos tecidos (quadro 6) igual àquela observada após o primeiro pulso de 90º (quadro 1). O que poderá acontecer se não esperarmos um período tão longo entre os pulsos? Se o segundo pulso for enviado num tempo mais curto - igual à TR curto (depois do quadro 4), a magnetização longitudinal do tecido A resultará maior que a do tecido B: isto ocorre porque a magnetização transversal do tecido A, antes do segundo pulso de 90º (como mostra o quadro 4 na figura) recuperou maior parte do seu valor original do que a magnetização no tecido B. Figura 22. Se não esperarmos um intervalo de tempo tão longo entre dois pulsos, mas sim um intervalo menor, igual à TR curto, a magnetização longitudinal do tecido B, com maior T 1, não terá se recuperado tanto como a do tecido A, que tem um T 1 curto. A magnetização transversal será diferente em ambos tecidos, após o segundo pulso (quadro 5). Em resumo, mudando o tempo entre dois pulsos sucessivos podemos influenciar e alterar a magnetização transversal, a intensidade do sinal de Ressonância Magnética e, consequentemente, o contraste dos tecidos na imagem reconstruída. Desta forma, por ser o vetor de relaxação transversal do tecido A maior, o sinal registrado na antena terá uma maior intensidade que a emitida pelo tecido B. Como vimos, a diferença na intensidade do sinal proveniente de tecidos diferentes depende da diferença na respectiva magnetização longitudinal, isto é, da diferença de T 1 entre ambos tecidos. Assim poderemos diferenciar o tecido A do tecido B usando pulsos de 90º no intervalo de tempo igual à TR curto. Se este período for bem maior, a diferenciação será impossível. O tempo entre dois pulsos sucessivos é chamado de tempo de repetição TR.

16 Figura 23. Como pode ser observado na figura 23, o líquido encéfalo-raqüídeo (CFS) apresenta um tempo de relaxação - T 1 mais curto que o cérebro e, conseqüentemente, a intensidade registrada será menor. Um tempo de repetição dos pulsos (TR) menor que 500ms é considerado curto, enquanto que outro, o de 1500 ms é considerado longo. A imagem resultante é chamada de imagem mediada pelo parâmetro T 1, o que significa que a diferença na intensidade do sinal ou contraste do tecido alvo deve-se, principalmente, a diferenças em T 1. Existem, além deste, outros parâmetros que influenciam na qualidade da imagem como a densidade de prótons no tecido e o T 2. Escolhendo uma determinada sequência de pulso da radiofrequência e do TR podemos salientar determinada característica do tecido na imagem resultante. Quando o tempo de repetição dos pulsos é extremamente grande, como foi visto na figura 21, T 1 não influencia mais na intensidade da imagem ou no contraste dos tecidos, mas sempre pode existir uma diferença mínima na concentração de prótons nos diferentes tecidos, será então este novo parâmetro - a densidade dos prótons, que irá influenciar na imagem de Ressonância Magnética. Neste caso, a imagem obtida através de um longo TR, e que depende somente da concentração dos prótons, é chamada de imagem mediada pela densidade de prótons. Como obter uma imagem mediada pelo tempo de relaxação T 2? Figura 24. Observemos a seguinte experiência: inicialmente usamos um pulso de radiofrequência de 90º; como resultado, o vetor da magnetização longitudinal será deslocado para o plano transverso e os prótons serão agrupados, girando em fase - obteremos o vetor da magnetização transversal. Ainda, essa situação ordenada é instável. Depois que o primeiro pulso é desligado a magnetização longitudinal começa a reaparecer enquanto a magnetização transversal, devido à perda da coerência de fase, começa a sumir (como pode ser visto nos quadros b e c na figura 25). Após transcorrer um intervalo de tempo igual a TE/2, será emitido um pulso - desta vez de 180º.

17 Este pulso obriga os prótons a precessarem em sentido contrário, seguindo os ponteiros do relógio. Como resultado, os prótons que no início precessavam rapidamente estarão agora atrás dos mais lentos, aproximando-se cada vez mais. Após outro intervalo de tempo igual a TE/2, os prótons mais rápidos estarão finalmente juntos com os mais lentos, em outras palavras, os prótons estarão novamente em fase e a magnetização transversal voltará a ser intensa (quadro f na figura 25). Figura 25. Com o decorrer do tempo, os prótons que precessavam rapidamente passarão à frente, o que novamente contribuirá para a perda da coerência de fase e desaparecimento da magnetização transversal. Enviando novamente um pulso de 180º, o processo reiniciará novamente. Os sucessivos estados de sincronização permitem que os sinais captados na antena se apresentem como pulsos em crescendo-decrescendo, chamados de ecos. O pulso de radiofrequência de 180º atua em nossa experiência como Figura 26. uma muralha onde os prótons batem e retornam, da mesma forma como faz uma onda sonora ao encontrar uma superfície, onde é refletida produzindo um eco; este é o motivo pelo qual este intenso sinal é chamado de eco ou de Spin-eco e TE é chamado de tempo de eco. Utilizando pulsos de radiofrequência de 180º após intervalos de tempo igual a TE é possível reordenar os prótons e obter mais que um sinal Spin-eco (vide figura 26). Contudo, a intensidade máxima de cada eco diminui progressivamente. A curva que liga os máximos das intensidades do sinal Spin-eco constitui a curva de relaxação transversal T 2. Outra maneira de produzir ecos é inverter rapidamente o sentido do campo magnético externo B 0 após o pulso de 90º, a fim de promover um efeito semelhante àquele do pulso de RF de 180º. O TE influencia na qualidade da imagem de Ressonância Magnética e pode ser escolhido pelo operador do equipamento de Ressonância Magnética.

18 A figura 27 mostra a curva T 2 de dois tecidos com diferentes valores do tempo de relaxação transversal, o tecido A (cérebro) possui um T 2 mais curto que o tecido B (fluído encéfalo raquídeo); por conseqüência, sua magnetização transversal diminuirá mais rapidamente. Após um tempo TE curto a diferença nas intensidades do sinal dos tecidos é menos pronunciada do que com a escolha de um tempo TE mais longo. O problema que surge na escolha de um TE muito longo é que o sinal correspondente na sua intensidade é fraco e comparável com o ruído do sinal. Isto influencia negativamente a qualidade da imagem de Ressonância Magnética. Figura 27. O tempo de eco TE menor que 30ms é considerado tempo curto; se for maior que 80ms será considerado longo. Interpretação da imagem obtida através da Ressonância Magnética Nuclear Esta técnica permite observar na tela do computador a distribuição dos prótons no tecido estudado. A imagem apresenta intensidades desiguais, decorrentes não apenas da concentração dos prótons no tecido mas também das propriedades de relaxação (ou seja, retorno ao estado de equilíbrio) dos núcleos, caracterizadas pelos dois parâmetros T 1 e T 2. Numerosas experiências mostraram a existência de diferenças notáveis entre os valores dos tempos de relaxação em tecidos normais e em patológicos. Quando os tecidos apresentam valores diferentes de T 2, é possível discriminá-los usando a técnica de ecos de Spin. Por isso, deve-se ter cuidado na escolha da sequência de pulsos convenientes para a região do organismo ou a patologia que se deseja evidenciar. Figura 28. Figura 29.

19 Se na imagem obtida o líquido encéfalo-raquídeo estiver representado numa cor branca, teremos uma imagem mediada pelo parâmetro T2. Se o fluído é mais escuro do que as partes sólidas, teremos uma imagem mediada pelo parâmetro T1 ou mediada pela densidade de prótons. O sinal proveniente da substância cinzenta é maior que o proveniente da substância branca pelo fato de que a massa cinzenta possui uma maior quantidade de água e, por conseqüência, um número maior de prótons. Figura 30. Uso de meios de contraste na Ressonância Magnética Para salientar tecidos com características similares são usados meios de contraste. Estas substâncias possuem pequenos campos magnéticos que diminuem os tempos de relaxação nas vizinhanças dos prótons; diz-se que tais substâncias têm propriedades paramagnéticas. O Gadolínio é uma dessas substâncias usadas nos exames de Ressonância Magnética como meio de contraste. Gadolínio constitui uma terra rara que é tóxica em estado livre, mas que ligada ao DTPA deixa de ser nociva. O efeito dessa substância é a mudança do sinal devido à diminuição dos tempos T1 e T2. Tempo requerido para obter uma imagem de Ressonância Magnética O tempo para aquisição de uma imagem está definido pela seguinte relação: tempo de aquisição = t.a. = TR x N x Nex Nesta relação, Nex - é o número de excitações ou de medições que muitas vezes é necessário fazer para melhorar a qualidade da imagem; N - é o número de linhas da matriz que constitui a imagem mostrada na tela de um computador (256 x 256). Os detalhes numa imagem serão mais evidentes se trabalharmos com um número maior de linhas, só que isso aumenta consideravelmente o tempo de aquisição. TR- é o tempo de repetição; quanto menor for o TR, mais rapidamente a imagem será adquirida.

20 Figura 31. O tempo de repetição dos pulsos é, geralmente, fixado pelas características do equipamento de Ressonância Magnética. Por esse motivo, para encurtar o tempo necessário para aquisição da imagem são feitas medições simultâneas em outras fatias, durante a espera do próximo pulso. Como selecionar a fatia do organismo que se deseja examinar? Quando um paciente é colocado na unidade de Ressonância Magnética ele experimenta um campo magnético que além de intenso é bastante homogêneo. Todos os prótons no corpo do paciente terão, então, a mesma frequência de Larmor e poderão ser perturbados pelos mesmos pulsos de radiofrequência. Os sinais emitidos por estes prótons, e registrados para a reconstrução da imagem, não poderão contribuir para especificar a localização exata dos tecidos estudados no organismo. Para selecionar uma determinada fatia tomográfica no paciente, um campo magnético gradiente (varia sua intensidade de forma linear em cada ponto) é superposto ao campo magnético externo. Este campo gradiente é produzido em bobinas especiais chamadas de bobinas gradiente e altera a intensidade do campo magnético originário ao longo do paciente. Figura 32. Na figura 32, por exemplo, a intensidade do campo magnético gradiente G z cresce ao longo do paciente, tendo valores de 1,4 Tesla nos pés e atingindo o valor de 1,6 Tesla na cabeça. Os prótons das diferentes fatias transversais, submetidos a este campo magnético resultante, experimentarão intensidades distintas e terão frequências de precessão bem definidas: de 60MHz nos pés e de 68 MHz na cabeça. Desta forma, com uma mesma frequência poderemos excitar seletivamente prótons que se encontram na mesma fatia e assim, selecionando o pulso de radiofrequência, será possível determinar a posição exata do corte ou a fatia tomográfica que queremos examinar. De onde exatamente provém o sinal de Ressonância Magnética? Com a escolha de uma determinada frequência selecionamos a posição e espessura da fatia tomográfica a ser examinada. Mas como identificar o ponto na fatia, de onde foi emitido o sinal, que vai contribuir para a formação da imagem? Neste caso

21 procedemos de forma similar à anterior. Após emitir o primeiro pulso de radiofrequência, aplicamos no paciente um segundo campo gradiente numa outra direção, por exemplo, ao longo do eixo y. A figura 33 mostra isto: na fatia tomográfica (imagem A) os prótons estão precessando com a mesma frequência. Para discriminar estas frequências aplicamos um segundo campo gradiente G y que desta vez decresce da esquerda para a direita. Da mesma forma, as frequências decrescerão no sentido esquerdadireita. A aplicação deste campo gradiente G y obriga os prótons, localizados em cada uma das colunas, a emitirem seus sinais com a mesma frequência. Verifica-se, portanto, uma discriminação das frequências em função da posição dos prótons; por este motivo o segundo campo magnético gradiente aplicado também é chamado de campo decodificador de frequência. Figura 33. Mas ainda não podemos identificar o local exato em cada coluna de onde o sinal partiu; teoricamente poderíamos introduzir um terceiro campo gradiente. Não obstante, este procedimento pode trazer algumas dificuldades, por exemplo, podem resultar pontos localizados em lugares diferentes com a mesma frequência. Este problema pode ser solucionado se aplicarmos um campo gradiente G x ao longo de uma coluna por um curto intervalo de tempo (vide figura 34). Este gradiente faz com que os prótons em cada coluna aumentem sua velocidade de precessão, correspondendo à intensidade do campo magnético experimentado. Figura 34. Quando este gradiente G x é desligado, todos os prótons na coluna sentirão novamente o campo magnético originário e apresentarão a mesma frequência de precessão. Só que agora os prótons estarão fora de fase e esta defasagem pode ser registrada na antena como um atraso na chegada dos diferentes sinais. Já que este último gradiente G x aplicado no paciente leva à precessão dos prótons em fases diferentes, ele é chamado de gradiente decodificador de fase. Em resumo, após a aplicação dos campos magnéticos gradientes, acima descritos, registramos uma mistura de diferentes sinais. Alguns desses têm frequências variadas e outros, com a mesma frequência, possuem fases diferentes; considerando a localização do próton perturbado.

22 O computador analisa a intensidade do sinal de uma frequência e fase específica com ajuda de um procedimento matemático chamado de transformada de Fourier ; ela permite obter um espectro de frequência de um sinal composto. O espectro das frequências é a representação gráfica da amplitude e das frequências dos sinais primitivos usados para gerar o sinal composto. A amplitude do sinal codifica a quantidade dos prótons ressonantes, enquanto a frequência de cada onda permite que a posição de cada amostra possa ser conhecida. Graças à correlação deste sinal com um ponto definido na fatia examinada, poderemos reconstruir a imagem tomográfica de Ressonância Magnética. Figura 35. Ainda, algumas noções básicas: Durante todo o tempo falamos de prótons e núcleos, por quê? Como foi mencionado, átomos estão constituídos de prótons e nêutrons. Uma exceção é o átomo de hidrogênio: possui somente um próton no núcleo atômico. Cada vez que falamos de prótons, também nos referíamos aos átomos de hidrogênio. Este é o átomo mais abundante em nosso organismo e também aquele que emite os sinais mais intensos de Ressonância Magnética, quando comparado com outros átomos. Qualquer outro núcleo pode ser usado para aquisição de imagens em Ressonância Magnética? A resposta é não. Somente podem ser utilizados núcleos que apresentem Spin e um número ímpar de prótons. No entanto, a formação de imagens com utilização de outros núcleos é difícil, tanto por suas baixas concentrações em nosso organismo como pelo fato de exigirem campos magnéticos bem mais intensos que os usados nas unidades de RM. Por exemplo, o uso do núcleo de fósforo -constituinte fundamental de moléculas como o trifosfato de adenosina (ATP) e a fosfocreatina, permitiria investigar, através de imagens, o comportamento da taxa metabólica dos tecidos. Já o uso do sódio teria grande interesse na análise de casos de infarto, tumores e derrames em que ocorre rompimento da parede celular. Devido à diferença significativa na concentração do sódio nos fluidos intra e extracelulares, a invasão do sódio em regiões atingidas por rupturas de vasos e membranas seria claramente visível numa imagem obtida por Ressonância Magnética Nuclear. Uma visão na instrumentação: Sob muitos aspectos, a operação de um sistema de Ressonância Magnética Nuclear é semelhante à de um receptor de rádio, que detecta, através de uma antena, um sinal de radiofrequência, utiliza um receptor sintonizável para processá-lo e envia a saída de áudio para um autofalante. No sistema de Ressonância Magnética Nuclear esquematizado na figura 36, também existe um gerador de radiofrequência (que estabelece uma oscilação altamente estável), um transmissor, onde os pulsos são amplificados até um nível de potência de algumas centenas de watts; tais pulsos são

23 aplicados às bobinas de radiofrequência. Atuando como uma antena, as bobinas excitam os prótons e, em seguida, detectam os sinais fracos resultantes, estes, por sua vez, são amplificados no receptor, digitalizados e enviados para um computador onde serão armazenados e processados. A imagem tomográfica, então, poderá ser visualizada na tela do computador. Figura 36. A parte mais importante da unidade da Ressonância Magnética é o magneto principal. Este deve ter uma intensidade suficiente para permitir a aquisição de imagens. A intensidade do magneto é dada em Tesla (T) ou Gauss, sendo que 1 T = Gauss. O cientista alemão Gauss foi o primeiro a calcular o campo magnético da terra (0,3-0,7 Gauss) e Tesla é considerado o pai da corrente alternada. Os magnetos usados na RM têm uma intensidade entre 0.5 até 1.5 Tesla. Comparativamente, o magneto da porta de uma geladeira doméstica possui uma intensidade de aproximadamente 100 Gauss. Uma das exigências feitas para o campo magnético gerado é ter alta homogeneidade, já que a intensidade deste determina a frequência de precessão. Tipos de magnetos a) permanente (ímã) : não usa corrente elétrica para geração do campo magnético, sua intensidade é relativamente pequena (um magneto de 100 toneladas possui uma intensidade de 0,3 tesla) e apresenta instabilidade térmica. b) resistivos: são criados por uma bobina (eletromagneto), esquentam demais devido à resistência elétrica e precisam ser refrigerados, fornecem uma maior intensidade que os permanentes. c) supercondutores: atualmente são os mais usados nos equipamentos de RM, são refrigerados a temperaturas de supercondutores ( 4º K, usando He e Nitrogênio líquido); nesta temperatura a resistência elétrica é quase nula. Os magnetos supercondutores geram um campo magnético constante, altamente homogêneo e intenso; as desvantagens são os altos custos de manutenção e refrigeração.

24 Bobinas geradoras de pulsos de radiofrequência São usadas para emitir e captar pulsos de radiofrequência. Existem os mais diversos tipos de bobinas e, dependendo do lugar de sua aplicação no paciente, denominadas: de volume, de gradiente, de montaria, de superfície, etc. Por que as unidades de RM requerem uma atenção especial? Devido ao intenso campo magnético gerado, o equipamento de Ressonância Magnética Nuclear não pode estar localizado num local arbitrário. Algumas regras devem ser observadas para sua instalação e funcionamento. O campo magnético gerado numa unidade de RM pode atrair com bastante intensidade objetos metálicos e influenciar em equipamentos mecânicos e elétricos, como computadores, marca-passos e unidades de raios-x. Por outra parte, estes equipamentos podem ser influenciados pelas frequências de rádio presentes no meio ambiente externo. Muitas destas frequências estão localizadas na faixa de detecção do equipamento. É por este motivo que as unidades de RM necessitam de uma blindagem especial que evite as interferências externas. Riscos biológicos A partir da informação acumulada sobre a resposta biológica à ação de campos magnéticos intensos podemos afirmar, com razoável certeza, que não existem efeitos prejudiciais para o organismo decorrentes da utilização da IRM. Nesta técnica, simplesmente, não existem mecanismos de ação, como o da ionização, capazes de produzir efeitos deletérios nos tecidos. Efeitos provocados por campos magnéticos estáticos (não dependem do tempo) Ao longo de nosso organismo as cargas elétricas estão distribuídas de forma uniforme. Algumas moléculas e membranas corpóreas têm carga elétrica polarizada e mostram, portanto, características de um dipolo magnético. Outras moléculas, por exemplo, as que constituem o tecido nervoso, servem de condutores de corrente elétrica. Quando submetidas a campos magnéticos intensos, tem-se observado nestas moléculas e membranas várias mudanças eletroquímicas: Permeabilidade das membranas A capacidade que tem uma molécula para atravessar uma membrana depende da permeabilidade desta. Devido à distribuição de cargas elétricas em algumas membranas, os campos magnéticos intensos podem induzir alterações na sua permeabilidade. Cinética de enzimas As enzimas são moléculas proteicas relativamente grandes e possuem uma distribuição irregular de cargas elétricas na sua superfície. O campo magnético intenso altera a natureza elétrica destas enzimas. Ainda são desconhecidos os efeitos decorrentes desta alteração na atividade das enzimas. Condução nervosa Células nervosas são condutores elétricos similares a um cabo isolado de cobre. O campo magnético intenso exerce uma força nos elétrons do condutor desviando-os do seu fluxo normal e afastando o condutor para um dos lados. Existe a possibilidade de

25 essa força interferir na condução de pulsos elétricos nas células nervosas, afetando assim a função neural. Biopotenciais Vários tecidos do organismo, em particular o muscular, experimentam mudanças do seu potencial elétrico durante sua contração. As variações dos biopotenciais com amplitude até 10mV no coração podem ser registrados através do eletrocardiograma. Na presença de campos magnéticos intensos é possível alterar tais biopotenciais, o que provavelmente irá interferir no funcionamento normal do músculo. Marca-passo cardíaco Marca-passos têm os mais variados desenhos, mas todos usam um pequeno ímã para sua ativação. Este pequeno ímã pode sofrer fortes interferências na presença de campos magnéticos intensos provocando falhas no funcionamento do marca-passo. Portanto, a IRM é contraindicada para pacientes portadores de marca-passo. Efeitos provocados por campos magnéticos variáveis no tempo (campos gradientes) Nas unidades de RM são usados campos magnéticos que variam a sua intensidade em função do tempo e que são superpostos ao campo magnético estático. Quando o campo gradiente interage com elétrons estacionários de determinados tecidos, induz uma densidade da corrente elétrica, medida em amperes por centímetro quadrado (A/cm 2 ). Há respostas biológicas à ação de tais densidades elétricas, mas todas elas ocorrem numa faixa de intensidade do campo magnético muito superior daquela usada nas unidades de Ressonância Magnética Nuclear. fosfenos visuais Se uma corrente elétrica atravessa a cabeça de uma pessoa que está com os olhos fechados induzirá em sua retina um clarão luminoso. Este efeito se deve à ativação da molécula de fosfeno e pode ser também produzido por campos magnéticos gradientes. Consolidação óssea A passagem de pequenas correntes elétricas através de segmentos ósseos fraturados favorece sua consolidação. Neste caso a densidade da corrente empregada oscila ao redor dos 10µA/cm2. Embora sejam desconhecidos os mecanismos, a consolidação óssea é utilizada eficientemente em muitos casos. Fibrilação cardíaca Quando o coração perde seu batimento normal e as pulsações são substituídas por tremor rápido se diz que ele fibrila; a fibrilação pode levar a uma parada cardíaca ou até a morte. Atravessando uma corrente elétrica intensa através do músculo cardíaco é possível estabilizar um coração em fibrilação; esta técnica é frequente nas unidades de tratamento coronários. Por outro lado, a corrente elétrica com densidade de 300mA/cm 2 pode provocar a fibrilação de um coração sadio. Nas unidades de RM, não entanto, são usadas correntes elétricas até seis vezes menores que a mencionada. Exposição à radiofrequência O principal efeito da interação entre o pulso de radiofrequência e o tecido corporal é a transferência de energia na forma de calor. A quantidade de calor transferida é uma complexa função da frequência e da potência do pulso de RF.

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