Imagens por Ressonância Magnética: Princípios e Aplicações

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1 UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Instituto de Física de São Carlos Centro de Imagens e Espectroscopia In Vivo por Ressonância Magnética Imagens por Ressonância Magnética: Princípios e Aplicações Fernando F Paiva paiva@ifscuspbr 19/07/2012

2 RM: LINHA DO TEMPO Pauli sugere que partículas nucleares possuem momento angular (spin) 1937 Rabi mede o momento angular do núcleo M 1944 Rabi recebe o prêmio Nobel de Física R 1952 Purcell e Bloch dividem o prêmio Nobel de Física 1974 Damadian patenteia a idéia de scanner para detecção de tecido maligno 1973 Lauterbur publica o método para gerar imagens utilizando gradientes de NMR I NMR se torna MRI 1985 Reembolso por exames de RM começam a ser aprovados pelos convênios Scanners clínicos começam a se tornar prevalentes Purcell demonstra que a matéria absorve energia na freqüência de ressonância 1946 Bloch mostra que a precessão nuclear pode ser medida por bobinas detectoras 1959 Singer mede fluxo sanguíneo utilizando NMR (em camundongos) f 1973 Mansfield, independentemente, publica a abordagem de gradientes para NMR 1990 Ogawa e colaboradores propõem o método de fmri utilizando contraste endógeno baseado na oxigenação sanguínea 1975 Ernst desenvolve a transformada de Fourier 2D para RM

3 MARÇO DE 1977 A primeira tentativa de obter uma imagem em humanos Dr Raymond Damadian foi o primeiro paciente Dadas as dúvidas sobre os resultados, ele utilizou um monitor cardíaco e um de pressão

4 JULHO DE 1977 A primeira tentativa bem sucedida de se obter uma imagem de RM humanos Dr Lawrence Minkoff foi o voluntário

5 A primeira imagem de RM obtida em humanos

6 35 anos depois

7 PROPRIEDADES DO NÚCLEO ATÔMICO A rotação do próton dá origem ao momento angular (J); A carga elétrica na superfície do próton cria um pequeno loop de corrente, o que dá origem ao momento magnético (); Ambos e J são representados por vetores que apontam ao longo do eixo de rotação e cuja direção pode ser determinada pela regra da mão direita; Um núcleo pode ser observado por RM se tem momento angular e magnético Tal núcleo possui um número ímpar de prótons ou de nêutrons

8 PRÓTONS NA AUSÊNCIA DE CAMPO MAGNÉTICO Na ausência de um campo magnético intenso, os spins ficam randomicamente orientados Neste caso, a magnetização (M) do sistema é nula

9 PRÓTONS SE ALINHAM AO CAMPO MAGNÉTICO Campo Magnétic co

10 MAS SE MOVEM AO REDOR DO EIXO DO CAMPO PRINCIPAL EM UM MOVIMENTO CONHECIDO POR PRECESSÃO Eixo de Precessão Campo Magnétic co

11 FREQUÊNCIA DE LARMOR A precessão dos núcleos em torno do campo principal ocorre em uma freqüência específica dada pela equação de Larmor ω = γ Campo Magnético onde: ω: freqüência de Larmor γ: constante giromagnética : campo magnético principal Núcleo Constante Giromagnética (MHz/T) 1 H C N F P 1723

12 FREQUÊNCIA DE LARMOR Hidrogênio ( 1 H) em 15T: ω = 4258 MHz/T x 15 T = 6387 MHz Hidrogênio ( 1 H) em 30T: Campo Magnético ω = 4258 MHz/T x 30 T = MHz Fósforo ( 31 P) em 15T: ω = 1723 MHz/T x 15 T = 2585 MHz Núcleo Constante Giromagnética (MHz/T) 1 H C N F P 1723

13 FREQUÊNCIA DE LARMOR Hidrogênio ( 1 H) em 15T: ω = 4258 MHz/T x 15 T = 6387 MHz Hidrogênio ( 1 H) em 30T: ω = 4258 MHz/T x 30 T = MHz Campo Magnético Fósforo ( 31 P) em 15T: ω = 1723 MHz/T x 15 T = 2585 MHz Radiofrequência (RF)

14 Magnetização µ: momento magnético d dt = ( γ B) núcleo M = 1 V i i dm M dt = M ( γ B) (Prótons não interagentes) z M 0 y x

15 Magnetização dm dt = M ( γ B) (Prótons não interagentes) Campo Externo: B = zˆ Prótons interagentes? dm M // = M zˆ z z = 0 dt dm M = Mx xˆ + My yˆ dt +? = M ( γ B) +?

16 Relaxação Longitudinal dm 1 =? Interação dos prótons com a rede: z (M0 Mz ) dt T 1 Determinado Empiricamente T 1 : Tempo de Relaxação Longitudinal (Spin-Rede) ( t t 0 0 ) T ( t t ) T M (t ) = M (t )e + M (1 e z z 0 ) Tecido T 1 (ms) T 2 (ms) matéria cinzenta matéria branca músculo fluido cérebro-espinhal gordura sangue Valores típicos de tempos de relaxação, T 1 e T 2, de hidrogênio em diferentes tecidos humanos medidos em 15T e 37ºC

17 Relaxação Transversal Campo Local = campo externo + campos gerados pelos vizinhos Variação no Campo Local z z z µ Variação na Freq Precessão dm dt ( ω0 = γ B0 1 = M ( γ B) M T ) T 2 x y x µ y x µ y T 2 : Tempo de Relaxação Transversal (Spin-Spin) z M z M z dm dt \ = 1 T 2 M (RG) y y y x x x M M (t ) = M (0 )e t T 2

18 Equação de Bloch dm dt 1 1 = M ( γ B) + (M0 Mz ) M T 1 T2 dm dt x = ω M 0 y M T 2 x t = T 2 Mx(t ) e (Mx(0 )cos( ω 0t ) + My(0 )sen( ω0t )) dm dt y M = ω y 0Mx T2 t = T 2 M y (t ) = e (M y (0 )cos( ω 0 t ) M x (0 )sen( ω 0 t )) dm dt z = 1 T 1 (M 0 M z ) t 1 t T 1 M (t ) = M (0 )e + M (1 e z z T 0 ) Mx ( ) = My( ) = M ( ) = z M 0 0

19 CAMPO DE RF (B 1 ) Z M Precessão em torno de B 1 B 1 Y X

20 CAMPO DE RF (PULSO DE 90 O ) Z Y X

21 CAMPO DE RF (PULSO DE 90 O ) Z B 1 Y X

22 CAMPO DE RF (PULSO DE 90 O ) Z B 1 Y X

23 CAMPO DE RF (PULSO DE 90 O ) Z B 1 Y X

24 CAMPO DE RF (PULSO DE 90 O ) Z B 1 Y X

25 CAMPO DE RF (PULSO DE 90 O ) Z B 1 Y X

26 CAMPO DE RF (PULSO DE 90 O ) Z B 1 Y X

27 CAMPO DE RF (PULSO DE 90 O ) Z B 1 Y X

28 CAMPO DE RF (PULSO DE 90 O ) Z B 1 Y X

29 CAMPO DE RF (PULSO DE 90 O ) Z B 1 Y X

30 CAMPO DE RF (PULSO DE 90 O ) Z B 1 Y X

31 CAMPO DE RF (PULSO DE 90 O ) Z Ângulo de Flip: θ = 90 o B 1 Y O ângulo do flip é proporcional à amplitude e à duração de B 1 : X θ γ B 1 T p

32 CAMPO DE RF (PULSO DE 180 O ) Z Ângulo de Flip: θ = 180 o B 1 Y O ângulo do flip é proporcional à amplitude e à duração de B 1 : X θ γ B 1 T p

33 NADA DURA PARA SEMPRE Uma vez cessado o campo B1, a magnetização retorna à condição de equilíbrio; Z Sinal tempo Y Receptor de RF X

34 NADA DURA PARA SEMPRE Uma vez cessado o campo B1, a magnetização retorna à condição de equilíbrio; Z Sinal tempo Y Receptor de RF X

35 NADA DURA PARA SEMPRE Uma vez cessado o campo B1, a magnetização retorna à condição de equilíbrio; Z Sinal tempo Y Receptor de RF X

36 NADA DURA PARA SEMPRE Uma vez cessado o campo B1, a magnetização retorna à condição de equilíbrio; Z Sinal tempo Y Receptor de RF X

37 NADA DURA PARA SEMPRE Uma vez cessado o campo B1, a magnetização retorna à condição de equilíbrio; Z Sinal tempo Y Receptor de RF X

38 NADA DURA PARA SEMPRE Uma vez cessado o campo B1, a magnetização retorna à condição de equilíbrio; Z Sinal tempo Y Receptor de RF X

39 NADA DURA PARA SEMPRE Uma vez cessado o campo B1, a magnetização retorna à condição de equilíbrio; Z Sinal tempo Y Receptor de RF X

40 NADA DURA PARA SEMPRE Uma vez cessado o campo B1, a magnetização retorna à condição de equilíbrio; Z Sinal tempo Y Receptor de RF X

41 NADA DURA PARA SEMPRE Uma vez cessado o campo B1, a magnetização retorna à condição de equilíbrio; Z Sinal FID: free induction decay tempo Y Receptor de RF X

42 TEMPO DE RELAXAÇÃO TRANSVERSAL (T 2 ) Mxy 37% T2 t Relaxação Transversal: Decaimento da magnetização pela interação entre núcleos (relaxação spin-spin) A completa perda de coerência de fase no plano transversal ocorre com uma constante de tempo T 2

43 TEMPO DE RELAXAÇÃO LONGITUDINAL (T 1 ) M0 Mz 63% T1 t Relaxação Longitudinal: Transferência de energia entre os spins excitados e o tecido (relaxação spin-rede) O reestabelecimento da magnetização longitudinal ocorre com uma constante de tempo T 1

44 RM EM 5 PASSOS 1) Energia sob a forma de RF é transmitida aos prótons RF 1 H 2) Os prótons, absorvem esta energia, pois estão em ressonância (mesma freqüência) RF 1 H 4) Antenas especiais captam esses sinais e os convertem eletronicamente 1 H 3) Após um tempo característico, t, esta energia é reemitida 5) Esses sinais são processados e dão origem a imagens

45 FORMAÇÃO DE IMAGENS: CONCEITO Definição da localização espacial Definição da localização espacial das fontes que contribuem para o sinal detectado

46 UM EXEMPLO SIMPLES Entretanto, RM não utiliza mecanismos como projeção, reflexão ou refração, comumente utilizados em técnicas óticas de formação de imagens

47 FORMAÇÃO DE IMAGENS EM RM: FREQUÊNCIA E FASE θ = ωt ω θ A informação espacial dos prótons contribuindo para o sinal de RM é determinada pela frequência espacial e pela fase de sua magnetização

48 GRADIENTES Campos magnéticos adicionais ao cujas amplitudes variam em determinada direção de forma linear; A direção da variação pode mudar (X, Y, Z) entretanto, a direção do campo é sempre paralela a!!! z z z y y y x x x G x G y G z

49 GRADIENTES

50 GRADIENTES G y

51 GRADIENTES B G y

52 GRADIENTES B G y

53 GRADIENTES B G y

54 GRADIENTES B G y

55 GRADIENTES B G y

56 GRADIENTES B G y

57 GRADIENTES B G y

58 GRADIENTES B G y

59 GRADIENTES B G y

60 GRADIENTES B G y

61 GRADIENTES B G y

62 GRADIENTES B G y

63 GRADIENTES B G y

64 GRADIENTES B G y

65 GRADIENTES B G y

66 GRADIENTES: SOBREPOSIÇÃO A aplicação simultânea de dois gradientes resulta em G x G y

67 GRADIENTES: SOBREPOSIÇÃO A aplicação simultânea de dois gradientes resulta em G x G y

68 GRADIENTES: SOBREPOSIÇÃO A aplicação simultânea de dois gradientes resulta em um outro gradiente!!! G x G y

69 CODIFICAÇÃO DE FREQUÊNCIA ω = γ ( + G x x) G x t t t t ω Projeção do Objeto

70 CODIFICAÇÃO DE FASE Conceito de fase: t t t t

71 CODIFICAÇÃO DE FASE Conceito de fase: t t t t

72 CODIFICAÇÃO DE FASE Conceito de fase: t t t t

73 CODIFICAÇÃO DE FASE Conceito de fase: t t t t

74 CODIFICAÇÃO DE FASE Conceito de fase: t t t t

75 CODIFICAÇÃO DE FASE A fase acumulada (φ) é proporcional ao tempo do gradiente e sua amplitude (área sob a curva): φ = γ ( + G y y) t t t t t φ

76 CODIFICAÇÃO ESPACIAL: EXEMPLO UM POUCO MAIS COMPLEXO G x

77 CODIFICAÇÃO ESPACIAL: EXEMPLO UM POUCO MAIS COMPLEXO G y

78 CODIFICAÇÃO ESPACIAL: EXEMPLO UM POUCO MAIS COMPLEXO Espaço dos dados de RM 1 dado de RM Antes da codificação Após codificação de frequência (gradiente x) outro dado de RM mais um dado de RM Após codificação de fase (gradiente y)

79 ESPAÇO K Codificação de fase Passo #1 Ponto temporal #1 Ponto temporal #2 Ponto temporal #3 Codificação de fase Passo #2 Ponto Ponto Ponto temporal #1 temporal #2 temporal #3 Codificação de fase Passo #3 Ponto temporal #1 Ponto temporal #2 Ponto temporal #3 Codificação de Frequência

80 +Gy 0 Espaço Físico Espaço K ESPAÇO K +Gx -Gx 0 -Gy Cada um dos pontos no espaço k (mostrados em amarelo) consiste na soma do sinal de RM de todos os voxels no espaço da imagem quando submetidos ao campo de gradiente correspondente

81 ESPAÇO K Espaço k Imagem FT (FT -1 )

82 Imagem Completa Imagem de Intensidade Imagem de Detalhes Espaço k Completo Centro do Espaço k Bordas do Espaço k

83 O SISTEMA DE RM Equipamento de RM Bobina de RF Paciente Cama do Paciente Bobinas de Gradiente Magneto Scanner

84 RM: CAMPO MAGNÉTICO PRINCIPAL Estado da arte: Sistemas clínicos: 01T 30T Sistemas de animais: 20T 117T Curiosidades: 1 Tesla = Gauss Campo magnético da terra ~ 05 Gauss

85 IMAGENS POR RM: ANATÔMICAS Clinicamente utilizada em uma grande variedade de especialidades Mama Crânio Abdômen Coluna Coração A qualidade da imagem é geralmente descrita em termos da relação sinal ruído, da resolução espacial e do contraste

86 IMAGENS POR RM: ANATÔMICAS DP T2 DWI T1 MRA PWI

87 IMAGENS POR RM: FUNCIONAIS (TAREFAS MOTORAS) Mão Esquerda; Pé Esquerdo; Mão Direita; Pé Direito;

88 IMAGENS POR RM: FUNCIONAIS (CAFÉ E O CÉREBRO)

89 IMAGENS POR RM: APLICAÇÃO EM MODELOS ANIMAIS

90 UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Instituto de Física de São Carlos Centro de Imagens e Espectroscopia In Vivo por Ressonância Magnética OBRIGADO!!! Fernando F Paiva paiva@ifscuspbr