Imagens de Ressonância Magnética Prof. Emery Lins emery.lins@ufabc.edu.br Curso de Bioengenharia CECS, Universidade Federal do ABC
Ressonância Magnética: Princípios físicos Definições e histórico Fundamentos físicos para geração dos Raios-X Instrumentação Ressonância Magnética: Imagens e instrumentação Fundamentos Instrumentação Aplicação Roteiro Ressonância Magnética: Imagens anatômicas e funcionais Fundamentos Instrumentação Aplicação
Revisão dos conceitos FUNDAMENTOS DA RMN As propriedades de ressonância magnética têm origem na interação entre um átomo em um campo magnético externo forte; É um fenômeno em que partículas contendo momento angular e momento magnético exibem um movimento de precessão quando estão sob ação de um campo magnético externo. Os principais átomos que compõem o tecido humano são: hidrogênio, oxigênio, carbono, fósforo, cálcio, flúor, sódio, potássio e nitrogênio. Estes átomos, exceto o hidrogênio, possuem no núcleo atômico prótons e nêutrons. MAZZOLA, AA. Revista Brasileira de Física Médica. 2009;3(1):117-29.
Revisão dos conceitos FUNDAMENTOS DA RMN O hidrogênio é o elemento visualizado nas Imagens de Ressonância Magnética voltada para o diagnóstico médico, pois ele: - É o elemento mais abundante no corpo humano: cerca de 10% do peso corporal; - As características de RMN se diferem bastante entre o hidrogênio presente no tecido normal e no tecido patológico; - O próton do hidrogênio possui o maior momento magnético e, portanto, a maior sensibilidade a RMN. MAZZOLA, AA. Revista Brasileira de Física Médica. 2009;3(1):117-29.
Revisão dos conceitos FUNDAMENTOS DA RMN MAZZOLA, AA. Revista Brasileira de Física Médica. 2009;3(1):117-29.
Revisão dos conceitos FUNDAMENTOS DA RMN Os momentos de spin do núcleo estão relacionados com movimentos paralelos ou anti-paralelos ao campo existente, e a energia desses estados depende do número quântico de spin. MAZZOLA, AA. Revista Brasileira de Física Médica. 2009;3(1):117-29.
Revisão dos conceitos FUNDAMENTOS DA RMN Analogia com os elétrons Energia do momento magnético Relação entre o operador momento magnético e o operador momento linear Razão Giromagnética ATKINS e DE PAULA. Físico-Química, 2º. Edição.
Revisão dos conceitos FUNDAMENTOS DA RMN Analogia com os elétrons No caso do momento magnético do spin, o número quântico do spin é s=1/2, e a solução é semelhante mas considera o fator g do elétron. ATKINS e DE PAULA. Físico-Química, 2º. Edição.
Revisão dos conceitos FUNDAMENTOS DA RMN ATKINS e DE PAULA. Físico-Química, 2º. Edição.
Revisão dos conceitos FUNDAMENTOS DA RMN A interpretação atribuída ao excesso de energia existente com a presença do campo é o movimento de precessão do elétron, como no giroscópio. ATKINS e DE PAULA. Físico-Química, 2º. Edição.
Revisão dos conceitos FUNDAMENTOS DA RMN MAZZOLA, AA. Revista Brasileira de Física Médica. 2009;3(1):117-29.
Revisão dos conceitos FUNDAMENTOS DA RMN Para os núcleos, os campos são da ordem de 2 a 20 T e a diferença de energia entre os estados de spin está relacionado com uma radiação de frequência v L conhecidas como freqüências de Larmor. Tais freqüências estão na ordem das radiofreqüências (MHz) para MRI. Nucl Unpaired Unpaired Net ei Protons Neutrons Spin (MHz/T) 1 H 1 0 1/2 42.58 2 H 1 1 1 6.54 31 P 0 1 1/2 17.25 23 Na 0 1 3/2 11.27 14 N 1 1 1 3.08 13 C 0 1 1/2 10.71 19 F 0 1 1/2 40.08 ATKINS e DE PAULA. Físico-Química, 2º. Edição.
Revisão dos conceitos FUNDAMENTOS DA RMN O sinal detectado na RMN é divido ao desequilíbrio entre o número de núcleos com spin paralelos e anti-paralelos ao campo magnético externo. N - /N + = e -E/kT. E é a diferença de energia entre os estados de spin, k é a constante de Boltzman, 1.3805x10-23 J/Kelvin, T é a temperatura em Kelvin. MAZZOLA, AA. Revista Brasileira de Física Médica. 2009;3(1):117-29.
Imagens da Ressonância Magnética A figura mostra que haverá momento magnético resultante na direção z do campo externo aplicado (momento longitudinal), porém não haverá magnetização no plano xy (momento transversal) devido à falta de fase entre os movimentos de precessão dos núcleos. Um artifício para a formação de imagens é a aplicação de um pulso de RF em fase com a frequência de Larmor da precessão e transverso a M0. Isso garantiria um campo magnético resultante no plano x-y (direção da bobina). MAZZOLA, AA. Revista Brasileira de Física Médica. 2009;3(1):117-29.
Imagens da Ressonância Magnética O efeito resultante no vetor magnetização (vetor M) é o de afastá-lo, por um dado ângulo de desvio (α), do alinhamento com B0. Um dos pulsos de RF mais utilizados é o que irá resultar em um ângulo de desvio de 90º (pulso de excitação), transferindo assim todo o vetor M para o plano transversal. ATKINS e DE PAULA. Físico-Química, 2º. Edição.
Imagens da Ressonância Magnética Pulsos de 180º também são utilizados e são chamados de pulsos de inversão. MAZZOLA, AA. Revista Brasileira de Física Médica. 2009;3(1):117-29.
Imagens da Ressonância Magnética Em resumo, a aplicação do pulso de RF causa dois efeitos: Transfere energia para o vetor magnetização, desviando-o do alinhamento, ou jogando-o para o plano transversal, quando for de 90º; Faz com que os núcleos precessem, momentaneamente, em fase no plano transversal. Cessando a RF, é possível medir o processo de relaxação dos spins de volta ao seu estado inicial e duas constantes de tempo foram criadas para caracterizar os processos envolvidos: T1 e T2. T1 está relacionada ao retorno da magnetização para o eixo longitudinal e é influenciada pela interação dos spins com a rede. T2 faz referência à redução da magnetização no plano transversal e é influenciada pela interação spin-spin (dipolo-dipolo). MAZZOLA, AA. Revista Brasileira de Física Médica. 2009;3(1):117-29.
Imagens da Ressonância Magnética A constante de tempo que descreve como M z = Σ µ z retorna ao equilíbrio é chamada Tempo de Relaxação Longitudinal (T1) e reflete a interação spin-rede. A equação que governa a relaxação é descrita abaixo: M z = M o ( 1 - e -t/t1 )
Imagens da Ressonância Magnética A constante de tempo que descreve como M xy retorna ao equilíbrio é chamada Tempo de Relaxação Transversal (T2). A equação que governa a relaxação é descrita abaixo: M XY =M XYo e -t/t2 Essa relaxação está relacionada com transições spin-spin
Imagens da Ressonância Magnética Variações locais do B 0 causam defasagem dos momentos magnéticos, aumentando ainda mais a relaxação no plano transversal e acelerando o decaimento do sinal de indução livre. É conveniente definir outra constante de tempo, chamada T2* T2 inomog : descreve o decaimento adicional no sinal devido a inomogeneidades do campo. Estas inomogeneidades podem ter origem nas próprias diferenças de composição dos tecidos do corpo, como também em imperfeições na fabricação e ajustes do magneto. MAZZOLA, AA. Revista Brasileira de Física Médica. 2009;3(1):117-29.
Imagens da Ressonância Magnética
Imagens da Ressonância Magnética Os valores de T1 e T2 variam de acordo com o tipo do tecido: MAZZOLA, AA. Revista Brasileira de Física Médica. 2009;3(1):117-29.
Imagens da Ressonância Magnética Como capturar o sinal de RF? Aplicando um campo em xy com polarização circular a corrente na bobina tem o formato de senóide.
Imagens da Ressonância Magnética Técnicas pulsadas em MRI Decaimento livre de indução (FID) aplicando um campo magnético no plano xy o núcleo decai espontaneamente devido à defasagem ressonante dos spins Aplicação de um pulso curto de RF na freqüência de Larmor 90 o Detecção do sinal de RF emitido pelo núcleo
Imagens da Ressonância Magnética Técnicas pulsadas em MRI Pulso a 90º (medida de T 2 ) Cada tipo de tecido possui seu próprio tempo de decaimento T 2. Aplicando a Transformada de Fourier, temos: F tempo F -1 freqüência
Imagens da Ressonância Magnética
Imagens da Ressonância Magnética Técnicas pulsadas em MRI Eco de spins Um aspecto fundamental para a coleta do sinal que irá gerar a imagem de ressonância magnética é o fenômeno de formação de ecos. Este fenômeno foi observado e descrito por Hahn em 1950 e é a base para estudarmos sequências de pulso. Hahn descreveu que, se excitarmos os prótons com um pulso de RF inicial e, após um determinado tempo t, enviarmos um segundo pulso, observaremos que, além do surgimento de sinal na bobina após o primeiro pulso (SIL), também haverá o surgimento de um segundo sinal. Este segundo sinal é um eco do primeiro e aparece na bobina num tempo igual a 2t. O surgimento do eco é um processo natural e ocorre devido a refasagem dos momentos magnéticos induzida pelo segundo pulso de RF.
Imagens da Ressonância Magnética Técnicas pulsadas em MRI Eco de spins Podemos controlar o momento em que o eco irá surgir através dos tempos e de aplicação dos pulsos, porém a defasagem e refasagem será dependente dos tipos de tecido em questão. Há um pulso transversal que tende a por em fase os momentos no plano xy, na seqüência há uma natural defasagem e relaxamento do momento no plano xy; neste instante é aplicado um pulso transversal de 180º, há a inversão dos spins e os mesmos voltam a se alinhar.
Imagens da Ressonância Magnética Técnicas pulsadas em MRI Eco de spins
Imagens da Ressonância Magnética Técnicas pulsadas em MRI Sequência de Eco de spins (SPIN Eco) A sequência de pulso spin eco se caracteriza pela aplicação de um pulso inicial de RF de 90º, seguido de um pulso de RF de 180º. Como já descrito anteriormente, o intervalo de tempo t entre a aplicação destes dois pulsos irá determinar o surgimento do eco em 2t. Chamamos de tempo de eco (TE) o intervalo de tempo entre a aplicação do pulso inicial de RF de 90º e o pico do eco. O tempo entre sucessivos pulsos de RF de 90º é chamado de TR, ou tempo de repetição. Enquanto o TE determina o quanto de relaxação no plano longitudinal estará presente no eco, o TR estabelece o quanto de magnetização longitudinal se recuperou entre sucessivos pulsos de 90º.
Imagens da Ressonância Magnética Técnicas pulsadas em MRI Sequência de Eco de spins (SPIN Eco)
Imagens da Ressonância Magnética Formação de Imagens em MRI Gradientes de campo magnético Considerando que o campo magnético produzido pelo magneto possui um valor único e uniforme, se todo um volume de tecido, como o cérebro, for posicionado neste campo, e se um pulso de RF for enviado com valor de frequência exatamente igual à frequência de precessão dos prótons de hidrogênio, todo o volume será excitado. Os prótons de hidrogênio do volume como um todo receberão energia do pulso de RF e retornarão sinal para a bobina. Este sinal contém informação de todo o tecido cerebral, mas não possibilita que saibamos de que parte do cérebro ele provém.
Imagens da Ressonância Magnética Formação de Imagens em MRI Gradientes de campo magnético Para formar uma imagem bidimensional (2D), é preciso selecionar um corte do corpo para que, dentro deste corte, possa haver uma matriz de pontos organizada em linhas e colunas. Para cada elemento desta matriz (pixel) deve ser obtido o valor de intensidade de sinal, para que através de uma escala de tons de cinza ou cores possamos visualizar a imagem final. Com a introdução dos chamados gradientes de campo magnético, poderemos variar linearmente em uma dada direção a intensidade do campo magnético:
Imagens da Ressonância Magnética Formação de Imagens em MRI Gradientes de campo magnético
Imagens da Ressonância Magnética Formação de Imagens em MRI Gradientes de campo magnético Gz: intensidade do gradiente aplicado (mt/m) na direção z; Bz(z): novo valor de campo magnético numa dada posição z. O novo campo criado localmente com o acionamento do gradiente fará com que a frequência de precessão mude, ou seja, cada posição do tecido na direção de aplicação do gradiente atinja precessão em uma frequência diferente. A frequência poderá ser usada, agora, para localizar espacialmente o sinal. O acionamento de um gradiente de campo também altera a fase dos spins. Esta alteração é proporcional ao tempo que o gradiente fica ligado e amplitude do gradiente. Juntas, fase e frequência poderão fornecer informações espaciais do sinal.
Imagens da Ressonância Magnética Formação de Imagens em MRI Seleção do corte - São necessárias três etapas para a codificação do sinal de forma a obter uma imagem de RM: seleção de corte, codificação de fase e codificação de frequência. Cada etapa representa o acionamento de gradientes em uma dada direção. Se o gradiente de seleção de corte for acionado na direção z, cada posição ao longo do eixo da mesa irá precessar com um valor diferente de frequência. Se este gradiente permanecer ligado, podemos enviar um pulso de RF com frequência central de precessão igual a da região que queremos excitar. Assim, dividimos o paciente em cortes axiais. Os outros dois gradientes (codificação de fase e frequência) serão acionados nos eixos que restaram (x e y ou y e x).
Imagens da Ressonância Magnética Formação de Imagens em MRI Seleção do corte - Quando o gradiente de codificação de fase é acionado, alteramos a fase dos spins de forma proporcional à sua localização. Assim, um dos eixos do corte fica mapeado com a fase. É necessário acionar n vezes o gradiente de codificação de fase. Cada vez que é acionado, altera-se a amplitude do gradiente. No momento da leitura do sinal, o gradiente de codificação de frequência é acionado na direção restante. Desta forma, o segundo eixo do corte ficará mapeado em frequência.
Imagens da Ressonância Magnética Formação de Imagens em MRI Seleção do corte -
Hardware da Ressonância Magnética
Hardware da Ressonância Magnética B 0
Hardware da Ressonância Magnética
RM - Aplicações Médicas Imagens do Encéfalo Cortes de Rotina: (Sagital, Coronal e Axial) Estruturas mais bem Demonstradas: (Subst. Cinzenta, Subst. Branca Tecido Nervoso, gânglios da Base, ventrílogo, tronco e encéfalo Patologia Demonstrada: Doenças da Subst. Branca, principalmente esclerose múltipla Agente de Contraste: Gd-DTPA com imagens ponderadas em T1 Bobina para Cabeça Padrão
RM - Aplicações Médicas Imagem transversal com contraste por T1, mostrando área hipointensa típica de AVC antigo. Imagem transversal com contraste por T2, mostrando área hiperintensa típica de AVC recente.
RM - Aplicações Médicas Imagem da Coluna Cortes de Rotina: (Sagital e Axial) Estruturas mais bem Demonstradas: (Medula espinhal, tecido nervoso, discos intervertebrais, medula óssea, espaços entre as articulações interfacetárias, veia basivertebral, ligamento amarelo Patologia Demonstrada: Herniação e degeneração do disco, alterações do osso e da medula óssea, neoplasia, doença inflamatória e desmielinizante Agente de Contraste: Gd-DTPA com ponderação Posição do Paciente: Paciente deitado de costas, cabeça primeiro p/ coluna cervical e pés primeiro para coluna lombar
RM - Aplicações Médicas Imagens Sagitais da coluna lombar com contraste por densida de, mostrando protusão dos discos invertebrais l3, l4 e l4 -l5
RM - Aplicações Médicas Imagens do Membro e Articulação Cortes de Rotina: (Sagital, Coronal e Axial) Estruturas mais bem Demonstradas: (Gordura, músculo, ligamentos, tendões, nervos, vasos sanguíneos, medula óssea) Patologia Demonstrada: Disturbios da medula óssea, tumores dos tecidos moles, osteonecrose, rupturas de ligamento e tendão. Posicionamento no Aparelho: Cabeça ou pé primeiro, deitado de costas ou de barriga, Anatomia de interesse centralizada na bobina. Bobina centralizada no magneto principal.
RM - Aplicações Médicas Imagem Coronal com contraste por T1, Mostrando Ruptura do menisco medial Imagem Sagital com contraste por T1, Mostrando Ruptura do menisco medial
RM - Aplicações Médicas Imagens do Abdome e da Pelve Cortes de Rotina: (Sagital, Coronal e Axial) Estruturas mais bem Demonstradas: (Fígado, pâncreas, baço, suprarenais, vesícula biliar, rim, vasos, órgãos da reprodução. Patologia Demonstrada: Tamanho do tumor e estadiamento de tumores, principalmente tumores pediátricos, tais como neuroblastoma e tumor de Wilms. Preparo para o exame: Neste caso, os pacientes podem ser instruídos a jejuar ou consumir apenas liquídos coados 4 hs antes do exame.
RM - Aplicações Médicas Abdomem Orientação axial Abdomem Orientação axial
Imagens!
Exemplos da Ressonância Magnética (Espinha) Normal Prolaps Malignancy?
Exemplos da Ressonância Magnética (Fígado) Arrows point to multiple lesions in the liver demonstrating metastases.