Ressonância Magnética: Imagens

Ressonância Magnética: Imagens 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

Breve revisão Elétrons possuem momentos magnéticos devido aos momentos angulares orbital e spin. Tais momentos interagem com campos magnéticos externos, Para um elétron em uma órbita, temos: Energia do momento magnético Relação entre o operador momento magnético e o operador momento linear Razão Giromagnética

Breve revisão A solução do sistema considera o momento magnético orbital e o número quântico m l, quando um campo B 0 é aplicado, temos: Momento magnético orbital na direção z Energia No caso do momento magnético do spin, o número quântico do spin é s=1/2, e a solução é semelhante mas considera o fator g do elétron, de forma que:

Breve revisão Como m s = ±1/2, há uma diferença entre as energias dos spins: Magneton de Bohr

Breve revisão A interpretação atribuída ao excesso de energia existente com a presença do campo é o movimento de precessão do elétron, como no giroscópio.

Breve revisão A diferença de energia entre os estados de spin está relacionado com uma radiação de frequência v. Ressonância Paramagnética Eletrônica (EPR) campos de 0.3 T.

Breve revisão Na temperatura ambiente, o número de spins de baixa energia, N+, é suavemente maior que o número de spins em alta energia, N-. A estatística de Boltzman nos informa que: N - /N + = e -E/kT. E é a diferença de energia entre os estados de spin, k é a constante de Boltzman, 1.3805x10-23 J/Kelvin, et ié a temperatura em Kelvin. 1.000.000 1.000.001

Breve revisão Da mesma forma para o elétron, funciona para o núcleo; neste caso os campos são da ordem de 2 a 20 T. A diferença de energia entre os estados de spin está relacionado com uma radiação de frequência v L. Que são conhecidas como freqüências de Larmor. Tais freqüências estão na ordem das radiofreqüências (MHz) para MRI. No caso do Hidrogênio:

Breve revisão Aplicando um campo magnético na direção z (longituinal) na radiofreqüência de Larmor, o núcleo transita forçosamente entre os dois estados de spin, porém tende a voltar ao estado inicial. A constante de tempo que descreve como M z =Σµ z retorna ao equilíbrio é chamada Tempo de Relaxação Longitudinal (T1) e reflete a interação spin. A equação que governa a relaxação é descrita abaixo: M z = M o ( 1 - e -t/t1 ) Essa relaxação está relacionada com transições spin-rede

Breve revisão Aplicando um campo magnético no plano xy (transverso, 90º) na freqüência de Larmor, o núcleo transita forçosamente entre os dois estados de energia, porém tende a voltar ao estado inicial. A constante de tempo que descreve como 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

Breve revisão Aplicando um campo magnético unidirecional transverso (90º) o momento magnético translada 90º. Se o campo tem várias direções em xy o momento segue perpendicular à direção do campo.

Ressonância Magnética - Imagens Radiação não-ionizante Alto contraste em tecido mole Imagens funcionais e anatômicas Boa resolução geométrica Alto custo ($ milhões) Durante o exame acesso restrito ao paciente

Imagens de uso médico

Ressonância Magnética - Imagens Etapas : Aplicar campo magnético estático 2. Selecionar corte aplicando campo magnético em gradiente 3. Aplicar pulsos de RF 4. Receber sinal de RF 5. Converter o sinal em imagem

Ressonância Magnética - Imagens Alguns núcleos atômicos são mais sensíveis aos efeitos da ressonância magnética. Como regra geral o núcleo deve ser desemparelhado. O Hidrogênio é o elemento mais explorado na IRM devido à quantidade de água e gordura no corpo. Nucle i Unpaired Protons Unpaired Neutrons Net Spin (MHz/T) 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

Ressonância Magnética - Imagens Como capturar o sinal de RF? Aplicando um campo em xy com polarização circular a corrente na bobina tem o formato de senóide.

Ressonância Magnética - Imagens Técnicas pulsadas em MRI Decaimento livre de indução (FID) aplicando um campo magnético no plano xy o núcleo decai espontaneamente devido à defasagem ressonante dos spins Aplicação de um pulso curto de RF na freqüência de Larmor 90 o Detecção do sinal de RF emitido pelo núcleo

Ressonância Magnética - Imagens 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

Ressonância Magnética - Imagens Técnicas pulsadas em MRI Pulso a 90º Quando dois elementos emitem campo na direção da bobina, o resultado final contém informação das duas freqüências contidas no sinal.

Ressonância Magnética - Imagens Técnicas pulsadas em MRI Pulso a 90º Devido a não homogeneidades do campo dentro dos tecidos, há spins que transitam um alargamento da banda de freqüências e uma taxa de relaxação transversa efetiva T 2 * pode ser medido.

Ressonância Magnética - Imagens Técnicas pulsadas em MRI Eco de spins (análogo ao eco audível) Tem o objetivo de minimizar os efeitos de alargamento das freqüência para que T 2 seja medido com eficiência. Após um pulso transversal ser emitido um novo pulso é emitido e cria a seqüência de pulsos em eco.

Ressonância Magnética - Imagens Técnicas pulsadas em MRI Eco de spins Primeiro há um pulso transversal que tende a por em fase os momentos no plano xy, na seqüência há uma natural defasagem e relaxamento do momento no plano xy (FID); neste instante é aplicado um pulso transversal de 180º, há a inversão dos spins e os mesmos voltam a se alinhar.

Ressonância Magnética - Imagens TE/2 TE/2 90 o 180 o

Ressonância Magnética - Imagens

Ressonância Magnética - Imagens Técnicas pulsadas em MRI Pulso a 180º (medida de T1) A magnetização no sentido oposto inverte as concentrações dos spins. O relaxamento do núcleo para voltar ao estado inicial permite a detecção de T1.

Equações de Block Ressonância Magnética - Imagens

Ressonância Magnética - Imagens Gradiente no campo magnetico estático Neste caso o campo magnético estático é aplicado com uma variação espacial conhecida. O resultado é a modulação da freqüência de resposta em função da distância. B = Bo + G x x Bo = 1,5 T Gx = 25 mt /cm Modulação da freqüência: df/dx = G x γ = 1 khz /cm = 100 Hz/mm FFT Gradiente tempo f

Imagem de uma fenda y x z Gz

90 o 180 o Slice selected echo Only signal from slice Normally chosen as z-direction Gz

90 o 180 o Read-out gradient Gz Gx

90 o 180 o Phase encoding gradient Gz Gy Gx

Repeat this, and you got the image m data points 2D FFT m n n repetitions

Another way to do imaging Select one slice! Do many experiments with different directions of readout gradient

Back projection

Filtered back projection Radon transformation ( MRI, CT, PET, Spect.) S.R. Deans, S. Roderick The Radon Transform and Some of its Applications. Wilwy, New York 1983

Slice selective MRI by back projection Repeat for many angles Many values Many values

Multi slice imaging

Inversion recovery imaging

MRI hardware

B 0 Magnet

Gradientes

Imagens!

Lumbar spine MRI Normal Prolaps Malignancy?

Liver Arrows point to multiple lesions in the liver demonstrating metastases.

IRM na Medicina

A Imagem - Devido as Bobinas de Gradiente, o equipamento de RM nos permite fazer imagens da estrutura desejada em formas de cortes em um sentido previamente especificado, como poderemos ver nos exemplos abaixo. - Para cada sentido escolhido, designimos um nome p/ o plano de corte da imagem. São eles : Sagital, Axial ou Coronal Coronal Sagital Axial Cabeça do Paciente

A imagem -Além da Bobina Gradiente, se torna necessário também para a aquisição da Imagem, as Bobinas de Rádio-Frequência. -São Responsáveis pela emissão e recepção dos sinais de rádio. Podemos classificá-las da seguinte forma: - Bobina Corporal :- está fica dentro do pórtico do magneto; circunda completamente o paciente, inclusive a mesa onde ele fica acomodado.

Obtenção da Imagem - Bobina de volume integral circunferenciais :- menores e separadas, também circundam a parte examinada... Ex: Bobina para Cabeça e a Bobina para membro. - Bobinas de superfície :- Estas são colocadas sobre a área a ser examinada. Geralmente, este tipo de Bobina, é utilizada para visualização de regiões mais superficiais... Ex.: Bobina para ombro. Principal vantagem, é o aumento da razão Sinal Ruído.

A Imagem - Parâmetros da Imagem Contraste do Objeto Para tratarmos deste assunto, usaremos os parâmetros de relaxamento já abordado; T1 e T2. Embora o Relaxamento T1 e T2 ocorram simultaneamente, estes são independentes entre si. Observe o tempo de relaxamento de alguns tecidos em T1 e T2

A Imagem - Parâmetros da Imagem Tecido Densidade Protônica T1 (ms) T2 (ms) LCE 10.8 2000 250 Subs. Cinzenta 10.5 300 118 Subs. Branca 11 150 133 Gordura 10.9 450 150 Músculo 11 250 64 Fígado 10 250 44 Observe que o T1 é maior que os tempos de relaxamento T2 p/ qualquer tecido ou igual a ele. Geralmente são escolhido sequências de pulsos para acentuar a diferença entre os tempos de relaxamento de diferentes tecidos. O constraste entre os tecidos é atingido na IRM final por acentuação destas diferenças

A Imagem - Parâmetros da Imagem Imagens ponderadas em T1: Afim de maximizar a diferença na intensidade de sinal baseada em tempos de relaxamento T1. O TR da seqüência é encurtado. Uma sequüencia de TR curto e TE curto produz uma imagem ponderada em T1. Isso permite que estruturas com tempos de relaxamento T1 curtos sejam brilhantes (gordura, líquidos proteinogênicos) e estruturas com T1 longo sejam escuras (neoplasia, edema, inflamação, líquido puro) Imagens ponderadas em T2: A Imagem ponderada em T2 emprega uma Imagens ponderadas em T2: A Imagem ponderada em T2 emprega uma seqüência de pulsos de TR longo e TE curto. Entretanto, quando TE é aumentado o contraste T2 aumenta, a razão sinal ruído geral diminui. As estruturas em uma imagem ponderada em T2 mostrarão inversão de contraste a partir das estruturas na imagem ponderada em T1. As estruturas com T2 longo apresentam-se brilhantes (neoplasia, edema, inflamação, líquido puro) As estruturas com T2 curto apresentam-se escuros (estruturas com ferro, como produtos de decomposição do sangue)

A Imagem - Parâmetros da Imagem Imagem Transversal com contraste por T1 Imagem Transversal com contraste por T2

A Imagem - Agentes de Contraste Atualmente, o agente de contraste mais popular para exames de RM, é o Gadolínio-DTPA (Gd-DTPA). Atualmente é ministrada uma dose de 0,2 ml/kg com a velocidade da injeção não excedendo 10 ml/min As vantagens do Gd-DTPA são: - menor toxidade e menos efeitos colaterais que o contraste iodado - O Contraste permanece no corpo da pessoal cerca de 60 min. O que nos da um bom tempo para a realização do exame.. (uma vez que um Exame de RM dura em torno de 40 a 50 min) Contra indicação: - Insifuciência renal.. Uma vez que o contraste é eliminado pela urina

RM - Riscos e Precauções A Energia liberada pelo IRM não ionizante, o que livra o paciente dos riscos ocasionadas pelas energias ionizantes No entanto o campo magnético gerado pela bobina do aparelho de RM representa alguns riscos... Ex: Torções de objetos Metálicos: - Estão completamente proibidas de fazer uma IRM, pessoas que tenham grampos cirúrgicos dentro do corpo, como por exemplo, pacientes com grampos em aneurismas intracrânianos. - Próteses metálicas dentro do corpo; - artefatos de metal como projéteis de arma de foro ou estilhaço de granada

RM - Riscos e Precauções Ex: Interferências Elétricas com Implantes Eletromecânicos: - Também são proíbidas de fazer os exames pessoas com marcapasso. - Outros dispositivos que podem ser afetados pela IRM são, cartões e fitas magnéticas, relógios analógicos. Interferências Elétricas com Funções Normais das Células Nervosas e fibras Musculares: - Os campos magnéticos induzidos por gradiente que se modificam rapidamente podem causar corrente elétrica nos tecidos. Estes podem ser suficientemente grandes para interferir com a função normal de células nervosas e fibras musculares Pacientes com Claustrofobia Aquecimento Local de Tecidos e Objetos Metálicos

RM - Riscos e Precauções - Apesar de não haver evidência de que exista qualquer risco para o feto, recomenda-se às gestantes realizar o exame após o primeiro trimestre de gravidez. Exames antes deste período podem ser realizados desde que o diagnóstico seja imprescindível à gestante

Distâncias Minímas recomendadas A Intensidade do Campo Magnético é inversamente prop. Ao cubo da distância

RM - Aplicações Médicas A seguir, serão apresentados os exames mais comuns feitos por IRM, serão também descritas as orientaçoes para o exame. O principal objetivo de um exame por RM é a boa qualidade da imagem em um limite de tempo aceitável Os exames mais comuns são:

RM - Aplicações Médicas Imagens do Encéfalo Cortes de Rotina: (Sagital, Coronal e Axial) Estruturas mais bem Demonstradas: (Subst. Cinzenta, Subst. Branca Tecido Nervoso, gânglios da Base, ventrílogo, tronco e encéfalo Patologia Demonstrada: Doenças da Subst. Branca, principalmente esclerose múltipla Agente de Contraste: Gd-DTPA com imagens ponderadas em T1 Bobina para Cabeça Padrão

RM - Aplicações Médicas Imagem transversal com contraste por T1, mostrando área hipointensa típica de AVC antigo. Imagem transversal com contraste por T2, mostrando área hiperintensa típica de AVC recente.

RM - Aplicações Médicas Imagem da Coluna Cortes de Rotina: (Sagital e Axial) Estruturas mais bem Demonstradas: (Medula espinhal, tecido nervoso, discos intervertebrais, medula óssea, espaços entre as articulações interfacetárias, veia basivertebral, ligamento amarelo Patologia Demonstrada: Herniação e degeneração do disco, alterações do osso e da medula óssea, neoplasia, doença inflamatória e desmielinizante Agente de Contraste: Gd-DTPA com ponderação Posição do Paciente: Paciente deitado de costas, cabeça primeiro p/ coluna cervical e pés primeiro para coluna lombar

RM - Aplicações Médicas Imagens Sagitais da coluna lombar com contraste por densida de, mostrando protusão dos discos invertebrais l3, l4 e l4 -l5

RM - Aplicações Médicas Imagens do Membro e Articulação Cortes de Rotina: (Sagital, Coronal e Axial) Estruturas mais bem Demonstradas: (Gordura, músculo, ligamentos, tendões, nervos, vasos sanguíneos, medula óssea) Patologia Demonstrada: Disturbios da medula óssea, tumores dos tecidos moles, osteonecrose, rupturas de ligamento e tendão. Posicionamento no Aparelho: Cabeça ou pé primeiro, deitado de costas ou de barriga, Anatomia de interesse centralizada na bobina. Bobina centralizada no magneto principal.

RM - Aplicações Médicas Imagem Coronal com contraste por T1, Mostrando Ruptura do menisco medial Imagem Sagital com contraste por T1, Mostrando Ruptura do menisco medial

RM - Aplicações Médicas Imagens do Abdome e da Pelve Cortes de Rotina: (Sagital, Coronal e Axial) Estruturas mais bem Demonstradas: (Fígado, pâncreas, baço, suprarenais, vesícula biliar, rim, vasos, órgãos da reprodução. Patologia Demonstrada: Tamanho do tumor e estadiamento de tumores, principalmente tumores pediátricos, tais como neuroblastoma e tumor de Wilms. Preparo para o exame: Neste caso, os pacientes podem ser instruídos a jejuar ou consumir apenas liquídos coados 4 hs antes do exame.

RM - Aplicações Médicas Abdomem Orientação axial Abdomem Orientação axial