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

Roteiro

� Fundamentos

� Instrumentação

� Aplicação

Ressonância Magnética: Imagens anatômicas e funcionais� Fundamentos

� Instrumentação

� Aplicação

Energia do momento magnético

Breve revisão

Elétrons possuem momentos magnéticos devido aos momentos angularesorbital e spin. Tais momentos interagem com campos magnéticos externos,Para um elétron em uma órbita, temos:

Relação entre o operador momento magnéticoe o operador momento linear

Razão Giromagnética

Momento magnético orbital na direção z

Breve revisão

Energia

A solução do sistema considera o momento magnético orbital e o númeroquântico ml, quando um campo B0 é aplicado, temos:

Energia

No caso do momento magnético do spin, o número quântico do spin é s=1/2, ea solução é semelhante mas considera o fator g do elétron, de forma que:

Breve revisão

Como ms = ±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 docampo é o movimento de precessão do elétron, como no giroscópio.

Breve revisão

A diferença de energia entre os estados de spin está relacionado com umaradiação de frequência v .

Ressonância Paramagnética Eletrônica (EPR) – campos de 0.3 T.

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

Breve revisão

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 campossão da ordem de 2 a 20 T. A diferença de energia entre os estados de spin estárelacionado com uma radiação de frequência vL .

Que são conhecidas como freqüências de Larmor. Tais freqüências estão naordem das radiofreqüências (MHz) para MRI.

No caso do Hidrogênio:

A constante de tempo que descrevecomo Mz = Σ µz retorna ao equilíbrioé chamada Tempo de RelaxaçãoLongitudinal (T1) e reflete a

Aplicando um campo magnético na direção z (longituinal) na radiofreqüênciade Larmor, o núcleo transita forçosamente entre os dois estados de spin,porém tende a voltar ao estado inicial.

Breve revisão

Longitudinal (T1) e reflete ainteração spin. A equação quegoverna a relaxação é descritaabaixo:

Mz = Mo ( 1 - e-t/T1 )

Essa relaxação está relacionada com transições spin-rede

A constante de tempo que descrevecomo Mxy retorna ao equilíbrio échamada Tempo de RelaxaçãoTransversal (T2). A equação que

Aplicando um campo magnético no plano xy (transverso, 90º) na freqüência deLarmor, o núcleo transita forçosamente entre os dois estados de energia,porém tende a voltar ao estado inicial.

Breve revisão

Transversal (T2). A equação quegoverna a relaxação é descritaabaixo:

MXY =MXYo e-t/T2

Essa relaxação está relacionada com transições spin-spin

Breve revisão

Aplicando um campo magnético unidirecional transverso (90º) o momentomagnético translada 90º. Se o campo tem várias direções em xy o momentosegue perpendicular à direção do campo.

• Radiação não-ionizante

• Alto contraste em tecido mole

• Imagens funcionais e anatômicas

• Boa resolução geométrica

Ressonância Magnética - Imagens

• Boa resolução geométrica

• Alto custo ($ milhões)

• Durante o exame acesso restrito ao paciente

Imagens de uso médico

Etapas : • Aplicar campo magnético estático

• 2. Selecionar corte aplicando campo magnético emgradiente

• 3. Aplicar pulsos de RF

Ressonância Magnética - Imagens

• 4. Receber sinal de RF

• 5. Converter o sinal em imagem

Nuclei

Unpaired Protons

Unpaired Neutrons

Net Spin (MHz/T)

1H 1 0 1/2 42.58

Ressonância Magnética - Imagens

Alguns núcleos atômicos são mais sensíveis aos efeitos da ressonânciamagnética. Como regra geral o núcleo deve ser desemparelhado.

O Hidrogênio é o elemento mais explorado na IRM devido à quantidade deágua e gordura no corpo.

1H 1 0 1/2 42.58

2H 1 1 1 6.54

31P 0 1 1/2 17.25

23Na 0 1 3/2 11.27

14N 1 1 1 3.08

13C 0 1 1/2 10.71

19F 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 temo formato de senóide.

90o

Aplicação de um pulso curto de RF na freqüência de Larmor

Ressonância Magnética - Imagens

Técnicas pulsadas em MRI

Decaimento livre de indução (FID) – aplicando um campo magnético no planoxy o núcleo decai espontaneamente devido à defasagem ressonante dos spins

Detecção do sinal de RF emitido pelo núcleo

Ressonância Magnética - Imagens

Técnicas pulsadas em MRI

Pulso a 90º (medida de T2) – Cada tipo de tecido possui seu próprio tempo dedecaimento T2. Aplicando a Transformada de Fourier, temos:

F

tempo

freqüência

F

F-1

Ressonância Magnética - Imagens

Técnicas pulsadas em MRI

Pulso a 90º – Quando dois elementos emitem campo na direção da bobina, oresultado 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, háspins que transitam um alargamento da banda de freqüências e uma taxa derelaxação transversa efetiva T2* pode ser medido.

Ressonância Magnética - Imagens

Técnicas pulsadas em MRI

Eco de spins (análogo ao eco audível) – Tem o objetivo de minimizar os efeitosde alargamento das freqüência para que T2 seja medido com eficiência.

Após um pulso transversal ser emitido umnovo pulso é emitido e cria a seqüêncianovo pulso é emitido e cria a seqüênciade pulsos em eco.

Ressonância Magnética - Imagens

Técnicas pulsadas em MRI

Eco de spins – Primeiro há um pulso transversal que tende a por em fase osmomentos no plano xy, na seqüência há uma natural defasagem e relaxamentodo momento no plano xy (FID); neste instante é aplicado um pulso transversalde 180º, há a inversão dos spins e os mesmos voltam a se alinhar.

90o 180o

TE/2 TE/2

Ressonância Magnética - Imagens

Ressonância Magnética - Imagens

Ressonância Magnética - Imagens

Técnicas pulsadas em MRI

Pulso a 180º (medida de T1) – A magnetização no sentido oposto inverte asconcentrações dos spins. O relaxamento do núcleo para voltar ao estado inicialpermite a detecção de T1.

Ressonância Magnética - Imagens

Equações de Block

B = Bo + Gx x

Gradiente no campo magnetico estático

Neste caso o campo magnético estático é aplicado com uma variação espacialconhecida. O resultado é a modulação da freqüência de resposta em função dadistância.

Ressonância Magnética - Imagens

Bo = 1,5 T

Gx = 25 mT /cm

Modulação da freqüência:

df/dx = Gx γ = 1 kHz /cm = 100 Hz/mm

Gradiente

FFT ����

tempo f

Imagem de uma fenda

Gzz

x

y

Slice selected echo

90o

180o

Gz

Only signal from slice

Normally chosen as z-direction

Read-out gradient90o

180o

Gz

Gx

Phase encoding gradient

90o

180o

Gz

Gx

Gy

Repeat this, and you got the image

m data points

n repetitions

2D FFT

n

m

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

Many values

Many values

Repeat

for

many angles

Multi slice imaging

Inversion recovery imaging

MRI hardware

Magnet

B0

Gradientes

Imagens!

Lumbar spine MRI

Normal ProlapsMalignancy ?

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

Cabeça do Paciente

Coronal

Sagital

Axial

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 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 jáabordado; 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 T2entre si. Observe o tempo de relaxamento de alguns tecidos em T1 e T2

A Imagem - Parâmetros da Imagem

TecidoDensidade

ProtônicaT1 (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

Gordura 10.9 450 150

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 T1Imagem 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: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 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 recomendadasA 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 aceitávelem um limite de tempo aceitável

Os exames mais comuns são:

RM - Aplicações Médicas

Imagens do EncéfaloCortes de Rotina: (Sagital, Coronal e Axial)

Estruturas mais bem Demonstradas: (Subst. Cinzenta, Subst. BrancaTecido Nervoso, gânglios da Base, ventrílogo, tronco e encéfalo

Patologia Demonstrada: Doenças da Subst. Branca, principalmente

esclerose múltipla 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 hipo-intensa típica de AVC antigo.

Imagem transversal com contraste

por T2, mostrando área hiper-intensa 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 ponderaçãoPosição 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 densidade, 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.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 PelveCortes 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 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