PRINCÍPIOS BÁSICOS DE FÍSICA DA RNM

Catarina Borges – A3Fevereiro/2014

INTRODUÇÃO

Primeiramente é preciso relembrar algumas coisas... Os átomos são compostos pelo núcleo, pelos

prótons, com carga positiva, e nêutrons, sem carga, e os elétrons, com carga negativa, que ficam orbitando o núcleo.

Número Atômico – soma dos prótons; Número de Massa – prótons + nêutrons; Átomo estável – número elétrons = prótons; Átomo instável – número elétrons ≠ prótons;Íons.

INTRODUÇÃO

A imagem por RM é o resultado da interação de um forte campo magnético (produzido pelo equipamento) com os prótons de H do tecido > criando uma condição para enviar pulso de radiofrequência e após coletar a RF modificada por bobina/antena > o sinal é processado > imagem.

INTRODUÇÃO

RM – átomos devem ter: Corrente elétrica Número ímpar de prótons

INTRODUÇÃO

INTRODUÇÃO

Cada átomo possui movimentos característicos, sendo que os elétrons giram no seus próprios eixos e ao redor do núcleo, além do núcleo girar constantemente ao redor do seu próprio eixo, sendo que este último é o conhecido spin.

INTRODUÇÃO

O próton tem uma carga positiva, portanto como o próton possui o movimento de spin a carga elétrica roda também, e uma carga elétrica em movimento é uma corrente elétrica, e a uma corrente elétrica induz a formação de um campo magnético, como se fosse um pequeno imã, com pólo positivo e pólo negativo.

INTRODUÇÃO

INTRODUÇÃO Os prótons normalmente, sem efeito de um

campo magnético externo, estão alinhados de forma aleatória. Ou seja, na temperatura corporal normal e sob a

ação do fraco campo magnético da Terra os momentos magnéticos se distribuem de forma randômica, fazendo com que a magnetização do tecido seja NULA.

Entretanto, se são expostos a um campo magnético externo, no caso da RM o B0, estes tendem a se alinhar com este campo, como se fossem imãs de bússola. Mas nem todos os prótons se alinham da mesma forma, acompanhando o sentido do campo magnético.

INTRODUÇÃO

INTRODUÇÃO

Entretanto, os vetores podem se alinhar de duas formas: no sentido paralelo ou no sentido antiparalelo.

Estes alinhamentos estão em níveis diferentes de energia. Para que um próton se alinhe no sentido antiparalelo, ele precisa ter uma energia térmica maior que o restante dos prótons, a fim de vencer o campo magnético.

Entretanto, sempre haverá uma quantidade pouco maior de prótons alinhados no sentido paralelo, de mais baixa energia. Estes prótons alinhados podem ser representados por vetores, que representam uma força e uma direção, e deste modo a soma dos vetores alinhados de forma paralela formam um vetor de magnetização efetivo.

INTRODUÇÃO

Paralelo e antiparalelo: Alta energia térmica – vence B0 – antiparalelo (spin-

down); Baixa energia térmica – à favor de B0 – paralelo (spin-

up).

Sempre há maioria paralela – produção de um vetor de magnetização efetivo (VME);

INTRODUÇÃO

O campo magnético induz a formação de um movimento oscilatório dos prótons ao redor do eixo do campo magnético, é o chamado movimento de precessão, como se fosse um pião. A RM é um fenômeno em que partículas contendo

momento magnético exibem movimento de precessão quando estão sob a ação de um forte campo magnético.

Este movimento possui uma forma de trajetória circular, a trajetória de precessão, e a velocidade com que movimento nesta trajetória é a velocidade ou frequência de precessão.

INTRODUÇÃO Campo – induz oscilação adicional dos núcleos

ao redor do eixo B0 – precessão; Forma uma trajetória circular – trajetória de

precessão; Velocidade de precessão – megahertz (MHz);

INTRODUÇÃO

Equação de Larmor: Dita a frequência de precessão: Razão giromagnética é constante para 1T (H = 42,57

MHz/T); Denominada então frequência de Larmor.

INTRODUÇÃO

Ressonância Transferência de energia. Para empurrar a criança, é preciso

estar em ressonância com o movimento pendular do balanço!

INTRODUÇÃO Ressonância

Objeto é exposto a uma perturbação oscilatória com frequência próxima à sua natural;

Ganha energia externa – entra em ressonância;

Pulso de RF deve ser igual à de Larmor – excitação.

INTRODUÇÃO

Pulso de RF – pulso de onda eletromagnética que irá perturbar os prótons – para tanto esta pulso deve ter uma frequência igual à frequência de precessão para poder trocar energia de forma correta.

A frequência portanto deve ser igual àquela dada pela equação de Larmor.

Quando isto ocorre, há a possibilidade dos prótons pegarem energia, originando o fenômeno chamado de ressonância. Este é o mesmo princípio aplicado em diapasões para afinar cordas, quando há vibração em certa frequência.

Ao ganhar mais energia, o prótons mudam seu alinhamento, indo para uma área com maior energia, neste caso antiparalelo.

MAGNETIZAÇÃO DO TECIDO

Quando o próton realizar o movimento de precessão surgirá um vetor em torno do eixo Z.

O eixo Z longitudinal representa a direção de aplicação do campo magnético principal (B0).

O plano XY é chamado transversal.

MAGNETIZAÇÃO DO TECIDO

Vetor de magnetização efetivo (VME): os vetores dos prótons estão em precessão, alguns alinhados na forma paralela e outros alinhados na forma antiparalela.

Deste modo, em um certo momento, quando há um vetor apontando para uma direção, há um outro de mesma intensidade mas com direção oposta, que terminam por se cancelar.

Como há sempre mais prótons alinhados no sentido paralelo, sobrará prótons nesta direção.

Entretanto, ao dividir os vetores nos eixos Z e Y, pode haver cancelamento do componente Y*, sobrando somente o Z, o vetor de magnetização longitudinal. Age como se o paciente fosse um imã, com o pólo superior e inferior.

* Apesar de todos os momentos magnéticos precessarem em torno de B0 com uma frequência w , não existe coerência de fase entre eles, portanto não existirá componente de magnetização no plano transversal.

MAGNETIZAÇÃO DO TECIDO

Mesmo com o cancelamento mútuo, ainda sobram 4 spins > componente de magnetização resultante M0 irá surgir alinhando-se ao eixo longitudinal.

Direita: spins alinhados paralelamente e antiparalelamente ao campo magnético externo aplicado (eixo z ), realizando movimento de precessão. Esquerda: Vetor magnetização resultante (M0) de um elemento de volume do tecido.

MAGNETIZAÇÃO DO TECIDO

Quando uma bobina é colocada de forma perpendicular ao plano transversal, nenhum sinal é detectado.

Para que uma corrente elétrica seja induzida é então necessário que o vetor de magnetização esteja no plano transversal e que possua coerência de fase.

Ou seja, enquanto o vetor M0 estiver alinhado ao eixo Z (eixo de B0) a magnetização tissular não poderá ser medida.

Como desviar? Através de um pulso de radiação eletromagnética oscilando

na frequência de Larmor de H. Ao receber um pulso de RF, o VME se desloca um certo

ângulo, o chamado flip angle; quando recebe um FA de 90º, ele desloca para o eixo transverso.

O pulso de 90º é o pulso de excitação.

MAGNETIZAÇÃO DO TECIDO

O pulso é um segundo campo magnético de curta duração (B1).

Deve ser perpendicular ao B0 e deve estar em fase com a frequencia de precessão.

Pulsos de 180º também podem ser usados (pulsos de inversão).

A emissão deste pulso é feita pela bobina de corpo e a detecção pela bobina local (por ex. crânio).

Pulsos de RF e sua nomenclatura. O pulso de 90º é chamado de pulso de excitação, o de 180º de pulso de inversão e o pulso a pode assumir qualquer valor.

INTRODUÇÃO

VME se afasta do eixo longitudinal – depende do ângulo de inclinação (flip angle);FA de 90º - passa para o eixo transversal.

INTRODUÇÃO

Após a aplicação de um pulso de RF, os prótons começam a se movimentar em fase, ou seja, eles estão no mesmo ponto na trajetória; todos começam a apontar na mesma direção, sendo que alguns estão em paralelo e outros em antiparalelo; desta forma os seus vetores agora vão somar na direção transversa, formando a chamada magnetização transversal > teremos o máximo de sinal induzido nesta bobina.

INTRODUÇÃO

INTRODUÇÃO

Com os prótons em fase, o VME mantém a velocidade de precessão; isto induz a formação de uma corrente elétrica, o que irá induzir a formação de um campo magnético; este campo magnético está em movimento, o que por sua vez irá induzir a formação de uma corrente elétrica na bobina, o que irá portanto formar o sinal da ressonância magnética.

INTRODUÇÃO Declínio de Indução Livre (free induction decay):

Desliga-se o pulso de RF – o VME volta a sofrer ação de B0 – realinhamento com este;

Perda de energia – relaxamento; Retorno da magnetização longitudinal – recuperação T1; Perda da magnetização transversal – declínio T2.

PROCESSOS DE RELAXAÇÃO

A Relaxação ocorre pela troca de energia entre os spins e entre os spins e a rede > fazendo com que o vetor M volte para o seu estado de equilíbrio (paralelo a B0).

RECUPERAÇÃO LONGITUDINAL – T1 O relaxamento longitudinal também, chamado de

recuperação T1. Está relacionado com o tempo de retorno da magnetização

para o eixo longitudinal. Os prótons perdem energia para o ambiente. Os prótons que estavam no alinhamento antiparalelo, devem

perder energia para voltar ao paralelo, portanto eles devem perder para algum lugar.

Colocando o relaxamento transversal em uma curva, é demonstrada que há um aumento com o tempo, e esta é a chamada curva T1, que descreve o tempo que o VME deve voltar para o seu valor original no eixo longitudinal, que ocorre de forma exponencial.

O tempo T1 será o tempo necessário para a magnetização longitudinal recuperar 63% do seu valor inicial.

É o tempo (depois do pulso de 90º) necessário para que os spins transfiram o excesso de energia voltando ao estado de menor energia.

Retorno da magnetização longitudinal.

RECUPERAÇÃO LONGITUDINAL(T1)

Longitudinal (T1) relaxation. Application of a 90° RF pulse causes longitudinal magnetization to become zero. Over time, the longitudinal magnetization will grow back in a direction parallel to the main magnetic field.

RECUPERAÇÃO LONGITUDINAL (T1)

Definition of T1. T1 is a characteristic of tissue and is defined as the time that it takes the longitudinal magnetization to grow back to 63% of its final value.

* Definição de T1. T1 é uma característica de tecido e é definido como o tempo que leva a magnetização longitudinal para voltar a crescer a 63% do seu valor final.

T2

Como o campo não é sempre homogêneo, quando o pulso de RF é desligado, os prótons começam a sair de fase, começam a ter frequências de precessão diferentes.

Enquanto os prótons vão saindo de fase, a magnetização transversal vai reduzindo, pela redução da somatória de vetores. Esta redução pode ser colocada em uma curva descendente, que demonstra o tempo necessário para esta magnetização reduzir. Este tempo é definido como tempo T2 (ou seja T2 faz referência à redução da magnetização no plano transversal).

Também é conhecido como relaxamento spin-spin, porque há troca de energia entre os prótons, o que auxilia na heterogeneidade, auxiliando na perda de fase e reduzindo a magnetização transversal.

Portanto, o tempo T2 demonstra o tempo que leva para que haja 63% de redução da magnetização longitudinal. Ou MELHOR: O tempo necessário para a magnetização no plano

transversal (Mxy) atinja 37% do seu valor inicial.

Declínio T2 – troca de energia entre núcleos vizinhos – relaxamento spin-spin; Redução da magnetização transversal –

tempo T2 = 63% foi perdida.

Definition of T2. T2 is a characteristic of tissue and is defined as the time that it takes the transverse magnetization to decrease to 37% of its starting value.

T1 e T2

Diferentes tecidos têm diferentes valores de T1 e T2. Essas diferenças poderão ser usadas para gerar contraste entre os tecidos > vantagem da RM.

T1 e T2

Contraste ponderado T1: Tecidos diferentes têm diferentes taxas de relaxamento T1. Se uma imagem é obtida em um momento em que as curvas de relaxamento são amplamente separadas, o contraste em T1 será maximizada.

T1 E T2

Contraste ponderadoT2: Diferentes tecidos têm diferentes taxas de relaxamento T2. Se uma imagem é obtida em um momento em que as curvas de relaxamento são amplamente separadas, contraste T2 será maximizada.

T1 E T2

O tempo T1 depende da composição do tecido e do tecido adjacente; o tempo T1 se relaciona com a troca de energia com o retículo, ou os tecidos adjacentes; a troca de energia pode ocorrer de forma muito eficiente quando os átomos do tecido apresentam precessão na mesma velocidade que a frequência de Larmor;

Se for água, por elas se moverem muito rápido, o envio de energia fica prejudicado, portanto a recuperação da magnetização longitudinal é mais lenta, demora mais tempo para recuperar os valores originais da magnetização. Isto demonstra que a água possui um tempo T1 longo.

Entretanto, se o retículo é composto por grandes moléculas que flutuam e possuem átomos com frequência de precessão semelhante à de Larmor, a troca é muito mais efetiva, mais rápida, portanto o tempo T2 será curto. A gordura tem T1 curto porque a extremidade carboxila dos ácidos graxos precessa perto da de Larmor, garantindo uma transferência rápida.

T1:gordura recupera mais rápido a magnetização longitudinal – T1 curto - hipersinal;Água com alta mobilidade molecular – T1 longo – hipossinal.

*Gordura

T1 E T2

O tempo T2 depende de 2 fatores: heterogeneidades do campo magnético externo e dos campos magnéticos locais dos tecidos.

As moléculas de água se movem muito rapidamente, deste os seus campos magnéticos acabam por mediar um ao outro, evitando grandes diferenças no campo magnético final; isto faz com que os prótons continuem em fase por mais tempo, portanto leva um tempo maior para que haja perda da fase, portanto o T2 será longo.

Entretanto, aqueles tecidos que apresentam grandes moléculas, há variações maiores no campo magnético local. As moléculas não se movem tão rapidamente, então fica difícil fazer uma média do campo. Isto faz com que os prótons saiam de fase mais rapidamente, portanto o tempo T2 será curto.

T2: água com menor heterogeneidade – demora mais para sair de fase – T2 longo;Gordura com maior heterogeneidade – sai mais rápido de fase – T2 curto.

ECO DE SPINS

Hahn em 1950 descreveu que ao excitarmos os prótons com um pulso de RF e após um tempo t enviarmos um 2º pulso irá surgir além do sinal inicial, um 2 sinal que é o ECO do 1º (surge após um tempo 2t).

É um processo natural e ocorre devido refasagem dos momentos magnéticos pelo 2º pulso.

É possível controlar o momento que o eco surge (mas a de e refasagem dependem do tipo de tecido).

SPIN ECO

É uma sequência caracterizada pela aplicação de um pulso de 90º seguindo de um pulso de 180º o que resultará no surgimento de um sinal de eco após um tempo 2t.

O tempo entre a aplicação do pulso de 90º e o surgimento do eco é chamado de TE e determina “o quanto de relaxação no plano longitudinal estará presente no eco”.

SPIN ECO

TE – tempo de eco – tempo da aplicação do pulso ao eco do sinal; Determina o grau de relaxamento T2.

SPIN ECO

O tempo/intervalo entre os pulsos de 90º é o TR > “ o quanto de magnetização longitudinal se recuperou entre sucessivos pulsos de 90º”.

TR – tempo de repetição – tempo entre as sequências de pulsos de RF; Determina o grau de relaxamento T1;

SPIN ECO

Apenas lembrando como diferenciar T1 de T2 e DP, os líquidos apresentam sinal alto (branco) nas imagens ponderadas em T2 e sinal baixo (preto) nas imagens ponderadas em T1 e DP, lembrando que a SC apresenta hipersinal em T2 e DP e hipossinal em T1, e o contrário acontece com a SB, que apresenta hipersinal em T1 e hipossinal em T2 e DP.

CONTRASTE - Gadolínio

Os agentes paramagnéticos apresentam campos magnéticos locais que causam encurtamento dos tempos de relaxamento dos tecidos adjacentes.

Ela é uma terra rara e é tóxico em seu estado livre, portanto deve ser ligado a um quelante, o (DPTA), o que resolve o problema de toxicidade.

O Gd, encurta os tempos de relaxamento, portanto desloca para a esquerda as curvas.

Em T1 , para um mesmo TR, um tecido apresentará mais sinal, e em T2, para um mesmo TE, menor sinal.

Observando os dois tecidos, o B não capta o contraste , e o A sim, e antes eles não apresentavam uma diferença muito grande de sinal, mas após o contraste passaram a apresentar uma maior diferença, há um contraste maior. O mesmo ocorre na curva T2, com a diferença de sinal muito pequena, mas após o contraste a curva A desloca para esquerda, apresentando menos sinal do que a B; Mas como é mais fácil observar o ganho de sinal, o contraste é observado apenas nas imagens em T1.

FORMAÇÃO DA IMAGEM

Foi preciso desenvolver um método de codificação espacial para o sinal através do uso de gradientes de campo magnético lineares > obtendo uma série de projeções da distribuição de sinal > sendo possível reconstruir uma imagem. Mas porque várias projeções?

Se o pulso de RF sobre um dado tecido (ex. cérebro) estiver na mesma frequencia de precessão dos íons de H irá excitar o tecido como um todo e o sinal voltará todo, sem saber de qual parte do tecido ele vem.

FORMAÇÃO DA IMAGEM

Como o objetivo é a formação de uma imagem 2D, é preciso selecionar um corte do tecido onde dentro dele haja uma matriz de pontos organizados em linhas e colunas.

Para cada elemento da matriz (pixel) deve ser obtido o valor de intensidade de sinal.

O gradiente permite ir mudando a intensidade do campo magnético linearmente em uma dada direção.

Resultado: Cada parte do tecido terá uma frequencia de precessão diferente.A fase dos spins também é alterada.

FORMAÇÃO DA IMAGEM

Para codificar o sinal da RM são necessárias 3 etapas: Seleção de corte; Codificação de fase; Codificação de frequência.

FORMAÇÃO DA IMAGEM

Se o gradiente de corte for selecionado no eixo Z > cada ponto ao longo do sentido da mesa terá uma frequência diferente.

Sabendo disso eu posso enviar um pulso de RF com frequencia de precessão igual ao da região que quero excitar > assim dividimos o paciente em cortes axiais.

Os outros 2 gradientes (fase e frequência) serão acionados nos eixos que sobraram.

FORMAÇÃO DA IMAGEM

Quando o de fase é acionado, alteramos a fase dos spins de forma proporcional à sua localização. Assim um dos eixos fica mapeado com a fase.

No momento da LEITURA do sinal o gradiente de frequência é acionado na direção restante, assim o segundo eixo de corte ficará mapeado em frequência.

Todos estes gradientes permitem que localizemos um ponto específico e peguemos um sinal específico deste ponto.

* Localização das imagens;* Determinam frequência de precessão específica para cada ponto.

Espessura do corte – variação da frequência de ressonância e angulação do campo gradiente - espessura de corte

Localização espacial no eixo longo (codificação de frequência)

* Frequências diferentes nas linhas.

Localização espacial no eixo curto (codificação de fase).

Aplicamos um gradiente no eixo curto, mudando as velocidades de precessão ao longo da coluna; quando este gradiente é desligado, os prótons voltam a apresentar a mesma velocidade de precessão, mas apresentam spins em posição diferente, em fase diferente.

OBRIGADA