Artigo11 rm

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    26-Jun-2015

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<ul><li> 1. Artigo de Reviso Associao Brasileira de Fsica Mdica 117 Introduo A imagem por ressonncia magntica (IRM) hoje um m- todo de diagnstico por imagem estabelecido na prtica clnica e em crescente desenvolvimento. Dada a alta ca- pacidade de diferenciar tecidos, o espectro de aplicaes se estende a todas as partes do corpo humano e explora aspectos anatmicos e funcionais. A ressonncia magntica funcional (RMf) se destaca como uma das tcnicas de IRM que vem permitindo ex- plorar funes cerebrais como a memria, linguagem e controle da motricidade. A fsica da ressonncia magntica nuclear (RMN), apli- cada formao de imagens, complexa e abrangente, uma vez que tpicos como eletromagnetismo, supercon- dutividade e processamento de sinais devem ser aborda- dos em conjunto para o entendimento desse mtodo. Esta reviso tem por objetivo explorar de forma intro- dutria e simplificada a fsica da imagem por ressonncia magntica e demonstrar os mecanismos e aplicaes da Ressonncia magntica: princpios de formao da imagem e aplicaes em imagem funcional Magnetic resonance: principles of image formation and applications in funcional imaging Alessandro A Mazzola1 1 Bacharel e Licenciado em Fsica pela Pontifcia Universidade do Rio Grande do Sul (PUCRS) Rio Grande do Sul (RS), Brasil; Mestre em Cincias Radiolgicas pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) Rio de Janeiro (RJ), Brasil; Fsico-mdico do Hospital Moinhos de Vento; Professor da Faculdade de Fsica da Pontifcia Universidade Catlica do Rio Grande do Sul (PUCRS) e da Faculdade de Tecnologia Ipuc (FATIPUC) e scio da PhyMED Consultores em Fsica Mdica e Radioproteo Ltda. Porto Alegre (RS), Brasil. Resumo A imagem por ressonncia magntica hoje um mtodo de diagnstico estabelecido na prtica clnica e em crescente desenvolvimento. A RM funcional se destaca como uma das tcnicas que vem permitindo explorar funes cerebrais como a memria, linguagem e controle da motricidade. Esta reviso tem por objetivo explorar de forma introdutria e simplificada a fsica da imagem por ressonncia magntica e demonstrar os mecanismos e aplicaes da RM funcional. Palavras-chave: fsica; imagem por ressonncia magntica; neurologia. Abstract Magnetic resonance imaging is a well established diagnostic procedure and in continuous development. Functional MR is one of the techniques that permits to explore the brain functions like memory, language and motor tasks. This revision aims to explore the physics of magnetic resonance imaging in an introductory and simplified way and to demonstrate the functional MR mechanisms and applications. Keywords: physics; magnetic resonance imaging; neurology. RMf, servindo como texto de apoio para o aprofundamen- to do assunto atravs das referncias citadas. Fsica da RMN A IRM , resumidamente, o resultado da interao do forte campo magntico produzido pelo equipamento com os prtons de hidrognio do tecido humano, criando uma condio para que possamos enviar um pulso de radio- frequncia e, aps, coletar a radiofrequncia modificada, atravs de uma bobina ou antena receptora. Este sinal coletado processado e convertido numa imagem ou informao. Apesar do fenmeno fsico da RMN ter sido descrito em 1946 por Block e Purcell em artigos independentes da Physics Review1,2 , as primeiras imagens do corpo humano s foram possveis cerca de trinta anos aps. Este inter- valo de tempo demonstra a complexidade deste mtodo e a necessidade, para a formao da imagem, do uso de Correspondncia: Hospital Moinhos de Vento Rua Ramiro Barcelos, 910 CEP 90035-001 Porto Alegre (RS), Brasil mazzola.ci@hmv.org.br Revista Brasileira de Fsica Mdica. 2009;3(1):117-29. </li></ul><p> 2. 118 Revista Brasileira de Fsica Mdica. 2009;3(1):117-29. Mazzola AA tecnologias aparentemente to distintas como os super- condutores e o processamento de sinais. RMN As propriedades de ressonncia magntica tm origem na interao entre um tomo em um campo magntico externo; de forma mais precisa, um fenmeno em que partculas contendo momento angular e momento mag- ntico exibem um movimento de precesso quando esto sob ao de um campo magntico. Os principais tomos que compem o tecido humano so: hidrognio, oxignio, carbono, fsforo, clcio, flor, sdio, potssio e nitrognio. Estes tomos, exceto o hi- drognio, possuem no ncleo atmico prtons e nutrons. Apesar de outros ncleos possurem propriedades que permitam a utilizao em IMR, o hidrognio o escolhido por trs motivos bsicos: o mais abundante no corpo humano: cerca de 10% do peso corporal se deve ao hidrognio3 ; as caractersticas de RMN se diferem bastante entre o hidrognio presente no tecido normal e no tecido patolgico; o prton do hidrognio possui o maior momento mag- ntico e, portanto, a maior sensibilidade a RMN. Spin e o momento magntico O tomo de hidrognio, o mais simples da tabela peridi- ca, possui como ncleo o prton. Os prtons so partcu- las carregadas positivamente, que possuem uma proprie- dade chamada de spin ou momento angular. Como o objetivo ter uma viso simplificada e introdu- tria da fsica relacionada IRM, vamos admitir que o spin represente o movimento de giro do prton em torno de seu prprio eixo, da mesma forma que um pequeno pio. Para o prton de hidrognio, o spin (I) pode ser +1/2 ou -1/2, o que na nossa analogia clssica pode representar o prtons girando para um lado ou para o outro. Juntamente com o spin, o prton de hidrognio possui outra propriedade chamada de momento magntico, que faz com que o mesmo se comporte como um pequeno im. Esta analogia valida se visualizarmos o prton como uma pequena esfera carregada (carga positiva) e girando em torno de seu prprio eixo (spin). Como para toda part- cula carregada em movimento acelerado surge um campo magntico associado, o prton de hidrognio se compor- ta como um pequeno magneto, ou um dipolo magnti- co. Podemos utilizar um vetor para descrever cada dipolo magntico, ou cada prton, como mostra a Figura 1. E o que acontece quando um prton de hidrognio ou um conjunto de prtons de hidrognio colocado sob ao de um campo magntico externo? Ou seja, o que ocorre com os prtons do corpo do paciente quando o mesmo posicionado dentro do magneto? Para responder esta pergunta, importante entender- mos que na temperatura mdia de 36,5 C do corpo huma- no, e sob ao do fraco campo magntico terrestre de 0,3 gauss (ou 3x10-5 tesla, uma vez que o fator de converso de 1 T=10.000 G), os momentos magnticos no possuem uma orientao espacial definida, se distribuindo de forma randmica. Esta distribuio aleatria faz com que a magne- tizao resultante de um volume de tecido seja igual a zero. Quando o paciente posicionado no interior do mag- neto e fica sob ao de um campo magntico de, por exemplo, 1,5 T, os prtons de hidrognio iro se orientar de acordo com a direo do campo aplicado, como se fossem pequenas bssolas; porm, ao contrrio das bssolas, que apontariam seu norte marcado na agulha para o sul magn- tico, os prtons de hidrognio apontam tanto paralelamente quanto antiparalelamente ao campo. As duas orientaes representam dois nveis de energia que o prton pode ocu- par: o nvel de baixa energia (alinhamento paralelo) e o nvel de maior energia (alinhamento antiparalelo), como mostra a Figura 2. No modelo quntico, um dipolo nuclear somente pode ter 2I+1 orientaes com o campo, corresponden- do a 2I+1 nveis de energia. O prton de hidrognio (I=1/2) possui duas possveis orientaes, que correspondem aos nveis de baixa e alta energia. A distribuio dos spins nos dois nveis regida pela distribuio de Boltzmann (Equao 1): (1) onde: NP : nmero de spins alinhados paralelamente; NAP : nmero de spins alinhados anti-paralelamente; k: constante de Boltzmann (k=1,3805x10-23 joules/kelvin); T: temperatura absoluta, em kelvin. Figura 1. O prton de hidrognio pode ser visto como uma pe- quena esfera (1), que possui um movimento de giro, ou spin, em torno do seu prprio eixo (2); por ser uma partcula carregada po- sitivamente (3), ir gerar um campo magntico prprio ao seu re- dor (4), comportando-se como um pequeno dipolo magntico (4) ou como um im (5), com um momento magntico () associado. Figura 2. Prtons de hidrognio sob ao do campo magntico externo aplicado. Os prtons se distribuem em dois nveis de energia, sendo que um pequeno nmero maior de prtons se alinha paralelamente. 3. 119Revista Brasileira de Fsica Mdica. 2009;3(1):117-29. Ressonncia magntica: princpios de formao da imagem e aplicaes em imagem funcional Para um campo magntico de 1,5 T e na temperatura mdia do tecido humano, a diferena entre os spins que ocupam o estado de menor energia e o de maior energia de aproximadamente 5 para 1 milho. Do ponto de vis- ta prtico somente com estes cinco spins resultantes que poderemos trabalhar para produzir sinal detectvel na bobina. Movimento de precesso e equao de Larmor Na tentativa de alinhamento com o campo, e por pos- suir o spin, surge um segundo movimento chamado de precesso. A analogia com um pio sob a ao do campo gravitacional valida para entendermos este movimento. Sob ao de um campo magntico, os prtons de hi- drognio iro precessar a uma frequncia w determinada pela equao de Larmor (Equao 2):(2) onde: g: razo giromagntica; B0 : valor do campo magntico externo aplicado. Para o hidrognio, a razo giromagntica de 42,58 MHz/T. Portanto, se considerarmos uma campo de 1,5 T, a frequncia de precesso ser de 63,87 MHz. Uma regra importante a ser sempre lembrada que qualquer alterao no valor do campo magntico ir alte- rar a frequncia de precesso. Magnetizao do tecido Como nas imagens a menor unidade ser o voxel sendo este da ordem de 1,0 mm3 ou mais , o efeito combi- nado dos prtons de hidrognio que ir nos interessar. A magnetizao resultante em cada voxel o resultado da soma vetorial de todos os spins que resultaram do cance- lamento mtuo. No equilbrio, a magnetizao resultante possui so- mente a componente horizontal, ao longo de B0 . funda- mental que neste momento faamos a localizao espa- cial do vetor magnetizao. Coordenadas no espao (x, y e z): eixo longitudinal e plano transversal A Figura 3 mostra os eixos de coordenadas (x, y e z) e o vetor que representa o momento magntico de um pr- ton de hidrognio realizando o movimento de precesso em torno do eixo z, assim como as mesmas coordena- das num tpico magneto supercondutor. O eixo z, ou lon- gitudinal, representa a direo de aplicao do campo magntico principal (B0 ). O plano xy chamado de plano transversal. Utilizando o mesmo sistema de coordenadas, podemos imaginar um elemento de volume de tecido (voxel) conten- do 11 spins, como mostra a Figura 4. Os spins iro se ali- nhar paralelamente (7 spins) e antiparalelamente (4 spins). Realizando o cancelamento mtuo do vetor momento magntico dos que esto para cima com os que esto para baixo (7-4=3 spins), uma componente de magnetizao re- sultante M0 ir surgir alinhada ao eixo longitudinal. Apesar de todos os momentos magnticos individu- ais precessarem em torno de B0 a uma frequncia angular igual a w, no existe coerncia de fase entre eles e, por- tanto, no existir componente de magnetizao no plano transversal. Uma bobina posicionada de forma perpendicular ao plano transversal no detectar nenhum sinal, pois no ocorrer alterao no fluxo magntico. Aplicao do campo de radiofrequncia (B1 ) Para que uma corrente eltrica seja induzida em uma bobi- na posicionada de forma perpendicular ao plano transver- sal, necessrio que o vetor magnetizao como um todo, ou parte dele, esteja no plano transversal e possua coern- cia de fase. Se todos os momentos magnticos individuais forem desviados em 90 para o plano transversal e todos estiverem precessando na mesma posio (mesma fase), teremos o mximo de sinal induzido nesta bobina. Para reorientar o vetor magnetizao, um segundo campo magntico de curta durao (pulso) tem que ser aplicado. Este campo B1 (pulso de radiofrequncia, ou RF) deve ser perpendicular a B0 e deve estar em fase com a frequncia de precesso. Figura 3. Eixos de coordenadas usados em IRM e o vetor mo- mento magntico (m) associado ao prton de hidrognio. Figura 4. Direita: spins alinhados paralelamente e antiparalela- mente ao campo magntico externo aplicado (eixo z), realizando movimento de precesso. Esquerda: Vetor magnetizao resul- tante (M0 ) de um elemento de volume do tecido. 4. 120 Revista Brasileira de Fsica Mdica. 2009;3(1):117-29. Mazzola AA O efeito no vetor magnetizao (vetor M) o de afast-lo, por um dado ngulo de desvio (), do alinhamento com B0 . Um dos pulsos de RF mais utilizados o que ir resultar em um ngulo de desvio de 90, transferindo assim todo o ve- tor M para o plano transversal. Pulsos de 180 tambm so utilizados e so chamados de pulsos de inverso (Figura 5). A emisso deste pulso de RF normalmente feita pela chamada bobina de corpo, e a deteco do sinal feita por uma bobina local, como a bobina de crnio. Em resumo, a aplicao do pulso de RF causa dois efeitos: transfere energia para o vetor magnetizao, des- viando-o do alinhamento, ou jogando-o para o plano transversal, quando for de 90; faz com que os ncleos precessem, momentanea- mente, em fase no plano transversal. Sinal de induo livre Com aplicao de um pulso de RF de 90, por exemplo, a magnetizao jogada no plano transversal e passa a induzir uma tenso eltrica na bobina de frequncia w (si- nal de RMN). Quando encerra a aplicao do pulso de RF, o sinal gradualmente decai como resultado do processo de relaxao ou de retorno do vetor magnetizao para o equilbrio, ou seja, para o alinhamento com B0 . O formato do sinal induzido (ou sinal de induo livre, SIL) o de uma onda seno amortecida, como mostra a Figura 6. Processos de relaxao: longitudinal e transversal A relaxao dos spins que gera o SIL causada pelas tro- cas de energia entre spins e entre spins e sua vizinhana (rede). Estas interaes so chamadas de relaxao spin- spin e spin-rede e juntas fazem com que o vetor M retorne ao seu estado de equilbrio (paralelo a B0 ). Duas constantes de tempo foram criadas para carac- terizar cada um destes processos: T1 e T2. A constante T1 est relacionada ao tempo de retorno da magnetizao para o eixo longitudinal e influenciada pela interao dos spins com a rede. J a constante T2 faz referncia redu- o da magnetizao no plano transversal e influenciada pela interao spin-spin (dipolo-dipolo). A Figura 7 mostra passo a passo o retorno do vetor mag- netizao ao equilbrio aps a aplicao de um pulso de RF de 90. Em amarelo so mostrados os momentos magn- ticos individuais. possvel perceber que estes vo se de- fasando e com isso ocorre uma reduo rpida na compo- nente de magnetizao ainda presente no plano transversal. Retorno da magnetizao longitudinal T1 A equao que descreve o retorno da magnetizao para o eixo longitudinal, mostrada no grfico da Figura 8, a seguinte (Equao 3):(3) onde: MZ : magnetizao no eixo z; ML : magnetizao longitudinal; M0 : magnetizao inicial; t: tempo; T1: constante de relaxao longitudinal. O tempo necessrio para a magnetizao longitudinal re- cuperar 63% do seu valor inicial chamado de T1. Decaimento da...</p>