UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
INSTITUTO DE BIOCIÊNCIAS
DEPARTAMENTO DE BIOFÍSICA
TÉCNICA DE DIAGNÓSTICO POR IMAGENS :
RESSONÂNCIA MAGNÉTICA NUCLEAR
PROF. DR. EDUARDO DIAZ RIOS
Porto Alegre, junho de 1998
IMAGEM POR RESSONÂNCIA MAGNÉTICA NUCLEAR (IRMN)
No início dos anos 70, quando a
tomografia computadorizada começava
a ter ampla aplicação na visualização de
estruturas internas do organismo examinado, outra técnica de diagnóstico por
imagens já estava sendo desenvol-vida;
fundamenta-se na Espectroscopia por
Ressonância Magnética Nuclear e
permite obter imagens de tecidos com
uma resolução ainda não atingida por
outros procedimentos.
Os princípios desta nova técnica
foram estabelecidos há quase 60 anos
por F. Bloch e E.M.Purcell ao estudar o
comportamento de núcleos atômicos
colocados num campo magnético.
Descobriram que os núcleos absorviam
a energia de ondas de rádio de
frequências específicas e, após um
determinado tempo, emitiam sinais que
eram
registrados
num
espectro
característico. Uma análise deste
espectro informava sobre o movimento
e composição das moléculas estudadas.
F. Bloch e E. M. Purcell receberam, em 1952, o prêmio Nobel de
Física por tais pesquisas. Desde então,
esta técnica é utilizada por físicos e
químicos para estudar a dinâmica dos
átomos e as estruturas moleculares. Posteriormente
foram
desenvolvidas
técnicas capazes de gerar imagens
bidimensionais a partir dos sinais
registrados.
Na medicina, no entanto, seu potencial só começou a delinear-se em 1971,
quando se observou que havia diferenças sistemáticas nas propriedades de relaxação
nuclear dos tecidos normais, dos necrosados e tumorais. Tais diferenças podiam ser
apreciadas claramente nas imagens processadas pela técnica de Ressonância Magnética
Nuclear.
O uso desta técnica possibilita a obtenção de uma imagem tomográfica do tecido
examinado, isto é, permite produzir um “mapa” que registra, em função da posição,
algumas das propriedades do tecido, tais como:
•
•
a densidade local de núcleos de hidrogênio,
as variações de outros parâmetros existentes a nível molecular (T1 e T2).
A técnica de Imagem Tomográfica por Ressonância Magnética Nuclear tem
vantagens significativas sobre os demais sistemas de diagnóstico por imagens usados
atualmente pelos seguintes motivos:
•
•
•
•
permite gerar imagens das estruturas internas dos corpos sem utilizar radiações
ionizantes, evitando assim riscos decorrentes da exposição; é por este motivo que
esta técnica é chamada de não-invasiva;
permite diferenciar, de modo mais preciso, tecidos sadios, enfermos ou necrosados,
mesmo daqueles tecidos profundamente imersos em estruturas ósseas;
o contraste obtido entre os tecidos moles do corpo é muito superior ao conseguido
pelos métodos mais tradicionais, como a radiografia por raios-X e o ultrassom;
permite obter imagens de diferentes planos - longitudinal, transversal e oblíquo,
assim como também imagens volumétricas sem ter que mudar a posição do paciente.
Ressonância Magnética Nuclear
Princípios Físicos do diagnóstico por Imagens
Figura 1 : visão geral da técnica
O exame de Ressonância Magnética Nuclear pode ser resumido através da
seguinte sequência de procedimentos:
•
•
•
•
•
o paciente é submetido a um campo magnético intenso;
uma onda de radiofrequência incide no paciente;
a onda de radiofrequência é desligada;
o paciente emite um sinal que é usado para
a reconstrução da imagem.
O que acontece quando o paciente é colocado no campo magnético gerado pelo
equipamento de Ressonância Magnética?
Figura 2.
Para entender isto é necessário
rever alguns conhecimentos de Física
básica, como por exemplo, lembrar que
tudo na natureza está formado de
pequenas unidades materiais chamadas
de átomos; cada átomo está constituído
por um núcleo e elétrons girando em
órbitas específicas ao seu redor. No
núcleo atômico se encontram, além de
nêutrons, outras pequenas partículas
dotadas de carga elétrica positiva - os
prótons. O núcleo do átomo de
hidrogênio é o mais simples - contém
um único próton.
Devido à abundância de hidrogênio no organismo e sua alta sensibilidade à
Ressonância Magnética, a técnica de IRM está limitada, quase que exclusivamente, ao
estudo do átomo de hidrogênio.
Para entender como estes átomos podem ser usados para produzir imagens dos
órgãos internos do corpo, é necessário analisar o comportamento magnético do seu
núcleo. O núcleo de hidrogênio é formado apenas por um único próton.
Figura 3.
Assim, examinemos os prótons:
comportam-se como pequenos planetas
e, como a terra, estão constantemente
girando ao redor de um eixo; no caso do
próton diz-se que ele possui Spin.
Naturalmente, a carga atribuída ao
próton também gira, isto é, se movimenta ao redor de um eixo.
Mas o que acontece quando cargas elétricas se movimentam?
O movimento de cargas elétricas gera uma corrente elétrica. Por outro lado, a
corrente elétrica cria ao seu redor uma força magnética ou um campo magnético. Assim,
sempre que haja uma corrente elétrica, haverá um campo magnético!
Figura 4.
Como o nosso planeta, os
prótons estão girando continuamente ao
redor de um eixo e possuem um campo
magnético definido, com um polo norte
e um polo sul e um momento
magnético; eles podem ser vistos como
pequenos ímãs.
Figura 5.
No estado de equilíbrio, isto é,
na ausência de um campo magnético
externo, os momentos magnéticos dos
prótons estão orientados ao acaso. Esta
orientação aleatória faz com que o
momento magnético macroscópico no
paciente se anule (M = 0).
O que acontece com os prótons se submetidos a um campo magnético externo?
Os prótons agem como pequenos ímãs - alinham-se espontaneamente ao longo
das linhas de força do campo magnético externo, da mesma forma como as agulhas de
uma bússola se orientam no campo magnético da terra; mas com uma diferença
fundamental: as agulhas da bússola orientam-se numa única direção.
Figura 6.
Os prótons, no entanto, podem
orientar seus momentos magnéticos em
duas direções: em direção ao campo
magnético externo (paralelamente) ou
em direção contrária (antiparalelamente); em cada uma dessas orientações
possuem valores diferentes de energia
potencial. A orientação paralela é a de
menor energia potencial e, portanto,
representa a situação mais estável. Na
orientação antiparalela os prótons
encontram-se num estado excitado
possuindo uma maior energia potencial,
superior à energia do estado paralelo.
Os prótons escolherão a orientação que exija menor energia potencial; assim
uma maior quantidade de prótons ocupará o nível mais baixo de energia, isto é, terão
seus momentos magnéticos orientados em direção ao campo magnético. Para 10 7
prótons antiparalelos, por exemplo, haverá 10 7 + 7 prótons paralelos ao campo
magnético e são justamente estes 7 prótons móveis que têm grande importância na
técnica de Ressonância Magnética.
Observemos mais atentamente estes prótons: num campo magnético externo os
prótons não estão totalmente enfileirados junto às linhas de força deste campo; eles se
movimentam de maneira similar ao movimento que realiza o pião sobre a terra.
O brinquedo não gira numa posição vertical exata, o extremo superior de seu
eixo descreve uma circunferência.
Figura 7.
Este tipo de movimento
realizado pelo próton
num campo magnético
externo é chamado de
precessão. Durante a
precessão o vetor que
representa o momento
magnético do próton
descreve uma figura
cônica.
A velocidade deste movimento pode ser caracterizada através da “frequência da
precessão” do próton ω0 , que representa o número de vezes que o próton realiza o
movimento de precessão num segundo.
Figura 8.
Esta frequência não é constante,
ela depende diretamente da intensidade
do campo magnético B0 onde o próton
se encontra. A equação de Larmor
permite
calcular
exatamente
a
frequência de precessão. Num campo
magnético de 1 Tesla, por exemplo, a
frequência de precessão do hidrogênio é
de 42 MHz ! (os átomos de hidrogênio
são bastante rápidos).
A frequência de precessão é
importante devido a sua relação com o
fenômeno de ressonância, que será
analisado mais adiante.
Descrição do comportamento dos prótons submetidos a um campo magnético
Introdução de um sistema de coordenadas
Neste sistema de coordenadas, as linhas do campo magnético estão orientadas
junto ao eixo z. Assim, nas próximas figuras, o campo magnético externo estará
representado pela direção do eixo z enquanto os campos magnéticos dos prótons
estarão representados através de pequenos vetores (vetor possui magnitude e direção).
Figura 9.
Num campo magnético de 1
Tesla existem vários milhões de prótons
precessando com uma frequência de 42
milhões de vezes por segundo. Estes
prótons,
como
pequenos
ímãs,
orientam-se de forma paralela ou
antiparalela ao campo magnético
externo B0. As forças magnéticas
diametralmente opostas, como as
indicadas na figura 10, através de A e
A´, eliminam-se mutuamente. Mas
como sempre um maior número de
prótons está alinhado no sentido do
campo magnético (para cima), as forças
magnéticas, nesta direção, não serão
totalmente eliminadas.
Por outro lado, para um próton que precessione à esquerda do eixo z (C), haverá
outro que se encontra à direita (C´); da mesma forma para um próton que se encontre na
frente (B) poderá encontrar-se outro próton precessando na parte detrás (B´), de tal
forma que os componentes destes vetores (Spin dos prótons) nos eixos x e y, como isso
está representado na figura 10, eliminam-se reciprocamente, sobrando unicamente os
componentes no eixo z, os quais se adicionam mutuamente, resultando, a nível
macroscópico, uma magnetização nesta direção.
Figura 10.
O que significa isto?
Significa que colocando um paciente no campo magnético de uma
unidade de Ressonância Magnética, o próprio paciente transforma-se num ímã, isto é,
adquire um campo magnético próprio. Nele, os vetores dos prótons que não se cancelam
entre si, somam-se. E por estar essa magnetização direcionada ao longo do campo
magnético externo é denominada de magnetização longitudinal.
Assim, num campo magnético externo intenso, um novo vetor magnético será
criado no paciente. Este vetor está orientado em direção ao campo externo e o sinal
decorrente poderá ser útil para formação da imagem de Ressonância Magnética! Só
existe um problema: a força magnética paralela ao campo magnético externo não pode
ser medida! Somente uma magnetização perpendicular à direção do campo magnético
pode ser medida! Como realizar isto? Mediante a excitação dos prótons, isto é,
fornecendo energia ao movimento precessional dos prótons, a fim de que procedam à
mudança da direção da magnetização gerada.
O que acontece após a colocação do paciente no campo magnético ?
Figura 11.
No paciente submetido a um
campo magnético externo emitimos
uma onda de radiofrequência (RF)
sintonizada, ou seja, um tipo de
radiação
eletromagnética
com
frequência localizada na faixa das ondas
de rádio e, mais exatamente, uma onda
intensa de curta duração, isto é, um
pulso de radiofrequência. Qual o
objetivo?
O objetivo é conseguir
perturbar aqueles prótons que se
encontram precessando pacificamente
em direção ao campo magnético
externo.
É possível perturbar os prótons com qualquer tipo de pulso? Não. Para isso é
necessário que o pulso de radiofrequência seja especial e assim consiga trocar energia
com os prótons almejados. Quando um pulso de radiofrequência poderá trocar
energia com os prótons em precessão? Quando o pulso de radiofrequência ω e a
frequência de precessão dos prótons é a mesma! (é necessário que o pulso de
radiofrequência tenha a mesma “velocidade” que os prótons). Este fenômeno é chamado
de ressonância; daí o nome de Ressonância Magnética, dado a esta técnica de imagens.
A absorção de energia é um fenômeno quântico, isto é, os prótons não recebem
qualquer quantidade de energia mas apenas valores discretos.
Figura 12.: A transferência de energia só será possível quando os prótons e o
pulso de RF possuírem a mesma frequência.
O fenômeno de ressonância se estende a diversas atividades e técnicas
integrantes do nosso cotidiano, como por exemplo, na sintonia de um receptor de rádio
ou no ato de tocar um violino. Neste último, só as frequências vibracionais naturais de
cada corda são amplificadas na caixa acústica a ponto de se tornarem audíveis, enquanto
que uma infinidade de outras, igualmente produzidas pelo movimento do arco sobre o
instrumento, se perde.
O que acontece com os prótons expostos a estes pulsos de radiofrequência?
Acontecem dois efeitos:
•
•
uns absorvem a energia do pulso e mudam-se do nível de menor para o de maior
energia (seus vetores apontarão para baixo), e
começam a precessar em fase ( na mesma direção e no mesmo tempo).
Figura 13.
Tudo isto resulta, como pode ser
visto na figura, numa redução do vetor
da magnetização longitudinal e no
crescimento de uma nova magnetização
no plano (x,y) - chamada de magnetização transversal. Esta magnetização se
movimenta com a mesma frequência de
precessão dos prótons (frequência de
Larmor ω0).
Em resumo: o pulso de radiofrequência provoca um decréscimo na magnetização
longitudinal e estabelece uma nova magnetização - a transversal.
Se observarmos esta ação a
partir de um ponto de referência,
constataremos que o novo vetor da
magnetização transversal primeiramente
aproxima-se, passa à frente, e logo se
afasta, e assim sucessivamente. Isto é
importante. O vetor da magnetização
transversal, no seu contínuo movimento
com a frequência de Larmor, muda
constantemente sua intensidade no
ponto de recepção do sinal e é esta
variação da intensidade que cria uma
corrente elétrica na antena posicionada
ao lado do paciente.
Figura 14.
Isto constitui o sinal da Ressonância Magnética que possuirá, por consequência,
a mesma frequência de precessão que o vetor da magnetização transversal. A amplitude
do sinal na antena é proporcional à intensidade da magnetização transversal. Por sua
vez, a intensidade desse vetor depende da concentração dos prótons no meio estudado.
Mas de que forma podemos obter uma imagem a partir do registro dessa corrente
elétrica, que constitui até agora o único sinal útil de Ressonância Magnética ?
Para responder a esta pergunta devemos saber, primeiramente, de que parte do
organismo o sinal foi emitido. Como determinar a procedência do sinal captado pela
antena? O artifício é simples: ao campo magnético externo, que é constante,
adicionamos um campo magnético com diferentes intensidades em cada ponto, por
exemplo, crescente em direção à cabeça do paciente. Qual a finalidade? Lembremos: a
frequência de precessão do próton depende de forma biunívoca da intensidade do campo
magnético, registrada no local onde essa partícula se encontra e, pelo fato dessa
intensidade ser diferente em cada ponto do paciente, nestes pontos, os prótons
precessarão com frequências específicas. O sinal de Ressonância Magnética, obtido nos
diferentes locais tem, por consequência, uma frequência própria. Desta maneira
podemos relacionar a frequência registrada com uma determinada localização no
paciente.
Mais detalhes sobre o sinal de Ressonância Magnética
Figura 15.
Uma vez que o pulso de
radiofrequência é desligado, o sistema
total, que foi perturbado, retorna ao seu
estado original de equilíbrio. A nova
magnetização transversal estabelecida
começa a desaparecer (o processo é
chamado de relaxação transversal) enquanto que a magnetização longitudinal
cresce até recuperar seu tamanho
original (este último processo é
chamado de relaxação longitudinal).
Qual a razão? Observemos inicialmente o que acontece com a magnetização
longitudinal, isto é, aquela localizada ao longo do eixo z : uma vez que o pulso de
radiofrequência é desligado, os prótons retornam do estado de maior energia (excitado)
para seu estado fundamental, de menor energia. Este processo não acontece
subitamente. Ocorre de forma sequencial - um próton depois do outro retorna ao seu
estado originário (vide Figura 15).
O que acontece com a energia transferida aos prótons pelo pulso de
radiofrequência?
Essa energia é transferida à rede
(cristalina) nas imediações dos prótons
perturbados. Por esta razão este
processo também é chamado de
relaxação Spin- rede. A representação
gráfica da relação entre a magnetização
longitudinal e o tempo é uma curva
crescente chamada de curva T1. O
tempo necessário para que a
magnetização longitudinal recupere seu
valor inicial é descrito através do tempo
de relaxação longitudinal, chamado de
T1.
Figura 16.
Observemos agora o que acontece com a magnetização transversal :
Figura 17.
Após o pulso de radiofrequência
ser desligado, os prótons deixam de se
movimentar de forma sincrônica,
mantendo a coerência de fase. A figura
17 ajuda a explicar este processo; aqui
os prótons,
para facilitar a
compreensão, estão apontando para
cima.
Como já vimos, os prótons realizam um movimento de precessão com
frequência definida pela intensidade do campo magnético no local e, além disso, todos
os prótons experimentam o mesmo campo magnético. Esta última afirmação, no
entanto, não se dá sempre! já que :
•
o campo magnético da unidade de Ressonância Magnética, onde o paciente é
colocado, não é totalmente homogêneo, possui pequenas variações locais, o que
produz diferentes frequências de precessão e, por outro lado,
•
cada próton é influenciado pela presença de cargas elétricas livres ou de pequenos
campos magnéticos dos prótons na sua proximidade, o que, por sua vez, também
determina valores diferentes das frequências de precessão. As variações internas do
campo magnético são características para cada tecido.
Após desligar o pulso de radiofrequência, os prótons não são obrigados mais a
permanecer em sincronia e, por possuírem diferentes frequências de precessão, perderão
a coerência de fase. É interessante observar a velocidade com que esta defasagem
acontece: suponhamos que um próton (p1) precesse com uma frequência de 10 MHz.
Devido à heterogeneidade do campo magnético, uma variação da sua intensidade em
1%, por exemplo, fará com que outro próton (p2), das imediações, adote uma
frequência de 10.1 MHz . Em 5µs (p2) terá realizado 50.5 rotações enquanto que o
próton (p1), somente 50. Assim, após um curto período de tempo ambos os prótons
terão uma defasagem de 180º e, no plano (x, y), poderão eliminar-se mutuamente. A
magnetização transversal irá diminuindo paulatinamente.
Figura 18.
De forma análoga à magnetização longitudinal, podemos representar
num gráfico a relação da magnetização
transversal em função do tempo e
obteremos uma curva decrescente
chamada de curva T2. Aqui a constante
de tempo que descreve a velocidade
com a qual a magnetização transversal
diminui é chamada de tempo de
relaxação transversal ou tempo de
relaxação Spin-Spin. T1 é aproximadamente entre 2-10 vezes maior que T2.
O que significa ter um longo ou curto tempo de relaxação? Que tipo de
tecido apresenta um tempo maior ou menor de relaxação?
A água e os tecidos com alta concentração de líquidos possuem um longo T1 e
T2. Neste sentido é interessante lembrar que tecidos patológicos possuem, geralmente,
uma alta concentração de água em relação aos tecidos normais vizinhos; desta forma,
tecidos patológicos poderão ser facilmente diferenciados por possuírem tempos de
relaxação T1 e T2 relativamente mais longos que os dos tecidos sadios.
Quais os parâmetros que influenciam T1 ?
O tempo de relaxação longitudinal - T1 depende da composição e estrutura do
tecido alvo e de sua proximidade com outros tecidos. T1 tem a ver com a transferência
de energia térmica dos prótons excitados ao seu redor - seu meio. Se este meio é um
líquido puro, ou simplesmente água, a transferência de energia será dificultada devido à
alta velocidade de movimentação das pequenas moléculas de água. Os prótons requerem
um tempo maior para conseguir transferir sua energia ao meio e retornar ao seu estado
de equilíbrio. A magnetização longitudinal precisará, então, de um tempo mais longo
para recuperar seu valor inicial e isto significa que líquidos puros e água possuem
tempos de relaxação longitudinal T1 longos.
O tempo de relaxação T1 será
mais curto quando se tratar de tecidos
corpóreos formados por líquidos que
contêm
moléculas
de
diversos
tamanhos; nestes meios a energia
térmica poderá ser transferida mais
rapidamente já que aí as moléculas se
movimentam e possuem campos
magnéticos com frequências próximas à
frequência dos prótons excitados. Esta
condição ressonante é indispensável
para uma transferência de energia.
Figura 19.
Quais os parâmetros que influenciam o tempo de relaxação transversal T2 ?
A relaxação transversal é produto da heterogeneidade presente no campo
magnético externo e interno. Como foi mencionado anteriormente, as moléculas de água
se movimentam rapidamente em meios líquidos e, assim, seus campos magnéticos
mudam também rapidamente, não deixando se estabelecer uma grande diferença entre
os campos magnéticos de um ponto para outro. Não havendo grande diferença na
intensidade do campo magnético no meio, os prótons ficarão precessando juntos durante
um tempo maior, em fase, o que fará com que o tempo de relaxação transversal T2 seja
também maior.
Figura 20.
Nos líquidos com impurezas,
que contêm grandes moléculas, existe
uma grande variação na intensidade dos
campos magnéticos locais. As grandes
moléculas se movimentam mais
lentamente,
assim
seus
campos
magnéticos não se eliminam tanto. A
grande
diferença
dos
campos
magnéticos locais gera, por sua vez,
uma grande diferença nas frequências
de precessão e, desta maneira, mais
prótons abandonam a coerência de fase.
Neste caso o tempo de relaxação
transversal T2 será menor.
Todos estes processos, vistos anteriormente, influenciam na qualidade final da
imagem gerada no equipamento de Ressonância Magnética.
Tempo de repetição dos pulsos de radiofrequência TR
Consideremos dois tipos de tecidos - A e B - com tempos de relaxação distintos.
O tecido A apresenta um tempo curto de relaxação tanto longitudinal T1 quanto
transversal T2 , em relação ao tecido B. Inicialmente emitimos em ambos tecidos um
pulso de radiofrequência de 90º. Este pulso é capaz de inclinar o vetor da magnetização
longitudinal do eixo z para o plano (x, y). Esperamos um determinado período de tempo
igual ao tempo TRlongo, e emitimos, finalmente, um segundo pulso de radiofrequência de
90º. Qual o efeito produzido em ambos tecidos? Primeiramente, após o tempo TRlongo,
tanto o tecido A como o tecido B recuperam totalmente sua magnetização longitudinal
e, após o segundo pulso de 90º, a magnetização transversal terá o mesmo valor para
ambos tecidos (se repetirá a situação inicial).
Na figura 21, A e B representam
Figura 21.
tecidos com diferentes tempos de
relaxação. O quadro 0 mostra a situação
anterior ao pulso de radiofrequência de
90º; o quadro 1, a situação imediatamente posterior ao mesmo pulso. Se
esperarmos um longo intervalo de
tempo igual à TRlongo, a magnetização
longitudinal em ambos tecidos estará
totalmente recuperada, como mostra o
quadro 5. Um segundo pulso de 90º,
emitido após este tempo, originará uma
magnetização transversal em ambos
tecidos (quadro 6) igual àquela
observada após o primeiro pulso de 90º
(quadro 1).
O que poderá acontecer se não esperarmos um período tão longo entre os pulsos?
Figura 22.
Se o segundo pulso for enviado
num tempo mais curto - igual à TRcurto
(depois do quadro 4), a magnetização
longitudinal do tecido A resultará maior
que a do tecido B: isto ocorre porque a
magnetização transversal do tecido A,
antes do segundo pulso de 90º (como
mostra o quadro 4 na figura) recuperou
maior parte do seu valor original do que
a magnetização no tecido B.
Se não esperarmos um intervalo de tempo tão longo entre dois pulsos, mas sim
um intervalo menor, igual à TRcurto , a magnetização longitudinal do tecido B, com
maior T1 , não terá se recuperado tanto como a do tecido A, que tem um T1 curto. A
magnetização transversal será diferente em ambos tecidos, após o segundo pulso
(quadro 5). Em resumo, mudando o tempo entre dois pulsos sucessivos podemos
influenciar e alterar a magnetização transversal, a intensidade do sinal de Ressonância
Magnética e, consequentemente, o contraste dos tecidos na imagem reconstruída.
Desta forma, por ser o vetor de relaxação transversal do tecido A maior, o sinal
registrado na antena terá uma maior intensidade que a emitida pelo tecido B. Como
vimos, a diferença na intensidade do sinal proveniente de tecidos diferentes depende da
diferença na respectiva magnetização longitudinal, isto é, da diferença de T1 entre
ambos tecidos. Assim poderemos diferenciar o tecido A do tecido B usando pulsos de
90º no intervalo de tempo igual à TRcurto . Se este período for bem maior, a
diferenciação será impossível. O tempo entre dois pulsos sucessivos é chamado de
tempo de repetição TR.
Figura 23.
Como pode ser observado na
figura 23, o líquido encéfalo-raqüídeo
(CFS) apresenta um tempo de relaxação
- T1 mais curto que o cérebro e, conseqüentemente, a intensidade registrada
será menor.
Um tempo de repetição dos
pulsos (TR) menor que 500ms é considerado curto, enquanto que outro, o de
1500 ms é considerado longo.
A imagem resultante é chamada de imagem “mediada pelo parâmetro T1”, o que
significa que a diferença na intensidade do sinal ou contraste do tecido alvo deve-se,
principalmente, a diferenças em T1. Existem, além deste, outros parâmetros que
influenciam na qualidade da imagem como a densidade de prótons no tecido e o T2.
Escolhendo uma determinada sequência de pulso da radiofrequência e do TR podemos
salientar determinada característica do tecido na imagem resultante.
Quando o tempo de repetição dos pulsos é extremamente grande, como foi visto
na figura 21, T1 não influencia mais na intensidade da imagem ou no contraste dos
tecidos, mas sempre pode existir uma diferença mínima na concentração de prótons nos
diferentes tecidos, será então este novo parâmetro - a densidade dos prótons, que irá
influenciar na imagem de Ressonância Magnética. Neste caso, a imagem obtida através
de um longo TR, e que depende somente da concentração dos prótons, é chamada de
“imagem mediada pela densidade de prótons”.
Como obter uma “imagem mediada pelo tempo de relaxação T2 ?
Figura 24.
Observemos a seguinte experiência:
inicialmente usamos um pulso de
radiofrequência de 90º; como resultado,
o vetor da magnetização longitudinal
será deslocado para o plano transverso e
os prótons serão agrupados, girando em
fase - obteremos o vetor da magnetização transversal. Ainda, essa situação
ordenada é instável. Depois que o
primeiro pulso é desligado a magnetização longitudinal começa a reaparecer
enquanto a magnetização transversal,
devido à perda da coerência de fase,
começa a sumir (como pode ser visto
nos quadros b e c na figura 25). Após
transcorrer um intervalo de tempo igual
a TE/2, será emitido um pulso - desta
vez de 180º.
Figura 25.
Este pulso obriga os prótons a
precessarem em sentido contrário,
seguindo os ponteiros do relógio. Como
resultado, os prótons que no início
precessavam rapidamente estarão agora
atrás dos mais lentos, aproximando-se
cada vez mais. Após outro intervalo de
tempo igual a TE/2, os prótons mais
rápidos estarão finalmente juntos com
os mais lentos, em outras palavras, os
prótons estarão novamente em fase e a
magnetização transversal voltará a ser
intensa (quadro f na figura 25).
Com o decorrer do tempo, os prótons que precessavam rapidamente passarão à
frente, o que novamente contribuirá para a perda da coerência de fase e
desaparecimento da magnetização transversal. Enviando novamente um pulso de 180º, o
processo reiniciará novamente. Os sucessivos estados de sincronização permitem que os
sinais captados na antena se apresentem como pulsos em crescendo-decrescendo,
chamados de ecos.
O pulso de radiofrequência de
180º atua em nossa experiência como
Figura 26.
uma muralha onde os prótons batem e
retornam, da mesma forma como faz
uma onda sonora ao encontrar uma
superfície, onde é refletida produzindo
um eco; este é o motivo pelo qual este
intenso sinal é chamado de eco ou de
Spin-eco e TE é chamado de tempo de
eco.
Utilizando
pulsos
de
radiofrequência de 180º após intervalos
de tempo igual a TE é possível
reordenar os prótons e obter mais que
um sinal Spin-eco (vide figura 26).
Contudo, a intensidade máxima de cada
eco diminui progressivamente. A curva
que liga os máximos das intensidades
do sinal Spin-eco constitui a curva de
relaxação transversal T2 .
Outra maneira de produzir ecos é inverter rapidamente o sentido do campo
magnético externo B0 após o pulso de 90º, a fim de promover um efeito semelhante
àquele do pulso de RF de 180º.
• O TE influencia na qualidade da imagem de Ressonância Magnética e pode ser
escolhido pelo operador do equipamento de Ressonância Magnética.
A figura 27 mostra a curva T2 de
dois tecidos com diferentes valores do
tempo de relaxação transversal, o tecido
A (cérebro) possui um T2 mais curto
que o tecido B (fluído encéfalo
raquídeo); por conseqüência, sua
magnetização transversal diminuirá
mais rapidamente. Após um tempo TE
curto a diferença nas intensidades do
sinal dos tecidos é menos pronunciada
do que com a escolha de um tempo TE
mais longo. O problema que surge na
escolha de um TE muito longo é que o
sinal correspondente na sua intensidade
é fraco e comparável com o ruído do
sinal. Isto influencia negativamente a
qualidade da imagem de Ressonância
Magnética.
Figura 27.
O tempo de eco TE menor que 30ms é considerado tempo curto; se for maior
que 80ms será considerado longo.
Interpretação da imagem obtida através da Ressonância Magnética Nuclear
Esta técnica permite observar na tela do computador a distribuição dos prótons
no tecido estudado. A imagem apresenta intensidades desiguais, decorrentes não apenas
da concentração dos prótons no tecido mas também das propriedades de relaxação (ou
seja, retorno ao estado de equilíbrio) dos núcleos, caracterizadas pelos dois parâmetros
T1 e T2.
Numerosas experiências mostraram a existência de diferenças notáveis entre os
valores dos tempos de relaxação em tecidos normais e em patológicos. Quando os
tecidos apresentam valores diferentes de T2 , é possível discriminá-los usando a técnica
de ecos de Spin. Por isso, deve-se ter cuidado na escolha da sequência de pulsos
convenientes para a região do organismo ou a patologia que se deseja evidenciar.
Figura 28.
Figura 29.
Se na imagem obtida o líquido encéfalo-raquídeo estiver representado numa cor
branca, teremos uma imagem mediada pelo parâmetro T2. Se o fluído é mais escuro do
que as partes sólidas, teremos uma imagem mediada pelo parâmetro T1 ou mediada pela
densidade de prótons. O sinal proveniente da substância cinzenta é maior que o
proveniente da substância branca pelo fato de que a massa cinzenta possui uma maior
quantidade de água e, por conseqüência, um número maior de prótons.
Figura 30.
Uso de meios de contraste na Ressonância Magnética
Para salientar tecidos com características similares são usados meios de
contraste. Estas substâncias possuem pequenos campos magnéticos que diminuem os
tempos de relaxação nas vizinhanças dos prótons; diz-se que tais substâncias têm
propriedades paramagnéticas. O Gadolínio é uma dessas substâncias usadas nos exames
de Ressonância Magnética como meio de contraste. Gadolínio constitui uma “terra rara”
que é tóxica em estado livre, mas que ligada ao DTPA deixa de ser nociva. O efeito
dessa substância é a mudança do sinal devido à diminuição dos tempos T1 e T2 .
Tempo requerido para obter uma imagem de Ressonância Magnética
O tempo para aquisição de uma imagem está definido pela seguinte relação:
tempo de aquisição = t.a. = TR x N x Nex
Nesta relação, Nex - é o número de excitações ou de medições que muitas vezes
é necessário fazer para melhorar a qualidade da imagem; N - é o número de linhas da
matriz que constitui a imagem mostrada na tela de um computador (256 x 256). Os
detalhes numa imagem serão mais evidentes se trabalharmos com um número maior de
linhas, só que isso aumenta consideravelmente o tempo de aquisição. TR- é o tempo de
repetição; quanto menor for o TR, mais rapidamente a imagem será adquirida.
Figura 31.
O tempo de repetição dos pulsos
é,
geralmente,
fixado
pelas
características do equipamento de
Ressonância Magnética. Por esse
motivo, para encurtar o tempo
necessário para aquisição da imagem
são feitas medições simultâneas em
outras fatias, durante a espera do
próximo pulso.
Como selecionar a fatia do organismo que se deseja examinar ?
Quando um paciente é colocado na unidade de Ressonância Magnética ele
experimenta um campo magnético que além de intenso é bastante homogêneo. Todos os
prótons no corpo do paciente terão, então, a mesma frequência de Larmor e poderão ser
perturbados pelos mesmos pulsos de radiofrequência. Os sinais emitidos por estes
prótons, e registrados para a reconstrução da imagem, não poderão contribuir para
especificar a localização exata dos tecidos estudados no organismo. Para selecionar uma
determinada fatia tomográfica no paciente, um campo magnético gradiente (varia sua
intensidade de forma linear em cada ponto) é superposto ao campo magnético externo.
Este campo gradiente é produzido em bobinas especiais chamadas de bobinas gradiente
e altera a intensidade do campo magnético originário ao longo do paciente.
Figura 32.
Na figura 32, por exemplo, a
intensidade do campo magnético
gradiente Gz cresce ao longo do
paciente, tendo valores de 1,4 Tesla nos
pés e atingindo o valor de 1,6 Tesla na
cabeça. Os prótons das diferentes fatias
transversais, submetidos a este campo
magnético resultante, experimentarão
intensidades
distintas
e
terão
frequências de precessão bem definidas:
de 60MHz nos pés e de 68 MHz na
cabeça. Desta forma, com uma mesma
frequência poderemos excitar seletivamente prótons que se encontram na
mesma fatia e assim, selecionando o
pulso de radiofrequência, será possível
determinar a posição exata do corte ou a
fatia tomográfica que queremos
examinar.
De onde exatamente provém o sinal de Ressonância Magnética ?
Com a escolha de uma determinada frequência selecionamos a posição e
espessura da fatia tomográfica a ser examinada. Mas como identificar o ponto na fatia,
de onde foi emitido o sinal, que vai contribuir para a formação da imagem? Neste caso
procedemos de forma similar à anterior. Após emitir o primeiro pulso de
radiofrequência, aplicamos no paciente um segundo campo gradiente numa outra
direção, por exemplo, ao longo do eixo y. A figura 33 mostra isto: na fatia tomográfica
(imagem A) os prótons estão precessando com a mesma frequência.
Para
discriminar
estas
frequências aplicamos um segundo
campo gradiente Gy que desta vez
decresce da esquerda para a direita. Da
mesma
forma,
as
frequências
decrescerão no sentido esquerdadireita. A aplicação deste campo
gradiente Gy obriga os prótons,
localizados em cada uma das colunas, a
emitirem seus sinais com a mesma
frequência. Verifica-se, portanto, uma
discriminação das frequências em
função da posição dos prótons; por este
motivo o segundo campo magnético
gradiente aplicado também é chamado
de campo decodificador de frequência .
Figura 33.
Mas ainda não podemos identificar o local exato em cada coluna de onde o sinal
partiu; teoricamente poderíamos introduzir um terceiro campo gradiente. Não obstante,
este procedimento pode trazer algumas dificuldades, por exemplo, podem resultar
pontos localizados em lugares diferentes com a mesma frequência. Este problema pode
ser solucionado se aplicarmos um campo gradiente Gx ao longo de uma coluna por um
curto intervalo de tempo (vide figura 34). Este gradiente faz com que os prótons em
cada coluna aumentem sua velocidade de precessão, correspondendo à intensidade do
campo magnético experimentado.
Figura 34.
Quando este gradiente Gx é
desligado, todos os prótons na coluna
sentirão novamente o campo magnético
originário e apresentarão a mesma
frequência de precessão. Só que agora
os prótons estarão fora de fase e esta
defasagem pode ser registrada na antena
como um atraso na chegada dos
diferentes sinais. Já que este último
gradiente Gx aplicado no paciente leva à
precessão dos prótons em fases
diferentes, ele é chamado de gradiente
decodificador de fase.
Em resumo, após a aplicação dos campos magnéticos gradientes, acima
descritos, registramos uma mistura de diferentes sinais. Alguns desses têm frequências
variadas e outros, com a mesma frequência, possuem fases diferentes; considerando a
localização do próton perturbado.
O computador analisa a intensidade do sinal de uma frequência e fase específica
com ajuda de um procedimento matemático chamado de “transformada de Fourier”; ela
permite obter um espectro de frequência de um sinal composto.
O espectro das frequências é a
representação gráfica da amplitude e
das frequências dos sinais primitivos
usados para gerar o sinal composto. A
amplitude do sinal codifica a quantidade
dos prótons ressonantes, enquanto a
frequência de cada onda permite que a
posição de cada amostra possa ser
conhecida. Graças à correlação deste
sinal com um ponto definido na fatia
examinada, poderemos reconstruir a
imagem tomográfica de Ressonância
Magnética.
Figura 35.
Ainda, algumas noções básicas:
Durante todo o tempo falamos de prótons e núcleos, por quê? Como foi
mencionado, átomos estão constituídos de prótons e nêutrons. Uma exceção é o átomo
de hidrogênio: possui somente um próton no núcleo atômico. Cada vez que falamos de
prótons, também nos referíamos aos átomos de hidrogênio. Este é o átomo mais
abundante em nosso organismo e também aquele que emite os sinais mais intensos de
Ressonância Magnética, quando comparado com outros átomos.
Qualquer outro núcleo pode ser usado para aquisição de imagens em Ressonância
Magnética?
A resposta é não. Somente podem ser utilizados núcleos que apresentem Spin e
um número ímpar de prótons. No entanto, a formação de imagens com utilização de
outros núcleos é difícil, tanto por suas baixas concentrações em nosso organismo como
pelo fato de exigirem campos magnéticos bem mais intensos que os usados nas
unidades de RM. Por exemplo, o uso do núcleo de fósforo -constituinte fundamental de
moléculas como o trifosfato de adenosina (ATP) e a fosfocreatina, permitiria investigar,
através de imagens, o comportamento da taxa metabólica dos tecidos. Já o uso do sódio
teria grande interesse na análise de casos de infarto, tumores e derrames em que ocorre
rompimento da parede celular. Devido à diferença significativa na concentração do
sódio nos fluidos intra e extracelulares, a “invasão” do sódio em regiões atingidas por
rupturas de vasos e membranas seria claramente visível numa imagem obtida por
Ressonância Magnética Nuclear.
Uma visão na instrumentação:
Sob muitos aspectos, a operação de um sistema de Ressonância Magnética
Nuclear é semelhante à de um receptor de rádio, que detecta, através de uma antena, um
sinal de radiofrequência, utiliza um receptor sintonizável para processá-lo e envia a
saída de áudio para um autofalante. No sistema de Ressonância Magnética Nuclear
esquematizado na figura 36, também existe um gerador de radiofrequência (que
estabelece uma oscilação altamente estável), um transmissor, onde os pulsos são
amplificados até um nível de potência de algumas centenas de watts; tais pulsos são
aplicados às bobinas de radiofrequência. Atuando como uma antena, as bobinas excitam
os prótons e, em seguida, detectam os sinais fracos resultantes, estes, por sua vez, são
amplificados no receptor, digitalizados e enviados para um computador onde serão
armazenados e processados. A imagem tomográfica, então, poderá ser visualizada na
tela do computador.
Figura 36.
A parte mais importante da unidade da Ressonância Magnética é o magneto
principal. Este deve ter uma intensidade suficiente para permitir a aquisição de imagens.
A intensidade do magneto é dada em Tesla (T) ou Gauss, sendo que 1 T = 10.000
Gauss. O cientista alemão Gauss foi o primeiro a calcular o campo magnético da terra
(0,3 - 0,7 Gauss) e Tesla é considerado o pai da corrente alternada.
Os magnetos usados na RM têm uma intensidade entre 0.5 até 1.5 Tesla.
Comparativamente, o magneto da porta de uma geladeira doméstica possui uma
intensidade de aproximadamente 100 Gauss. Uma das exigências feitas para o campo
magnético gerado é ter alta homogeneidade, já que a intensidade deste determina a
frequência de precessão.
Tipos de magnetos
a) permanente (ímã) : não usa corrente elétrica para geração do campo magnético, sua
intensidade é relativamente pequena (um magneto de 100 toneladas possui uma
intensidade de 0,3 tesla) e apresenta instabilidade térmica.
b) resistivos: são criados por uma bobina (eletromagneto), esquentam demais devido à
resistência elétrica e precisam ser refrigerados, fornecem uma maior intensidade que os
permanentes.
c) supercondutores: atualmente são os mais usados nos equipamentos de RM, são
refrigerados a temperaturas de supercondutores ( 4º K, usando He e Nitrogênio líquido);
nesta temperatura a resistência elétrica é quase nula. Os magnetos supercondutores
geram um campo magnético constante, altamente homogêneo e intenso; as
desvantagens são os altos custos de manutenção e refrigeração.
Bobinas geradoras de pulsos de radiofrequência
São usadas para emitir e captar pulsos de radiofrequência. Existem os mais
diversos tipos de bobinas e, dependendo do lugar de sua aplicação no paciente,
denominadas: de volume, de gradiente, de montaria, de superfície, etc.
Por que as unidades de RM requerem uma atenção especial ?
Devido ao intenso campo magnético gerado, o equipamento de Ressonância
Magnética Nuclear não pode estar localizado num local arbitrário. Algumas regras
devem ser observadas para sua instalação e funcionamento. O campo magnético gerado
numa unidade de RM pode atrair com bastante intensidade objetos metálicos e
influenciar em equipamentos mecânicos e elétricos, como computadores, marca-passos
e unidades de raios-X. Por outra parte, estes equipamentos podem ser influenciados
pelas frequências de rádio presentes no meio ambiente externo. Muitas destas
frequências estão localizadas na faixa de detecção do equipamento. É por este motivo
que as unidades de RM necessitam de uma blindagem especial que evite as
interferências externas.
Riscos biológicos
A partir da informação acumulada sobre a resposta biológica à ação de campos
magnéticos intensos podemos afirmar, com razoável certeza, que não existem efeitos
prejudiciais para o organismo decorrentes da utilização da IRM. Nesta técnica,
simplesmente, não existem mecanismos de ação, como o da ionização, capazes de
produzir efeitos deletérios nos tecidos.
Efeitos provocados por campos magnéticos estáticos (não dependem do tempo)
Ao longo de nosso organismo as cargas elétricas estão distribuídas de forma
uniforme. Algumas moléculas e membranas corpóreas têm carga elétrica polarizada e
mostram, portanto, características de um dipolo magnético. Outras moléculas, por
exemplo, as que constituem o tecido nervoso, servem de condutores de corrente elétrica.
Quando submetidas a campos magnéticos intensos, tem-se observado nestas moléculas
e membranas várias mudanças eletroquímicas:
Permeabilidade das membranas
A capacidade que tem uma molécula para atravessar uma membrana depende da
permeabilidade desta. Devido à distribuição de cargas elétricas em algumas membranas,
os campos magnéticos intensos podem induzir alterações na sua permeabilidade.
Cinética de enzimas
As enzimas são moléculas proteicas relativamente grandes e possuem uma
distribuição irregular de cargas elétricas na sua superfície. O campo magnético intenso
altera a natureza elétrica destas enzimas. Ainda são desconhecidos os efeitos
decorrentes desta alteração na atividade das enzimas.
Condução nervosa
Células nervosas são condutores elétricos similares a um cabo isolado de cobre.
O campo magnético intenso exerce uma força nos elétrons do condutor desviando-os do
seu fluxo normal e afastando o condutor para um dos lados. Existe a possibilidade de
essa força interferir na condução de pulsos elétricos nas células nervosas, afetando
assim a função neural.
Biopotenciais
Vários tecidos do organismo, em particular o muscular, experimentam mudanças
do seu potencial elétrico durante sua contração. As variações dos biopotenciais com
amplitude até 10mV no coração podem ser registrados através do eletrocardiograma. Na
presença de campos magnéticos intensos é possível alterar tais biopotenciais, o que
provavelmente irá interferir no funcionamento normal do músculo.
Marca-passo cardíaco
Marca-passos têm os mais variados desenhos, mas todos usam um pequeno ímã
para sua ativação. Este pequeno ímã pode sofrer fortes interferências na presença de
campos magnéticos intensos provocando falhas no funcionamento do marca-passo.
Portanto, a IRM é contraindicada para pacientes portadores de marca-passo.
Efeitos provocados por campos magnéticos variáveis no tempo (campos
gradientes)
Nas unidades de RM são usados campos magnéticos que variam a sua
intensidade em função do tempo e que são superpostos ao campo magnético estático.
Quando o campo gradiente interage com elétrons estacionários de determinados tecidos,
induz uma densidade da corrente elétrica, medida em amperes por centímetro quadrado
(A/cm2). Há respostas biológicas à ação de tais densidades elétricas, mas todas elas
ocorrem numa faixa de intensidade do campo magnético muito superior daquela usada
nas unidades de Ressonância Magnética Nuclear.
fosfenos visuais
Se uma corrente elétrica atravessa a cabeça de uma pessoa que está com os olhos
fechados induzirá em sua retina um clarão luminoso. Este efeito se deve à ativação da
molécula de fosfeno e pode ser também produzido por campos magnéticos gradientes.
Consolidação óssea
A passagem de pequenas correntes elétricas através de segmentos ósseos
fraturados favorece sua consolidação. Neste caso a densidade da corrente empregada
oscila ao redor dos 10µA/cm2. Embora sejam desconhecidos os mecanismos, a
consolidação óssea é utilizada eficientemente em muitos casos.
Fibrilação cardíaca
Quando o coração perde seu batimento normal e as pulsações são substituídas
por tremor rápido se diz que ele fibrila; a fibrilação pode levar a uma parada cardíaca ou
até a morte. Atravessando uma corrente elétrica intensa através do músculo cardíaco é
possível estabilizar um coração em fibrilação; esta técnica é frequente nas unidades de
tratamento coronários. Por outro lado, a corrente elétrica com densidade de 300mA/cm2
pode provocar a fibrilação de um coração sadio. Nas unidades de RM, não entanto, são
usadas correntes elétricas até seis vezes menores que a mencionada.
Exposição à radiofrequência
O principal efeito da interação entre o pulso de radiofrequência e o tecido
corporal é a transferência de energia na forma de calor. A quantidade de calor
transferida é uma complexa função da frequência e da potência do pulso de RF.