AULA 03_ Princípios Físicos_ Propriedades Intrínsecas dos Átomos

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Ressonância Magnética Nuclear 
Aula 03- Princípios Físicos: Propriedades 
Intrínsecas do Átomo de Hidrogênio. 
 
Profª Ms. Sabrina Passoni Maravieski 
2020/1 
Tecnologia em Radiologia 
6° Período (Noturno) 
Átomos e o Corpo Humano: 
 
Os principais átomos que compõem o tecido humano são: 
hidrogênio, oxigênio, carbono, fosforo, cálcio, flúor, sódio, potássio, 
e nitrogênio. 
 
Todos estes, exceto o H possuem p+ n em seu núcleo. 
 
O Átomo de Hidrogênio (H1): 
 
O próton do Hidrogênio: 
 
Partícula com carga elétrica positiva; 
Possui momento de giro-Spin (l ou ml): esse pode assumir dois 
valores +1/2 e -1/2. Estes valores chamamos de estados. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Todos os átomos possuem o mesmo valor para a rotação nuclear? 
 
 Na natureza são encontrados números limitados de valores 
para “l”, ou seja, este valor é quantizado a determinados valores 
distintos. Esses valores dependem do número exato de prótons e 
nêutrons contidos no núcleo. 
 Todos os elementos (exceto argônio e cério), possuem no 
mínimo, um isótopo natural que possui spin. Assim, quase todos os 
elementos podem ser examinados por IMR (Brown et al, 2001). 
 Há três grupos de valores para o spin: 
l=0 
l=1,2 e 3 
l =1/2, 3/2 e 5/2. 
 Se o núcleo possuir número par de prótons e nêutrons, l=0, 
esse núcleo não interage com o campo magnético externo e não 
pode ser estudado por IMR. 
O próton: 
 
Possui momento magnético (μ): se comporta como um pequeno 
imã (magneto). É uma pequena esfera carregada, a qual possui 
uma aceleração. Toda carga elétrica acelerada produz um campo 
magnético em seu redor. 
 
 
 
 
Os Spins e o Tecido Biológico: 
 
 O corpo humano possui uma temperatura média é de 36,5 
°C sofrem a ação do campo magnético natural da Terra, cujo valor é 
3,0 x 10-5 T. 
 Sob a ação deste campo, os spins dos prótons do átomo de 
hidrogênio (e demais átomos constituintes do corpo humano) estão 
distribuídos de forma aleatória, pois trata-se de um campo 
extremamente fraco. Ou seja, sob a ação do campo magnético 
terrestre, os spins não possuem uma direção definida. 
 
 Essa distribuição aleatória, faz com que a magnetização 
resultante de um volume de tecido seja igual a zero (M=0). Dizemos 
que este é o estado de equilíbrio. 
A Magnetização do Tecido: Spins sob ação de um campo 
magnético externo 
 
 
 Quando o paciente fica posicionado no interior do magneto, 
ele fica sob a ação de um campo magnético externo (B0) de 1,5 T 
(por exemplo). Os spins dos prótons do hidrogênio irão se alinhar 
ocupando apenas dois estados de energia permitidos (2l +1): 
paralelamente ao campo (estado de menor energia, mais estável) 
ou antiparalelamente ao campo (estado de maior energia, menos 
estável). 
 
Efeito Zeeman: A diferença de energia entre os dois estados 
 
 
 
A Equação de Distribuição de Energia: Equação de Boltzmann 
 
 
Quantitativamente, quem prevê quantos spins se alinham 
paralelamente ou antiparalelamente ao campo externo aplicado, é 
a equação de Boltzman: 
 
 
 
Outros fatores que contribuem para a magnetização do tecido: 
 
 A energia térmica de um núcleo é determinada pela 
temperatura do paciente. Essa temperatura é um dos fatores que 
fazem com que ocorra a orientação ou não dos spins com o campo. 
 
 Outro fator que contribui para magnetização é o meio (µ0). 
Ex: temperaturas elevadas e meios diamagnéticos não são ideais. 
 
 É natural que o estado de mínima energia seja o preferido 
pelos spins. Logo, um maior número de spins irá se alinhar 
paralelamente ao campo. 
 
 Por exemplo, para cada 107 prótons antiparalelos, haverá 
107 + 7 prótons paralelos. E este 7 prótons livres é que contribuem 
para formação da imagem em RMN. 
 
Movimento de Precessão: Equação de Larmor 
 
 
 Os spins não se alinham todos de forma “retinha” com o 
campo. Na tentativa do alinhamento com o campo magnético 
externo, surge um movimento denominado de precessão. 
 Nesse movimento, os prótons descrevem órbitas circulares 
no extremo superior. 
 
 
 
B0 
Movimento de Precessão: Equação de Larmor 
 
 A velocidade desse movimento pode ser caracterizada pela 
frequência de Larmor (ω0), a qual quantifica a frequência de 
precessão do próton (número de voltas a cada segundo). 
 Ela não é constante, pois depende do valor do campo 
magnético externo aplicado (B0) conforme a equação de Larmor: 
 
 
 
 
 Onde: ϒ é a constante giromagnética para o Hidrogênio 
42, 58 MHz/s. 
 Essa frequência de precessão é importante devido sua 
relação com o fenômeno de ressonância. Pois núcleos com 
precessão podem ganhar energia por ressonância quando 
submetidos a campos eletromagnéticos adequados (LUFKIN, 1990). 
Vetorialmente, como ocorre a magnetização resultante? 
 
 O campo magnético externo aplicado está disposto na 
direção “z”. Como a maioria dos spins estão alinhados para cima, é 
normal que a resultante da magnetização dos spins seja para cima. 
Pois não há como cancelar todos os spins. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Relação da formação da imagem com a magnetização dos spins 
 
 Em uma imagem digital de RMN a menor unidade é o voxel. 
Este é da ordem de 1,0 mm3 ou mais (depende da resolução do 
aparelho). 
 
 
 
 
 
 
 O efeito combinado das orientações dos spins dos prótons 
representam uma magnetização resultante. Essa magnetização 
resultante é a soma vetorial de todos os vetores magnetização ao 
longo de uma eixo, neste caso, no eixo “z”. Um voxel representa 
essa magnetização resultante (M0) somente em uma direção (ao 
longo de B0). 
Problema: 
 
Apesar de todos os spins precessarem com a mesma frequência 
angular (frequência de Larmor), não existe coerência de fase entre 
estas frequências, isto é, não há magnetização resultante no plano 
transversal (em x, y). Na prática, isso significa que não termos sinal 
detectável durante o exame. 
 
Solução: 
 
Mediante excitação dos prótons, isto é, fornecendo energia ao 
movimento precessional, a fim de que mude de direção o vetor 
magnetização. 
 
Como fazer isso? 
Aplicando pulsos de radiofrequência (RF). 
Atividades de Fixação: 
 
1) Todos os átomos que constituem o corpo humano possuem 
propriedades importantes como o spin que, sob ação do campo 
magnético externo da RMN podem emitir sinais específicos. 
Porém o átomo de hidrogênio possui propriedades 
diferenciadas, comparadas com os demais átomos do corpo 
humano. Quais são estas? 
 
2) Desenhe um átomo de hidrogénio e em seguida o próton do 
seu núcleo com seu momento de spin e seu momento 
magnético. 
 
3) Qual é a origem do momento magnético de um partícula com 
carga, assim como o próton de hidrogênio? 
 
4) Como estão distribuídos os momentos magnéticos dos prótons 
dos átomos de hidrogênio à uma temperatura corporal média de 
36,5° C e sob a ação do campo magnético terrestre de 3,0 x 10-5 T. E 
como é a magnetização resultante de um volume de tecido nestas 
condições? 
 
5) Quando o paciente fica posicionado no interior do magneto, ele 
fica sob a ação de um campo magnético externo (B0) de 1,5 T (por 
exemplo), como se comportam os spins dos prótons do hidrogênio? 
 
6) A diferença de energia entre o estado de menor energia e o de 
maior energia é explicado por qual fenômeno? Como esta grandeza 
se comporta com relação ao campo magnético externo aplicado? 
 
7) Como se quantifica os spins que se alinharão paralelamente e 
antiparalelamente sob a ação de um campo magnético externo? 
 
 
8) Do ponto de vista prático da formação de imagem em 
ressonância magnética nuclear, qual é proporção dos spins que 
contribuirão para a formação da imagem? 
 
9) Porque a temperatura e o meio influenciam na magnetização dos 
spins? 
 
10) Juntamente com o movimento de alinhamento ou não 
alinhamento dos spins com o capo magnético externo, qual outro 
movimento surge? 
 
11) O que é a frequência de Larmor e porque ela é importante para a 
IRM? 
 
12) Como ocorre a magnetização resultante em um volume de 
tecido? Relacione esta grandeza com o voxel e aIRM? 
 
 
 
 
13) Por que, apesar de todos os spins precessarem com a mesma 
frequência angular (frequência de Larmor), não temos sinal 
detectável durante o exame. Ou seja, todo esse fenômeno ainda não 
é o suficiente pra gerar uma IRM? Qual seria a solução para tal 
problema?