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UNIVERSIDADE PAULISTA Curso de Biomedicina Annanda Destro Torteli Caroline Cristina Slepicka Geslaine Bento da Silva Laissa Karolline Gualberto Duarte APS BIOFÍSICA: A BIOFÍSICA NA FORMAÇÃO DA IMAGEM EM ULTRASSONOGRAFIA E RESSONÂNCIA MAGNÉTICA. São Paulo 2014 Annanda Destro Torteli | RA: C206DD5 Caroline Cristina Slepicka | RA: C194EH7 Geslaine Bento da Silva | RA: C22CBEE Laissa Karolline Gualberto Duarte | RA: C176940 APS BIOFÍSICA: A BIOFÍSICA NA FORMAÇÃO DA IMAGEM EM ULTRASSONOGRAFIA E RESSONÂNCIA MAGNÉTICA Atividade Prática Supervisionada apresentada ao Curso de Biomedicina da Universidade Paulista orientado pelo Professorº Maykon, como requisito parcial para obtenção da nota do 1º Semestre do curso. São Paulo 2014 SUMÁRIO 1.INTRODUÇÃO ---------------------------------------------------------------------------4 1.1RESUMO/ABSTRACT----------------------------------------------------------------4 1.2 PROBLEMA-- --------------------------------------------------------------------------5 1.3 JUSTIFICATIVA-----------------------------------------------------------------------5 1.4 OBJETIVO------------------------------------------------------------------------------5 2. MATERIAL E MÉTODO --------------------------------------------------------------6 3. RESULTADO E DISCUSSÃO-------------------------------------------------------7 3.1 ULTRASSONOGRAFIA-------------------------------------------------------------7 3.1.1 TRANSDUTORES------------------------------------------------------------------8 3.1.2 PRINCIPIOS FISICOS------------------------------------------------------------8 3.2 SISTEMAS DE IMAGEM -----------------------------------------------------------9 3.3ULTRASSONOGRAFIAS DOPPLER-------------------------------------------10 3.4 RESSONANCIA MAGNÉTICA---------------------------------------------------11 3.5 FORMAÇÕES DA IMAGEM -----------------------------------------------------11 3.6 TÉCNICAS BOLD ------------------------------------------------------------------12 3.7 RELAXAÇÕES SPIN---------- ----------------------------------------------------12 3.7.1 RELAXAÇÃO SPIN–REDE-----------------------------------------------------13 3.7.2 RELAXAÇÃO SPIN SPIN-------------------------------------------------------13 3.7.3. RELAXAÇÃO SPIN MULTI ECO---------------------------------------------13 3.8 EQUAÇÕES DE LARMOR -------------------------------------------------------13 3.9 FREQUÊNCIA W=Bo. Y-----------------------------------------------------------14 3.10 CAMPOS GRADIANTES--------------------------------------------------------14 3.11 CODIFICAÇÕES ESPECIAIS--------------------------------------------------14 4. CONCLUSÃO--------------------------------------------------------------------------16 5. BIBLIOGRAFIA------------------------------------------------------------------------17 4 1. INTRODUÇÃO A biofísica tem como fundamento em sua determinação experimental das propriedades do ultrassom para fins diagnósticos e terapêuticos em ciências da saúde como fisioterapia, medicina, biomedicina, farmácia, etc. O principal fundamento da biofísica na vida acadêmica é de conceituar primeiramente sobre ondulatória, propriedades de ondas mecânicas e efeito doopler e demonstrar outras técnicas que auxiliem no processo de diagnóstico por imagem. O principal objetivo de a atividade a seguir é de demonstrar como a biofísica atua nos setores de ultrassonografia e ressonância magnética no setor de medicina diagnóstica. 1.1 RESUMO A ultrassonografia é um método preciso, moderno, rápido e não invasivo que fornece imagem em tempo real, em até quatro dimensões. A ideia básica da formação de imagem em ultrassom se dá ao intuito de mapear ondas ultrassônicas em diferentes níveis de cinza. A imagem por ressonância magnética acontece pelos sinais de frequência liberados por frequência de rádio, ela troca energia entre forças periódicas e corpos em movimento. Há uma interação entre núcleos de átomos de hidrogênio com ondas eletromagnéticas que permite uma imagem ampliada e detalhada de ossos densos, gordura, líquido livre, água, funções de linguagem, motricidade e memória. ABSTRACT The ultrasonography is an accurate, modern, rapid and non -invasive method that provides real-time imaging in up to four dimensions. The basic idea of imaging in ultrasound takes the aim of mapping ultrasonic waves at different gray levels. The image of RM happen for frequency radio signals, on an exchange of energy between different strong periods and movement for atoms. Has an interaction between nucleus and hydrogen atoms with electromagnetic waves from oscillating magnetic fields. Allows an enlarged and detailed image of dense bone, fat, free fluid, water, language functions, motor skills and memory. 5 1.2 PROBLEMA Qual a vantagem da ressonância magnética? E a desvantagem? A grande vantagem da RM esta na sua segurança, rapidez e comodidade, pelo fato de não necessitar de radiação ionizante e outros fatores que geram incômodos ao paciente. Tem uma ampla capacidade de visualizar diferentes cortes tomográficos em diferentes planos, dando uma visão ampliada da área do corpo da qual se tem interesse de fazer o diagnóstico. Não há desvantagem aparente, já que o diagnóstico da RM é rápido e muito preciso, talvez a desvantagem possa ser a pacientes que tenham intolerância ao contraste, lembrando que atualmente há aparelhos onde o uso do contraste já é descartado . 1.3 JUSTIFICATIVA A importância desta aps foi de aprimorar nossos conhecimentos biofísicos, aprender sobre os movimentos de translação e rotação e de como é formada a imagem pelo diagnóstico de imagem. Esclarecer dúvidas e transparecer claramente todos os objetivos do grupo que principalmente são: aprender, entender e explicar. 1.4 OBJETIVO Descrever a biofísica da formação da imagem usando Ressonância Magnética e Ultrassonografia. 6 2. MATERIAL E MÉTODOS Nesse trabalho foi pesquisada a atuação da biofísica e fenômenos biofísicos envolvidos em diagnósticos por imagem, que hoje em dia são os mais usados por serem práticos rápidos e modernos. Foram feitas pesquisas em periódicos, livros e sites de artigos científicos de bases de dados como scielo, pubmed, bireme e também em outras bases de dados de ciências da saúde. Visamos na transparência e objetividade da pesquisa, assim tornando o artigo de fácil acesso, leitura e entendimento. A pesquisa se inicia desde os parâmetros físicos e biofísicos até como se dá o funcionamento de tal objeto e/ou aparelho e o seu devido diagnóstico. Palavra chave: Biofísica-Parâmetros; Imagem – Diagnóstica. 7 3. RESULTADO E DISCUSSÃO Acreditamos que dos artigos encontrados e que pelo nosso estudo a aps ficou clara e objetiva mostrando a função da biofísica, aplicada aos diagnósticos por imagem. A ressonância magnética e a ultrassonografia não são métodos tão novos, já vem sendo utilizados há anos e, a cada ano que passam novas tecnologias vão surgindo para aprimorar ainda mais os resultados, a imagem e a qualidade. 3.1 ULTRASSONOGRAFIA A ultrassonografia é um método preciso e moderno que fornece imagem em tempo real de órgãos do membro superior do corpo humano, pois facilita a observação deestruturas ocas de conteúdo líquido. Entenderemos como a imagem é formada pelo processo da biofísica e como se da o devido entendimento. A ideia básica da formação de imagem em ultrassom se dá ao intuito de mapear ondas ultrassônicas em diferentes níveis de cinza. A ultrassonografia é uma técnica não invasiva, ou seja, que não vai causar maiores danos e/ou desconfortos para o paciente, diferente de um procedimento de quimioterapia por exemplo. Não é necessário nenhum tipo de anestesia para o procedimento de ultrassonografia e a exposição à radiação ionizante é devidamente eliminada. O comprimento da onda refere-se à distância em que ele se repete ou a diferença entre duas áreas de compressão e refração. Quanto menor o comprimento de onda, melhor a resolução da imagem visualizada (Nyland & Matton, 2004). Se com menor comprimento a imagem fica em melhor resolução, com frequência de milhões de ciclos por segundo com ondas curtas a imagem fica em alta resolução. As ondas acústicas são classificadas de acordo com a sua frequência, classificadas em HZ – Hertz. A absorção ocorre quando há interação da energia acústica em calor, a intensidade de calor é baixa e a quantidade de calor absorvida é baixa também. A reflexão é baseada em pequenas porções de onda que batem na superfície (do corpo) e refletem retornando ao transdutor. Se a reflexão das ondas sonoras é diferente, então ela será também mais intensa, assim se dá o fator de formação da imagem ultrassonográfica. 8 3.1.1 TRANSDUTORES Os transdutores são dispositivos que geram energia por excitação elétrica, um pulso elétrico vibra em frequência de ressonância emitindo o ultrassom. É considerado o emissor de ondas ultrassônicas que captam a ação dos raios refletidos. O transdutor gera ondas acústicas que convertem energia térmica, elétrica e magnética em energia mecânica. A medição é feita pelo efeito piezoeléctrico, um potencial aplicado nos terminais de cristal na deformação na superfície. Eles podem ser classificados de acordo com o tipo de imagem a ser produzido, podem ser classificados em: eletrônicos, mecânicos, lineares e convexos; Os convexos dão origens a feixes sonoros; Os lineares dão origens a feixes sonoros de linhas paralelas. O transdutor pode ser endoscópico, laparoscópico, convexo ou trans-esofágicos, intra- retal, intravaginal, etc. Os sistemas de ultrassom são operados com mais de um transdutor, assim formando uma matriz de vários transdutores. Essas matrizes são rápidas, focalizadas e direcionadas com controle eletrônico, uma vez que o transdutor com elemento único precisa de controle mecânico e foco fixo. Os dois tipos de matrizes são as matrizes lineares e matrizes faseadas. A imagem depende muito da espessura e do tipo de órgão que será analisado, então sempre deverá ter alguma alteração no transdutor para que não haja ruído e perda de sintonia. 3.1.2 PRINCIPIOS FISICOS As ondas de ultrassom são ondas mecânicas com frequência acima da audição humana, que é sensível. (>20KHZ). O ultrassom precisa da vibração do meio para que haja uma pressão exercida pelas ondas e nas propriedades de vibração. As ondas de ultrassom necessitam de comprimento da onda, amplitude que é o movimento de pressão exercida no meio, velocidade que é a relação de comprimento de onda e período de oscilação e o período que é o tempo de oscilação gasto. O comprimento 9 da onda é determinante, pois não pode usar uma onda muito alta para um órgão de tamanho menor, ambos devem estar alinhados. Ex: para se obtiver a imagem de um órgão de 1 mm a sua onda deverá ser de 1.5Mhz . As frequências mais baixas são usadas para órgãos não tão profundos, por exemplo: coração, em caso de ultrassom obstétrico, abdômen; e as frequências mais altas são usadas para órgãos mais profundos como mama e tireoide. A absorção da onda pelos tecidos ocorre quando no meio há perdas de energia por fatores como atrito, pressão, estresse que convertem a energia da onda em calor local, cada tecido tem um tipo de absorção particular, então o valor sempre irá variar de um ao outro. 3.2 SISTEMAS DE IMAGEM MODO B: Atualmente o modo de Brilho é o mais usado nos hospitais, clínicas e laboratórios por ser moderno e preciso oferecendo imagem em duas dimensões, o transdutor é movimentado em todo o local a ser analisado mostrando detalhadamente toda a estrutura interna do corpo. Seu uso é muito recomendado e casos de: diagnóstico de fígado, coração, feto, anomalias do útero, etc. O eco é transformado em um ponto luminoso e diretamente proporcional à intensidade de eco formado. MODO M: O modo de movimentação temporal é gráfico em movimentação, ou seja, a imagem aparece em forma dinâmica que os transdutores entram em contato direto com o paciente muito usado na ECG, pois os ecos oscilam conforme a movimentação ocorre. Neste caso o transdutor mantem-se estacionário. MODO A: Foi o pioneiro dos equipamentos de ultrassom, pois era capaz de registrar a intensidade da vibração refletida pelo órgão ou estrutura que estava sendo examinado, a vibração era fraca, média ou forte e se manifestava no aparelho sob forma de picos. Se o pico fosse alto, maior era a intensidade do eco que se formou. Era utilizado para medir distâncias e fazer avaliação topográfica de coleções liquidas anormal, por exemplo, hematoma. 10 3.3. ULTRASSONOGRAFIA DOPPLER Baseia-se na observação da onda quando sofre alteração de frequência que o corpo produz ou reflete se aproxima, se afasta ou se aproxima de um observador estático, é usado principalmente no estudo de estruturas vasculares. 3.4 RESSONANCIA MAGNÉTICA A imagem por ressonância magnética é o resultado de sinais de frequência de rádio que são liberados por núcleos de peso atômico par que voltam ao seu estado de repouso depois de serem alinhados por um pulso magnético forte (R. Gattass , J. Moll , P. A. Andreiuolo , M. F. Farias e P. H. Feitosa ). O núcleo do átomo de hidrogênio da água é a principal fonte de sinal na RM, pois é mais sensível por possuir grande campo magnético. A leitura do sinal permite visualizar a substância cinzenta e diferenciar da substância branca e de fluido cerebrospinal. Ossos densos, que contém pouca água, são invisíveis em tais imagens, gorduras, liquido livre, etc. Permite a análise de funções cerebrais da memória, linguagem e controle da motricidade. O paciente é colocado dentro de um magneto, provocando a polarização dos prótons de hidrogênio que se alinham em determinado eixo, pois os prótons funcionam como imãs. A ressonância magnética (RM) é um fenômeno físico de troca de energia entre forças periódicas (ondas eletromagnéticas) e corpos em movimento. A condição para que ocorra o fenômeno da ressonância é que a frequência periódica das ondas eletromagnéticas seja exatamente igual à frequência de movimento dos corpos (Wellington Lucena, UFABC, 2011). O fenômeno da RM aplicado ao diagnóstico por imagem acontece pela troca de energia entre núcleos de átomos de hidrogênio com ondas eletromagnéticas de campos magnéticos oscilatórios. Na RM tem vários parâmetros dos tecidos, como a densidade dos prótons, mobilidade, difusão e fluxo em vasos sanguíneos. A quantidade de água não altera o contraste, pois ele varia de tecido para tecido. A gordura é importante no tecido adiposo, pois a maior fonte do contraste precisa da mobilidade da aguas nos tecidos e do efeito que ela tem sobre o T1 E T2. Para que este isto ocorra, é necessário que os 11 núcleos de hidrogênio estejam alinhados. O campo magnético externo é o responsávelpor esse alinhamento. A obtenção da imagem a partir do hidrogênio se deve ao fato deste elemento estar a distribuídos nos tecidos biológicos e por suas características de responder a campos magnéticos externos como se fosse um pequeno ímã. 3.5 FORMAÇÕES DA IMAGEM O sinal é produzido da seguinte maneira: elementos de peso atômico par são expostos a um campo magnético forte e homogêneo, os spins são alinhados na direção de campo aplicado. A frequência das ondas muda conforme a quantidade de átomos em diferentes meios físicos e químicos, o núcleo atômico recebe as energias e libera retornando ao seu estado inicial. Consiste em excitar o equilíbrio dinâmico de maneira tal, que a resultante magnética Mz altere suas orientações no espaço e busque de preferência assumir uma posição no plano transversal (Xy), quando este fenômeno ocorre (ondas eletromagnéticas na mesma frequência de precessão dos átomos de hidrogênio) temos então a RM, ou seja, os núcleos de baixa energia absorvem energia de ondas de RF e são excitadas passando em grande quantidade para o lado mais energético, conseguindo dessa forma levar a resultante magnética Mz para o plano transversal. Essa no resultante no plano transversal fica conhecida como “MAGNETIZAÇÃO TRANSVERSAL Mxy ‘‘ está por sua vez tem a capacidade de induzir sinais elétricos em bobinas especificas estes sinais observados nessas bobinas são conhecidos como, ‘‘sinal de RM”. A intensidade do sinal pode ser modulada alterando parâmetros como intervalo de pulsos, tempo de pulso e recepção do sinal. As imagens podem ser captadas no plano sagital, coronal, axial e oblíquo e as pacientes não pode se movimentar, pois deformará toda a imagem. Uma janela específica de neurofisiologia, hemodinâmica e organismos metabólicos são o necessário para uma alta interpretação para a ressonância magnética funcional. O núcleo de hidrogênio é o mais utilizado em imagenologia por RM. O hidrogênio é muito sensível ao campo magnético, pois é suscetível ao magnetismo. Campos gradientes são campos magnéticos que apresentam variações lineares de intensidade ao longo da direção podendo aumentar ou diminuir o campo magnético local. No equipamento de 12 RM os campos gradientes atuam a partir do isocentro magnético que aumenta a intensidade em uma direção e diminuindo também a mesma na direção oposta. No isocentro magnético o campo magnético local será equivalente a Bo. 3.6 TÉCNICAS BOLD O BOLD é chamado de blood oxygenation level dependent (nível dependente de oxigenação no sangue). A técnica, BOLD é à base da maioria das investigações em neurociência, pois é usada por ser um meio não invasivo para estudar as funções neurais e cerebrais, que revela relação e correlação de funcionamento cerebral. O sinal BOLD é uma medida indireta da atividade neuronal e pode ser apresentada em alguns passos, como por exemplo, sinal de regressão global, a correlação neurofisiológica relativa ou correlativa do BOLD. O BOLD reflete a carga em local com desoxihemoglobina, é a combinação de hemodinâmica relacionada às mudanças no sangue e volume de sangue venoso e metabólico responsável relacionado ao metabolismo oxigênio. 3.7 RELAXAÇÕES DO SPIN É o processo em que os prótons liberam a energia recebida durante o pulso de radiofrequência. Durante a relaxação os prótons liberam energia voltando a sua carga original, os tempos da relaxação são medidos pela total carga de amostra. É dividido por T1 E T2 que são os parâmetros de relaxividade específicos de cada tecido; T1 é o tempo de relaxação longitudinal que é quando a magnetização do tecido volta ao estado equilíbrio do campo magnético externo; T2 é a relaxação transversa, ou seja, o excesso de energia que está no tecido, pelo pulso de radiofrequência é transferido pelos spins magnéticos. Num exame de RM a energia de radiofrequência é utilizada com um atraso de pulsos repetidos. Este período de tempo permite que os prótons cedam a sua energia absorvida, assim a diferença é restabelecida e a absorção liquida ocorre novamente. 13 3.7.1 RELAXAÇÃO SPIN-REDE Mede a transferência de energia de um próton para um meio circundante. Isto ocorre pelo movimento molecular que pode ser vibração ou rotação, na medida em que o próton é excitado com frequência. 3.7.2 RELAXAÇÃO SPIN-SPIN É um acoplamento entre os spins do elétron e a radiação, que ocorre na absorção durante a transição de spin (beta) para (alfa). É o estudo de moléculas e íons onde os elétrons estão desemparelhados, e é observado o campo magnético que entra em ressonância com radiação monocromática. 3.7.3 RELAXAÇÃO SPIN MULTI ECO São selecionados dois tempos de eco dentro de um mesmo tempo de repetição, o primeiro é curto e o segundo é longo. Após a aplicação de cada pulso surgirá um eco. 3.8 EQUAÇÕES DE LARMOR A frequência com que o próton de hidrogênio pressiona depende; 1. Da razão giromagnética ‘’y’’. 2. Do campo magnético a que ele é submetido. W= Frequência de precessão: Define a quantidade de giros por segundos (precessão). 14 Bo= Campo magnético principal: Define a intensidade do campo magnético do equipamento. Y= Razão giromagnética: Constante característica de cada átomo. Para o hidrogênio vale: 42,58 x 10 elevar a 6. 3.9 FREQUENCIA W=Bo. y A frequência de precessão de um próton de hidrogênio depende do campo magnético. Definida a frequência de precessão de um próton, pode-se exercitá-lo por ressonância a partir da aplicação de uma força periódica externa de mesma frequência. A frequência de precessão dos prótons é de aproximadamente 63 milhões 870 mil vezes por segundo do corpo de um paciente que se encontra no interior de um equipamento de 1,5 Teslas. Para o sinal de a RM acontecer precisa aplicar no paciente uma força de pulso da mesma grandeza. 3.10 CAMPOS GRADIENTES São campos magnéticos que variam gradativamente a intensidade numa certa direção. No sistema de RM os campos ocupam os três eixos físicos X, Y, Z, respectivamente horizontal, vertical e longitudinal para selecionar o plano e a espessura do corte e codificar espacialmente os sinais provenientes do paciente. 3.11 CODIFICAÇÕES ESPECIAIS Um paciente no interior do magneto fica em um campo magnético proporcional a Bo. Todos os prótons que ficam sob a ação do campo principal prelecionam-nos mesma frequência (equação de Larmor). Para obter imagens de regiões especificas do paciente, é 15 necessário codificar espacialmente os prótons, diferenciando-os quando as suas frequências de precessão, somete desta forma podemos obter imagens dos pés, abdome ou da cabeça do paciente. A codificação espacial é obtida pela aplicação de campos magnéticos que mudam a intensidade numa dada direção, trocando as frequências de precessão dos prótons de hidrogênio na direção do campo gradiente. Quando já codificado espacialmente os prótons de hidrogênio, tornam-se favoráveis à excitação seletiva de uma região ou corte a partir da aplicação de pulso de RF direcionadas. 16 4. CONCLUSÃO O Grupo conclui que tanto a ressonância magnética quanto a ultrassonografia podem ser considerados ótimos parâmetros de uso para diagnóstico por imagem, pois ele é um método não invasivo ,prático e rápido . O nosso objetivo da aps foi concluído pois mostramos como a biofísica atua nos diagnósticos porimagem ,auxiliando e ajudando a melhorar a qualidade de vida das pessoas . 17 5. BIBLIOGRAFIA Disponível em: http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1806- 11172013000300025&lang=pt (acesso em 23/03/2014 às 19h52min) Disponível em: https://estudogeral.sib.uc.pt/bitstream/10316/15895/1/TESE%20COMPLETA.pdf (acesso em 23/03/2014 às 19h56min). Disponível em: http://files.comunidades.net/professorsiraqui/imagens_atraves_da_rm.pdf (acesso em 23/03/2014 às 19h58min) Disponível em: http://www.cerebromente.org.br/n13/tecnologia/ressonancia.htm (acesso em 23/03/2014 às 20h15min) Disponível em: http://pesquisa.bvsalud.org/portal/resource/pt/mdl-24038744 (acesso em 24/03/2014 às 15h56min) Disponível em: http://pesquisa.bvsalud.org/portal/resource/pt/mdl-23980158 (acesso em 24/03/2014 às 16h00min) Disponível em: http://pesquisa.bvsalud.org/portal/resource/pt/mdl-23575832 (acesso em 24/03/2014 às 16h03min) Disponível em: http://pesquisa.bvsalud.org/portal/resource/pt/mdl-22245339 (acesso em 25/03/2014 às 12h23min) 18 Disponível em: http://ebm.ufabc.edu.br/wp-content/uploads/2013/11/Aula-07_Ultrassonografia.pdf (acesso em 28/03/2014 às 14h52min) Disponível em: http://www.abfm.org.br/rbfm/publicado/rbfm_v3n1_117-9.pdf (acesso em 01/04/2014 às 12h00min) Disponível em: www.ebah.com.br/co0ntent/ABAAAACIUAD/ressonancia-magnetica (acesso em 01/04/2014 às 12h00min) PEIXOTO Xavier Christianne Gislayne; LIRA Araújo Rodrigo; ALVES Dutra Nilza; SILVA - BASES FÍSICAS DA FORMAÇÃO DA IMAGEM ULTRASSONOGRÁFICA. Departamento de Ciências Animais, Universidade Federal Rural do Semiárido (UFERSA), BR 110 km 47, 59625-900, Mossoró, RN, Brasil. Acta Veterinária Brasílica, v.4, n.1, p.15-24, 2010. MILLER, Otto – O laboratório e os métodos de imagem para o clínico. Editora Atheneu, São Paulo, Brasil.Cap15, p.161-163,2003. MILLER, Otto – O laboratório e os métodos de imagem para o clínico. Editora Atheneu, São Paulo, Brasil. Cap. 16, p.180-181,2003. ATKINS, Peter – Físico-química v.1, 8ª edição. Editora LTC, Rio de Janeiro, Brasil. Cap. 15, p.469,2010.
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