Imagens por Ressonancia Magnetica

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Princípios de Imagens 
Médicas 
PrincPrincíípios de Imagens pios de Imagens 
MMéédicas dicas 
DrDrááulio B. de Araulio B. de Araúújo jo 
USP - Ribeirão Preto
Introdução à MRI
História da Imagem por 
Ressonância Magnética
Evolução da MRI
1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000
1924 - Pauli propõe que 
partículas nucleares têm 
momento angular 
(spin).
1937 – Rabi mede o 
momento magnético do 
núcleo.
1944 – Rabi ganha o 
prêmio Nobel de Física.
1946 – Purcell mostra 
que a matéria pode 
absorver energia em 
uma frequëncia de 
ressonância
1946 – Bloch demonstra que a 
“precessão” nuclear por ser 
medida por bobinas.
1952 – Purcell e 
Bloch dividem o 
Nobel de Física.
1972 – Damadian
deposita uma patente 
de um equipamento 
grande de RMN para 
a detecção de 
tumores 
cancerígenos.
1959 – Singer mede 
o fluxo sanguíneo de 
ratos usando a RMN 
(em ratos).
1973 – Lauterbur
publica um método 
para gerar imagens 
usando RMN através 
de gradientes.
1973 – Mansfield
publica, 
independentemente, um 
método de gradientes 
para RMN.
1975 – Ernst
desenvolve uma 
transformada de 
Fourier-2D para RM.
NMR se transforma em MRI
Equipamento de MRI 
são usados na rotina 
clínica.
2003 – Mansfield e 
Lauterbur ganham o 
prêmio Nobel de 
Medicina.
1985 – Os planos de 
saúde começam a pagar 
exames de MRI
2003 – Damadian fica 
Louco!!!!!
A Descoberta da Absorção Magnética 
Nuclear Ressonante (1946)
„ Bloch e Purcell descobriram 
independentemente como medir o 
momento nuclear em uma amostra 
macroscópica (1946)
… Determinaram o tempo de 
relaxação
„ Eles mostraram que certas 
amostras absorviam energia 
quando excitadas em uma 
freqüência específica.
„ Além disso, a re-emissão foi 
detectada por bobinas de indução.
„ Eles dividiram o prêmio Nobel em 
1952. 
Felix Bloch
Edward Purcell
Primeira utilização de RMN
„ De início a RMN era usada somente para análise química.
… Não existiam aplicações médicas;
„ 1971 – Damadian publicou e patenteou a idéia de usar a RMN 
para a distinção entre tecido sadio e cancerígeno:
… “Tumor detection by nuclear magnetic resonance”, Science;
… Ele propõe, para tanto, as diferenças dos tempo de relaxação;
… Não propôs nenhum método de formação de imagens.
„ 1973 – Lauterbur descreve um método de projeção para criar MRI.
… Mansfield (1973) descreve, independentemente, um método 
similar.
Nobel de Medicina - 2003
Peter 
Mansfield
Paul 
Lauterbur
A primeira imagem de NMR ZMR
Lauterbur, P.C. (1973). Image formation by induced local interaction: Examples employing
nuclear magnetic resonance. Nature, 242, 190-191.
Experiências Iniciais 
(Damadian)
Damadian – NINK5 - (1977)
Raymond 
Damadian
¾ SPIN
¾ Energia e Mecânica Quântica 
¾ Ressonância Magnética Nuclear
¾ Imagem por Ressonância Magnética
Campos Magnéticos 
„ Vetor Magnetização
„ Campos magnéticos nos deixam manipular 
essa magnetização de forma que podemos 
construir um mapa [ou imagem] de suas 
características dentro do tecido do corpo.
„ Trabalhamos com 2 tipos de campos:
… Campos Magnéticos Estáticos.
… Campos de Rádio-Freqüência.
♦ B0 pouco intensos 
produzem pequenas 
magnetizações M
♦ A agitação térmica 
tenta tornar as 
distribuições de M 
aleatórias.
♦ B0 mais intensos 
produzem 
magnetizações M
maiores, alinhadas.
♦ Apenas 0.0003% 
dos prótons são 
alinhados, por Tesla
Precessão da Magnetização M 
„ Campo magnético Bo faz M girar (ou precessionar) 
em torno da direção de B (~42 MHz), por Tesla.
ω = γ Bo
Uma Analogia Mecânica 
„ Um Giroscópio em um Campo Gravitacional
Como Tornar M não-paralelo a Bo ?
„ Um modo que não funciona:
… “Ligar” um segundo grande campo magnético B1
perpendicular ao campo principal B0 (por segundos)
B0
B1
B0+B1
M tomaria uma posição entre B0 e B1
¾ Desligaríamos B1; M agora não é mais paralelo a B0
Uma Analogia
„ Uma pessoa sentada em um Balaço – sem se 
balançar ela está alinhada à “gravidade”
„ Para fazer com que a pessoa ganhe altura, 
poderíamos simplesmente empurrá-la com uma 
força intensa de modo a “ganhar” da gravidade.
… Análogo a forçar M pela aplicação de um campo B1
„ A outra maneira seria a de empurrar com uma 
pequena força, em sincronia com a pessoa 
balançando.
♦ O Efeito de B1 é o de fazer 
com que M “espirale” para longe 
da direção de Bo
♦ B1≈10–4 Tesla
♦ A ressonância!!!
♦ Se a freqüência de B1 próxima
à de oscilação do sistema, nada
acontece.
„ De modo análogo ao balanço, para girar M, aplicamos 
um campo B1, de freqüência próxima à freqüência natural 
de oscilação de M.
Tempo = 2–4 ms
Depois...
„ Quando a excitação acaba, M está direcionado 
com algum ângulo de B0 [flip angle]
„ M [Mxy] agora está girando com velocidade 
muito alta
Leitura do Sinal de RF 
„ O vetor M, agora no plano x-y, irá gerar uma voltagem 
oscilante, que pode ser detectada por bobinas 
posicionadas no mesmo plano – Indução Magnética. 
„ Essa voltagem corresponde ao sinal de RF detectado, 
e a sua manipulação é o princípio fundamental para a 
geração da imagem. 
… A cada instante de tempo, nós podemos medir o valor dessa 
voltagem V(t), que é diretamente proporcional ao valor do 
vetor de magnetização transversal, Mxy.
Relaxação: Nada é para Sempre...
„ Na ausência de B1, M retornará para a posição 
alinhada a B0— isso é chamado relaxação!
„ Parte de M, perpendicular a B0 diminui [Mxy] 
… Essa parte de M é chamada magnetização transversal
„ A parte de M paralela a B0 aumenta [Mz] 
… Essa parte de M é chamada magnetização longitudinal
z
y
x
Brf
B0
Bobina
detectora
Relaxação da Magnetização
Tempos de Relaxação 
Característicos
„ T1: Relaxação de M de retorno à direção de B0
… Geralmente 500-1000 ms no cérebro.
„ T2: Decaimento intrínseco da magnetização 
transversal.
…Geralmente entre 50-100 ms no cérebro.
Tempos de Relaxação
¾ Tempo de relaxação T2
¾ Tempos de relaxação T1
Detecção do Sinal - FID
Começo - Quando todas as fases são quase iguais. 
Freqüência Característica - ω
Decaimento – Perda de Fase.
Relaxação e Sinal de NMR 
„ Diferentes tecidos podem alterar o campo magnético 
local
„ A taxa de decaimento do sinal depende da estrutura 
do tecido ou material.
„ A intensidade do sinal medido depende dos detalhes 
do tecido 
… Se o tecido muda, o sinal também muda.
O Conceito de Contraste 
„ Imagens pesadas em T1
„ Imagens pesadas em T2
„ Imagens pesadas em DP
„ Outras
Leitura do Sinal de RF 
„ O vetor M, agora no plano x-y, irá gerar uma voltagem 
oscilante, que pode ser detectada por bobinas 
posicionadas no mesmo plano – Indução Magnética. 
„ Essa voltagem corresponde ao sinal de RF detectado, 
e a sua manipulação é o princípio fundamental para a 
geração da imagem. 
… A cada instante de tempo, nós podemos medir o valor dessa 
voltagem V(t), que é diretamente proporcional ao valor do 
vetor de magnetização transversal, Mxy.
z
y
x
Brf
B0
Bobina
detectora
Relaxação da Magnetização
Detecção do Sinal - FID
Começo - Quando todas as fases são quase iguais. 
Freqüência Característica - ω
Decaimento – Perda de Fase.
Relaxação e Sinal de NMR 
„ Diferentes tecidos podem alterar o campo magnético 
local
„ A taxa de decaimento do sinal depende da estrutura 
do tecido ou material.
„ A intensidade do sinal medido depende dos detalhes 
do tecido 
… Se o tecido muda, o sinal também muda.
Localização Espacial
Gradientes e FFT
Localização Espacial
Eixo-z 
40 KHz 
o Deliberadamente fazemos, agora, com que o 
campo magnéticoB dependa, também, do local no 
interior daquela fatia.
9 Para isso, aplicamos mais dois gradientes de 
campo, ao longo do eixo x e eixo y.
9 Assim, a freqüência do sinal de RF depende de onde 
ele é proveniente na amostra.
p Para sabermos de que parte da amostra ele está
vindo, aplicamos uma técnica de decomposição de 
sinal: a transformada de Fourier.
9 O sinal total é quebrando em componentes de 
freqüência, provendo mais informação de localização.
Sinais de Diferentes Freqüências
„ A transformada de Fourier fornece a possibilidade de 
encontrar as componente de freqüência de um sinal 
complicado.
„ Se sabemos as componente de freqüência e a forma 
dos gradientes, sabemos de onde eles estão vindo, 
uma vez que:
„ Gr = (Bo + Gr.r) r.
O Equipamento
Siemens 1.5T Scanner
Equipamento de MRI
Segurança em 
MRI 
Incidentes com MRI
„ Problemas com Marca-passo acarretando óbito
… Pelo menos 5 até 1998 (Schenck, JMRI, 2001)
„ Em 2001 um senhor faleceu na Austrália depois de fazer um exame de MRI mesmo 
tendo sido perguntado 2 vezes se tinha um marca-passo.
„ Cegueira devido ao movimento de objeto metálico no olho.
… Pelo menos 2 incidentes (1985, 1990)
„ Deslocamento de clipe de aneurisma (1992)
„ Danos por Projétil (Tipo de incidente mais comum)
… Fratura craniana causada por cilindros de oxigênio (1991, 2001);
… Uma tesoura acertou um paciente na cabeça, causando uma lesão 
grave (1993)
„ Um revolver foi sacado da mão de um policial, atingiu a parede e
disparou. Não feriu ninguém. 
… Rochester, NY (2000)
“Hospital Nightmare
Boy, 6, Killed in Freak MRI Accident
July 31, 2001 — A 6-year-old boy died after
undergoing an MRI exam at a New York-area
hospital when the machine's powerful
magnetic field jerked a metal oxygen tank
across the room, crushing the child's head. …”
ABCNews.com
Efeitos de Projéteis: Externos
“Large ferromagnetic objects that were reported as having been
drawn into the MR equipment include a defibrillator, a wheelchair, 
a respirator, ankle weights, an IV pole, a tool box, sand bags
containing metal filings, a vacuum cleaner, and mop buckets.”
-Chaljub et al., (2001) AJR Chaljub (2001)
Chaljub (2001)
Schenck (1996)
Efeitos de Projéteis/Torção: Interno
„ Movimento de implantes médicos metálicos
…Clipes, by-pass, válvulas, etc...
„ Movimento ou rotação de pequenos objetos
…Risco primário: fragmentos metálicos no olho.
„ Irritação da pele devido à movimentação de 
partículas de óxidos de ferro em tatuagens e 
maquiagens.
Questões de Segurança em MRI
„ Efeitos de Campo Magnético
„ Riscos conhecidos
… Projéteis, campos de alta freqüência, aquecimento por RF, 
claustrofobia, e ruído acústico.
… Cartão de Crédito !!!
„ Riscos potenciais
… Indução de corrente nos tecidos em campos altos
… Alterações sobre cérebros em desenvolvimento.
„ Estudos Epidemiológicos de Risco
… Exposição longa a campos magnéticos.
… Dificuldade subjetiva de acessar as experiências individuais -
Em um estudo, 45% dos voluntários expostos a um campo de 
4T relataram sensações “estranhas” (Erhard et al., 1995) 
Possíveis Efeitos de Campos 
Magnéticos
„ Fisiológicos
… Células vermelhas do sangue podem alterar sua forma na 
presença de um campo magnético.
„ Sensações (Geralmente em alto campo)
… Náusea;
… Vertigem;
… Gosto metálico;
… Visuais.
Energia da Radiofreqüência
„ Aquecimento de Tecido
… Specific Absorption Rate (SAR; W/kg)
„ Seqüências de pulso estão limitadas de modo a causar um aquecimento 
menor de 1 grau Celsius na temperatura global do corpo.
„ Os Scanners podem ser operados até 4 W/kg (uma grande margem de 
segurança) para voluntários normais, 1.5 W/kg em pacientes, crianças, ou 
fetos.
… Claro: o peso do paciente é crítico para o cálculo da SAR.
„ Queimaduras
… Voltas de fios podem agir como antenas de RF e focalizar a 
energia em uma área pequena.
„ Problemas mais comuns: eletrodos de ECG;
„ Correntes de pescoço, brincos, piercings, oxímetros, etc...
Ruído Acústico
„ Problema potencial em todos os equipamentos
… Efeitos de longo e curto prazo
„ Nível de ruído usuais permitidos
… 1.5T: 93-98 dB (EPI)
… 4.0T: 94-98 dB (EPI)
„ Duração aconselhada
… 2-4 horas por dia nos níveis permitidos.
„ Protetores de ouvido reduzem esses valores em 14-
29 dB, aproximadamente.
Mudanças de Gradiente de Campo
„ Estimulação de Nervo Periférico
…Podem ser até dolorosos.
…Esses riscos são aumentados por voltas de fios 
condutores.
„ Braços cruzados;
„ Pernas cruzadas.
„ Risco teórico de estimulação cardíaca.
…Não existem evidências sob as condições 
usadas em MRI.
Claustrofobia
„ O problema mais comum
… Aproximadamente 10% dos pacientes;
„ Melhoram com medidas de conforto
… Conversa com o paciente;
… Fluxo de ar pelo equipamento;
… Botão de “pânico”;
… Espelho.
Quenching
„ Definição: Decréscimo rápido do campo 
magnético pela perda de supercondutividade.
… Só pode ser iniciado voluntariamente (não existe possibilidade 
de ocorrer automaticamente) devido aos perigos envolvidos no 
procedimento.
… Magneto aquece devido à perda de corrente. 
„ Efeitos
… O fluido criogênico (Hélio) aquece e evapora.
„ Deslocamento de ar na sala do equipamento;
„ Resfriamento da sala. A condensação reduz a visibilidade
… Defeitos permanentes podem aparecer no equipamento.