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Módulo II COMPONENTES DE UM SISTEMA DE RESSÔNANCIA MAGNÉTICA Os Componentes de Sistema de Ressonância Magnética são compostos por: 1- Magneto Principal 2- Bobinas Homogenizadoras “Shim Coils” 3- Bobinas de Gradiente “Gradient Coils” 4- Bobinas de rádio freqüência 5- Sistema de computador e processamento de imagem 1- a- Magnetos Permanentes MAGNETO PRINCIPAL b- Magnetos Solenóides A) Magnetos Permanentes Os magnetos permanentes são produzidos por uma liga de alumínio, níquel e cobalto, conhecida como Alnico.A principal vantagem desses magnetos é que não necessitam de uma fonte de força, portanto ficam magnetizados permanentemente, proporcionando um baixo custo operacional do exame. O campo magnético tem possui linhas de fluxo que correm verticalmente, do pólo sul para o pólo norte (de baixo para cima) do magneto, mantendo o campo magnético praticamente confinado à sala de exame. Os aparelhos que possuem campo magnético permanente podem ser fabricados com configurações abertas o que beneficia no caso de pacientes de claustrofóbicos e obesos diminuindo principalmente os ruídos e a potência estudos de músculo esquelético e procedimentos intervencionistas, se tornam fáceis em comparação com as de configurações fechadas. B) Eletromagnetos Solenóides Os eletrodos Solenóides são constituídos por rolos de fio envoltos como uma mola, formando uma bobina eletromagnética. A corrente elétrica passa pelo fio, induzindo a formação de um campo magnético. A potência do campo magnético é proporcional à corrente elétrica que passa pelo fio. A vantagem é que o campo magnético pode ser desligado imediatamente, porém possui alto custo operacional gerado pelo grande consumo de energia elétrica. O campo magnético tem fluxo de direção horizontal, da cabeça aos pés do paciente. B.1) Magnetos de Resistência A potência destes magnetos também dependem da corrente elétrica induzida nos rolos de fio. O sistema de resistência possui peso mais leve que o magneto permanente, porém os custos operacionais são bastantes elevados, devido à grande quantidade de energia necessária ao campo magnético. A potência máxima nesse tipo de sistema é inferior à 3.0T. O campo magnético tem fluxo de direção horizontal, da cabeça aos pés do paciente. B.2) Magneto Supercondutor Os magnetos supercondutores são constituídos por fios de nóbio e titânio. Apresentam resistência zero sob temperatura muita baixa de aproximadamente 4°K (Kelvin). Os fios são resfriados pelos criogênios (geralmente Hélio líquido à -269°C) para eliminar a resistência. O magneto supercondutor produz campos magnéticos de alta potência em torno de 0,5T à 4T. O fluxo do campo magnético tem direção horizontal, de cabeça para os pés do paciente. Magneto supercondutor. 2- BOBINAS HOMOGENIZADORAS “SHIM COILS” São bobinas menores, utilizadas para manter ou corrigir os distúrbios da homogeneidade do campo magnético. 3- BOBINAS DE GRADIENTE “GRADIENTE COILS” Bobinas com potência para provocar variações lineares no campo magnético, possibilitando a localização espacial do sinal de RM.As bobinas de gradiente produzem um fluxo de corrente em direções opostas ao campo magnético. A combinação desse sistema de bobinas de gradiente geram gradientes de campo lineares em cada um dos eixos ortogonais (x, y e z).Portanto, os gradientes são responsáveis pela seleção de cortes, formação de imagens, codificação de fase e codificação de freqüência. Gradientes potentes possibilitam a aquisição de imagens de alta velocidade ou de alta resolução. A potência do gradiente é expressa em G/cm ou MT/m, onde: Módulo de Gradiente. 4- BOBINAS DE RADIOFREQÜÊNCIA As bobinas de radiofreqüência emitem pulsos em intervalos de tempo determinados, em regiões específicas do corpo do paciente, para medir a intensidade do sinal dos tecidos. Tipos de Bobinas: 1- Bobinas de Volume ou Transceptoras : Transmitem e recebem pulsos de radiofreqüência. A maioria são bobinas de quadratura, onde possuem 2 pares de bobinas para transmitir e receber o sinal do tecido. 2- Bobinas de Arranjo em Fase ou PHASE ARRAY : Constituídas por bobinas e receptores múltiplos. O sinal captado pelo receptor de cada segmento é combinado para formar a imagem. Tem a vantagem de uma bobina pequena, pela melhor relação de sinal e ruído, e a vantagem de uma bobina de volume para estudar regiões maiores. Geralmente são utilizadas para estudos da coluna vertebral. 3- Bobinas de Superfície: Apenas recebem o sinal dos tecidos. São utilizadas nas superfícies cutâneas. Imagens adquiridas com bobinas de superfície têm ótima relação/ruído, possibilitando adquirir imagens com maiores detalhes anatômicas. Principais tipos de bobinas usadas em aparelhos de 1,5T de Ressonância Magnética: Bobina: Sense Head/Neck Coil Bobina: Head Coil Bobina: Sense Body Coil Bobina: Sense Flex-M Coil Bobina: C3 Bobina: Sense Spine Coil Bobina: Knee/Foot Coil Bobina: C1 1 2 Imagens 1 e 2 São Suportes para bobina Body Coil para exame de Mama. Suporte para ebobina Flex-M para exame de ATM. Relação de outras bobinas utilizadas: • C4 • BREAST COIL • ENDO-CAVITARY COIL • EXTRMITY COIL E1 • MICROSCOPY COILS • Q-BODY COIL • R1 COIL • SENSE CARDIAC COIL • SENSE HEAD COIL • SENSE KNEE COIL • SENSE NEUROVASCULAR • SYNERGY PEDIZTRIC COIL • SENSE PERIPHVASCULAR COIL • SENSE XL TORSO COIL • THIRD PARTY COIL • TMJ COIL/ COIL HOLDER 5- SISTEMA DE COMPUTADOR E PROCESSAMENTO DE IMAGEM Os sistemas utilizados para a captação;armazenamento e escaneamento;visualização da imagens são: - Um computador com capacidade de expansão; - Um processador do arranjo para transformação de Fourier; - Um processador de imagens que retira dados do processador do arranjo para formar uma imagem; - Driver de disco rígido para o armazenamento de dados brutos e dos parâmetros da seqüências de pulsos; - Um mecanismo de distribuição de força para distribuir e filtrar a corrente alternada e direta. Tela do computador de operação da RM. Viewforum, Imagens da Impressora Responsável pela Impressão das Imagens em Ressonância Magnética INTRODUÇÃO À FÍSICA E QUÍMICA DA RESSONÂNCIA MAGNÉTICA È do nosso conhecimento que o átomo é uma estrutura constituída de um núcleo central e elétrons em órbita ao redor dele. Contudo, o núcleo é formado por partículas menores, chamadas de prótons e nêutrons. Os elétrons possuem uma carga elétrica negativa, os prótons, carga positiva, e, os nêutrons, como o próprio nome sugere, não possui carga elétrica. A soma dos prótons de um núcleo determina-se o número atômico desse elemento e o número de massa representa a somatória dos prótons juntamente com os nêutrons. Um átomo eletricamente estável é aquele que tem um número de cargas elétricas negativas (elétrons) igual ao número de cargas elétricas positivas (prótons). Na estrutura atômica podemos observar outros movimentos, além do movimento dos elétrons ao redor do núcleo. São os chamados movimentos dos elétrons girando sobre seu próprio eixo e dos núcleos girando também em torno de seus eixos. Na RM tem especial importância o movimento do núcleo em torno do seu próprio eixo, quando este é colocado em um campo magnético, isto porque, como se sabe da física clássica, corrente elétrica em movimento através de um fio ou carga elétrica em movimento gera um campo magnético. O próton de hidrogênio, por exemplo, girando em torno do seu próprio eixo cria um minúsculo campo magnético. Sãodenominados núcleos ativos em RM, aqueles que têm tendência a alinhar seu eixo de rotação a um campo magnético externo aplicado, graças às leis da indução eletromagnética. Estes núcleos possuem, portanto, carga efetiva e em rotação dentro de um campo magnético adquirem um momento magnético, ou momento angular, ou rotação “spin”. O alinhamento, ou a somatória dos momentos magnéticos dentro de um campo magnético, é expresso como um vetor somatório. Para que se produza uma imagem através da ressonância magnética, é necessário os processos de alinhamento nuclear, excitação dos prótons por radiofreqüência, codificação espacial e formação de imagens. O magneto alinha os núcleos em estados de baixa energia (paralelo ao campo magnético) e alta energia (antiparalelo ao campo magnético). Uma fonte de radiofreqüência excita o vetor longitudinal para o plano transversal, onde o sinal resultante é captado pela antena receptora de radiofreqüência.Assim, o sinal de RM, origina-se dos núcleos dos átomos de uma determinada região do corpo do paciente, em Ressonância, sob a ação de um campo magnético homogêneo e uniforme. Os átomos que produzem esse sinal na RM são o: Hidrogênio, Sódio, Fósforo e o Carbono, sendo o hidrogênio, aquele que produz a maior intensidade de sinal. Como foi dito anteriormente, toda vez que partículas elétricas se movem, elas criam um campo magnético. Na natureza, apenas sob o efeito do campo magnético terrestre, os momentos magnéticos dos núcleos de hidrogênio não têm uma orientação definida. Porém, em ambientes de fortes campos magnéticos estáticos os momentos magnéticos dos núcleos de hidrogênio se alinham a este campo magnético, como uma agulha magnética se alinha ao campo magnético terrestre, a maior parte dos núcleos alinhando-se na mesma direção (paralela) e uma pequena parte na direção oposta (antiparalela) ao eixo do campo magnético. Os núcleos que alinham seu momento magnético na direção paralela são considerados de baixa energia ou de rotação positiva e os que alinham seu momento magnético na direção antiparalela (180º, na direção oposta) são de alta energia ou de rotação negativa. Núcleos de alta energia térmica, contudo, dispõem de um diferencial de energia térmica suficiente para opor-se ao campo magnético externo. Porém, se aumentarmos a potência do campo magnético externo, o número destes núcleos de alta energia diminuem progressivamente. Em imageologia, o paciente é sempre colocado em um campo magnético externo de potência fixa e a resultante é representada por um único vetor denominado vetor de magnetização efetiva (VME). Portanto, o VME seria um vetor que representaria a diferença de energia entre a população de prótons de hidrogênio de baixas e altas energias e, quando este estado é alcançado, dizemos que os tecidos do paciente estão em equilíbrio e totalmente magnetizados. Pode-se provocar uma mudança na direção do VME de um determinado tecido do paciente, de um estado de baixa energia (paralela) para um estado de alta energia (antiparalela), bastando, para isso, acrescentar aos prótons em questão energia na forma de ondas de rádio. A medida que uma maior quantidade de energia é acrescentada ao sistema, maior a quantidade de campos magnéticos protômicos que mudam para a direção oposta, de baixo para cima e maior, portanto, a intensidade do VME. Assim, o VME é tanto maior quanto maior o campo magnético em que está inserido o paciente. É por isso que, em campos de alta potência, os sinais obtidos são melhores. PRECESSÃO Quando o núcleo do hidrogênio está em um campo magnético de potência zero, teoricamente o mesmo encontra-se girando apenas em torno de seu eixo e a resultante dos vetores de todos os átomos de hidrogênio, o VME, por sua vez, deve também girar apenas em torno de seu eixo. Sob influência de um campo magnético, contudo, o VME apresenta uma rotação adicional em torno do eixo deste campo magnético. Esta rotação secundária é denominada de precessão e faz com que o VME descreva um movimento circular em torno do eixo do campo magnético. Este movimento de precessão dos eixos dos átomos de hidrogênio pode ser comparado ao movimento do pião. O número de movimentos de precessão na unidade de tempo é denominado freqüência de precessão e a unidade da freqüência de precessão é o megahertz (MHz). Um Hz equivale a um ciclo por segundo e um Mhz a um milhão de ciclos por segundo. A precessão dos núcleos de baixa energia se faz em movimentos circulares para cima e, os de alta energia, para baixo. O val₀₀or da freqüência de precessão de cada átomo é obtido através da equação de Larmor. W₀= B₀. Y W₀= Freqüência de Precessão. B₀= Potencia do Campo Magnético. Y= Razão Giromagnética. A razão giromagnética é: A relação entre o momento angular e o momento magnético de cada núcleo ativo em RM. É uma constante para cada um destes núcleos ativos, para um campo magnético de 1.0 T. Desta forma, ela é expressa em MHz /T. 1.0 Tesla (T) equivale a 10.000 Gauss (G). A razão giromagnética do hidrogênio é de 42,57 MHz /T. Em diferentes magnetos, com diferentes potências de campo, o hidrogênio apresenta freqüências de precessão variáveis. A freqüência de Larmor de um determinado próton é constante para um determinado campo magnético. Por exemplo, a 1.5 T, Wo do hidrogênio é de 63,85 MHz (42,57 MHz X 1.5 T) e, a 0.5 T, Wo do hidrogênio é de 21,28 MHz (42,57 MHz X 0.5T). Percebe-se, portanto, que quanto menor a intensidade do campo magnético, menor a freqüência de precessão e quanto maior a intensidade do campo magnético, maior a freqüência de precessão do próton de hidrogênio. Portanto, Wo, também conhecida por freqüência de Larmor, aumenta quando Bo aumenta e vice-versa. A RESSONÂNCIA Ocorre quando um objeto é exposto a um ambiente no qual ocorre uma perturbação oscilatória de freqüência próxima à freqüência natural de oscilação deste objeto. Em se tratando de núcleos de qualquer tipo de átomos, quando estes são colocados em um meio que apresenta uma oscilação semelhante à sua própria freqüência, estes ganham energia e, se a freqüência desta oscilação for exatamente igual à sua freqüência de precessão (Wo) eles entram em ressonância. O fenômeno da ressonância não ocorre se a energia é aplicada a uma freqüência diferente da freqüência de precessão do núcleo exposto a esta energia. Portanto, no caso do hidrogênio, para que ocorra o fenômeno da ressonância, quando examinamos um paciente, é preciso aplicar-se ao meio magnético no qual ele se encontra um pulso de radiofreqüência exatamente igual à freqüência de Larmor do VME do hidrogênio. Os outros núcleos ativos do corpo do paciente alinhados com o campo magnético não entram em ressonância porque sua freqüência de precessão difere da freqüência de precessão do hidrogênio (63,85 MHz , no caso de um magneto de 1.5 T). EXCITAÇÃO Um pulso de radiofreqüência que provoque o fenômeno da ressonância leva energia ao sistema fazendo com que ocorra um aumento do número de núcleos de hidrogênio com a rotação negativa (para baixo), em detrimento ao número de núcleos de hidrogênio com rotação positiva (para cima). Em campos magnéticos de alta potência, a diferença de energia entre as duas populações de núcleos é grande, de tal modo que é preciso muito mais energia para produzir ressonância do que em campos magnéticos de baixa potência: magnetos de 1.5T requerem muito mais energia excitatória do que magnetos de 0.5T, por exemplo. Como conseqüência do fenômeno de ressonância, observa-se que o VME afasta-se do alinhamento em relação à linha paralela de Bo (eixo plano-longitudinal), criando um ângulo entre ele e Bo. Este ângulo é denominado ângulo de inclinação ou, em inglês, “flip angle”. A magnitude deste ângulo depende da amplitude e duração do pulsode radiofreqüência. O ângulo de inclinação pode ser de 5º a 90º ou 180º. Inicialmente, vamos trabalhar com ângulos de 90º e voltaremos a explicar mais tarde porque o ângulo de 90º é referencial. Portanto, para inclinar 90º, o VME deve receber energia suficiente do pulso de radiofreqüência para mover-se 90º em relação ao Bo e, neste caso, o VME passa para a posição transversa, efetuando rotação à freqüência de Larmor. À partir daí, os momentos magnéticos dos núcleos de hidrogênio que encontravam-se fora de fase, isto é, ao acaso, passam a entrar em fase, isto é, ficam em uma mesma posição na trajetória precessional, representados agora por um único VME no plano transverso girando à freqüência de Larmor em torno do vetor Bo. O SINAL DA RESSÔNCIA MAGNÉTICA Como foi explicada anteriormente, a soma dos momentos dos átomos de hidrogênio em fase é representada por um único vetor, o VME, que fica em precessão a um ângulo de 90º em torno de Bo. Este vetor representa também cargas elétricas em movimento girando de forma cíclica a uma freqüência determinada, o que provoca o aparecimento de ondas eletromagnéticas. Pelas leis da indução de Faraday, uma onda eletromagnética induz uma certa voltagem em uma bobina receptora, ou simplesmente uma antena, quando esta é colocada nas proximidades daquela. Assim sendo, o VME em movimento coerente, isto é, em fase no plano transversal, gera, em uma bobina colocada em suas proximidades, uma corrente elétrica criada pela diferença de voltagem, diferença esta que é dependente da posição do VME. Esta voltagem constitui o sinal de ressonância magnética. A freqüência deste sinal será a mesma da freqüência de Larmor, no caso para o hidrogênio, e a magnitude deste sinal depende do grau de magnetização transversal, pois o sistema não consegue criar variações de voltagens com o VME em sua posição. DECAIMENTO LIVRE DA INDUÇÃO (D.L.I.) Enquanto permanece o pulso de RF aplicado ao VME, este mantém-se a 90º em relação ao eixo Bo e permanece também a magnetização transversal. Ao desligar-se este pulso, os momentos dos átomos de hidrogênio que se encontra em fase passam a perder energia e, em conseqüência, começam a ficar fora de fase e os VME passam a sofrer influência de Bo, tentando, agora, realinhar-se com este. Este processo pelo qual o VME perde energia e tenta se realinhar com o eixo Bo chama-se relaxamento e o grau de magnetização longitudinal aumenta gradualmente, (recuperação) em detrimento à magnetização transversal (declínio). Portanto, relaxamento significa desaparecimento da magnetização transversal e reaparecimento da magnetização longitudinal. Quando diminui o grau de magnetização transversa também diminui progressivamente a magnitude da voltagem induzida na bobina receptora que está ao redor do paciente, até zero. Este fenômeno é denominado declínio de indução livre (DIL). A recuperação da magnetização longitudinal é conhecida como recuperação T1 e o declínio da magnetização transversa denomina-se declínio T2. A razão da recuperação é um processo exponencial, com o tempo de recuperação constante denominado T1. Este é o tempo necessário para a recuperação de 63% da magnetização longitudinal. A razão do declínio (relaxamento) é também um processo exponencial e representa o tempo necessário para perda de 63% da magnetização transversa (tempo T2). Logo após o pulso de 90° de RF, ocorre a defasagem ou decaimento da magnetização transversa, chamando efeito T2*. Esta perda de coerência de fase é resultado da perda da corrente induzida na bobina receptora de RF. Os prótons que entram em precessão fora de fase e freqüência, emitindo um sinal menor detectado pela bobina de RF. Portanto, a defasagem da magnetização transversa é causada por fatores extrínsecos reversíveis (heterogeneidade do campo magnético) e fatores intrínsecos irreversíveis (defasagem intra-voxel). FATORES QUE INFLUENCIAM AS IMAGENS EM RM A obtenção de imagem por RM nas diferentes sequências de pulso, dependem de uma combinação de fatores intrínsecos (característica do paciente) e fatores extrínsecos (parâmetros escolhidos), que influenciam na ponderação, resolução espacial e contraste da imagem. O contraste nas imagens por RM é dado pela diferença de intensidade de sinal (escala de cinza) entre dois tecidos. O contraste das imagens é conseqüência principalmente dos mecanismos de recuperação T1 e declínio T2. No tecido adiposo, por exemplo, os momentos magnéticos dos núcleos lipídicos relaxam e recuperam rapidamente sua magnetização longitudinal. O tempo T1 do tecido adiposo é, portanto, curto e sua característica é ser hiperintenso em T1. Ao contrário, na água os momentos magnéticos demoram mais para relaxar e recuperar a magnetização longitudinal e o tempo T1 da água é, portanto, longo e sua característica é de imagem hipointensa em T1. FATORES INTRÍNSECOS • DENSIDADE DE PRÓTONS: Número de prótons (SPINS) móveis dentro de um voxel de um tecido. Quanto > número de prótons > intensidade do sinal. a) Baixa densidade de prótons - Sinal de baixa intensidade. Cálcio, ar, osso cortical, tecido fibroso, etc. b) Alta densidade de prótons- Aparência variável dependendo da seqüência. Tecido adiposo, líquido, tecido edemaciado, L.C.R., sangue, etc. • TEMPO DE RELAXAMENTO T2 É o tempo necessário para que a magnetização transversa diminua de 37% di seu valor inicial, imediatamente após o pulso de 90°. • TEMPO DE RELAXAMENTO T1 É o tempo importante saber que os tecidos apresentam diferentes tempos de relaxamento denominados T1 e T2, devido a seus diferentes ambientes macromoleculares. Esse tempo de relaxamento ocorre simultaneamente dentro do voxel de tecido excitado. A intensidade de sinal é medida no plano de magnetização transversa. A amplitude da magnetização transversa é diretamente proporcional a intensidade de sinal. Os efeitos relaxamento T1 e T2 trabalham em direção opostas, pois T1 é um processo de recuperação da magnetização transversa e T2 é um processo de decaimento da magnetização transversa. A intensidade de sinal é medida pela forma de pulso de RF é aplicado e medido pela bobina RF. A água e outras substâncias semelhantes como o L.C.R., tem um tempo de relaxamento T1 e T2 longos, portanto apresentam sinal hipointenso nas imagens ponderadas em T1 e sinal hiperintenso nas imagens ponderas em T2. Os lípides têm um pouco de relaxamento T1 curto e T2 intermediário a curto, portanto apresentam sinal hiperintenso nas imagens ponderadas T1, e sinal intermediário nas imagens ponderadas em T2. Líquidos puros como a água, quando adicionamos às soluções protéicas ou macromoléculas, levam a uma diminuição do tempo de relaxamento. Sequências com TR e TE curtos produzem uma imagem ponderada em T1, TR e TE longos produzem imagem ponderada em T2, e TR longo e TE curto produzem uma imagem ponderada em densidade de prótons. As imagens ponderadas em T1 fornecem mais detalhes anatômicos, enquanto nas imagens ponderas em T2 são melhores para demonstrar alterações de sinais patológicos. • MAGNETIZAÇÃO NO VOXEL Tecidos apresentam diferentes tempos de relaxamento. Os processos de relaxamento T1 e T2 ocorrem simultaneamente dentro do voxel. T1-Processo de recuperação da magnetização longitudinal. T2- Processo de decaimento da magnetização transversa (defasagem spin-spin). • SUSCEPTIBILIDADE MAGNÉTICA Capacidade de a substância tornar-se magnetizada. Substâncias paramagnéticas ou ferromagnéticas. -Hemoglobina -Melanina (Ga 3+) -Ferro (Fe+2, Fe+3) -Manganês (Mn+2) • EFEITOS DE FLUXO Efeito da velocidade x fluxo- Quanto maior o fluxo maior a intensidade de sinal; ocorre uma redução de sinal em SPIN-ECOpor ausência de fluxo. Fluxo turbulento- Perda de sinal devido a defasagem intra-voxel e a perda de coerência de fase (irreversível). Defasagem intra-voxel- Em algumas regiões pode ocorrer um defasagem do sinal, como é no caso na região da bifurcação da carotídea. Realce relacionado ao fluxo- Aumento da intensidade de sinal pela entrada de spins não saturados no plano de corte. CENTRO- Maior velocidade, PEREFERIA- Menor velocidade. FIM DO MÓDULO II
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