7/26/2019 RessonanciaMAgntica
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Centro de Imagens e Espectroscopia
In Vivo por Ressonância Magnética
UNIVERSIDADEDE SÃO PAULO
Instituto de Física de São Carlos
19/07/2012 [email protected]
Imagens por Ressonância Magnética: Princípios e Aplicações
Fernando F. Paiva
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1924 - Pauli sugere quepartículas nuclearespossuem momento
angular (spin).1937 – Rabi medeo momento
angular do núcleo.1944 – Rabirecebe o prêmioNobel de Física.
1952 – Purcell eBloch dividem o
1974 – Damadian patenteia aidéia de scanner para
detecção de tecido maligno.
1973 – Lauterbur publica o
método para gerar imagensutilizando gradientes de NMR.
Scanners clínicos começama se tornar prevalentes.
1985 – Reembolso porexames de RM começam aser aprovados pelos
convênios.
RM: LINHA DO TEMPO
1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000
1946 – Purcell demonstraque a matéria absorveenergia na freqüência de
ressonância.
1946 – Bloch mostra que aprecessão nuclear pode
ser medida por bobinasdetectoras.
Física.
M R
1959 – Singer mede fluxo sanguíneoutilizando NMR (em camundongos).
1973 – Mansfield, independentemente,publica a abordagem de gradientes
para NMR.
1975 – Ernst desenvolve atransformada de Fourier 2D para RM.
I1990 – Ogawa ecolaboradores propõemo método de fMRIutilizando contrasteendógeno baseado naoxigenação sanguínea.
f
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A primeira tentativa de
obter uma imagem emhumanos. Dr. RaymondDamadian foi o primeiro
MARÇO DE 1977
paciente. Dadas asdúvidas sobre osresultados, ele utilizou ummonitor cardíaco e um de
pressão.
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A primeira tentativa bem sucedida de se obter uma imagem de
RM humanos. Dr. Lawrence Minkoff foi o voluntário.
JULHO DE 1977
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... 35 anos depois
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A carga elétrica nasuperfície do prótoncria um pequeno loopde corrente, o que dáorigem ao momento
magnético ();
A rotação do próton dáorigem ao momentoangular (J);
PROPRIEDADES DO NÚCLEO ATÔMICO
m os e s orepresentados por
vetores que apontam aolongo do eixo de rotaçãoe cuja direção pode ser
determinada pela regrada mão direita;
Um núcleo pode ser observado por RM se tem momento angular emagnético. Tal núcleo possui um número ímpar de prótons ou de nêutrons.
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Na ausência de umcampo magnéticointenso, os spins ficam
PRÓTONS NA AUSÊNCIA DE CAMPO MAGNÉTICO
orientados.
Neste caso, amagnetização (M) do
sistema é nula.
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o
PRÓTONS SE ALINHAM AO CAMPO MAGNÉTICO...
C a m p o M a g n é t i
B0
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Eixo de Precessão
o
... MAS SE MOVEM AO REDOR DO EIXO DO CAMPO
PRINCIPAL EM UM MOVIMENTO CONHECIDO PORPRECESSÃO
C a m p o M a g n é t i
B0
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Hidrogênio (1H) em 1.5T:
ω = 42.58 MHz/T x 1.5 T
= 63.87 MHz
FREQUÊNCIA DE LARMOR
1
C a m p o
M a g n é t i c o
B0
.
ω = 42.58 MHz/T x 3.0 T= 127.74 MHz
Fósforo (31P) em 1.5T:
ω = 17.23 MHz/T x 1.5 T
= 25.85 MHzRadiofrequência (RF)
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Magnetização Magnetização
núcleo
µ: momento magnético
B0
)( dt
d B
⋅×= γ
)( dt B M ⋅×= γ (Prótons não interagentes)
x
y
B0 M0
∑=i
i V
M
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Magnetização Magnetização
Prótons intera entes?Prótons intera entes?
)( dt
d B M
M ⋅×= γ (Prótons não interagentes)
z B B 0 =Campo Externo:
y x M M ˆ M y x +=⊥
z M M z // = 0 dt
dM z =
)( dt
d B M
M ⋅×= ⊥⊥ γ
+ ?+ ?
+ ?+ ?
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Relaxação Longitudinal Relaxação Longitudinal
Interação dos prótons com a rede: )M M ( dt
dM z 0
z −=??1T
1
Determinado EmpiricamenteT1: Tempo de Relaxação Longitudinal (Spin-Rede)
T t t T t t −−−−
Tecido T1 (ms) T2 (ms)
matéria cinzenta 950 100
matéria branca 600 80
músculo 900 50
fluido cérebro-espinhal 4500 2200
gordura 250 60
sangue 1200 100-200
Valores típicos de tempos de relaxação, T1 e T2, de hidrogênio em diferentestecidos humanos medidos em 1.5T e 37ºC
0 0 z z −=
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Relaxação Transversal Relaxação Transversal
Campo Local =Campo Local = campo externo campos gerados pelos “vizinhos” +
µ
z z z
Variação no Campo Local
)B ω( 0 0 ⋅=
Variação na Freq. Precessão
⊥⊥⊥ −⋅×= M B M
M 1 )(
d γ
M
M
M
µµ
yyy
y y y
zzz
xxx
x x x
T2: Tempo de RelaxaçãoTransversal (Spin-Spin)
⊥⊥ −=
M M
2
\
T 1
dt d (RG)
2 T t
e )0 ( )t ( −⊥⊥ = M M
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Equação de Bloch Equação de Bloch
⊥⊥⊥ −−+⋅×= M B M
M
2
z 0
1 T
1 )M M (
T
1 )(
dt
d γ
2
x y 0
x
T M M
dt dM −= ω
y y M dM −−
))t ( sen )0 ( M )t cos( )0 ( M ( e )t ( M 0 y 0 x T t
x 2 ω ω += −
T t 2 −= −
)M M ( T
1
dt
dM z 0
1
z −=
2
x 0
T dt
)e 1( M e )0 ( M )t ( M 11 T t 0
T t z z
−−−+=
x y y
0 )( M )( M y x =∞=∞
0 z M )( M =∞
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CAMPO DE RF (PULSO DE 90O)
Z’
X’
Y’ B
0
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CAMPO DE RF (PULSO DE 90O)
Z’
X’
Y’ B
0
B1
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Z’
CAMPO DE RF (PULSO DE 90O)
X’
Y’ B
0
B1
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Z’
CAMPO DE RF (PULSO DE 90O)
X’
Y’ B
0
B1
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Z’
CAMPO DE RF (PULSO DE 90O)
X’
Y’ B
0
B1
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Z’
CAMPO DE RF (PULSO DE 90O)
X’
Y’ B
0
B1
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Z’
CAMPO DE RF (PULSO DE 90O)
X’
Y’ B
0
B1
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Z’
Ângulo de Flip :θθθθ = 90o
CAMPO DE RF (PULSO DE 90O)
X’
Y’ B
0
B1
O ângulo do flip é proporcionalà amplitude e à duração de B1:
θ ≈ ≈≈ ≈ γ B 1 T p
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Z’
Ângulo de Flip :θθθθ = 180o
CAMPO DE RF (PULSO DE 180O)
X’
Y’ B
0
B1
O ângulo do flip é proporcionalà amplitude e à duração de B1:
θ ≈ ≈≈ ≈ γ B 1 T p
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Uma vez cessado o campo B1, a magnetização retorna à condição deequilíbrio; Z
B
0
tempo
S i
n a l
NADA DURA PARA SEMPRE...
X
Y
Receptor de RF
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Uma vez cessado o campo B1, a magnetização retorna à condição deequilíbrio; Z
B
0
tempo
S i
n a l
NADA DURA PARA SEMPRE...
X
Y
Receptor de RF
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Uma vez cessado o campo B1, a magnetização retorna à condição deequilíbrio; Z
B
0
tempo
S i
n a l
NADA DURA PARA SEMPRE...
X
Y
Receptor de RF
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Uma vez cessado o campo B1, a magnetização retorna à condição de
equilíbrio; Z
B
0
tempo
S i
n a l
NADA DURA PARA SEMPRE...
X
Y
Receptor de RF
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Uma vez cessado o campo B1, a magnetização retorna à condição de
equilíbrio; Z
B
0
tempo
S i n a l
NADA DURA PARA SEMPRE...
X
Y
Receptor de RF
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TEMPO DE RELAXAÇÃO TRANSVERSAL (T2)
Mxy
37%
T2
t
Relaxação Transversal: Decaimento da magnetização pela interaçãoentre núcleos (relaxação spin-spin )
A completa perda de coerência de fase no plano transversal
ocorre com uma constante de tempo T2
Relaxação Transversal: Decaimento da magnetização pela interaçãoentre núcleos (relaxação spin-spin )
A completa perda de coerência de fase no plano transversal
ocorre com uma constante de tempo T2
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TEMPO DE RELAXAÇÃO LONGITUDINAL (T1)
M0Mz
Relaxação Longitudinal: Transferência de energia entre os spins excitados e o tecido (relaxação spin -rede)
O reestabelecimento da magnetização longitudinal ocorre
com uma constante de tempo T1
Relaxação Longitudinal: Transferência de energia entre os spins excitados e o tecido (relaxação spin -rede)
O reestabelecimento da magnetização longitudinal ocorre
com uma constante de tempo T1
t
63%
T1
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FORMAÇÃO DE IMAGENS: CONCEITO
das fontes que contribuem para osinal detectado.
U
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UM EXEMPLO SIMPLES
Entretanto, RM não utiliza mecanismos como projeção,reflexão ou refração, comumente utilizados em técnicas
óticas de formação de imagens.
FORMAÇÃO DE IMAGENS EM RM: FREQUÊNCIA E FASE
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FORMAÇÃO DE IMAGENS EM RM: FREQUÊNCIA E FASE
θ θθ θ
ω ωω ω
θθθθ = ω ωω ω t
A informação espacial dos prótons contribuindo para osinal de RM é determinada pela frequência espacial e
pela fase de sua magnetização.
GRADIENTES
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Campos magnéticos adicionais ao B0 cujas amplitudes variam emdeterminada direção de forma linear;
A direção da variação pode mudar (X, Y, Z) ...
... entretanto, a direção do campo é sempre paralela a B0!!!
GRADIENTES
B
0
x
y
z
G x
x
y
z
G y
x
y
z
G z
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GRADIENTES
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GRADIENTES
G y
B
0
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GRADIENTES
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GRADIENTES
B
G y
B
0
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GRADIENTES
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B
G y
B
0
GRADIENTES
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B
G y
B
0
GRADIENTES
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B
G y
B
0
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GRADIENTES
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B
G y
B
0
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GRADIENTES
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B
G y
B
0
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GRADIENTES
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B
G y
B
0
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GRADIENTES: SOBREPOSIÇÃO
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A aplicação simultânea de doisgradientes resulta em...
G y
B 0
G x
GRADIENTES: SOBREPOSIÇÃO
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A aplicação simultânea de doisgradientes resulta em...
... um outro gradiente!!!
G y
B 0
G x
CODIFICAÇÃO DE FREQUÊNCIA
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ω = γ (B 0 + G x x) G x
B 0
1 2 3
1 2 3
t t t
1 + 2 + 3
t ω
Projeção do Objeto
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CODIFICAÇÃO DE FASE
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Conceito de fase:
t
3
t
2 t
1t
CODIFICAÇÃO DE FASE
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Conceito de fase:
t
3 t
2 t
1
t
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CODIFICAÇÃO DE FASE
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Conceito de fase:
t
3 t
2 t
1
t
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CODIFICAÇÃO ESPACIAL: EXEMPLO UM POUCO MAIS COMPLEXO
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G y
CODIFICAÇÃO ESPACIAL: EXEMPLO UM POUCO MAIS COMPLEXO
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Espaço dos
dados de RM 1 dado de RM
Após codificação defrequência
(gradiente x)
Após codificação defase
(gradiente y)
Antes da codificação
outro dado de RM
mais um
dado de RM
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Espaço Físico
ESPAÇO K
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+Gy ..
...
.
.
...
.
.
...
.
.
...
.
.
...
.
.
...
.
.
...
.
.
...
.
.
...
.
.
...
.
.
...0
p ç
Espaço K
.
..
.
.
..
.
.
..
.
.
..
.
.
..
.
.
..
.
.
..
.
.
..
.
.
..
.
.
..
.
.
..
.+Gx-Gx 0
-Gy
Cada um dos pontos no espaço k (mostrados em amarelo) consiste nasoma do sinal de RM de todos os voxels no espaço da imagem
quando submetidos ao campo de gradiente correspondente.
ESPAÇO K
Espaço k Imagem
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p ç g
FT (FT-1)
Imagem CompletaImagem Completa Imagem de IntensidadeImagem de Intensidade Imagem de DetalhesImagem de Detalhes
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Espaço k CompletoEspaço k Completo Centro do Espaço kCentro do Espaço k Bordas do Espaço kBordas do Espaço k
O SISTEMA DE RM
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Bobinade RF
Paciente
Equipamento de RM
Bobinas deGradiente
Magneto
Scanner
Cama do
Paciente
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IMAGENS POR RM: ANATÔMICAS
Clinicamente utilizada em uma grande variedade de especialidades
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MamaCrânio
Abdômen
Coluna
Coração
A qualidade da imagem é geralmente descrita em termos da relação
sinal ruído, da resolução espacial e do contraste.
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IMAGENS POR RM: APLICAÇÃO EM MODELOS ANIMAIS
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UNIVERSIDADE
DE SÃO PAULO
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Centro de Imagens e Espectroscopia
In Vivo por Ressonância Magnética
DE SÃO PAULOInstituto de Física de São Carlos
Fernando F. Paiva [email protected]
O BRIGADO !!!