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Ressonância Magnética

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Published on September 4, 2008

Author: MarcielSS

Source: authorstream.com

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RESSONÂNCIA MAGNÉTICA NUCLEAR: Princípios Físicos : RESSONÂNCIA MAGNÉTICA NUCLEAR: Princípios Físicos Marciel S. Santos – R2 Física Médica / Radiodiagnóstico Histórico : Histórico 1920 – estudos sobre as propriedades magnéticas dos núcleos atômicos; 1946 – Felix Block e Edward Purcell (USA); 1960 – Raymond Damadian (Ressonância)– RF; 1972 – Patente do 1º aparelho; 1977 – 1º Equipamento (“Indomitable”). Propriedade do Núcleo Atômico : Propriedade do Núcleo Atômico Movimento de carga gera campo magnético Ferramentas : Ferramentas Princípios Básicos : Princípios Básicos Linhas de campo p/ diversas geometrias Propriedades Microscópicas : Propriedades Microscópicas 3 mm3 Princípios Fundamentais : Princípios Fundamentais Átomos: emitem ondas em radiofreqüência quando submetido a forte campo magnético (0,1 a 2 T); Átomos que possuem nº de prótons ímpar; Precessão de seu momento magnético em torno do Campo B externo; Slide 8: Um loop de corrente define um momento magnético µ (momento de dipolo magnético) Momento magnético As propriedades magnéticas dos materiais são consequência dos momentos magnéticos associados aos átomos (elétrons e núcleos) São as fontes do magnetismo dos materiais Precessão : Precessão http://wwwrad.pulmonary.ubc.ca/stpaulsstuff/MRartifacts.html Slide 10: diamagnético paramagnético ferromagnético A maioria dos tecidos no corpo são diamagnéticos (e- orbitais totalmente pareados) Alguns produtos da hemoglobina são paramagnéticos Diamagnéticos c<0, m<1 Paramagnéticos: c>0, m>1 Ferromagnéticos c>>0, m>>1 Núcleos com Spin : Núcleos com Spin M.A. Foster Magnetic Resonance in Medicine and Biology Pergamon Press, New York, 1984. % Níveis de Energia : Níveis de Energia n = g Bo :   n = g Bo Ressonância : Ressonância f ( T, B) Ressonância : Ressonância Diagrama de tempo : Diagrama de tempo Excitação – “Descitação” : Excitação – “Descitação” A RF produz um B1 na direção x` A quantidade de energia da RF, pela potência do pulso e duração, é chamada de Pulso de 90º. Dobrando-se a E ou o t implica num Pulso de 180º. Relaxação T1 : Relaxação T1 Mz = Mo ( 1 - 2e-t/T1 ) Relaxação : Relaxação Volta ao estado de menor energia; À medida que as partículas relaxam o sinal diminui; O tempo de relaxação fornece sinal sobre o tecido; Tempos: T1 e T2. Relaxação T1 - Longitudinal : Relaxação T1 - Longitudinal Precessão em ângulos cada vez menores; Sinal diminui ( T1 corresponde a 63%); f(estrutura, T, B); Ordem de centenas de 10-3 s, em tecido. Mz = Mo[ 1 – e-t/T1] Relaxação T2 : Relaxação T2 Relaxação T2 - Transversal : Relaxação T2 - Transversal Precessão fora de fase; Influência do meio; Espalhamento da freqüência ressonante; Mx,y = Mo e-t/T2 ; Tecidos com estruturas rígidas: T1 > T2 (escuro); Tecido líquido: T1 = T2  3000ms. Slide 23: Evolução temporal da relaxação transversal e longitudinal Slide 24: Eventos no spin-eco Imediatamente após o pulso de 90 ° Mxy e FID é máximo, mas decai muito rapidamente Os momentos magnéticos defasam-se. Os mais rápidos ficam a frente dos mais lentos Um pulso de 180° é aplicado e giram os spins up para down Isto faz com que os vetores momento magnéticos individuais girem de 180 ° na direção X Resultado: spins “retadatários” tornam-se “líderes”, mas o sinal inicialmente ainda É fraco. Dipolos continuam a girar no plano XY e sofrem um processo de re-fasagem: os mais rápidos alcançam os mais lentos e o sinal Mxy aumenta Isto ocorre até um tempo t após o qual o sinal cai novamente devido a defasagem Interferência de Campo : Interferência de Campo Slide 26: Pulso RF transversal ressonante Se wx  w0 o sistema não entra em ressonância se wx = w0 , energia é transferida de forma eficiente aos núcleos Consequências na ressonância: a) alguns ou todos os prótons up são excitados ao estado down b) precessão em torno de X com w1 c) os prótons são também colocados em sincronismo, isto é, precessionam em FASE em torno de Z (com w0) Slide 27: Pulso RF de 90º O campo transversal produz magnetização líquida no plano x-y, de modo que o vetor magnetização resultante M ”gira” em relação a Z o ângulo de desvio de Mz depende da intensidade do campo Bx e da duração do pulso Quando o pulso RF excita metade dos spins up para o estado down teremos Mz=0 e a magnetização fica toda no plano xy, girando em torno de Z com frequência w0 MRI baseia-se na emissão de uma série de pulsos de 90, repetidos em intervalos de tempo TR para formar a imagem. Pulso RF de 180º Pulso como dobro da intensidade de B(90) ou dobro da duração todos spins up passam para dowm e Mz torna-se -Mz Slide 28: Mecanismos de relaxação Tendência termodinâmica : sistema tende a retornar ao seu estado de mínima energia ou de equilíbrio Isto pode ocorrer via dois mecanismos independentes de perda de E que atuam concomitantemente: a) spins retornam ao seu estado de menor energia (i.e. paralelo ao campo) Mz recupera “lentamente” seu valor ao longo do eixo Z b) os spins perdem a coerência mutua entre si. A componente de magnetização transversal Mxy decresce rapidamente. Slide 29: Acoplamento ressonante em diversos tecidos Gordura: Frequência de rotação são próximas da frequência de Larmor Transferência spin-rede eficiente e relaxamento rápido, i.e. T1 curto Água livre e outras moléculas leves: w(H20)>> w0. Acoplamento pouco eficiente, T1 longo Tecidos sólidos Átomos relativamente fixos, remoção de energia é muito pouco eficiente T1 muito longo (e.g. ossos, dentes, cálculos) Slide 30: Relaxação T2 2 Mecanismo inerente ao tipo de tecido interação depende da distância entre spins sólidos relaxação é mais rápida em sólidos: distâncias interatômicas são menores e DB maior água Devido a estrutura molecular da água , prótons estão relativamente afastados e a interação spin-spin intra e intermolecular é fraca. Movimentos térmicos tendem a suavizar DB Tecidos proteicos e gorduras Interação spin-spin um pouco mais intensa T2 curto T2 longo T2 intermediários Slide 31: Curva de T1 Exemplo de efeito de TE no contraste Curva de T1 Curva de T2 H20 : T1 +longo Sólido: T1 interm. Gordura: T1 +curto H20 : T2 +longo Sólido: T2 +curto Gordura: T1 interm. TE longo (TE3): H20 claro - sólido escuro TE curto (TE2): gordura e H20 crossover, sólido escuro TE muito curto (TE1) : ponderação por T1 ou PD, água escura, gordura clara Slide 32: T1 e T2 : alguns valores típicos Material T1 (ms) T2 (ms) Gordura 250 80 Fígado 400 40 Rins 550 60 Baço 400 60 Matéria branca 650 90 Matéria cinzenta 800 100 Fluido cerebro-espinal 2000 150 Água 3000 3000 OBS: T1 varia com o campo de forma mais marcante que T2 Slide 34: Relaxação de Mxy e o sinal de ressonância magnética Após o término do pulso de 90º , a magnetização Mxy oscilante induz nos enrolamentos da bobina RF uma tensão alternada de uns poucos mV os enrolamentos agora funcionam como um receiver sintonizado como um rádio para captar apenas o sinal da frequência de ressonância a amplitude ou envelope do sinal é amostrada e digitalizada, gerando o controle de tons de cinza de cada pixel na imagem Mxy tende a zero com o tempo de modo que o sinal é senoidal atenuado. Este sinal é chamado “free induction decay” note: apenas Mxy produz um sinal de RM, mas o sinal produzido por um pulso de 90º depende do valor de Mz imediatamente antes do pulso ser aplicado. Slide 35: A sequência spin-eco Na prática o sinal FID é raramente medido porque o mesmo decai muito rápido com constante de tempo T2* da ordem de poucos ms. Estratégia para remover efeitos de inomogeneidade de campo e manter o efeito de T2 que é vinculado as propriedades do tecido deve ser aplicada: Sequência spin-eco cada pulso de 90° é seguido t s após por um pulso de 180° O sinal é medido num tempo t =TE=2t Seqüência de Sinal-Eco : Seqüência de Sinal-Eco Efeito de contraste : Efeito de contraste Formação da Imagem Parte II : Formação da Imagem Parte II Codificação da Freqüência : Codificação da Freqüência Retroprojeção : Retroprojeção Gy = Gff Sin q Gx = Gff Cos q Seleção do corte : Seleção do corte Codificação da Fase : Codificação da Fase n = g ( Bo + x Gx) = no + g x Gx Imagem TF : Imagem TF 128 ou 256 vezes Transformação de Fourier : Transformação de Fourier Slide 46: ( n - no ) = g x Gf Slide 49: Formação da imagem: gradientes de campo Identificação de sinais de voxeis individuais: Seleção da fatia Seleção da linha E seleção do ponto Campos magnéticos em gradiente Gz, Gx, Gy Slide 50: Note: gradientes na direção z ! e modulação de amplitude em x ou y Gradientes: visão espacial do campo Bobinas de Maxwell Slide 51: Fatia - transversal DC é enviado a um par de bobinas Gradiente (alguns mT/m) pés-cabeça Gradiente de w0 : Transmissor RF envia um pulso de banda estreita Apenas prótons numa certa fatia do corpo (com w ressonante) serão excitados Pulso RF e gradiente aplicados juntos no início da sequência Slide 52: Fatia tipicamente 2-10 mm Slide 53: Seleção de linha na fatia Só com Gz, sinal é de toda a fatia Durante aquisição do eco MR, DC é aplicado em bobina XX Gradiente de w em XX Receiver é ajustado para receber apenas uma banda estreita de w Sinal de RF é amostrado (FT) em 256 ou 512 intervalos de w Tempo de amostragem ~ 15 ms p/ 256 intervalos Pixels em torno de 1 mm Slide 54: Seleção do pixel Entre o pulso de 90 -180, DC excita (≈ms) enrolamentos YY Gradiente de w em YY Após o pulso, todos precessionam novamente com o mesmo w (emitem o mesmo sinal RF) Contudo diferenças de fase permanecem Existe uma gradiente de fase do sinal oriundo de diferentes pixels Diferenças de fase podem ser detectadas eletronicamente Slide 55: O sinal RM emitido pela fatia inteira é então uma mistura (espectro) de frequências (coordenada X) e fases (coordenada Y) que são identificados utilizando transformadas de Fourier Na prática sequência de gradientes pode ser mais complicada Gradientes: visão geral o gradiente Z define a fatia e é aplicado quando o pulso RF é transmitido O gradiente Y produz uma mudança na fase e é aplicado entre o pulso de 90 e 180° (e repetido 256 vezes, 1 por cada sequência, cada vez com gradiente maior) O gradiente X produz uma mudança de frequência e é aplicado na hora de coletar o sinal de RM Slide 56: Influencia do número de steps de fase na qualidade da imagem Slide 57: 1. Visão geral do problema Os spins dos núcleons não pareados que compõem as moléculas do corpo são alinhados por um forte campo magnético externo (1-3 T) Slide 58: Um sinal RF de freqüência apropriada é enviado ao corpo de modo a induzir a transição dos spins para estados de maior energia (fliping, realinhamento dos spins) RF Slide 59: Após o pulso de excitação os núcleons geram um sinal de RF ao voltarem ao estado fundamental (sinal de MR) Se sinal vem de todo o corpo como saber a posição do volume emissor ??? Isto é feito através de vários mecanismos de relaxamento Slide 60: z z z z z z Para criar a imagem (i.e identificar cada elemento de volume emissor no paciente) é necessário o uso de campos magnéticos adicionais que vão induzir gradientes de campo ao longo dos eixos x,y e z este processo é chamado codificação espacial (spatial encoding) z y x Obrigado!! : Obrigado!! “Porque Deus amou o mundo de tal maneira que deu o seu Filho unigênito, para que todo aquele que nele crê não pereça, mas tenha a vida eterna.” João 3:16

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