Principios Fisicos de Ressonância Magnética

A Ressonância Magnética (RM) apresenta várias vantagens sobre outras modalidades de imagem como melhor resolução de baixo contraste, não utiliza radiação ionizante, imagem multiplanar directa, não apresenta artefactos de ar ou de osso, medição directa do fluxo e não invasiva.

Basicamente, a RM é simplesmente a interacção energética entre os spins dos protões de Hidrogénio e os pulsos de radiofrequência, ou seja, o paciente é colocado num campo magnético, envia-se um pulso de Radiofrequência com mesma Frequência de Precessão dos Protões (RF) e quando esse é desligado o paciente emite um sinal que é recebido e usado para reconstruir a imagem.

Então, podemos separar a física da RM em quatro processos: Colocação do paciente no campo magnético, Aplicação/Remoção o pulso Radiofrequência (RF), Emissão do sinal e Reconstrução da Imagem.

Colocação do paciente no Campo Magnético:

O corpo humano é constituído fundamentalmente por quatro elementos, carbono, hidrogénio, oxigénio e azoto, sendo o hidrogénio o elemento mais abundante (1019 em 1mm3 de tecido). O átomo de hidrogénio é constituído por um protão (carga positiva) e um electrão (carga negativa). Os protões apresentam características magnéticas designadas por spin, pois os protões estão em constante rotação à volta do seu eixo e este movimento induz um campo magnético perpendicular ao movimento do protão. Este movimento é designado por precessão e os protões movem com um determinada frequência, Frequência de Larmor, que é calculada com a equação de Larmor (ω0=γϐ0). A frequência de precessão é proporcional ao campo magnético (Figura 1). A direcção dos protões está distribuída aleatoriamente e por isso a soma dos pequenos campos magnéticos spins designado por magnetização macroscópica é zero.

Quando o paciente é colocado no campo magnético externo, os protões tendem a alinhar-se em paralelos (sentido do campo magnético) e anti-paralelos (sentido contrário ao campo magnético). Os protões que se alinham em paralelo manifestam menor energia enquanto os que se alinham em anti-paralelo apresentam maior energia (Figura 2).

Normalmente, existem mais protões alinhar-se no sentido do campo magnético do que no sentido oposto. Os protões opostos ao campo magnético cancelam o efeito magnético dos protões com a mesma direcção. A soma do excesso de protões alinhados com o campo magnético é designada por magnetização longitudinal (ao longo o eixo Z)

Aplicação/Remoção do pulso de Radiofrequência (RF)

O pulso de RF aplicado tem de apresentar a mesma frequência de Precessão dos protões. Só assim, é que afecta o equilíbrio e possibilita a troca de energia. Este processo designa-se por excitação. Ao receber energia, protões deslocam-se para estados de maior energia (protões anti-paralelos) e neutralizam ou cancelam o efeito dos protões em direcção oposta e também os spins ficam em coerência de fase. Isto provoca uma mudança na direcção do vector magnetização, o que produz um efeito de ressonância.

Quando um RF é aplicado, a magnetização longitudinal diminuiu e os protões deslocam-se para a coerência de fase, originado a magnetização transversal, que se movimenta à volta dos protões em precessão. Quando os spins estão em coerência de fase, a magnetização transversa atinge o máximo. Quando o pulso é desligado, a magnetização transversal diminui e desaparece enquanto que a magnetização longitudinal aumenta novamente, ou seja, os protões voltam ao estado de equilíbrio, emitindo energia electromagnética - relaxação.

A relaxação é um processo dinâmico físico, onde protão volta ao equilíbrio (estado fundamental) caracterizado por uma constante de tempo. Existem dois tipos de relaxação, longitudinal e transversal.

A primeira é descrita por uma curva exponencial caracterizada por constante de tempo T1 (tempo de relaxação longitudinal), onde os protões voltam a estar alinhados ao campo magnético (Figura 3) e a segunda é descrita por uma curva exponencial caracterizada pelo tempo T2 (tempo de relaxação transversal) que consiste no deslocamento dos protões para o estado fora de fase (Figura 4).

Se unirmos as duas curvas exponenciais, verificamos que o tempo de T1 é cerca de 2-10 vezes mais longo do que o tempo de T2. Esta característica reflecte-se nos tecidos biológicos por T1 que é cerca de 300 a 2000mseg e o T2 é cerca de 30 a 150mseg. É difícil apontar exactamente o fim da relaxação transversa e longitudinal, assim, os tempos T1 e T2 não se encontram definidos quando a relaxação termina, em vez disso, T1 é o tempo quando cerca de 63% da magnetização longitudinal original é recuperada enquanto o T2 é o tempo quando a magnetização transversal reduziu cerca de 37% do valor original. A relaxação transversa é mais rápida do que a relaxação longitudinal e estes valores não estão relacionado com a força do campo magnético.

Em relação aos tecidos, quais são os tecidos que têm tempo de relaxação longos e curtos?

A água apresenta um T1 longo e um T2 longo e pode-se generalizar a todos os tecidos constituídos por um elevado conteúdo de água, como músculo, sangue, órgãos internos (coração, fígado, etc.) e algumas patologias apresentam igualmente T1 e T2 longos. A gordura ou ácidos gordos apresentam um T1 curto e T2 curto.

Porquê?

O tempo de relaxação T1 está relacionado com a troca de energia entre os spins e a lattice (meio) circundante (relaxação spin - lattice) que restabelece o equilíbrio térmico. Os spins vão para estados de energia superiores e quando regressam ao estado de energia fundamental (baixa energia) após o RF ser desligado, e a energia do pulso de RF é libertada para a lattice circundante.

T1Longo - Quando o lattice é constituído por água ou liquido puro, é difícil para os protões conseguirem libertar rapidamente a energia para lattice circundante porque as moléculas de água são pequenas e movimentam-se rapidamente. Em consequência disso, os protões voltam ao seu nível de energia inferior mais lentamente e é necessário um maior tempo parra atingir a Magnetização longitudinal inicial.

T1 Curto - Quando a lattice é constituída por moléculas de médias dimensões e por líquidos que contêm mais que uma molécula. Isto provoca uma oscilação dos campos magnéticos dos spins com uma frequência semelhante à frequência de Larmor, ou seja, a energia pode ser transferida mais rapidamente e é necessário menor tempo para a atingir o valor inicial da magnetização longitudinal.

O tempo de relaxação de T2 depende dos spins dos protões voltarem ao estado de fora de fase. Os spins movem-se constantemente, apresentando uma interacção do campo magnético (interacção spin - spin) onde modifica ligeiramente a frequência de Precessão. As interacções são temporárias e aleatórias. Assim, a relaxação spin - spin causa uma perda acumulativa de fase resultando uma diminuição de magnetização transversa.

A relaxação transversa apresenta duas causas: a não homogeneidade do campo magnético externo e a não homogeneidades dos campos magnéticos de cada spin dentro de cada tecido.

T2 longo - As moléculas de água movem – se muito rapidamente e a sua rápida oscilação do campo magnético faz com que não existam grandes diferenças de força entre campo magnéticos dos protões. A não existência de diferenças de campo magnético faz com que os protões fiquem em compasso durante um longo tempo, antes de voltarem para o estado de fora de fase.

T2 curto - Os líquidos impuros contêm moléculas de grandes dimensões e por isso, existem grandes variações nos campos magnéticos dos protões. As moléculas de grandes dimensões movem-se mais lentamente que os campos magnéticos dos protões não cancelam o campo magnético dos outros protões. Essas diferenças nos campos magnéticos consequentemente causam grandes diferenças em frequência de precessão, assim os protões voltam ao estado fora de fase mais rapidamente.

Emissão de sinal

Como já foi dito atrás, após o pulso de RF, existem várias mudanças em ambas as magnetizações, a magnetização longitudinal aumenta, a transversal diminuiu e este processo liberta energia. Para receber o sinal, a antena é colocada no plano transversal (x0y) onde é induzida uma corrente eléctrica (lei de Faraday).

Para compreender melhor a emissão de sinal é necessário especificar a sequência de pulsos de RF. A sequência spin eco é baseada na repetição de sequência de pulsos de 90º e 180º consecutivamente e apresenta dois parâmetros: TR e TE. (Figura 5)

A aplicação do Pulso de 90º provoca o desaparecimento da magnetização longitudinal e o crescimento da transversal. Quando o pulso de 90º é desligado, existe um decaimento da magnetização transversal e os protões libertam a energia absorvida para o lattice.

A energia libertada vai provocar oscilações na frequência do campo magnético o que induz uma corrente eléctrica, segundo a lei de Faraday - sinal. A frequência do sinal é constante mas desaparece ao longo do tempo, o que traduz uma curva exponencial de decaimento. As antenas recebem o sinal no plano transversal devido às variações do vector da magnetização transversa.

Este processo, quando na ausência de qualquer gradiente magnético é designado por decaimento livre de indução (FID). Este é causado por uma diminuição da magnetização transversal, perda de energia para o ambiente e redução da oscilação de sinal no plano transverso. Como não existe nenhum gradiente magnético, o sinal de FID decresce mais rápido do que o T2 e é caracterizado por um tempo constante T2*. O tempo T2* é influenciado pelo tipo específico de relaxação spin-spin e os campos magnéticos estáticos não homogéneos que aceleram o desfasamento dos spins (Figura 6).

Pulso de 180º - Coloca os spins em fase e inverte o campo magnético não homogéneo. Quando se aplica um RF pulso de 180º, os spins entram em fase e a magnetização transversa reaparece e aumenta. Após o pulso de 180º, os spins deslocam-se para o estado de fora de fase (equilíbrio) e a magnetização transversa diminui.
Quando estão totalmente no estado fora de fase, o pulso de 180º é enviado e os protões entram novamente em fase.

É aplicado um pulso de 90º o que provoca o crescimento da magnetização transversal até ao máximo. Ao desligar o pulso de 90º a magnetização começa a desaparecer devido ao efeito puro de T2. Antes de aplicar o pulso 180º espera-se TE/2. O pulso 180º restaura a coerência de fase depois de um pulso de 90º. Quando se desliga o pulso de 180º e também no fim do Tempo de Eco, o sinal é emitido em forma de ecos. O sinal é descrito como uma curva de decaimento de T2 (Figura7).

A diferença de intensidade de sinal depende de dois factores, Tempo de Repetição (TR) e Tempo de Eco (TE) que indicaram o tipo de imagem (imagem ponderada em T1, densidade protónica e imagem ponderada em T2).

O TR é a diferença entre a intensidade de sinal entre tecidos T1 usando dois pulsos consecutivos, ou seja, a diferença entre a magnetização longitudinal de diferentes tecidos.

TR longo (1500mseg) – Os sinais são idênticos em tecido diferentes porque a quantidade de magnetização longitudinal é semelhante.

TR curto (500mseg) – Em diferentes tecidos aparecem maiores diferenças de intensidade de sinal o que determina a diferença de T1.

O TE é o tempo entre o pulso 90º e o eco. Pode ser escolhido pelo operador.

TE curto (25mseg) - maior transmissão de sinal pelo tecido. Mas apresenta um problema, se for muito curto, a diferença de sinal entre dois tecidos é muito pequena e os tecidos não são distinguidos.

TE longos (80 mseg) – existem maior diferença entre as curvas T2 e por isso, as diferenças entre intensidade de sinal são maiores.

TE muito longos - a intensidade de sinal torna-se cada vez mais pequena, o que diminuiu o sinal de ruído, originando uma imagem granizada.

Combinação de tempos para constituir uma imagem (figura 8):

TR e TE curtos – O TR curto não permite que os tecidos recuperarem a magnetização longitudinal total mas mostra diferenças entre o sinal de T1. Os TE curtos, as diferenças de sinal de T2 não podem ser realmente realçadas por isso a imagem resultante será uma imagem ponderada em T1.

TR curto e TE longo – O TR curto e TE longo permite pequena magnetização longitudinal e transversal. O sinal resultante será de pequena intensidade e por isso, impossível de utilizar para uma imagem.

TR longo e TE longo – O TR longo apresenta um pequena diferença de contraste em T1 enquanto o TE longo apresenta uma grande magnetização transversal o que resulta diferenças de sinal entre tecidos, que irá dar origem à imagem ponderada em T2.

TR longo e TE curto - TR longo têm poucas diferenças de contraste em T1 e o TE curto também. O sinal que se obtêm é influenciado por a densidade de protões, quanto maior for a quantidade de protões maior é o sinal – densidade protónica.

Reconstrução de imagem 2D:

Durante a aquisição do corte, a informação está a ser armazenada numa matriz designada por espaço-k. O espaço – k não corresponde à imagem, ou seja, a linha superior do espaço k não corresponde à linha superior da imagem. Durante cada TR, uma linha do espaço-k é preenchida com dados de codificação de fase e frequência, até que todas as linhas sejam preenchidas e a sequência tenha terminado. Para ocorrer a transformação de uma matriz de espaço-k para uma imagem é necessário usar a transformada inversa de Fourier.

A codificação permite a localização tridimensional da informação espacial (transmitida pelo sinal). É efectuada através de gradientes (pequenas alterações do campo magnético externo). A localização no espaço-k depende da duração e a força dos gradientes. Quanto mais forte ou mais longo é o gradiente, mais distante se encontra do centro do espaço-k. Caso não seja aplicado nenhum gradiente, a informação encontra-se no centro do espaço-k.

Cada ponto do espaço-k codifica informação espacial de toda a imagem de RM e cada ponto da imagem de RM é o resultado de toda informação do espaço-k. O centro do espaço-k contém as baixas frequências espaciais. Estas contêm informação sobre a forma e contraste da imagem. A periferia do espaço-k não corresponde à periferia da imagem e contêm as altas frequências espaciais. Quanto maior for a altas frequências menor será o detalhe da imagem.

A reconstrução de uma imagem é constituída por três fases: selecção do corte, codificação de fase e codificação de frequência:

Selecção de corte: o gradiente magnético é aplicado perpendicular ao plano do corte desejado. Como o campo magnético varia em relação à direcção do gradiente, todos os planos perpendiculares à direcção ao gradiente apresentam frequências de precessão diferentes.

O pulso de RF apresenta a mesma frequência de ressonância dos spins no plano do corte desejado. Apenas os protões que fazem parte do corte é que são excitados e mudam a sua frequência de precessão enquanto os outros apresentam a mesma frequência de precessão. Os sinal da excitação elabora tipicamente uma variação de frequência.

Codificação de fase: um gradiente magnético é aplicado brevemente em direcção das colunas (eixo y) o que provoca uma mudança da frequência muito breve. Quando o gradiente é desligado causa uma mudança de fase dos protões que é proporcional à distância - entre antes e após o gradiente (O gradiente funciona da mesma maneira que um pulso de 180º). Os protões no eixo x têm a mesma fase mas os protões no eixo y tem diferentes fases o que se aumenta de desfasamento entre as fases.

Numa sequência spin eco, o número de passos de codificação de fases é igual ao número de linhas numa matriz do espaço-k. Cada passo é executado com um acréscimo de alteração na força do gradiente.

Codificação da frequência: A frequência de sinal depende da intensidade do campo magnético onde se encontra durante o registo do sinal. O gradiente refere-se à repetição da periodicidade do som das ondas. O gradiente é aplicado em direcção perpendicular à direcção da codificação de fase (eixo x), o que vai traduzir num aumento de periodicidade das ondas quando maior for o gradiente.

O sinal é uma mistura de amplitude, fases e frequências. A decomposição do sinal é efectuada por um procedimento matemático designado por transformada de Fourier. Este procedimento decompõe o sinal numa soma de ondas seno de diferentes frequências, fases e amplitudes. Sabendo a amplitude, fase e frequência de cada onda seno, é possível reconstruir a imagem (transformada de Fourier inversa).

Para compreender melhor começa-se por decompor uma imagem 2D. Primeiro efectua-se a transformada de Fourier de 1D numa direcção (linha por linha), o qual a imagem original vai ser decomposta em linhas. As linhas apresentam um espectro de intensidades de cinzento. Segundo passo é uma segunda transformada de Fourier 1D na direcção ortogonal (coluna por coluna), que traduz no fim um plano de Fourier.

O plano de Fourier é constituído pelo eixo vertical e horizontal. Cada eixo corresponde a frequências. A variação da frequência afecta a intensidade do pixel (corresponde à amplitude), a cor (corresponde à fase). Normalmente a imagem está associada à magnitude do sinal (níveis de cinzento), mas a frequência do sinal também transmite características fundamentais para a imagem como a cor e intensidade do pixel.