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OLOGIA EM RADIOLOGIA MÉDICA (il Técnicas EM RESSONÂNCIA MAGNÉTICA NUCLEAR Autor ALMIR INACIO DA NÓBREGA Biólogo. Técnico em Radiologia Professor de Ressonância Magnética Nuclear e Radiologia Digital no Centro Universitário São Camilo, SP Técnico em Tomografia Computadorizada e Ressonância Magnética nos Hospitais Santa Catarina e Oswaldo Cruz de São Paulo. Organizadora da Série KELLEN ADRIANA CurcI DAROS Coordenadora do Curso de Tecnologia em Radiologia. Médica do Centro Universitário São Camilo, SP. Física da Coordenadoria de Física e Higiene das Radiações do Departamento de Diagnóstico por Imagem da Universidade Federal de São Paulo — UNIFESP. A Atheneu (dsio cimo Prefácio A ressonância magnética é um fenômeno fisico estudado há muito tempo. Inicialmente foi utilizada como ferramenta analítica no estudo de estruturas moleculares, configuração e processos de reação química. Dois grandes cientistas, Felix Bloch e colaboradores na Universidade de Stanford e Edward Purcell e colaboradores na Universidade de Harvard, de forma independente, realizaram pesquisas que colocaram em evidência a ressonância a partir dos mecanismos de troca de energia entre forças eletromagnéticas e certos núcleos atômi em consegiiência do movimento rotacional apresentado por estes núcleos (spin nuclear) Bloch e Purcell foram agraciados com o Prêmio Nobel de Física no ano de 1952. No início da década de 1970, Paul Lauterbur e Peter Mansfield passaram a desenvolver pesquisas relacionadas à obtenção de imagens por ressonância magnética a partir de amostras de tubos contendo água. Estava aberto o caminho para o desenvolvimento da modalidade médica de diagnóstico por ressonância. Por esses experimentos, Paul Lauterbur e Peter Mansfield receberam também o Prêmio Nobel em Medicina e Fisiologia. Do ponto de vista prático e comercial, a ressonância magnética só veio a se tornar mais uma modalidade de diagnóstico por imagem em 1982, dez anos depois do surgimento da tomografia computadorizada. No Brasil, o primeiro equipamento de RMN foi instalado no Hospital Israelita Albert Einstein, em São Paulo, no ano de 1986. Era um equipamento Philips de 0,5 Tesla, com gaiola externa, que durante quase três anos foi o único equipamento em operação na América do Sul. O primeiro serviço de ressonância magnética estava sob a supervisão do Dr Laércio Rosemberg e foi neste equipamento, em estágio de aprendizado, que dei os meus primeiros passos nesta magnifica modalidade de diagnóstico. No início de 1990, o Hospital das Clínicas de São Paulo inaugurou o seu serviço de ressonância com um equipamento de 1,5 Tesla da empresa General Eletric. Este serviço estava sob a supervisão do professor Álvaro Magalhães, que me convidou para integrar o primeiro corpo de técnicos em radiologia nesta área para atuar naquele hospital. No ano de 1993 tive também o prazer de compor o primeiro corpo de técnicos no serviço de ressonância magnética da Escola Paulista de Medicina/UNIFESP serviço do professor Henrique Lederman. 4 partir dos anos de 1990, pode-se dizer que a ressonância magnética deu um grande salto para sua consolidação como método de diagnóstico no Brasil. Surgiram muitos equipamentos em quase todos os hospitais e clínicas. Hoje, a ressonância, apesar de ainda ser cor um método caro, é reconhecida como absolutamente indispensável e claramente definido como importante ferramenta de diagnóstico médico. iderada tem o seu lugar 4 fisica da ressonância magnética é um pouco árdua com os seus adeptos, no entanto, conhecer os seus mistérios e saber tirar proveito dos seus recursos é algo tão desafiador quanto fascinante. Quem já atua ou atuou com esta técnica sabe do que estou falando. Este livro não tem a pretensão de discutir os aspectos da física clá ica, teorias quânticas e fórmulas matemáticas que se aplicam a essa área, mas procura abordar de forma simples os conceitos necessários para a compreensão dos mecanismos de formação da imagem por esta técnica e explorar os procedimentos adotados na realização de exames de imagem por ressonância a partir de núcleos atômicos. Por suas carac terísticas, julgo que esta obra pode ser de grande valia para operadores de sistemas de RM, estudante tecnologia radiológica e de medicina e para médicos residentes em proce: nesta área do diagnóstico. s de cursos de ssos de iniciação O desenvolvimento de softwares e de hardwares em ressonância magnética nuclear é um aspecto que deve ser levado em consideração. À velocidade com que surgem máquinas mais velozes e programas cada vez mais abrangentes deve servir de alerta âqueles que escolherem o caminho da ressonância como profissão. Almir Inacio da Nóbrega Princípios Físicos de RMN. RESSONÂNCIA MAGNÉTICA NUCLEAR A ressonância magnética (RM) é um fenôme- no físico de troca de energia entre força periódica (ondas eletromagnéticas) e corpos em movimen- to. A condição para que ocorra o fenômeno da ressonância é que a frequência periódica das ondas eletromagnéticas seja exatamente igual à frequência de movimento dos corpos. Um dos exemplos mais conhecido de ma- nifestação de ressonância é o som que ouvimos do rádio. Neste caso uma estação emite ondas eletromagnéticas em uma determinada faixa de frequência e, quando ajustamos o circuito eletrônico do nosso rádio na mesma faixa de frequência da estação emissora, ouvimos O sinal que está sendo transmitido. O fenômeno da ressonância aplicado ao diagnóstico por imagem baseia-se na troca de energia entre núcleos de átomos de hidrogê- nio com ondas eletromagnéticas provenientes de campos magnéticos oscilatórios (Fig. 1.1). Sempre que a frequência oscilatória dos cam- pos aplicados coincidirem com a frequência de rotação dos núcleos de hidrogênio haverá o processo de troca de energia. Para que este processo ocorra de forma controlada, é neces- sário que os núcleos dos hidrogênios estejam alinhados. O campo magnético externo é o responsável por esse alinhamento; quanto maior for a potência do campo magnético ex- terno, maior será a quantidade de hidrogênios CarítuLo 1 que se alinharão com este. Nessa situação uma parcela de hidrogênios absorverá a energia das ondas eletromagnéticas externas e mudará de orientação em relação ao campo magnético. A “população de hidrogênios” que mudou de orientação assume um estado energizado e posteriormente irá liberar esta energia na forma de sinal de ressonância magnética nuclear. A obtenção da imagem por ressonância a partir do hidrogênio se deve ao fato de este elemento estar amplamente distribuído nos tecidos biológicos e por suas características em responder a campos magnéticos externos como se fosse um pequeno ímã. A obtenção de imagens a partir de outros elementos, como o fósforo, o flúor e o sódio, também é possível, no entanto, a baixa constituição desses elementos no corpo humano inviabiliza o seu uso. Hiprocênio O hidrogênio é um átomo constituído por uma carga positiva em seu núcleo (próton +) e uma carga negativa em sua eletrosfera (elétron e5 . Apresenta movimento de rotação em torno do próprio eixo (spin nuclear). O movimento de spin nuclear, quando sofre ação do campo magnético externo, altera as suas característi- cas passando a descrever um movimento de rotação conhecido por precessão. Alinhamento dos núcleos de hidrogênio energizados em fase Pulso de radiofrequência Absorção de energia Fig, 1.1 — Fenómeno da ressonância. MovimENTO DE PRECESSÃO O movimento de precessão pode ser en- tendido como uma distorção do spin nuclear em resultado da ação do campo magnético externo. O núcleo do hidrogênio sob ação da força magnética altera o seu movimento giratório de uma “linha” para um “cone” sobre o próprio eixo, Esse movimento é denominado precessão, e pode ser comparado ao movimento giratório de um pião no momento em que este começa a perder a sua força (cambaleio) (Fig. 1.2) . MAGNETIZACÃO LONGITADINAL O comportamento do núcleo do hidrogê- nio como um pequeno ímã, quando sob ação de campo magnético externo, lhe confere uma força magnética própria representada pela letra grega “Lu” denominada força microscópica magnético núclear Direção do campo tico aplicado Fig 1.2 - Movimento de precessão. O núcieo do átomo de hidrogênio responde à forca magnética extema alinhando- se com o campo magnético. Nessas condições o seu spin nuclear sofre distorção e passa a descrever um movimento roacional cônico em torno do próprio eixo. CaríruLo 1 tizacão é capaz de induzir corrente elétrica em condutores dispostos na forma de bobinas (antenas de RM). As correntes observadas nes- sas bobinas constituem-se, em última análise, no sinal de RM. SinaL DA RESSONÂNCIA MAGNÉTICA A força magnética My que surge no plano transversal do equipamento - magnetização transversal — é de natureza oscilatória, ou seja, inverte a sua polaridade em relação à bobina, induzindo corrente elétrica altemada. O sistema de RM está dimensionado para permitir que a magnetização transversal induza correntes elétricas apreciáveis em diferentes tipos de bobinas. As correntes geradas repre- sentam o sinal de ressonância proveniente de uma região particular do paciente. Cada pixel da imagem gerada terá uma graduação de cinza correspondente à corrente elétrica que contribuiu com o seu sinal. As características das correntes elétricas geradas pela indução eletromagnética e o comportamento dessas correntes em função do tempo é fundamental para compreensão dos fatores que interferem na qualidade das imagens e da sua interferências na relação sinal/ruído. Decaimento do Sinal de Ressonância (FID — Free Induction Decay) A magnetização transversal é obtida a partir da excitação de uma “população” de hidrogênios de mesma fase. Se a excitação for suficiente para desviar a magnetização longi- tudinal em 90 graus, portanto levando-a para o plano transversal, dizemos que foi aplicado um pulso de 90 graus ou 1/2. Se o pulso de excitação desviar a magnetização longitudinal em 45 graus, teremos uma magnetização parcial no plano transversal, suficiente porém para induzir corrente elétrica. Nota-se que no primeiro caso a amplitude do sinal será máxi- ma, enquanto, no segundo, a amplitude será menor, resultado do componente transversal parcial dessa resultante. 4 Em ambos os casos porém, observa-se que as amplitudes das correntes elétricas geradas vão decrescendo com o tempo. Isto ocorre por- que o vetor magnetização transversal também diminui de intensidade em função do tempo, em razão do retorno à condição de equilíbrio dos hidrogênios que passam a liberar a ener- gia absorvida (recuperação da magnetização longitudinal) (Fig. 1.5). My Tempo Fig. 1.5 — Sinal em queda livre. O FID (free inducction decay), ou simples- mente “queda livre da indução”, indica que o sinal de RM vai diminuindo de intensidade em função do tempo. Isto ocorre porque a população de hidrogênios que absorveu ener- gia por ressonância libera a energia absorvida para o meio e retorna à condição de equilíbrio por meio da recuperação da magnetização longitudinal. RELAXACÃO LonciraDINAL (T1) Na busca da condição de equilíbrio, os prótons que absorveram energia no processo de excitação passam a liberá-la para o meio e assumem o estado de menor energia Os hidrogênios ligados aos diversos tecidos do corpo humano apresentam com- portamentos diferentes quanto ao retorno à condição de equilíbrio, fenômeno este conhecido como recuperação da magnetiza- ção longitudinal. Hidrogênios ligados à água CarítuLo 1 apresentam tempos longos de recuperação longitudinal, enquanto os ligados à gordura recuperam rapidamente esta condição. Tal ca- racterística dos tecidos biológicos possibilita o estudo da RM por contraste influenciado pela relaxação longitudinal produzindo imagens ponderadas em T1. Considera-se o T1 de um tecido o tempo necessário para a recuperação de aproximada- mente 63% da magnetização longitudinal dos prótons deste tecido (Fig. 1.6). E My = 63% Fig. 1.6 — Recuperação Mz. Graficamente podemos visualizar o instan- te em que dois tecidos apresentam o melhor contraste por T1 (Figs. 1.7 e 1.8). A obtenção da imagem neste momento produz uma ima- gem ponderada em T1.. 100% T Tempo Fig. 1.7 — Tempo TT CaríruLo 1 ' Tn Tempo Fig. 1.8 — Contraste por TT RELAXAÇÃO TRANSVERSAL (T2) Quando o pulso de RF é emitido, a sua frequência e o seu endereçamento quântico são feitos de forma tal que apenas a “população” de hidrogênios de mesma frequência e com as mesmas fases absorve a energia dessas ondas. A população de hidrogênios que absorve energia desloca-se para o lado de alta energia (spin down) €, com isto, uma magnetização resultante surge no plano transversal (magnetização transversal). Nessas condições, os hidrogênios que contribuem para a resultante transversal possuem a mesma fase e o valor da resultante magnética é máximo, porém, o contraste entre os tecidos é mínimo. Após algum tempo, os átomos excitados alteram as suas fases, resultado da interação com átomos vizinhos e da falta de homogeneidade do campo magnético principal ocasionando uma redução na amplitude do vetor magnetização transversal (Fig. 1.9), no entanto, é possível obter contraste entre os tecidos nesse momento. O padrão de imagem estabelecido nestas condi- ções é o que conhecemos por T2. Em outras palavras, podemos dizer que T2 é a ponderação de imagem influenciada pelas características de relaxação transversal dos hidrogênios ligados aos diversos tecidos biológicos. A principal caracte- rística da imagem T2 é que os líquidos se apre- sentam claros (hiperintensos) na imagem. Tecidos musculares, vísceras, parênquimas em geral, dão pouco sinal e se apresentam escuros. O tempo de relaxação transversal (T2) de um tecido em particular é o tempo necessário para que o vetor magnetização transversal deste tecido decaia até aproximadamente 37% do seu valor original (Fig. 1.10). Sequência de Pulsos SEadência DE PuLsos A forma como os pulsos de RF são aplica- dose a obtenção dos sinais de RM influenciam o contraste das imagens. É possível, a partir da aplicação de pulsos de diferentes ângulos, obter diferentes contrastes entre os tecidos. Várias sequências de pulsos foram desenvolvidas com este propósito e as principais sequências são abordadas neste texto. Para compreensão da estrutura dessas se- quências e da sua dinâmica alguns conceitos precisam ser abordados. Seqiiência Spin-Eco É a segiência mais comum em RM. Esta segiência inicia-se com um pulso de RF de 90 graus (pulso seletivo), seguido de um pulso de 180 graus (pulso de refasamento) (Fig. 2.1). Após o pulso de refasamento, observa-se uma recuperação do sinal da RM em resultado da recuperação das fases da população deslocada para o lado de maior energia. Tempo de Eco (TE) É o tempo medido entre a aplicação do pulso de radiofrequência (90 graus) e a amplitu- de máxima do sinal de RM em uma sequência spin-eco (Fig. 2.2). Tempo de Repetição (TR) É o tempo medido entre dois pulsos de radiofrequência de 90 graus em uma segjência spin-eco (Fig. 2.3). A segiência spin-eco é a mais comum das sequências em RM. As ponderações de ima- gens T1, T2 e DP estão claramente definidas para esta sequência (Tabela 2.1). Para se obter T1, o TR deve ser menor que 800 ms e o TE menor do que 30 ms (TR e TE curtos). Para se obter T2, o TR deve ser a partir de 1.500 ms 180 graus 180 graus 90 graus | * Sinal de RM Fig. 2.1 - Segiência Spin-eco, Caríru.o 2 al, Ê ah UT 1º eco DP vv 2º eco T2 N nn TR (tempo de repetição) assada dona anda Em Fig. 2.5 — Sequência spin-eco (com dois ecos) Sequencia de pulso Trem de ecos 90 graus FSE — Fast Spin-Eco 90 graus | A E Ein dl, ty | Espaço K Fig. 2.6 — Segilência ESE — fast spin-eco (turbo spin-eco) 10 CaríruLo 2 Seqiiência gradiente de eco RF (5a180 graus) Gy. Fase Cx. Leitura e Ah = io Fig. 2.8 — Sequência gradiente de eco, As sequências gradiente de eco são mui- to utilizadas nas aquisições vasculares e nas aquisições dinâmicas com apnéia do paciente. A ponderação de imagem T2 gerada nesta sequência é denominada “falso T2” e a con- venção da notação para este padrão de imagem é T2* (T2 estrela ou falso T2). Na Tabela 2.2 encontra-se a ponderação das imagens por esta sequência. Tabela 22 Ponderação da Imagem por Gradiente de Eco Flip angle TE (tempo de e co) nº 60aV0graus <10ms T2 5a30graus > 15ms DP 30a60graus <10ms Inversion Recovery (IR) (Recuperação da Inversão) A sequência IR (Fig. 2.9) utiliza-se de três pulsos de excitação: * 1 pulso de inversão de 180 graus; 12 * 1 pulso de 90 graus; * 1 pulso de recuperação de fase de 180 graus. O princípio da sequência baseia-se em suprimir o sinal de um tecido conhecendo- se o seu tempo de inversão. Entende-se por tempo de inversão (TI) o tempo necessário para que a resultante magnética dos hidrogê- nios ligados a um tecido em particular possa migrar do eixo longitudinal de maior energia até o plano transversal. Neste momento se um pulso de 90 graus for aplicado, os hidrogênios do tecido vão se posicionar novamente no eixo Ze, desta forma, não poderão contribuir com o sinal de RMN. A sequência IR possui três aplicações principais: * STIR — IR com tempo de inversão curto para supressão do sinal da gordura. Em equipamento de 1,5 To Tido STIR é de aproximadamente 150 ms. FLAIR — IR com tempo de inversão para supressão do sinal do liquor, Em equipamentos de 1,5 Tesla o TI é de aproximadamente 2.200 ms. CaríruLo 2 180 graus 180 graus Eco 90 graus INVERSION RECOVERY — IR 180 graus 180 graus | TE: tempo de eco amos es = TR: tempo de repetição 90 graus : Eco | Fig. 2.9 - Sequência IR (inversion recovery). * TIW-IR com forte ponderação em T1. Em equipamento de 1.5 tesla o TI está entre 400 e 800 ms. Técnica EPI — Eco PLAnNar IMAGEM A imagem eco planar EPI em RMN é uma técnica ultra-rápida de obtenção de imagens acoplada às sequências de pulsos spin-eco e gradiente de eco. Nessa técnica de imagem o preenchimento do espaço K pode ser obtido em um único TR (single shot). As codificações de fase e frequência são obtidas durante o decaimento do sinal, sem a utilização de pulsos de RF co- dificadores. Esta técnica permite a obtenção de imagens em frações de segundo (Fig. 2.10). Essa moderna técnica de obtenção de ima- gens por RM vem sendo largamente utilizada nos estudos funcionais de difusão, perfusão e ativação por ressonância magnética. Na difusão a eco planar avalia o sinal do hidrogênio com mobilização restrita, estado observado nas is- quemias cerebrais. A perfusão avalia o aporte CaríruLo 2 sangúineo a um tecido e é realizado com meio de contraste, A RM funcional por ativação é uma das técnicas mais promissoras no estudo das ativi- dades cerebrais em funções motoras, sensitivas e cognitivas. Nesta técnica o córtex cerebral envolvido com uma determinada tarefa atrai células sangiíneas carreadas com oxigênio (oxiemoglobina) que produz uma amplificação discreta do sinal de RM. Principais Sequências de Pulsos * SE (spin-eco): sequência convencional em RM, utilizada para obtenção de imagens ponderadas em T1, T2 e DP com alto grau de definição. FSE (fast spin-eco/turbo eco): seguên- cia que utiliza múltiplos pulsos de 180 graus para um mesmo corte, reduzindo drasticamente o tempo de aquisição das imagens. O fator turbo (quantidade de pulsos de 180 graus) é determinante para a redução do tempo da sequência. 13 gradiente de eco coerente de aquisição de um volume de imagens. TOF SPGR 2D: sequência vascular gradiente de eco incoerente (TIW). Aquisição bidimensional. TOF SPGR 3D: segúência vascular gradiente de eco incoerente (TIW). Aquisição volumétrica. PC 2D: sequência vascular gradiente de eco phase contrast com codificação de flu- xo/elocidade. Aquisição bidimensional. CarítuLo 2 + PC 3D: sequência vascular gradiente de eco phase contrast com codificação de fluxo/velocidade. Aquisição volumé- trica, CeMRA: sequência vascular gradiente de eco com utilização de meio de contraste à base de gadolíneo. DW-EPI: sequência de difusão pela técnica eco planar imagem. * PERFUSION-EPI: Sequência de perfusão pela técnica eco planar imagem. 15 Formação da Imagem Equação DE LARMOR A frequência com que o próton de hidro- gênio precessiona depende: 1. Da razão giromagnética ”y “ 2. Do campo magnético a que ele é sub- metido. W= Frequência de precessão: define a quantidade de gro por segundo (precessão). Bo = Campo magnético principal: define a intensidade do campo magnético do equipamento Y= razão giromagnética: constante característica de cada átomo. Para o hidrogênio vale: 42,58 x 10º hertzjs. A frequência de precessão de um próton de hidrogênio depende do campo magnético que atua sobre o próton e da sua razão giro- magnética “y”. Definida a frequência de precessão de um próton, pode-se excitá-lo por ressonância a partir da aplicação de uma força periódica externa de mesma frequência. Considerando um equipamento de 1,5 T: Wo = Bo (1,5 T) . (42,58 10º Hz/s) Wo = 63,87 . 10º Hz/s Aproximadamente 63 milhões, 870 mil vezes por segundo é a fregiiência de precessão CaríruLo 3 dos prótons de hidrogênio do corpo de um paciente que se encontra no interior de um equipamento de 1,5 Tesla. Para a obtenção do sinal de RM é ne- cessário que se aplique a esse paciente uma força ondulatória (pulso de radiofrequência) de mesma grandeza, ou seja, de 63 milhões, 870 mil vezes por segundo. Campos GRADIENTES A informação obtida pela equação de Lar- mor mostra que, para a realização de imagens por ressonância de diferentes regiões do corpo, é preciso fazer variar o campo magnético numa certa direção, provocando assim diferentes frequências de precessão dos prótons de hi- drogênio ao longo deste campo magnético. A obtenção da imagem de cada área em parti- cular do paciente dependerá da grandeza do pulso de radiofrequência aplicada. Campos magnéticos que variam gradativa- mente de intensidade numa certa direção são denominados campos gradientes (Fig. 3.1). No sistema de RM os campos gradientes ocupam os três eixos físicos X, Y, Z, respectivamente, horizontal, vertical e longitudinal e servem para selecionar o plano e a espessura do corte e codificar espacialmente os sinais provenientes do paciente (Fig. 3.2). 17 
