O documento fornece uma introdução aos princípios básicos da física por trás da ressonância magnética nuclear (RMN). Resume os conceitos-chave da RMN, incluindo a estrutura atômica, magnetização do tecido, pulsos de radiofrequência, processos de relaxação T1 e T2, e como as diferenças nos tempos T1 e T2 entre tecidos podem gerar contraste na imagem.

1. PRINCÍPIOS BÁSICOS DE
FÍSICA DA RNM
Catarina Borges – A3
Fevereiro/2014

2. INTRODUÇÃO
 Primeiramente é preciso relembrar algumas
coisas...
 Os átomos são compostos pelo núcleo, pelos prótons,
com carga positiva, e nêutrons, sem carga, e os
elétrons, com carga negativa, que ficam orbitando o
núcleo.
 NúmeroAtômico – soma dos prótons;
 Número de Massa – prótons + nêutrons;
 Átomo estável – número elétrons = prótons;
 Átomo instável – número elétrons ≠ prótons;
Íons.

3. INTRODUÇÃO
 A imagem por RM é o resultado da interação
de um forte campo magnético (produzido
pelo equipamento) com os prótons de H do
tecido > criando uma condição para enviar
pulso de radiofrequência e após coletar a RF
modificada por bobina/antena > o sinal é
processado > imagem.

4. INTRODUÇÃO
 RM – átomos devem ter:
 Corrente elétrica
 Número ímpar de prótons

5. INTRODUÇÃO

6. INTRODUÇÃO
 Cada átomo possui movimentos
característicos, sendo que os elétrons giram
no seus próprios eixos e ao redor do núcleo,
além do núcleo girar constantemente ao
redor do seu próprio eixo, sendo que este
último é o conhecido spin.

7. INTRODUÇÃO
 O próton tem uma carga positiva, portanto
como o próton possui o movimento de spin a
carga elétrica roda também, e uma carga
elétrica em movimento é uma corrente
elétrica, e a uma corrente elétrica induz a
formação de um campo magnético, como se
fosse um pequeno imã, com pólo positivo e
pólo negativo.

8. INTRODUÇÃO

9. INTRODUÇÃO
 Os prótons normalmente, sem efeito de um
campo magnético externo, estão alinhados de
forma aleatória.
 Ou seja, na temperatura corporal normal e sob a ação
do fraco campo magnético daTerra os momentos
magnéticos se distribuem de forma randômica,
fazendo com que a magnetização do tecido seja
NULA.
 Entretanto, se são expostos a um campo
magnético externo, no caso da RM o B0, estes
tendem a se alinhar com este campo, como se
fossem imãs de bússola. Mas nem todos os
prótons se alinham da mesma forma,
acompanhando o sentido do campo magnético.

10. INTRODUÇÃO

11. INTRODUÇÃO
 Entretanto, os vetores podem se alinhar de duas formas: no
sentido paralelo ou no sentido antiparalelo.
 Estes alinhamentos estão em níveis diferentes de energia.
Para que um próton se alinhe no sentido antiparalelo, ele
precisa ter uma energia térmica maior que o restante dos
prótons, a fim de vencer o campo magnético.
 Entretanto, sempre haverá uma quantidade pouco maior
de prótons alinhados no sentido paralelo, de mais baixa
energia. Estes prótons alinhados podem ser representados
por vetores, que representam uma força e uma direção, e
deste modo a soma dos vetores alinhados de forma
paralela formam um vetor de magnetização efetivo.

12. INTRODUÇÃO
 Paralelo e antiparalelo:
 Alta energia térmica – vence B0 – antiparalelo (spin-down);
 Baixa energia térmica – à favor de B0 – paralelo (spin-up).
 Sempre há maioria paralela – produção de um vetor de
magnetização efetivo (VME);

13. INTRODUÇÃO
 O campo magnético induz a formação de um
movimento oscilatório dos prótons ao redor do
eixo do campo magnético, é o chamado
movimento de precessão, como se fosse um
pião.
 A RM é um fenômeno em que partículas contendo
momento magnético exibem movimento de
precessão quando estão sob a ação de um forte campo
magnético.
 Este movimento possui uma forma de trajetória
circular, a trajetória de precessão, e a velocidade
com que movimento nesta trajetória é a
velocidade ou frequência de precessão.

14. INTRODUÇÃO
 Campo – induz oscilação adicional dos núcleos ao redor
do eixo B0 – precessão;
 Forma uma trajetória circular – trajetória de precessão;
 Velocidade de precessão – megahertz (MHz);

15. INTRODUÇÃO
 Equação de Larmor:
 Dita a frequência de precessão:
 Razão giromagnética é constante para 1T (H = 42,57 MHz/T);
 Denominada então frequência de Larmor.

16. INTRODUÇÃO
 Ressonância
 Transferência de energia.
 Para empurrar a criança, é preciso estar em
ressonância com o movimento pendular do
balanço!

17. INTRODUÇÃO
 Ressonância
 Objeto é exposto a uma perturbação oscilatória com frequência
próxima à sua natural;
 Ganha energia externa – entra em ressonância;
 Pulso de RF deve ser igual à de Larmor – excitação.

18. INTRODUÇÃO
 Pulso de RF – pulso de onda eletromagnética que irá
perturbar os prótons – para tanto esta pulso deve ter uma
frequência igual à frequência de precessão para poder
trocar energia de forma correta.
 A frequência portanto deve ser igual àquela dada pela
equação de Larmor.
 Quando isto ocorre, há a possibilidade dos prótons
pegarem energia, originando o fenômeno chamado de
ressonância. Este é o mesmo princípio aplicado em
diapasões para afinar cordas, quando há vibração em certa
frequência.
 Ao ganhar mais energia, o prótons mudam seu
alinhamento, indo para uma área com maior energia, neste
caso antiparalelo.

19. MAGNETIZAÇÃO DO TECIDO
 Quando o próton realizar
o movimento de
precessão surgirá um
vetor em torno do eixo Z.
 O eixo Z longitudinal
representa a direção de
aplicação do campo
magnético principal (B0).
 O plano XY é chamado
transversal.

20. MAGNETIZAÇÃO DO TECIDO
 Vetor de magnetização efetivo (VME): os vetores dos
prótons estão em precessão, alguns alinhados na forma
paralela e outros alinhados na forma antiparalela.
 Deste modo, em um certo momento, quando há um vetor
apontando para uma direção, há um outro de mesma
intensidade mas com direção oposta, que terminam por se
cancelar.
 Como há sempre mais prótons alinhados no sentido
paralelo, sobrará prótons nesta direção.
 Entretanto, ao dividir os vetores nos eixos Z eY, pode haver
cancelamento do componenteY*, sobrando somente o Z, o
vetor de magnetização longitudinal. Age como se o
paciente fosse um imã, com o pólo superior e inferior.
* Apesar de todos os momentos magnéticos
precessarem em torno de B0 com uma
frequência w , não existe coerência de fase
entre eles, portanto não existirá componente
de magnetização no plano transversal.

21. MAGNETIZAÇÃO DO TECIDO
 Mesmo com o cancelamento mútuo, ainda
sobram 4 spins > componente de
magnetização resultante M0 irá surgir
alinhando-se ao eixo longitudinal.
 Direita: spins alinhados
paralelamente e
antiparalelamente ao
campo magnético
externo aplicado (eixo z ),
realizando movimento de
precessão. Esquerda:
Vetor magnetização
resultante (M0) de um
elemento de volume do
tecido.

22. MAGNETIZAÇÃO DO TECIDO
 Quando uma bobina é colocada de forma perpendicular ao
plano transversal, nenhum sinal é detectado.
 Para que uma corrente elétrica seja induzida é então
necessário que o vetor de magnetização esteja no plano
transversal e que possua coerência de fase.
 Ou seja, enquanto o vetor M0 estiver alinhado ao eixo Z
(eixo de B0) a magnetização tissular não poderá ser
medida.
 Como desviar?
 Através de um pulso de radiação eletromagnética oscilando na
frequência de Larmor de H.
 Ao receber um pulso de RF, oVME se desloca um certo ângulo, o
chamado flip angle; quando recebe um FA de 90º, ele desloca
para o eixo transverso.
 O pulso de 90º é o pulso de excitação.

23. MAGNETIZAÇÃO DO TECIDO
 O pulso é um segundo campo magnético de
curta duração (B1).
 Deve ser perpendicular ao B0 e deve estar em
fase com a frequencia de precessão.
 Pulsos de 180º também podem ser usados
(pulsos de inversão).
 A emissão deste pulso é feita pela bobina de
corpo e a detecção pela bobina local (por ex.
crânio).

24. Pulsos de RF e sua nomenclatura. O pulso de 90º é chamado de pulso de excitação, o de 180º
de pulso de inversão e o pulso a pode assumir qualquer valor.

25. INTRODUÇÃO
VME se afasta do eixo longitudinal – depende
do ângulo de inclinação (flip angle);
FA de 90º - passa para o eixo transversal.

26. INTRODUÇÃO
 Após a aplicação de um pulso de RF, os
prótons começam a se movimentar em fase,
ou seja, eles estão no mesmo ponto na
trajetória; todos começam a apontar na
mesma direção, sendo que alguns estão em
paralelo e outros em antiparalelo; desta
forma os seus vetores agora vão somar na
direção transversa, formando a chamada
magnetização transversal > teremos o
máximo de sinal induzido nesta bobina.

27. INTRODUÇÃO

28. INTRODUÇÃO
 Com os prótons em fase, oVME mantém a
velocidade de precessão; isto induz a
formação de uma corrente elétrica, o que irá
induzir a formação de um campo magnético;
este campo magnético está em movimento,
o que por sua vez irá induzir a formação de
uma corrente elétrica na bobina, o que irá
portanto formar o sinal da ressonância
magnética.

30. INTRODUÇÃO
 Declínio de Indução Livre (free induction decay):
 Desliga-se o pulso de RF – oVME volta a sofrer ação de B0 – realinhamento com
este;
 Perda de energia – relaxamento;
 Retorno da magnetização longitudinal – recuperaçãoT1;
 Perda da magnetização transversal – declínio T2.

33. PROCESSOS DE RELAXAÇÃO
 A Relaxação ocorre pela troca de energia
entre os spins e entre os spins e a rede >
fazendo com que o vetor M volte para o seu
estado de equilíbrio (paralelo a B0).

34. RECUPERAÇÃO LONGITUDINAL –
T1
 O relaxamento longitudinal também, chamado de recuperação
T1.
 Está relacionado com o tempo de retorno da magnetização para
o eixo longitudinal.
 Os prótons perdem energia para o ambiente.
 Os prótons que estavam no alinhamento antiparalelo, devem
perder energia para voltar ao paralelo, portanto eles devem
perder para algum lugar.
 Colocando o relaxamento transversal em uma curva, é
demonstrada que há um aumento com o tempo, e esta é a
chamada curvaT1, que descreve o tempo que oVME deve voltar
para o seu valor original no eixo longitudinal, que ocorre de
forma exponencial.
 O tempoT1 será o tempo necessário para a magnetização
longitudinal recuperar 63% do seu valor inicial.

35. É o tempo (depois
do pulso de 90º)
necessário para
que os spins
transfiram o
excesso de
energia voltando
ao estado de
menor energia.

36. Retorno da magnetização longitudinal.

37. RECUPERAÇÃO LONGITUDINAL
(T1)
 Longitudinal (T1) relaxation.Application of a 90° RF pulse causes
longitudinal magnetization to become zero. Over time, the longitudinal
magnetization will grow back in a direction parallel to the main magnetic
field.

38. RECUPERAÇÃO LONGITUDINAL
(T1)
Definition ofT1.T1 is a characteristic of tissue and is defined as the time
that it takes the longitudinal magnetization to grow back to 63% of its
final value.
* Definição de T1. T1 é uma característicade tecido
e é definido como o tempo que leva a magnetização
longitudinal para voltar a crescer a 63% do seu valor
final.

39. T2
 Como o campo não é sempre homogêneo, quando o pulso de RF
é desligado, os prótons começam a sair de fase, começam a ter
frequências de precessão diferentes.
 Enquanto os prótons vão saindo de fase, a magnetização
transversal vai reduzindo, pela redução da somatória de vetores.
Esta redução pode ser colocada em uma curva descendente, que
demonstra o tempo necessário para esta magnetização reduzir.
Este tempo é definido como tempoT2 (ou sejaT2 faz referência à
redução da magnetização no plano transversal).
 Também é conhecido como relaxamento spin-spin, porque há
troca de energia entre os prótons, o que auxilia na
heterogeneidade, auxiliando na perda de fase e reduzindo a
magnetização transversal.
 Portanto, o tempoT2 demonstra o tempo que leva para que haja
63% de redução da magnetização longitudinal.
 Ou MELHOR:O tempo necessário para a magnetização no plano
transversal (Mxy) atinja 37% do seu valor inicial.

40.  DeclínioT2 – troca de energia entre núcleos
vizinhos – relaxamento spin-spin;
 Redução da magnetização transversal – tempoT2 =
63% foi perdida.

41. Definition ofT2.T2 is a characteristic of tissue
and is defined as the time that it takes the
transverse magnetization to decrease to 37%
of its starting value.

42. T1 e T2
 Diferentes tecidos têm diferentes valores de
T1 eT2. Essas diferenças poderão ser usadas
para gerar contraste entre os tecidos >
vantagem da RM.

43. T1 e T2
 Contraste ponderadoT1:
Tecidos diferentes têm
diferentes taxas de
relaxamentoT1. Se uma
imagem é obtida em um
momento em que as
curvas de relaxamento
são amplamente
separadas, o contraste
emT1 será maximizada.

44. T1 E T2
 Contraste ponderadoT2:
Diferentes tecidos têm
diferentes taxas de
relaxamentoT2. Se uma
imagem é obtida em um
momento em que as
curvas de relaxamento
são amplamente
separadas, contrasteT2
será maximizada.

45. T1 E T2
 O tempoT1 depende da composição do tecido e do tecido adjacente; o
tempoT1 se relaciona com a troca de energia com o retículo, ou os
tecidos adjacentes; a troca de energia pode ocorrer de forma muito
eficiente quando os átomos do tecido apresentam precessão na mesma
velocidade que a frequência de Larmor;
 Se for água, por elas se moverem muito rápido, o envio de energia fica
prejudicado, portanto a recuperação da magnetização longitudinal é
mais lenta, demora mais tempo para recuperar os valores originais da
magnetização. Isto demonstra que a água possui um tempoT1 longo.
 Entretanto, se o retículo é composto por grandes moléculas que flutuam
e possuem átomos com frequência de precessão semelhante à de
Larmor, a troca é muito mais efetiva, mais rápida, portanto o tempoT2
será curto. A gordura temT1 curto porque a extremidade carboxila dos
ácidos graxos precessa perto da de Larmor, garantindo uma
transferência rápida.

46. T1:
gordura recupera mais rápido a magnetização longitudinal –T1 curto -
hipersinal;
Água com alta mobilidade molecular –T1 longo – hipossinal.

47. *Gordura

48. T1 E T2
 O tempoT2 depende de 2 fatores: heterogeneidades do
campo magnético externo e dos campos magnéticos locais
dos tecidos.
 As moléculas de água se movem muito rapidamente, deste
os seus campos magnéticos acabam por mediar um ao
outro, evitando grandes diferenças no campo magnético
final; isto faz com que os prótons continuem em fase por
mais tempo, portanto leva um tempo maior para que haja
perda da fase, portanto oT2 será longo.
 Entretanto, aqueles tecidos que apresentam grandes
moléculas, há variações maiores no campo magnético
local. As moléculas não se movem tão rapidamente, então
fica difícil fazer uma média do campo. Isto faz com que os
prótons saiam de fase mais rapidamente, portanto o tempo
T2 será curto.

49. T2:
água com menor heterogeneidade – demora mais para sair de fase –T2 longo;
Gordura com maior heterogeneidade – sai mais rápido de fase –T2 curto.

50. ECO DE SPINS
 Hahn em 1950 descreveu que ao excitarmos os
prótons com um pulso de RF e após um tempo t
enviarmos um 2º pulso irá surgir além do sinal
inicial, um 2 sinal que é o ECO do 1º (surge após
um tempo 2t).
 É um processo natural e ocorre devido
refasagem dos momentos magnéticos pelo 2º
pulso.
 É possível controlar o momento que o eco surge
(mas a de e refasagem dependem do tipo de
tecido).

51. SPIN ECO
 É uma sequência caracterizada pela
aplicação de um pulso de 90º seguindo de um
pulso de 180º o que resultará no surgimento
de um sinal de eco após um tempo 2t.
 O tempo entre a aplicação do pulso de 90º e o
surgimento do eco é chamado deTE e
determina “o quanto de relaxação no plano
longitudinal estará presente no eco”.

52. SPIN ECO
 TE – tempo de eco – tempo da aplicação do pulso ao eco do sinal;
 Determina o grau de relaxamento T2.

53. SPIN ECO
 O tempo/intervalo entre os pulsos de 90º é o
TR > “ o quanto de magnetização longitudinal
se recuperou entre sucessivos pulsos de 90º”.

54.  TR – tempo de repetição – tempo entre as sequências de pulsos de
RF;
 Determina o grau de relaxamento T1;
SPIN ECO

55. Apenas lembrando como diferenciarT1
deT2 e DP, os líquidos apresentam
sinal alto (branco) nas imagens
ponderadas emT2 e sinal baixo (preto)
nas imagens ponderadas emT1 e DP,
lembrando que a SC apresenta
hipersinal emT2 e DP e hipossinal em
T1, e o contrário acontece com a SB,
que apresenta hipersinal emT1 e
hipossinal emT2 e DP.

57. CONTRASTE - Gadolínio
 Os agentes paramagnéticos apresentam campos
magnéticos locais que causam encurtamento
dos tempos de relaxamento dos tecidos
adjacentes.
 Ela é uma terra rara e é tóxico em seu estado
livre, portanto deve ser ligado a um quelante, o
(DPTA), o que resolve o problema de toxicidade.
 O Gd, encurta os tempos de relaxamento,
portanto desloca para a esquerda as curvas.
 EmT1 , para um mesmoTR, um tecido
apresentará mais sinal, e emT2, para um mesmo
TE, menor sinal.

59. Observando os dois tecidos, o B não capta o contraste , e o A sim, e antes eles não
apresentavam uma diferença muito grande de sinal, mas após o contraste passaram a
apresentar uma maior diferença, há um contraste maior.
O mesmo ocorre na curvaT2, com a diferença de sinal muito pequena, mas após o contraste a
curva A desloca para esquerda, apresentando menos sinal do que a B;
Mas como é mais fácil observar o ganho de sinal, o contraste é observado apenas nas imagens
emT1.

60. FORMAÇÃO DA IMAGEM
 Foi preciso desenvolver um método de
codificação espacial para o sinal através do uso
de gradientes de campo magnético lineares >
obtendo uma série de projeções da distribuição
de sinal > sendo possível reconstruir uma
imagem.
 Mas porque várias projeções?
 Se o pulso de RF sobre um dado tecido (ex. cérebro)
estiver na mesma frequencia de precessão dos íons de H
irá excitar o tecido como um todo e o sinal voltará todo,
sem saber de qual parte do tecido ele vem.

62. FORMAÇÃO DA IMAGEM
 Como o objetivo é a formação de uma
imagem 2D, é preciso selecionar um corte do
tecido onde dentro dele haja uma matriz de
pontos organizados em linhas e colunas.
 Para cada elemento da matriz (pixel) deve ser
obtido o valor de intensidade de sinal.
 O gradiente permite ir mudando a
intensidade do campo magnético
linearmente em uma dada direção.

63. Resultado: Cada parte do tecido terá uma frequencia de precessão diferente.
A fase dos spins também é alterada.

64. FORMAÇÃO DA IMAGEM
 Para codificar o sinal da RM são necessárias 3
etapas:
 Seleção de corte;
 Codificação de fase;
 Codificação de frequência.

65. FORMAÇÃO DA IMAGEM
 Se o gradiente de corte for selecionado no
eixo Z > cada ponto ao longo do sentido da
mesa terá uma frequência diferente.
 Sabendo disso eu posso enviar um pulso de
RF com frequencia de precessão igual ao da
região que quero excitar > assim dividimos o
paciente em cortes axiais.
 Os outros 2 gradientes (fase e frequência)
serão acionados nos eixos que sobraram.

66. FORMAÇÃO DA IMAGEM
 Quando o de fase é acionado, alteramos a
fase dos spins de forma proporcional à sua
localização. Assim um dos eixos fica mapeado
com a fase.
 No momento da LEITURA do sinal o
gradiente de frequência é acionado na
direção restante, assim o segundo eixo de
corte ficará mapeado em frequência.

67. Todos estes gradientes permitem que localizemos um ponto específico e peguemos um sinal
específico deste ponto.

68. * Localização das imagens;
* Determinam frequência de
precessão específica para cada
ponto.
Espessura do corte –
variação da frequência
de ressonância e
angulação do campo
gradiente - espessura
de corte

69. Localização espacial no eixo longo
(codificação de frequência)
* Frequências diferentes nas linhas.
Localização espacial no eixo curto
(codificação de fase).
Aplicamos um gradiente no eixo
curto, mudando as velocidades de
precessão ao longo da coluna;
quando este gradiente é desligado,
os prótons voltam a apresentar a
mesma velocidade de precessão,
mas apresentam spins em posição
diferente, em fase diferente.

71. OBRIGADA