Ressonância magnética
Imagens estruturais T1 e Voxel-based-morphometry (VBM)
A Ressonância Magnética (RM) é um método de diagnóstico por imagem, estabelecido na prática clínica, utilizada em pesquisas científicas e diagnósticos clínicos. Dada a alta capacidade de diferenciar tecidos e coletar informações bioquímicas, o espectro de aplicações se estende a todas as partes do corpo humano e explora aspectos anatômicos e funcionais. A física da Ressonância Magnética Nuclear (RMN) aplicada à formação de imagens é complexa e abrangente, uma vez que tópicos como eletromagnetismo, supercondutividade e processamento de sinais têm de ser abordados em conjunto para o entendimento deste método, usando fortes campos magnéticos e ondas de rádio para obtenção de imagens de múltiplas partes do corpo. Esta revisão tem por objetivo explorar de forma introdutória e simplificada a física da imagem por ressonância magnética e demonstrar equipamentos, mecanismos e aplicações da RM, servindo como texto de apoio para o aprofundamento do assunto.
As imagens cerebrais de ressonância magnética podem ser separadas em duas grandes categorias: a estrutural, que lida com o estudo da estrutura do cérebro e o diagnóstico de doenças e lesões, e a funcional que é capaz de detectar variações no fluxo sanguíneo em resposta à atividade neural.
Como não consegui explicar bem o fenômeno, segue a explicação das notas de aula da Cândida Barreto:
Os núcleos atômicos contêm prótons e nêutrons com movimento intrínseco de rotação. Os Prótons contêm carga elétrica, podemos considerar que a carga elétrica do próton é distribuída e rotacional ao longo do eixo central. A Distribuição de carga em movimento de rotação produzem um campo magnético de modo que o arranjo é análogo a um imã, tal que o próton pode ser visto como um dipolo magnético.
Em muitos núcleos os prótons e nêutrons estão emparelhados de tal forma que seus spins e momentos magnéticos se cancelam. Núcleo com número ímpar de prótons e nêutrons exibe spin e momento magnético. O átomo de hidrogênio possui um único próton e é o elemento mais abundante no corpo, tal que este gera o sinal de ressonância magnética nuclear mais forte entre os núcleos. Normalmente os momentos magnéticos nucleares têm direção aleatória. Sob ação de um forte campo magnético estático externo o próton vai se comportar como uma pequena bússola e a direção do seu momento magnético tende a se alinhar ao campo externo.
A detecção do sinal do sinal de RMN é feita a partir da perturbação no vetor de magnetização de tal forma a torná-lo mensurável. É feito uma Irradiação dos prótons por um sinal de rádio frequência (RF) com fótons de energia igual à diferença entre os estados que provoca a transição de um certo número de prótons para o estado antiparalelo, de modo que, ao retirar o estimo de RF ocorre um relaxamento longitudinal de modo que \(M_0\) volta ao estado paralelo. Já na componente transversal, o pulso de RF oscila com frequência igual à frequência dos prótons (Frequência de Larmor), de modo que os prótons começam a precessionar em fase, produzindo um sinal magnético coerente que pode ser medido.
Frequência de Larmor:
Em 1897, o físico inglês Joseph Larmor (1857-1942) demostrou que o efeito de um campo magnético sobre partículas carregadas que descrevem órbitas circulares era o de superpor à frequência precessional em torno do campo externo, conhecida desde então como Frequência de Larmor.
A expressão da frequência de Larmor do movimento de precessão nuclear é:
\(\nu =\omega _{0}/2\pi\)
No caso do hidrogênio:
\(\lambda = 42.58 mh z /tesla\)
Na RM clínica: \(0.5 - 1.5 Tesla\)
O método de neuroestimulação cerebral teve seus primeiros estudos nos anos 90. Novas pesquisas revelam que é eficaz e tem dado sinais de que será cada vez mais usado. Alguns hospitais e clínicas começam a oferecê-lo no Brasil.
A diferença entre T1 e T2 está na intensidade de sinal baseada em tempos de relaxamento T1, o TR da sequência é encurtado. Uma sequência de TR curto e TE curto produz uma imagem ponderada em T1. Isso permite que estruturas com tempos de relaxamento T1 curtos sejam brilhantes (gordura, líquidos proteinogênicos) e estruturas com T1 longo sejam escuras (neoplasia, edema, inflamação, líquido puro). As imagens ponderadas em T2 já não são muito nítidas e são utilizadas para analises da ressonância magnética funcional(fMRI). Assim, de modo geral, a criação de uma imagem por RMN pode ser descrita pelos seguintes passos:
- Aplicar campo magnético estático.
- Selecionar corte aplicando campo magnético em gradiente.
- Aplicar pulsos de RF.
- Receber sinal de RF.
- Converter o sinal em imagem.
A neuroestimulação pode ser feita de duas formas: * a) com um aparelho que libera ondas magnéticas (estimulação magnética transcraniana) e é colocado próximo da cabeça * b) com eletrodos implantados no cérebro (estimulação elétrica)
A estimulação magnética transcraniana tem sido útil no tratamento de pacientes com depressão, transtorno bipolar (alternância entre depressão e euforia) e alucinações auditivas (um dos sinais da esquizofrenia). Os sintomas tornam-se mais brandos ou desaparecem.
O método não requer cirurgia. Exames de imagem determinam o ponto do cérebro que precisa ser estimulado. Com base nessa referência, o médico aplica a técnica no consultório.
A Potência do aparelho é avaliada pela intensidade do campo magnético, ou seja, do seu magnetismo. Em clínicas o equipamento varia entre menos de 1, até 3 Tesla.
- Potência abaixo de 1 Tesla São equipamentos de campo aberto, usados para realizar exames de extremidades corporais, com baixa qualidade de imagens.
- Potência de 1 Tesla: Está presente nos aparelhos fabricados até 2002. Tem desenho de campo pouco eficiente, poucas funcionalidades e imagens de baixa qualidade. Utilizados no campo veterinário hoje em dia.
- Potência de 1,5 Tesla: São mais comuns nas clínicas de radiologia. É o suficiente para a maioria dos exames e realizado de rotinas nos exames médicos.
- Potência de 3 Tesla: Se encaixa no que chamávamos na residência de equipamento de pesquisa e que acaba sendo incorporado na rotina. O problema aqui são os dispositivos implantáveis antigos como marcapassos que não possuem proteção suficiente para o campo magnético e não há estudos sobre sua utilização em gestantes.
Na FMUSP há um equipamento 7T: o Magnetom 7T MRI é um equipamento de ultra-alto campo que oferece maior nível de sensibilidade e detalhamento para medidas estruturais e funcionais do organismo humano com ressonância magnética, tecnologia de diagnóstico por imagens que possibilita identificar propriedades de uma substância do corpo humano de modo não invasivo. As bobinas do aparelho interagem com os tecidos, em seu interior, utilizando ondas eletromagnéticas. Em seguida, são construidas as imagens, decodificando o sinal recebido dos átomos de hidrogênio da água que compõe o corpo humano. Tesla (homenagem a Nikola Tesla, inventor que fez grandes contribuições para a utilização da eletricidade e do magnetismo) é uma unidade de medida do campo magnético. A precisão das imagens geradas por um equipamento 7 Tesla, traduzida na resolução e na capacidade de discernir alterações, é mais de 5,4 vezes superior à de equipamentos 3 Tesla e 21 vezes superior à de aparelhos 1,5 Tesla utilizados em hospitais. Um aumento de duas vezes no campo magnético quadruplica a precisão das imagens.
Vantagens da MRI:
Escaneamento de uma corte transversal cerebral em menos de 2 segundos, permitindo mapear a maior parte do cérebro em um ou dois minutos;
Resoluções espaciais muito mais precisas de 2 a 3mm, conseguindo coletar informações em voxels (união volume com pixel) de aproximadamente o o tamanho de um grão de arroz;
Não requer a utilização de contraste possibilitando um mapeamento mais extenso, e acaba com o receio de ingestão de materiais radioativos.
Desvantagens do MRI:
Alguns estudiosos da área dizem que o aumento detectado no fluxo sanguíneo pode estar alimentando mais de uma operação, devido ao fato da ação neuronal levar milionésimos de segundos, enquanto o afluxo de sangue continua por dois a seis segundos;
Um vez que cada voxel encerra milhares de neurônios, pode ser necessária a ativação de milhares ou mesmo milhões deles para acender uma região cerebral, é como se uma seção inteira de um estádio tivesse de gritar para ser ouvida;
Em alguns casos um pequeno grupo de neurônios puxando pouco sangue, ou um circuito fino de neurônios conectado a regiões mais amplas, podem executar funções tão cruciais quanto um grupo maior, mas tanto passarem desapercebidos quanto serem identificados como uma função de menor importância;
É possível que alguns neurônios funcionem melhor do que outros, e assim consumindo menos sangue, o que pode representar erroneamente a neurodinâmica real.
Leitura dos dados de MRI:
Com esses equipamentos é possível extrair dados de MRI nas direções axial, coronal e sagital:
O plano horizontal, transverso ou axialatravessa o eixo menor do corpo, do dorso até o ventre , isto é, da posição posterior para a anterior. Divide a estrutura atravessada em porções superior e inferior.
Plano coronal ou plano frontal é um dos tipos de planos anatômicos, dividindo o corpo com cortes verticais e perpendiculares ao plano mediano. Assim é possível definir a parte ventral/anterior (frente) da parte dorsal/posterior (costas).
O plano sagital mediano (ou plano mediano) divide o corpo em duas metades iguais, direita e esquerda. 2. Plano Frontal: são todos os planos verticais com trajeto paralelo à sutura coronal do crânio (ou da “testa”). O plano coronal divide o corpo em duas metades diferentes, anterior e posterior.
Para ler os arquivos nift e analyze, precisamos utilizar a biblioteca “AnalyzeFMRI”.
#Instalar biblioteca para ler arquivos nifti e analyze
#install.packages("AnalyzeFMRI")
#Carrega biblioteca
require(AnalyzeFMRI)#leitura da imagem no arquivo nifti
volume = f.read.volume("./data/ch2.nii")# Verificar a dimensão dos dados
dim(volume)## [1] 181 217 181 1Fazer figuras desta imagem de ressonância, identificamos pelo eixo X, Y e Z e fixamos conforme a referência que queremos (sagital, coronal, axial)
# Imagem AXIAL na secção z= 90, deixando x e y livres:
# as.data.frame exibe menos poluido.
volume[,,90,1]image(volume[,,90,1])
Alterando para uma escala de cinza:
image(volume[,,90,1], col = gray((1:50)/50))
(é possível verificar o caldado, ventrículo, giro fusiforme)
Para visualizar no ângulo sagital:
#Imagem SAGITAL na fatia x=100, deixo o y e z livres
image(volume[100,,,1],col=gray((1:50)/50))
Para visualizar no coronal:
#Imagem Coronal na fatia y=100
image(volume[,100,,1], col = gray((1:50)/50))
Nota: Não é possível identificar facilmente se o lado é esquerdo ou direito. Depende se a notação da imagem coletada é radiológica ou neurológica.
Olhando as coordenadas em voxel (o parâmetro pode ter o primeiro argumento como um intervalo, depende da análise).
#Colocar zero nas coordenadas x=100,y=100,z=150 (voxels)
volume[100,100,150,1]=0