De Exatas

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IRM: Spin e o princípio de formação da imagem.

Para entender como o sinal de ressonância magnética é gerado temos que entender o fenômeno relacionado a ele. Tal fenômeno envolve a física relacionada às propriedades nucleares dos átomos.

Podemos citar como algumas das propriedades fundamentais da matéria a massa e a carga elétrica, e agora iremos entender outra propriedade pouco abordada durante o ensino médio e, portanto, menos conhecida, o spin.

A origem do “spin” remonta a 1926 quando Uhlenbeck e Goudsmit tentaram explicar o espectro da luz emitida por átomos contendo um único elétron, admitindo que este girasse. A ideia era genial. O elétron, em órbita em torno do núcleo do átomo, giraria em torno de seu próprio eixo, tal e qual a Terra. A esta propriedade do elétron deu-se o nome de spin que significa giro.

Em 1924, Stern e Gerlach já haviam observado que o elétron em órbita, ou seja, no átomo, ao ser lançado num campo magnético, comporta-se de duas maneiras possíveis: ou o átomo é desviado no sentido do polo norte do campo, ou no sentido oposto. Não demorou muito para que se relacionasse este efeito ao spin que, como vimos acima, foi descrito dois anos mais tarde (1926). [1]

Spin é um momento angular de rotação que está presente em prótons, elétrons e neutrons (e outras partículas).

Essas partículas possuem um momento magnético intrínseco, cuja projeção sobre uma direção qualquer pode tomar apenas dois valores (+1/2 e –1/2). Este momento magnético é interpretado como associado a um momento angular intrínseco, o spin. [2]

Para entender a relação entre o momento angular e o momento magnético, podemos fazer uma analogia com a física clássica lembrando que quando há uma corrente elétrica em um fio, um campo magnético é gerado, devido ao movimento dos elétrons. Ou seja, podemos comparar os elétrons a pequenos ímãs. [3]

Elétrons, prótons e nêutrons possuem separadamente um spin valendo 1/2 em módulo, e este pode ser negativo ou positivo, dependendo de sua orientação para o movimento de rotação: spin down (para baixo/negativo) e spin up (para cima/positivo).

Por exemplo, o próton de hidrogênio pode ser visto como uma pequena esfera, que possui um movimento de giro, ou spin, em torno do seu próprio eixo, por ser uma partícula carregada positivamente, ela irá gerar um campo magnético próprio ao seu redor, comportando-se como um pequeno dipolo magnético, ou imã, com um momento magnético associado. O que pode ser observado no esquema da Figura 1.

Figura 1: Próton gerando o campo magnético e o momento magnético intrínseco. [4]

À primeira vista, a situação não é muito diferente daquela observada com um pião num campo gravitacional: ou ele gira no sentido horário, ou no anti-horário; e o eixo de giro procura sempre a situação de equilíbrio dinâmico, representada pela posição vertical. Um esquema para está analogia com o pião pode ser visto na Figura 2. [1]

Figura 2: Movimento de precessão do spin comparado ao movimento de um pião.[5]

No texto abaixo é possível obter uma ideia geral sobre o que é spin e aplicação desse fenômeno em IRM:

“Elétrons e Prótons (e outras partículas) apresentam um momento angular de rotação conhecido como spin. A este momento angular associamos um momento magnético. Nosso corpo é constituído fundamentalmente de água. Os núcleos de Hidrogênio são prótons que apresentam spin. Temos duas orientações para este movimento de rotação conhecidas como spin down (para baixo) e spin up (para cima). Os aparelhos de ressonância apresentam um grande magneto que dá origem a um campo magnético intenso externo. Com a aplicação deste campo os "momentos magnéticos" tentam se orientar (os pequenos imãs tentam se alinhar ao campo externo). Esta tentativa de alinhamento dá origem a um movimento de precessão (movimento de um pião) e o momento magnético gira ao redor do campo externo aplicado com uma frequência de giro constante e que depende da intensidade do campo.” [3]

O número quântico associado ao spin descreve a rotação do elétron em torno do seu eixo e pode ter somente os valores +1/2 e -1/2.

Quando as partículas são combinadas para formar átomos e moléculas, o valor do spin de cada partícula é somado, portanto o valor do spin de um átomo ou molécula pode variar entre múltiplos positivos ou negativos de 1/2, também podendo assumir o valor zero. [2]

Para exemplificar iremos utilizar o deutério. Este isótopo possui um elétron (spin de -1/2), um próton (spin de +1/2) e um nêutron (spin de +1/2). O spin total do átomo é de +1/2 (soma do spin de cada partícula), e o spin nuclear é +1 (soma do spin das partículas nucleares). Na Tabela 1 é possível verificar os spin resultantes para outros elementos químicos. [6]

Tabela 1: Características nucleares para elementos relevantes na IRM. [6]

 

Átomos e moléculas com spin diferente de zero, como o hidrogênio, podem ser afetados quando expostos a um campo magnético, agindo como pequenos ímãs que se alinham ao campo aplicado. Para entender como essas partículas se comportam em um campo magnético, é interessante pensar em um próton agindo como um vetor de momento magnético, como esquematizado na Figura 3, e que possui um polo norte e um polo sul (Figura 1). [2]

Figura 3: Eixos de coordenadas e vetor momento magnético μ. [4]

Os campos magnéticos das unidades de IRM são gerados por eletroímãs supercondutores. A intensidade do campo gira em torno de 2 a 4 teslas. Para mérito de comparação, o campo magnético da Terra tem uma intensidade de cerca de 50 microteslas.

Quando o campo magnético é aplicado, o átomo alinha-se a ele. Há uma configuração de baixo estado de energia, quando os polos estão ligados (N-S-N-S), e podem estar submetidas a um alto estado de energia caso o campo magnético e as moléculas apontem para a mesma direção (N-N-S-S). [2]

Figura 4: Prótons de hidrogênio sob a ação de campo magnético externo e as respectivas configurações para alto e baixo nível de energia. [4]

Se as várias moléculas alinhadas são atingidas por um pulso de radiação eletromagnética, algumas moléculas num estado de energia baixo irão absorver a energia (fóton) da onda eletromagnética e pular para um nível de energia mais alto. A tendência natural é que as moléculas retornem ao nível de energia mais baixo, e quando isso ocorre elas emitem a radiação eletromagnética absorvida.

A energia absorvida de um fóton é relacionada à frequência através da constante de Plank, como observado na equação (1). [6]

A frequência de radiação para que ocorra absorção/emissão é característica para cada partícula. O hidrogênio, por exemplo, possui uma frequência de absorção ou emissão diferente da frequência dos átomos de sódio-23, outro elemento que possui spin total diferente de zero e é relativamente abundante no corpo humano. [6]

Portanto, a frequência para que ocorra a excitação e mudança de nível, é chamada de frequência de ressonância, e é específica para cada elemento. Sendo essa a frequência utilizada para estudar a distribuição de determinado elemento no corpo humano. [2]

Essa frequência característica depende do campo magnético aplicado e do giromagnético da partícula, como observado na equação (2). [6]

Através da detecção, medição e análise da radiação emitida quando as moléculas retornam aos níveis de energia mais baixos é possível desenvolver uma imagem. Sendo que a condição para que essa imagem seja captada é que existam partículas com spin total diferente de zero e que quando submetidos a um campo magnético entram em ressonância com o pulso emitido.

O sinal do espectroscópio na RMN é resultado das diferenças entre as energias absorvidas por cada spin para transição de um nível de energia mais baixo para um mais alto, e simultaneamente, pelas emitidas quando da passagem de um nível de energia mais alto para um mais baixo. Portando o sinal é proporcional a diferença de população (número de partículas) presentes em cada estado de energia. A RMN é uma espectroscopia bastante sensível, já que ela é capaz de detectar sinais muito pequenos. [2]

Há ainda outro fator que influência o sinal de IRM: a abundância biológica de isótopos. Ou seja, qual é a distribuição e a concentração de cada isótopo no corpo humano. [6]

Utilizando diferentes frequências de onda eletromagnética para pulsar as partículas no campo magnético é possível produzir mapas dos diferentes elementos constituintes do corpo humano, sendo que cada um desses elementos pode proporcionar uma tipo de informação útil sobre o nosso corpo. [2]

Sendo assim, como sabemos que o corpo humano possui uma larga proporção constituída por hidrogênio, e este está distribuído de maneira não homogênea, é possível fazer um mapeamento, um modelo de distribuição do hidrogênio ao longo do corpo humano.

A distribuição do hidrogênio pelo corpo humano dá-se devido aos diferentes tecidos presentes, sendo cada tecido caracterizado por uma concentração de hidrogênio diferente. Através disso é possível determinar de qual região a radiação está sendo emitida e podendo assim determinar estrutura específica. [6]

Outros elementos que possuem spin diferente de zero são os isótopos carbono-13, oxigênio-17, e fósforo-31. Alguns dos isótopos mais utilizados podem ser administrados ao paciente para aumentar a concentrar nos tecidos e melhorar a eficiência do exame. Por exemplo, água contendo átomos do oxigênio-17 pode ser simplesmente ingerida e assim distribuída pelo corpo, como a água normal, constituída pelo oxigênio-16. Na Tabela 2 estão os isótopos mais abundantes no corpo humano. [2]

Tabela 2: Porcentagem dos elementos químicos presentes no corpo humano. [6]

Existem isótopos especiais que são usados em IRM, esses isótopos são gerados através de pesquisas que usam equipamentos como aceleradores lineares.

Os poderosos campos magnéticos utilizados nos sistemas de IRM podem atrair qualquer material magnético que esteja próximo, acelerando-o para o centro do campo e as vezes com resultados desastrosos. Portanto materiais com características magnéticas devem ficar completamente fora da região da qual se pretende fazer a imagem.

O sinal da onda eletromagnética é muito poderoso, podendo agir como um forno de micro-ondas e superaquecer o paciente. Alguns dispositivos que podem ser implantados no corpo humano reagem de maneira negativa ao IRM, como por exemplo, o marca passo. Sendo assim é sempre importante alertar aos responsáveis pelo exame a presença de tais dispositivos. [2]

Para finalizar esse tópico sobre o fenômeno de IRM, disponibilizaremos um simulador no qual é possível “brincar” com os fenômenos físicos aqui discutidos. Basta “clicar” Simulador IRM para acessar o link do simulador.

Referências:

(1) Filho, A. M.; Espaço Científico Cultural: disponível em http://www.ecientificocultural.com/Eletron2/parep.htm; acessado em 07.05.2012.

(2)

(3) Cavalcante, M. A.; Tavolaro, C. R. C.; disponível em Livro Física Moderna e Experimental: disponível em http://fisicamodernaexperimental.blogspot.com.br/2010/11/ressonancia-magnetica-nuclear-que-saber.html; acessado em 07.05.2012.

(4) Mazzola A. A.; Ressonância magnética: princípios de formação da imagem e aplicações em imagem funcional; Artigo de Revisão; Revista Brasileira de Física Médica. 2009;3(1):117-29.

(5) Pharmacy e-Books; disponível em http://pharmacyebooks.com/2010/09/relationship-spinning-top-nuclear-magnetic resonance.html; acessado em 07.05.2012.

(6) Hornak J.P.; The Basics of MRI: disponível em http://www.cis.rit.edu/htbooks/mri/inside.htm; acessado em 07.05.2012.

IRM: Radiações ionizantes e não ionizantes.

No texto anterior, vimos que as imagens produzidas por ressonância magnética são similares àquelas produzidas através de aparelhos de tomografia computadorizada (TC). No entanto, para os exames de TC é utilizada uma radiação ionizante, o raio X, enquanto que a IRM tem seu princípio de operação baseado em uma radiação não ionizante, a radio-frequência, sendo assim menos ofensiva ao corpo humano. Para entender porquê esse exame é menos ofensivo ao corpo humano é necessário entender o que é a radiação. [1]

Radiação: (i) qualquer dos processos físicos de emissão e propagação de energia, seja por intermédio de fenômenos ondulatórios, seja por meio de partículas dotadas de energia cinética. (ii) energia que se propaga de um ponto a outro no espaço ou num meio material (Novo Dicionário Aurélio da Língua Portuguesa). [2]

Radiação Ionizante: radiação cuja energia é superior à energia de ligação dos elétrons de um átomo com o seu núcleo; radiações cuja energia é suficiente para arrancar elétrons de seus orbitais. [2]

Em uma interação, a radiação cede a um átomo certa quantidade de energia, esta energia pode ser suficiente para arrancar um elétron de seu orbital e conferir-lhe energia cinética, provocando assim a ionização. Como exemplo, os raios X. Em outros casos, a radiação não tem energia suficiente para provocar ionização, mas consegue promover o elétron a um nível energético superior, acarretando a excitação ou ativação, como por exemplo, com os raios IV, e as ondas de rádio. Na Tabela 1, podemos observar características como comprimento de onda, frequência e energia associadas a cada região do espectro eletromagnético. [3]

Tabela 1: Valores aproximados em comprimento de onda, frequência e energia para regiões selecionadas do espectro eletromagnético. [4]

Figura 1: Espectro eletromagnético. [5]

Resumindo, a IRM é baseada na absorção e emissão de energia da região de rádio frequência do espectro eletromagnético. Já a TC utiliza os raios X. No entanto, é preciso saber o que esta diferença acarreta ao nosso organismo. A interação das radiações ionizantes com a matéria é um processo que se passa em nível atômico. Ao atravessarem um material, estas radiações transferem energia para as partículas que forem encontradas em sua trajetória. Caso a energia transferida seja superior à energia de ligação do elétron com o restante da estrutura atômica, este é ejetado de sua órbita. O átomo é momentaneamente transformado em um íon positivo. O elétron arrancado (às vezes chamado de “íon negativo”) desloca-se no meio, impulsionado pela energia cinética adquirida neste processo. Esta energia é dissipada através da interação do elétron com elétrons e núcleos de outros átomos, eventualmente encontrados em sua trajetória. Novos íons podem, assim, ser induzidos na matéria. O processo é interrompido quando, tendo sua energia dissipada em interações (choques), os elétrons (e suas cargas negativas) acabam capturados por moléculas do meio. A introdução de pares de íons (positivo e negativo) na matéria recebe o nome de ionização.

Considerando que as moléculas biológicas são constituídas, principalmente, por átomos de carbono, hidrogênio, oxigênio e nitrogênio, os elétrons que provavelmente serão arrancados, no caso de irradiação de um ser vivo, serão elétrons de átomos destes elementos. A transformação de uma molécula específica (água, proteína, açúcar, DNA, RNA, etc.) pela ação das radiações leva a consequências que devem ser analisadas em função do papel biológico desempenhado pela molécula atingida. O efeito desta transformação deve ser acompanhado nas células, visto serem estas as unidades morfológicas e fisiológicas dos seres vivos. Da mesma maneira, a geração de novas entidades químicas no sistema também deve ser analisada considerando seu impacto na célula irradiada.

Há diversos exemplos do dano que a radiação ionizante pode causar aos sistemas biológicos.Sendo nosso corpo majoritariamente constituído por água, em caso de exposição à radiação, serão essas as moléculas atingidas em maior número. Ao serem afetadas pela radiação, as moléculas de água sofrem radiólise, que é uma modificação estrutural causada na molécula de água devido a radiação ionizante, formando radicais livres através da ligação da molécula de água a um terceiro hidrogênio, ou através da ionização da molécula de água, os moléculas formadas podem ser H₃O⁺, H₂O⁺ e H₂O^-, que são altamente reativos, podendo interagir quimicamente entre si ou com moléculas próximas a eles (v. Fig. 2). Como consequência, novas moléculas podem ser danificadas no meio, que, no caso, é nosso corpo. [2]

Figura 2: Radiólise da água. [2]

Outro sério dano é o da radiação sobre a molécula de DNA, que pode chegar a causar mutações gênicas. Essas mutações mesmo não atingindo genes funcionais,,podem atingir, por exemplo, células que inviabilizem a formação de tecidos, causando má formação de órgãos e membros.

Além disso, células irradiadas e que sofrem mutação gênica podem evoluir para o desenvolvimento de câncer. No entanto, mutações radioinduzidas não evoluem obrigatoriamente para câncer (v. Fig. 3). O que se observa é que a probabilidade de cancerização a partir de células irradiadas é superior à probabilidade de ocorrência deste processo a partir de células não irradiadas. [2]

Figura 3: Consequências da irradiação da molécula de DNA. [2]

Assim, os exames de IRM são, em geral, considerados menos nocivos ao corpo humano quando comparados àqueles que utilizam a radiação ionizante. Nos exames de IRM, estamos submetidos a ondas eletromagnéticas da faixa de rádiofrequências, que são radiações não ionizantes e não oferecem tantos riscos ao corpo humano.

Referências:

(1) Hornak J.P.; The Basics of MRI: disponível em http://www.cis.rit.edu/htbooks/mri/inside.htm; acessado em 07.05.2012.

(2) Nouailhetas, Y. Radiações ionizantes e a vida; Apostila Educativa; CNEN: disponível em http://www.cnen.gov.br/ensino/apostilas/rad_ion.pdf; acessado em 07.05.2012.

(3) Almeida, R. J. Estudo dos efeitos biológicos da radiação, com ênfase nos raios-x; Goiânia; 2007: disponível em http://www.conter.gov.br/uploads/trabalhos/dr_ronaldo_radiologia.pdf; acessado em 07.05.2012.

(4) O espectro eletromagnético: disponível http://www.if.ufrgs.br/oei/cgu/espec/intro.htm; acessado em 07.05.2012.

(5) e-Física, Ensino de Física on-line: disponível em http://efisica.if.usp.br/otica/universitario/historico/eletromagnetismo/; acessado em 07.05.2012.

IRM: História e princípios básicos.

A Ressonância Magnética

Dá-se o nome de ressonância magnética (RM ou RMN) a uma técnica utilizada na medicina para produzir imagens de alta qualidade do interior do corpo humano. A ressonância magnética é baseada nos princípios do fenômeno físico da ressonância magnética nuclear (RMN), aproveitado em técnicas espectroscópicas usadas para obter informações e características físico-químicas microscópicas. 

Um exemplo da aplicação deste princípio físico pode ser encontrado na indústria farmacêutica internacional, que investe milhões de dólares montando centros de RMN para a determinação da estrutura de proteínas, pois a partir disto pode-se entender mecanismos das reações biológicas e assim desenvolver novas drogas que bloqueiem processos biológicos indesejáveis.

Mais informações sobre esse assunto podem ser acessadas no link abaixo:

Espectrometria de massa e RMN no estudo de macromoléculas biológicas

A MRI começou como uma técnica de imagem tomográfica, na qual são produzidas  imagens dos sinais de RMN produzidos em fatias finas do corpo humano, e já tem avançado para além da técnica utilizada na tomografia, obtendo-se imagens volumétricas, ou seja em três dimensões. ⁽¹⁾

A técnica foi chamada de imagem por ressonância magnética (MRI) em vez de imagem por ressonância nuclear magnética (NMRI) por causa das conotações negativas associadas à palavra “nuclear” no fim dos anos 1970. Apesar disso, a MRI não se utiliza de radiações ionizantes.

A ressonância magnética (RM) é um processo de imagiologia médica que usa um campo magnético e sinais de radio frequência (RF) para produzir imagens de estruturas anatômicas, da presença de doença e de várias funções biológicas do corpo humano. As imagens produzidas por RM são distintas das produzidas por outros métodos de aquisição de imagens. A principal diferença é que a RM pode identificar diversas imagens de diferentes tipos de tecidos. ⁽²⁾

Um pouco de história

A descoberta do fenômeno da RMN é atribuída a dois cientistas, Felix Bloch e Edward Purcell, e foi feita, independentemente, em 1946. Por causa dela, ambos receberam o prêmio Nobel em 1952.
A partir deste link é possível acessar a biografia dos dois cientistas citados acima:

Biografias

Durante duas décadas, entre 1950 e 1970, o fenômeno foi estudado e assim foram desenvolvidas técnicas para análises moleculares físicas e químicas.Em 1971, Raymond Damadian demonstrou os diferentes efeitos causados pela RM em diferentes tecidos, motivando os cientistas a considerar a RM como importante método de detecção de anormalidades.

Em 1973, a Tomografia Computadorizada com raios X foi introduzida por Godfrey Hounsfield, o que incentivou os investimentos na área. Neste mesmo ano, as primeiras demonstrações da técnica de IRM foram apresentadas por Paul Lauterbur.

Em 1975, Richard Ernst propôs o exame de RM utilizando a transformação de Fourier, que é a base da técnica atual de IRM.

A partir de então, os estudos avançaram e, em 1977, Raymond Damadian apresentou a RM, chamada de Ressonância Nuclear Magnética com campo focado, e Peter Mansfield desenvolveu a técnica eco-planar (EPI).

Willian Edelstein e colaboradores apresentaram imagens do corpo utilizando a técnica de Ernst, em 1980. Em 1986, desenvolveu-se técnica microscópica da IRM. Em 1987, a técnica eco-planar foi usada para produzir imagens em tempo real de um ciclo cardíaco único. Neste mesmo ano, Charles Dumoulin realizou uma angiografia por ressonância magnética, que permitiu a visualização do fluxo sanguíneo sem o uso do meio de contraste.

Em 1991, Richard Ernst foi laureado com o prêmio Nobel de Química pela descoberta da transformação de Fourier. Em 1992, a RM funcional (fRM) foi descoberta.
Em 2003, Paul C. Lauterbur, da Universidade de Illinois, e Sir Peter Mansfield, da Universidade de Nottingham, receberam o Prêmio Nobel de Medicina pelas suas descobertas em Ressonância Magnética. O método ainda é, sem dúvida, novo e bastante promissor.

Na tabela abaixo é possível observar, de maneira mais objetiva, a cronologia dos acontecimentos históricos citados acima. ⁽¹⁾

Tabela 1: Linha do Tempo⁽¹⁾

Imagens Tomográficas

Para entender melhor a IRM, deve-se primeiro entender o que são as imagens tomográficas. Ao contrário do que é comumente dito, a tomografia não é um exame diagnóstico que utiliza um fenômeno específico, mas sim um método de captação e organização das imagens produzidas a partir de diferentes radiações, como por exemplo: raios X, raios gama, ultra-som e ressonância magnética.

Na área médica, o exame popularmente chamado de tomografia computadorizada (TC ou CT) utiliza o raio X para obter a “fotografia” do que é solicitado. A diferença, neste caso, para a radiografia comum de raios X é a maneira como a região poderá ser visualizada. Através da imagem tomográfica é possível obter imagens mais precisas e de diferentes ângulos.

Por outro lado, o exame de ressonância magnética também não deixa de ser uma tomografia, que utiliza o fenômeno da ressonância nuclear magnética para obter suas imagens. A diferença para a tomografia que utiliza os raios X, ou simplesmente tomografia computadorizada, é o tipo de tecido que pode ser visualizado utilizando cada uma das diferentes radiações.

Assim, é importante entender alguns detalhes da imagem tomográfica para posteriormente entender os princípios da ressonância nuclear magnética, já que a IRM é basicamente um processo de imageamento tomográfico.

A tomografia produz imagens através da fotografia de fatias do corpo humano.

Para que se obtenha caracteristicas adequadas na imagem da região alvo, o protocolo para aquisão de imagens deve ser definido a partir de alguns fatores espaciais, como: o número de fatias, a orientação da fatia, bem como a estrutura no interior de cada fatia individual.

A imagem da fatia do corpo humano seria o equivalente a retirar a regiao anatômica acima e abaixo da faixa desejada, como pode ser observado na sequência das figuras 1 e 2. Cada fatia tem uma espessura, designada pela abreviação Thk, do inglês “thickness”. ⁽¹⁾

Figura 1: Espessura de uma fatia: Thk. ⁽¹⁾

Figura 2: Retirada, na imagem, da região anatomica acima da fatia. ⁽¹⁾

Cada fatia de tecido é subdividida em linhas e colunas de elementos de volume individual, o chamado voxel. Na figura 3, pode-se observar a representação deste elemento de volume.

O tamanho de um voxel tem um significativo efeito sobre a qualidade da imagem, ele é controlado por uma combinação de fatores e deve ser ajustado a um tamanho ideal para cada tipo de exame clínico.

Cada voxel é uma fonte independente de sinal de radiofrequência; dessa forma, seu tamanho tem grande importância na aquisição da imagem. ⁽²⁾

Figura 3: Representação do voxel em uma fatia de imagem. ⁽¹⁾

A imagem também é dividida em linhas e colunas de elementos planos de imagem, ou pixels. Um pixel da imagem representa um correspondente voxel de tecido dentro da fatia. A principal diferença entre o voxel e o pixel, é que o primeiro ainda é referente à fatia do corpo humano, ou seja, é um elemento de volume. Já o pixel refere-se à imagem obtida através do sinal produzido em cada voxel, e por isso está em duas dimensões. Essa diferença pode ser observada na figura 4.

O brilho de um pixel da imagem é determinado pela intensidade do sinal de radiofreqüência emitido pelo voxel do tecido, determinando assim a qualidade da imagem do exame. ⁽²⁾

Figura 4: Relação entre voxel e pixel. ⁽³⁾

Para finalizar, e facilitar o entendimento dos conceitos apresentados, pode-se observar, através da figura 5, um panorama geral desde a obtenção dos dados das fatias do corpo humano, após sua irradiação, até a sua transformação em imagem, resumindo as caracteristicas espaciais apresentadas acima.

Figura 5: Características espaciais da IRM. ⁽³⁾

Referências:

(1) Hornak J.P., The Basics of MRI.: disponível em

http://www.cis.rit.edu/htbooks/mri/inside.htm, acessado em 30.01.2012.

(2) Sprawls P., Magnetic Resonance Image Characteristics.: disponível em

http://www.medicalphysics.org/apps/medicalphysicsedit/Sprawlsch1.pdf, acessado em 30.01.2012.

(3) Sprawls P., Magnetic Resonance Imaging: Principles, Methods and Techniques.: disponível em http://www.sprawls.org/resources/MRIvisuals/, acessado em 30.01.2012.

Ondas e Ultrasom: Efeitos Biológicos

Conforme consta das publicações anteriores, o ultrassom é uma onda mecânica que oscila com uma frequência acima do limite audível ao ser humano.

As ondas ultrassônicas, assim como qualquer onda mecânica, transmitem energia através do meio por onde se propagam. Deve ficar claro que não há transporte de matéria, mas sim de energia, sendo a matéria na qual a onda se propaga, apenas um “meio de transporte”.

Simulador de ondas:

Através deste simulador (clique no link abaixo) é possível observar como a onda se propaga sem que transporte matéria. Para isto basta analisar um ponto fixo no movimento da onda e notar que ele oscila em relação à posição de equilíbrio, mas não caminha junto à onda.

SIMULADOR⁽⁹⁾

“As ondas ultrassônicas são ondas mecânicas e transmitem energia através da matéria causando uma oscilação nas posições de equilíbrio de suas partículas. Estes movimentos oscilatórios são resistidos por forças elásticas de acordo com a força molecular do meio (FREDERICK, 1965).” ⁽¹¹⁾

Uma propriedade importante da onda, para que se possa entender seus efeitos biológicos, é a potência.

Como visto antes, a onda carrega energia. A quantidade de energia (E) transportada em um intervalo de tempo (t) fornece a informação da potência (P) em watts.

P[W] =E [J] /t[s] (1)

Quando uma onda percorre um meio, por exemplo, o corpo humano, as partículas desse meio começam a vibrar, ou seja, a energia transportada pela onda é captada e transformada em energia cinética. A taxa de fluência de energia associada a essa onda é chamada de intensidade acústica, e pode ser definida como:

I=E[J]/(A[m²]*t[s])

I=P[W]/A[m²] (2)

Na utilização do ultrasom, os valores medidos de intensidade, geralmente citados na literatura, são referentes à intensidade transmitida pelo transdutor e não relacionados às regiões “alvo” do corpo humano, devido à dificuldade em ser feita essa medida “in situ”. Contudo esses valores podem ser calculados teoricamente.

A intensidade de uma fonte ultrasônica, somada ao tempo de exposição e à estrutura da região alvo, são os principais fatores que contribuem para os efeitos biológicos causados pelo uso do ultrasom, que podem ser benéficos ou prejudiciais ao corpo humano.

Podemos dividir os efeitos em dois tipos: os térmicos e os não térmicos:

Efeito Térmico:

A energia mecânica intrínseca às ondas, quando passa por um tecido, é absorvida e transformada em energia térmica. A taxa de absorção de energia aumenta com o aumento da freqüência.

Essa transmissão de energia obedece à seguinte equação:

Onde:

O coeficiente de absorção depende diretamente do material com que o feixe ultrasônico interage. Tecidos ricos em proteína, como o colágeno, possuem um alto coeficiente de absorção.

Com isso conclui-se que em meios pobres em proteína o efeito térmico é pequeno.

Tabela 1: Tabela de coeficientes de absorção para 1MHz e 3MHz. ⁽¹⁰⁾

 Através da equação acima e dos dados da tabela 1, pode-se desenvolver um exemplo numérico: Aplicando-se 1 W/cm² na superfície do corpo e sendo o alvo do ultrasom um tendão, calcule a intensidade a 1cm de profundidade para uma freqüência de 1 MHz.

Considerando que a média da temperatura corpórea é de 36°C e que as proteínas desnaturam-se em trono de 40°C, recomenda-se uma intensidade de aplicação entre 0,1 e 0,3 W/cm² em torno de 5 a 8 minutos/região, o que elevará a temperatura de 0,5 a 0,9°C.

Efeito não-térmico:

-Micromassagem: quando o feixe ultrasônico atravessa os tecidos, uma oscilação é provocada, movimentando os tecidos. Essa vibração aumenta a circulação de fluídos, facilitando a processos de retirada de catabólitos do organismo e aumentando a oferta de nutrientes.

As aplicações com ultrasom em micromassagem são vastas percorrendo desde áreas terapêuticas, como tratamentos veterinários e clínicas de fisioterapia, até clínicas de estética, aplicação um pouco mais recente. A Fig. 1 mostra um exemplo de equipamento de US terapêutico aplicado em fisioterapia.

Figura1: ultrasom terapêutico destinado ao manuseio das áreas de fisioterapia e estética. ⁽⁶⁾

Figura 2: Esquema do processo de entrada de sódio em uma célula através da alteração do potencial elétrico de sua membrana. ⁽⁵⁾

-Cavitação e efeitos pressóricos: os efeitos pressóricos são decorrentes da variação de pressão causada pela compressão e expansão da onda sonora. Uma conseqüência desse efeito é a cavitação. Quando há gás dissolvido no líquido que está submetido a essas variações de pressão, pode ocorrer a liberação deste devido às altas pressões, formando-se assim bolhas no interior do meio.

Como exemplo da aplicação deste fenômeno na área da saúde, há a terapia médica e estética. Há também aplicações na indústria, como limpeza por cavitação, solda e homogeneização de materiais.

Figura 3: processo de formação e colapso de bolhas decorrente da variação de pressão. ⁽⁷⁾

Referências:
(1) Garcia, E. A. C., Biofísica, Ed. Sarvier, São Paulo,2002.
(2) Okuno, E. e Caldas, I. L. e Chow, C., Física para Ciencias Biológicas e Biomédicas, Ed. Harbra, São Paulo,1982.
(3) Bassoli D. A., Avaliação dos efeitos do ultra-som pulsado de baixa intensidade na regeneração de músculos esqueléticos com vistas à aplicabilidade em clínica fisioterapêutica, São Carlos, 2001.
(4) Bertolo, L.A., O som da medicina: disponível em:
http://www.bertolo.pro.br/Biofisica/Som/ULTRASOM.htm; acessado em 15.11. 2011.
(5) Universidade Federal Fluminense, Equilíbrio e potencial de ação: disponível em:
http://www.uff.br/WebQuest/pdf/ionico.htm; acessado em 15.11.2011.
(6) LCA, Vendas:
http://lcavendas.no.comunidades.net/index.php?pagina=1404723129; acessado em 15.11.2011.
(7) Fórum BMW Portugal: disponível em:
http://www.forumbmwportugal.com/showthread.php?t=633; acessado em 15.11.2011.
(8) Pécora J. D., Ultra-som, FORP-USP: disponível em:
http://www.forp.usp.br/restauradora/us01.htm; acessado em 15.11.2011.
(9) University of Colorado at Boulder, Interactive Simulations,: disponível em:
http://phet.colorado.edu/en/simulation/wave-on-a-string; acessado em 15.11.2011.
(10) Empresa Ibramed, Manual de Operação SONOPULSE III 1.0 MHz / 3.0 MHz; edição (07/2008): disponível em:
http://www.futurasaude.com.br/imagens/produtos/manuais/sonopulseiii.pdf; acessado em 15.11.2011.
(11) Frederick, J.R. Ultrasound engineering. New York, John Willey e Sons, 1965
, dispon

ível em

http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAkHkAH/manual-ultrasson

Ultrassonografia: conceitos básicos

Transdutores

Quase todos os métodos de ultrassonografia usam atualmente, em seus diagnósticos médicos, a técnica de eco pulsado.

Nesse método, um transdutor piezelétrico converte pulsos elétricos em pulsos de onda sonora. Essas ondas são refletidas quando passam pelas interfaces do organismo. A energia dessas ondas refletidas volta a incidir no transdutor, que gera um sinal de tensão elétrica. Esse sinal é então ampliado e retificado para formar a imagem.

O efeito piezelétrico é utilizado na tecnologia médica para criar e detectar pulsos ultrassônicos.

Quando um cristal piezelétrico é submetido a um estresse mecânico, as cargas atômicas internas são polarizadas gerando um campo elétrico. E o inverso também ocorre: quando submetido a um campo elétrico, o material sofre deformação em sua espessura, e o movimento das faces do cristal gera as ondas sonoras (assim como um alto falante).

No link abaixo você pode ver uma animação sobre este assunto: PIEZOELETRICIDADE⁽⁵⁾

Devido ao efeito piezelétrico direto e inverso, o mesmo transdutor que emite o sinal ultrassônico pode funcionar como detector (como um microfone), pois os ecos que voltam a ele produzem vibração no cristal, fazendo variar suas dimensões físicas que, por sua vez, acarretam o aparecimento de um campo elétrico. Esse campo gera sinais que podem ser amplificados e mostrados em um osciloscópio ou registrador.

Um pouco mais sobre a piezeletricidade:

Uma das condições básicas para que um cristal seja piezelétrico é que ele não possua centro de simetria de cargas, uma vez que essa propriedade física acarreta uma resposta também simétrica quando submetido a um estímulo externo.

Ao ser tensionado, um material piezelétrico passará a apresentar uma polarização elétrica ou uma mudança de polarização se o material já tiver uma polarização espontânea não nula.

Analisando este efeito em uma molécula neutra; antes de submeter o material a uma força externa, centros gravitacionais de cargas positivas e negativas coincidem (o que está representado na figura 1a). Então os efeitos externos das cargas positivas e negativas são cancelados, resultando em moléculas neutras. Ao exercer uma pressão no material, sua estrutura reticular pode ser deformada, levando a uma separação dos centros gravitacionais de cargas positivas e negativas das moléculas, o que gera pequenos dipolos (figura 1b). As cargas internas dos pólos são mutuamente canceladas e a distribuição das cargas ligadas aparecem na superfície do material (figura 1c), ou seja, o material está polarizado. Esta polarização gera um campo elétrico e pode ser usada para transformar a energia mecânica (deformação do material) em energia elétrica.

Figura 1: O processo de polarização em um cristal piezelétrico. ⁽⁷⁾

Os transdutores de ultrassom são construídos a partir do elemento piezelétrico e podem ter um único elemento ou ser constituído por multielementos.

Dependendo da aplicação, o elemento piezelétrico é quem determina a frequência de operação do transdutor. Em geral, os transdutores são acondicionados em um suporte plástico para lhes dar proteção mecânica e elétrica. Na superfície por onde emergem as ondas ultrassônicas, há uma camada especial para permitir o perfeito acoplamento acústico e também para dar proteção ao elemento piezelétrico. Os transdutores são hermeticamente fechados e tem externamente o dispositivo para a conexão elétrica com o módulo eletrônico do equipamento.

Figura 2: Transdutor com um único elemento piezelétrico. ⁽⁷⁾

Figura 3: Transdutor constituído por multielementos piezelétricos. ⁽²⁾

As imagens de ultrassonografia podem aparecer em três formatos diferentes, os quais são determinados pelo formato e o tipo de transdutor usado.

O tipo de transdutor a ser utilizado é escolhido a partir de dois critérios principais: a chamada “janela acústica”, ou seja, a porta de entrada para o transdutor, e a “área de varredura”.

Tipos de transdutores:

Transdutor setorial: é utilizado para colher dados de regiões com aberturas pequenas, mas que possuem elementos espaçados, ou seja, grande área de varredura.

Figura 4: Transdutores setoriais. ⁽⁶⁾

Transdutor linear: é utilizado em situações nas quais o tamanho do transdutor não é limitado pela anatomia, podendo ser a abertura (janela de entrada) a mais larga possível.

Figura 5: Transdutores lineares. ⁽⁶⁾

Transdutor convexo: é usado quando o transdutor linear tem seu campo de varredura diminuído devido ao formato da superfície.

Figura 6: Transdutores convexos. ⁽⁶⁾

Transdutor endocavitário: Esses transdutores podem ser utilizados dentro do corpo, podendo ser utilizados em regiões como esôfago, por exemplo. Além disso, podem ser introduzidos no coração via cateter.

Figura 7: Transdutores endocavitários, sendo A - endoretal e B – endovaginal. ⁽⁶⁾

Referências:
(1) GARCIA, E. A. C., Biofísica, Ed. Sarvier, 2002.
(2) Okuno, E. e Caldas, I. L. e Chow, C., Física para Ciencias Biológicas e Biomédicas, Ed. Harbra, 1982.
(3) Carr, J. J. e Brown J. M., Introduction to Biomedical Equipment Technology, Ed Prentice Hall, 4ª ed, 2001.
(4) Prof. Dr. Jesus Djalma Pécora (FORP-Usp), Ultra-som, acessado em 5 de dezembro de 2011:
http://www.forp.usp.br/restauradora/us01.htm
(5) Fetal Med, acessado em 5 de dezembro de 2011:
http://www.fetalmed.net/item/efeito-piezoeletrico.html animação
(6) Métodos de imagem, acessado em 5 de dezembro de 2011:
http://www.nuclear.radiologia.nom.br/bv/pt/carminda/pancreat/capit1.htm
(7) Arnau A., Piezoelectric Transducers and Applications Piezoelectric, acessado em 5 de dezembro de 2011:
http://www.ifi.unicamp.br/~lunazzi/F530_F590_F690_F809_F895/F809/F809_sem1_2 007/GeovannaL_Cotta_RF1.pdf

Ultrassonografia: Conceitos básicos

Sabe-se que o som é produzido pela deformação do meio no qual ele se propaga devido a diferenças de pressão. Ou seja, o som é uma onda mecânica, sendo normalmente produzido por objetos vibrantes.

Para entender um pouco mais sobre ondas, acesse os links abaixo:

1) Ondulatória : Neste link você encontra materiais desenvolvidos GREF, grupo de reelaboração do ensino da física. Os textos explicitam o conteúdo de forma inteligente e simples, partindo sempre de elementos vivencias dos estudantes para explicar a física.

2) Para quem quiser conhecer mais sobre o GREF e os outros volumes publicados acesse: GREF.

Contudo, o ouvido humano é capaz de interpretar como som, apenas uma faixa de frequência entre 20 Hz e 20 kHz. Quando a vibração produz uma onda cuja frequência é menor do que o limite inferior, ocorre o infrassom e quando é maior do que o limite superior ocorre o ultrassom.

Sendo assim, o ultrassom é uma onda sonora com uma frequência acima do limite audível ao ser humano. Essa é a onda utilizada nos exames chamados de ultrassonografia ou ecografia.

Figura 1: Representação esquemática do processo de ultrassonografia do útero de uma grávida. ⁽¹⁰⁾

Figura 2: Imagem da ultrassonografia do útero de uma gestante. ⁽¹¹⁾

Como o próprio nome introduz, o método da ultrassonografia consiste na emissão de ondas (ultrassom) que são traduzidas em imagens (grafia) do meio atravessado por elas, ao serem refletidas ou transmitidas por ele.

De maneira simplificada, o exame ocorre da seguinte forma: um pulso de ondas é emitido em direção à região a qual se quer examinar; as ondas são refletidas pelas estruturas-alvo e retornam ao emissor de ondas, que converte o eco em uma imagem.

As informações sobre as estruturas atingidas tornam-se possíveis devido ao fenômeno da impedância acústica. Esse fenômeno estabelece uma relação som/tecido, possibilitando a identificação de um dado órgão ou região.

Impedância acústica

“É a diferença de impedância acústica entre dois tecidos que define a quantidade de reflexão na interface, promovendo sua identificação na imagem.” ⁽⁶⁾

Ou seja, os ecos se formam sempre que o som passa pela interface entre meios com impedâncias diferentes.

A impedância (Z) é dada pelo produto da densidade (ρ) do meio pela velocidade (V) do som naquele meio:

Z=ρ*V

Contudo, nos tecidos moles a velocidade do som é aproximadamente constante, o que permite fazer uma relação direta entre a impedância e a densidade do meio.

Tabela 1: Valores de densidade (r), velocidade (V) e impedância (Z).

As principais interfaces biológicas são:

a) -gordura-músculo

Figura 3: Pode-se observar a camada de gordura anterior ao músculo (seta branca), formando a interface músculo-gordura na face interna da coxa esquerda. A seta vermelha indica esta mesma interface na face externa. Nota-se que na face externa, a camada de gordura é significativamente menor.

b) -músculo-fáscia
A fáscia muscular é uma camada de tecido conjuntivo fibroso que envolve os feixes de fibras musculares do corpo.

Figura 4: Indicação da fáscia envolvendo os feixes de fibras musculares. ⁽¹²⁾

c) -tendão-periósteo
Periósteo é uma membrana de tecido conjuntivo denso que reveste toda a superfície externa do osso, exceto a região articular.
Tendão é um cordão fibroso constituído por tecido conjuntivo. É responsável pela inserção dos músculos nos ossos.

d) -ligamento-periósteo
Os ligamentos são constituídos por fibras colágenas, sendo maleáveis e flexíveis. São responsáveis pelas articulações e junturas funcionais entre diferentes ossos do esqueleto.

Figura 5: Interfaces tendão-periósteo e ligamento-periósteo.

Efeito Doppler acústico

Outro fenômeno importante que deve ser entendido é o Efeito Doppler.

Para entender um pouco mais acesse o link:

Efeito Doppler

Através deste efeito, a ultrassonografia possibilita a aquisição de imagens de estruturas corporais em movimento, como o coração. Uma de suas principais peculiaridades é que através do Efeito Doppler é possível estudar a hemodinâmica corporal de maneira não invasiva. A hemodinâmica inclui os diferentes fatores que regem a circulação sanguínea no organismo[1].

Quando uma fonte sonora ou seu receptor estão se movendo ocorre uma alteração aparente na frequência percebida do som. Essa mudança na frequência é denominada de Efeito Doppler.

Quando o movimento relativo entre emissor e receptor é de aproximação ocorre um aumento na frequência, e quando é de afastamento ocorre uma diminuição da frequência percebida. Sendo assim, na ultrassonografia, o Efeito Doppler é o fenômeno físico pelo qual se verifica a alteração da frequência das ondas sonoras, permitindo que os objetos que se movem em relação ao transdutor (emissor de ondas sonoras do ultrassom) possam ser identificados.

A ultra-sonografia Ecodoppler, como é chamado o exame neste caso particular, permite a medição de fluxos nos vasos sanguíneos e também o registro do movimento das paredes e das válvulas do coração.

Para saber sobre o exame de ecocardiografia, acesse o link abaixo; nele você encontra um vídeo com uma explicação simples de como entender um exame obtido através do Efeito Doppler e visualiza o exame.

Ecocardiografia

A velocidade (Vr) com que o refletor se move é dada por:

Onde:

As tecnologias que exploram o efeito doppler são:

1) Ecodoppler pulsado: utiliza um feixe ultra-sônico pulsado para captar o eco.

2) Ecodoppler de alta frequência de repetição: utiliza um conjunto de pulsos ultra-sônicos antes de passar para o ciclo de escuta, que é o intervalo de tempo entre a emissão do pulso e a sua recepção no transdutor.

3) Ecodoppler com fluxo em cores: diferencia os tecidos refletores em repouso dos tecidos refletores em movimento através das cores. Em repouso são mostrados como pontos brilhantes em escala cinza e quando em movimento são coloridos. Para refletores em aproximação, usa-se a cor vermelha e em afastamento, a cor azul.

4) Ecodoppler de onda contínua: emitem feixe ultra-sônico contínuo.

Referências:
(1) GARCIA, E. A. C., Biofísica, Ed. Sarvier, 2002.
(2) Okuno, E. e Caldas, I. L. e Chow, C., Física para Ciencias Biológicas e Biomédicas, Ed. Harbra, 1982.
(3) Luciano Santa Rita Oliveira – Tecnólogo em Radiologia.
http://www.lucianosantarita.pro.br/ultra_som.html ; acessado em 24/10/2011.
(4) Ondulatoria – Página desenvolvida pelo 2º colegial A/2001 da Escola Estadual Prof. Ascendino Reis.
http://ww2.unime.it/weblab/awardarchivio/ondulatoria/index.htm ; acessado em 24/10/2011.
(5) Curso Prático em Ultrassonografia.
http://www.parlatore.com.br/cpu/artigos_show.php?cod=91&tipo=10 ; acessado em 24/10/2011.
(6) Física da Ultrassonografia.
http://www.hcnet.usp.br/inrad/departamento/graduacao/aula/apostilafisicausg.pdf ; acessado em 24/10/2011.
(7) CARVALHO (C.F.), CHAMMAS (M.C.) E CERRI (G.G.); Princípios Físicos do Doppler em Ultrassonografia; Ciência Rural, Santa Maria 2008.
http://www.scielo.br/pdf/cr/v38n3/a47v38n3.pdf ; acessado em 24/10/2011.
(8) Leituras de Física; GREF.
http://fisica.cdcc.usp.br/GREF/eletro05.pdf; acessado em 24/10/2011.
(9) Ciência e Cultura na Escola.
http://www.ciencia-cultura.com/fisica.asp; acessado em 24/10/2011.
(10) Net bebês: Ecografia obrigatórias, o seu objetivo e quando devem ser realizadas.
http://www.net-bebes.com/gravidez/ecografias-obrigatorias-o-seu-objectivo-e-quando-devem-ser-realizadas/attachment/ecografia; acessado em 24/10/2011
(11) Aplicações-Ecografia
http://www.prof2000.pt/users/mrsd/8ano/Aplicacoes.htm; acessado em 24/10/2011.
(12) Target Plantar Fasciitis
http://www.targetplantarfasciitis.com/; acessado em 24/10/2011.

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