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.