Imagem de Ressonância Magnética (MRI)

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A imagem por ressonância magnética (MRI) é um dispositivo médico que usa um campo magnético e a ressonância natural dos átomos do corpo para obter imagens de tecidos humanos. O dispositivo básico foi desenvolvido pela primeira vez em 1945 e a tecnologia tem melhorado continuamente desde então. Com a introdução de computadores de alta potência, a ressonância magnética se tornou um importante dispositivo de diagnóstico. Não é invasivo e é capaz de tirar fotos de tecidos moles e duros, ao contrário de outras ferramentas de imagem médica. A ressonância magnética é usada principalmente para examinar os órgãos internos em busca de anormalidades, como tumores ou desequilíbrios químicos.

História

O desenvolvimento da imagem por ressonância magnética (MRI) começou com descobertas em ressonância magnética nuclear (RMN) no início do século XX. Nessa época, os cientistas apenas começaram a descobrir a estrutura do átomo e a natureza da luz visível e da radiação ultravioleta emitida por certas substâncias. As propriedades magnéticas do núcleo de um átomo, que é a base da RMN, foram demonstradas por Wolfgang Pauli em 1924.

O primeiro dispositivo básico de RMN foi desenvolvido por I. I. Rabi em 1938. Esse dispositivo foi capaz de fornecer dados relacionados às propriedades magnéticas de certas substâncias. No entanto, ele sofria de duas limitações principais. Em primeiro lugar, o dispositivo poderia analisar apenas materiais gasosos e, em segundo lugar, ele só poderia fornecer medições indiretas desses materiais. Essas limitações foram superadas em 1945, quando dois grupos de cientistas liderados por Felix Bloch e Edward Purcell desenvolveram independentemente dispositivos de RMN aprimorados. Esses novos dispositivos se mostraram úteis para muitos pesquisadores, permitindo-lhes coletar dados em muitos tipos diferentes de sistemas. Após novos avanços tecnológicos, os cientistas puderam usar essa tecnologia para investigar tecidos biológicos em meados dos anos 1960.

O uso de RMN na medicina logo se seguiu. Os primeiros experimentos mostraram que o NMR podia distinguir entre tecido normal e canceroso. Experimentos posteriores mostraram que muitos tecidos corporais diferentes podem ser distinguidos por varreduras de RMN. Em 1973, um método de imagem usando dados de NMR e cálculos computadorizados de tomografia foi desenvolvido. Ele forneceu a primeira imagem de ressonância magnética (MRI). Conseqüentemente, esse método foi usado para examinar um camundongo e, embora o tempo de teste necessário fosse de mais de uma hora, resultou uma imagem dos órgãos internos do camundongo. A imagem humana surgiu alguns anos depois. Desde então, várias melhorias tecnológicas foram feitas para reduzir o tempo de digitalização necessário e melhorar a resolução das imagens. As melhorias mais notáveis ​​foram feitas na aplicação tridimensional da ressonância magnética.

Antecedentes

Os estágios básicos de uma leitura de ressonância magnética são simples. Primeiro, o paciente é colocado em um campo magnético forte e constante e é cercado por várias bobinas. A radiação de radiofrequência (RF) é então aplicada ao sistema, fazendo com que certos átomos dentro do paciente ressoem. Quando a radiação de RF é desligada, os átomos continuam a ressoar. Eventualmente, os átomos ressonantes voltam ao seu estado natural e, ao fazer isso, emitem uma radiação de radiofrequência que é um sinal de NMR. O sinal é então processado por um computador e convertido em uma imagem visual do paciente.

Os sinais de NMR emitidos pelas células do corpo são produzidos principalmente pelos prótons das células. As primeiras imagens de RM foram construídas com base exclusivamente na concentração de prótons em um determinado tecido. Essas imagens, no entanto, não apresentaram boa resolução. A ressonância magnética tornou-se muito mais útil para a construção de uma imagem interna do corpo quando se considerou um fenômeno conhecido como tempo de relaxamento, o tempo que os prótons levam para emitir seu sinal. Em todos os tecidos do corpo, existem dois tipos de tempos de relaxamento, T1 e T2, que podem ser detectados. Diferentes tipos de tecidos exibirão diferentes valores de T1 e T2. Por exemplo, a massa cinzenta no cérebro tem um valor T1 e T2 diferente do sangue. Usando essas três variáveis ​​(densidade de prótons, valor T1 e valor T2), uma imagem altamente resolvida pode ser construída.

A ressonância magnética é mais usada para criar imagens do cérebro humano. É particularmente útil para essa área porque pode distinguir entre tecidos moles e lesões. Além das informações estruturais, a ressonância magnética permite imagens funcionais do cérebro. A imagem funcional é possível porque, quando uma área do cérebro está ativa, o fluxo sanguíneo para essa região aumenta. Quando as varreduras são feitas com velocidade suficiente, de fato, o sangue pode ser visto movendo-se através dos órgãos. Outra aplicação para a ressonância magnética é a imagem musculoesquelética. Lesões nos ligamentos e cartilagem nas articulações dos joelhos, punhos e ombros podem ser facilmente observadas com a ressonância magnética. Isso elimina a necessidade de cirurgias invasivas tradicionais. Um uso em desenvolvimento da ressonância magnética é o rastreamento de produtos químicos pelo corpo. Nessas varreduras, os sinais de NMR de moléculas como o carbono 13 e o fósforo 31 são recebidos e interpretados.

Matérias-primas

As partes principais de funcionamento de um sistema de ressonância magnética incluem um ímã externo, bobinas de gradiente, equipamento de RF e um computador. Outros componentes incluem uma proteção de RF, uma fonte de alimentação, uma sonda de NMR, uma unidade de exibição e uma unidade de refrigeração.

O ímã usado para criar o campo magnético externo constante é a maior peça de qualquer sistema de ressonância magnética. Para ser útil, o ímã deve ser capaz de produzir um campo magnético estável que penetre em um determinado volume, ou fatia, do corpo. Existem três tipos diferentes de ímãs disponíveis. Um ímã resistivo é feito de tiras finas de alumínio enroladas em um laço. Quando a eletricidade é conduzida ao redor do loop, um campo magnético é criado perpendicular ao loop. Em um sistema de ressonância magnética, quatro ímãs resistivos são colocados perpendiculares entre si para produzir um campo magnético consistente. Como a eletricidade é conduzida ao redor do circuito, a resistência do circuito gera calor, que deve ser dissipado por um sistema de resfriamento.

Os ímãs supercondutores não têm os mesmos problemas e limitações do tipo de ímã resistivo. Os ímãs supercondutores são ímãs em anel, feitos de uma liga de nióbio-titânio em uma matriz de cobre, que são super-resfriados com hélio líquido e nitrogênio líquido. Nessas baixas temperaturas, quase não há resistência, portanto, níveis muito baixos de eletricidade são necessários. Este ímã é menos caro para operar do que o tipo resistivo, e intensidades de campo maiores podem ser geradas. O outro tipo de ímã usado é um ímã permanente. É construído com um material ferromagnético, é bastante grande e não requer eletricidade para funcionar. Ele também fornece mais flexibilidade no design do sistema de ressonância magnética. No entanto, a estabilidade do campo magnético gerado pelo ímã permanente é questionável e seu tamanho e peso podem ser proibitivos. Embora cada um desses diferentes tipos de ímãs possa produzir campos magnéticos com intensidade variável, uma intensidade de campo ideal não foi descoberta.

Para fornecer um método para decodificar o sinal de NMR que é recebido de uma amostra, gradientes de campo magnético são usados. Normalmente, três conjuntos de bobinas de gradiente são usados ​​para fornecer dados em cada uma das três dimensões. Como os ímãs primários, essas bobinas são feitas de um loop condutor que cria um campo magnético. No sistema de ressonância magnética, eles são colocados em volta do cilindro que envolve o paciente.

O sistema de RF tem várias funções em uma máquina de ressonância magnética. Em primeiro lugar, é responsável por transmitir a radiação de RF que induz os átomos a emitir um sinal. Em seguida, ele recebe o sinal emitido e o amplifica para que possa ser manipulado pelo computador. Bobinas de RF são as peças principais de hardware na RF sistema. Eles são construídos para criar um campo magnético oscilante. Este campo induz átomos em uma área definida para absorver a radiação de RF e então emitir um sinal. Além de enviar o sinal de RF, as bobinas também podem receber o sinal do paciente. Dependendo do tipo de sistema de ressonância magnética, é usada uma bobina RF de sela ou uma bobina RF solenóide. A bobina é geralmente posicionada ao lado do assunto e é projetada para se ajustar ao paciente. Para reduzir as interferências de RF, uma folha de alumínio é usada.

O link final no sistema de ressonância magnética é um computador, que controla os sinais enviados e processa e armazena os sinais recebidos. Antes que o sinal recebido possa ser analisado pelo computador, ele é traduzido por meio de um conversor analógico-digital. Quando o computador recebe sinais, ele executa vários algoritmos de reconstrução, criando uma matriz de números adequada para armazenamento e construindo um display visual usando um transformador de Fourier.

O processo de fabricação

Os componentes individuais de um sistema de ressonância magnética são normalmente fabricados separadamente e, em seguida, montados em uma grande unidade. Essas unidades são extremamente pesadas, às vezes pesando mais de 100 toneladas (102 toneladas métricas).

Ímã

• 1 Os ímãs usados ​​com mais frequência em um sistema de ressonância magnética são eletroímãs supercondutores. Eles podem ser feitos com vários materiais, mas o projeto básico envolve uma bobina de fio condutor, um sistema de resfriamento e uma fonte de alimentação. As bobinas são feitas por enrolamento de arame, construído a partir de filamentos de liga de nióbio e titânio embutidos em cobre, em um grande laço. Para criar o campo magnético necessário, várias bobinas são usadas. Em um tipo de sistema, oito bobinas são usadas, seis para criar o campo magnético primário e duas para compensar o excesso de campo.
• 2 As bobinas são imersas em um recipiente contendo hélio líquido. Isso reduz a temperatura a um nível que os torna supercondutores. Para ajudar a manter a temperatura estável, o recipiente é rodeado por mais dois recipientes contendo outros refrigerantes, como nitrogênio líquido. Esta construção é então suspensa com hastes finas em um recipiente selado a vácuo. Uma fonte de alimentação é conectada às bobinas magnéticas e é usada apenas quando o ímã precisa ser energizado. O ímã é preso ao suporte do paciente, que é uma mesa deslizante que traz o paciente para o campo magnético.

Bobinas de gradiente

• 3 As bobinas de gradiente são eletroímãs do tipo resistente. Em um sistema de ressonância magnética, normalmente existem três conjuntos de bobinas de gradiente. Cada bobina é feita enrolando finas tiras de cobre ou alumínio em um padrão específico. As bobinas ganham força com a introdução de um epóxi em sua estrutura. O tamanho dessas bobinas determina a largura da abertura na qual o paciente é colocado. Como uma bobina menor requer menos energia, essa largura deve ser grande o suficiente para evitar claustrofobia no paciente, mas pequena o suficiente para exigir uma quantidade razoável de eletricidade. Essas bobinas de gradiente são normalmente blindadas para evitar a interferência de correntes parasitas.

Sistema RF

• 4 Os componentes eletrônicos do sistema de RF podem ser fornecidos por fornecedores externos e montados pelo fabricante da ressonância magnética. Esses componentes são conectados às bobinas de RF, que são feitas com designs variados. As bobinas transmissora e receptora são compostas do mesmo tipo de materiais que as bobinas gradiente. Eles também são construídos de forma semelhante ao ímã principal. No entanto, eles são compostos de um loop de material condutor, como o cobre, que pode criar um campo magnético oscilante. Um tipo de bobina de RF é uma bobina de superfície, que tem o formato de um círculo e é aplicada diretamente no paciente. Outro tipo é a bobina de sela. Eles podem ser encaixados diretamente no orifício do ímã ou moldados em uma bobina de gaiola e colocados logo dentro das bobinas de gradiente. Cada tipo de bobina é conectado a uma fonte de alimentação.

Computador

• 5 O computador é fornecido por fabricantes de computadores e modificado e programado para uso em um sistema de ressonância magnética. Conectado a ele está a interface do usuário, o transformador de Fourier, o conversor de sinal e um pré-amplificador. Um dispositivo de exibição e uma impressora a laser também estão incluídos.

Montagem final

• 6 Cada um dos componentes da ressonância magnética são montados e colocados em uma estrutura apropriada. A montagem pode ser realizada na própria fábrica ou no local, onde será utilizado o sistema. Em ambos os casos, a natureza do ímã normalmente requer precauções especiais de manuseio, como transportá-lo em um veículo com suspensão a ar.

Controle de qualidade

A qualidade de cada sistema de ressonância magnética em fabricação é garantida por meio de inspeções visuais e elétricas em todo o processo de produção. O desempenho da ressonância magnética é testado para garantir que está funcionando corretamente. Esses testes são feitos em diferentes condições ambientais, como calor e umidade excessivos. A maioria dos fabricantes define suas próprias especificações de qualidade para os sistemas de ressonância magnética que produzem. Padrões e recomendações de desempenho também foram propostos por várias organizações médicas e agências governamentais.

O Futuro

O foco da pesquisa atual de ressonância magnética está em áreas que incluem o aprimoramento da resolução da varredura, a redução do tempo de varredura e o aprimoramento do design da ressonância magnética. Os métodos para melhorar a resolução e diminuir o tempo de varredura envolvem a redução da relação sinal-ruído. Em um sistema de ressonância magnética, o ruído é causado por sinais gerados aleatoriamente que interferem no sinal de interesse. Um método para reduzi-lo é usando uma alta intensidade de campo magnético. Projetos aprimorados para sistemas de ressonância magnética também ajudarão a reduzir essa interferência e diminuir o ruído associado aos eletroímãs. No futuro, exames de ressonância magnética em tempo real deverão estar disponíveis.