Imagens e Espectroscopia por Ressonância Magnética no …lattice/fiscomp/files/2017/04/Paiva_CIERMag... · ser medida por bobinas detectoras. 1952 – Purcell e Bloch dividem o

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Centro de Imagens e Espectroscopia In

Vivo por Ressonância Magnética

UNIVERSIDADEDE SÃO PAULO

Instituto de Física de São Carlos

Imagens e Espectroscopia por Ressonância Magnética no IFSC

Fernando F. Paiva

[email protected] 06/05/2016


1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000

1924 - Pauli sugere que partículas nucleares possuem momento angular (spin).

1937 – Rabi mede o momento angular do núcleo.

1944 – Rabi recebe o prêmio Nobel de Física.

1946 – Purcell demonstra que a matéria absorve energia na frequência de ressonância.

1946 – Bloch mostra que a precessão nuclear pode ser medida por bobinas detectoras.

1952 – Purcell e Bloch dividem o prêmio Nobel de Física.M R

1974 – Damadian patenteia a ideia de scanner para detecção de tecido maligno.

1959 – Singer mede fluxo sanguíneo utilizando NMR (em camundongos).

1973 – Lauterbur publica o método para gerar imagens utilizando gradientes de NMR.

1973 – Mansfield, independentemente, publica a abordagem de gradientes para NMR.

1975 – Ernst desenvolve a transformada de Fourier 2D para RM.

Scanners clínicos começam a se tornar prevalentes.

1985 – Reembolso por exames de RM começam a ser aprovados pelos convênios.

I

1990 – Ogawa e colaboradores propõem o método de fMRI utilizando contraste endógeno baseado na oxigenação sanguínea.

f

RM: L INHA DO TEMPO


� 1942: Isidor Isaac Rabi (Física)

Método ressonante para medida das propriedades magnéticas dos núcleos atômicos (1937)

PRÊMIOS NOBEL

� 1952: Felix Bloch e Edward Mills Purcell (Física)

Medidas precisas do magnetismo nuclear (1946)


� 1991: Richard R. Ernst (Química)

Espectroscopia de alta resolução por Ressonância Magnética (1966)

PRÊMIOS NOBEL

� 2003: Peter Mansfield e Paul C. Lauterbur (Medicina)

Imagens por Ressonância Magnética (1973)


� Primeira imagem 2D utilizando RM

UM POUCO DE HISTÓRIA: 1973

Lauterbur, P. C. Image Formation by Induced Local Interactions: Examples EmployingNuclear Magnetic Resonance. Nature 242, 190-191 (1973)

CLICK TO EDIT MASTER TITLE STYLEUM POUCO DE HISTÓRIA:POUCO MAIS DE 11 ANOS DEPOIS...

Primeira imagem no hemisfério sul


A primeira tentativa deobter uma imagem emhumanos. Dr. RaymondDamadian foi o primeirovoluntário.Dadas as dúvidas sobreos resultados, ele utilizouum monitor cardíaco e umde pressão.

UM POUCO DE HISTÓRIA:MARÇO DE 1977


A primeira tentativa bem sucedida de se obter uma imagem de RM humanos. Dr. Lawrence Minkoff foi o voluntário.

UM POUCO DE HISTÓRIA:JULHO DE 1977


A primeira imagem de RM obtida em humanos

UM POUCO DE HISTÓRIA…

CLICK TO EDIT MASTER TITLE STYLEUM POUCO DE HISTÓRIA…

... e 39 anos depois


- Prof. Horácio C. Panepucci

O GRUPO DE IMAGENS POR RM NO

IFSC: UM POUCO DE HISTÓRIA



- 1983: parte do grupo de RM começa a estudar e desenvolver técnicas de formação de imagens por RM (adaptação de um sistema utilizando um eletromagneto para obtenção de imagens);






- 1984: a imagem do quiabo (primeira imagem por RM obtida no hemisfério sul);



CLICK TO EDIT MASTER TITLE STYLEO GRUPO DE IMAGENS POR RM NO





- 1984: a imagem do quiabo (primeira imagem por RM obtida no hemisfério sul);

- 1985: instalação do magneto supercondutor horizontal de 2.0T (30cm) => imagens de pequenos objetos e espectroscopia (Ex. frutas para aferição da qualidade –parceria com a Embrapa)






- 1990: o grupo de RM recebe um magneto resistivo de 0.05T para corpo inteiro => início do desenvolvimento de um sistema para humanos;

- 1992: ministro da saúde e presidente do CNPq inauguram o primeiro equipamento de imagens clínicas por RM inteiramente desenvolvido no Brasil (ToRM005);






- 1990: o grupo de RM recebe um magneto resistivo de 0.05T para corpo inteiro => início do desenvolvimento de um sistema para humanos;

- 1992: ministro da saúde e presidente do CNPq inauguram o primeiro equipamento de imagens clínicas por RM inteiramente desenvolvido no Brasil (ToRM005);

- 1993: a repercussão dos resultados e o impacto social estimulou a doação pela Faculdade de Medicina de Botucatu de um magneto de 0,5T para corpo inteiro;

- 1993-1998: O grupo desenvolve um sistema completo, baseado numa plataforma computacional flexível, com interface gráfica (apto a operar clinicamente em ambiente hospitalar)





- 1998: o sistema é instalado na Santa Casa de São Carlos e passa a atender a sociedade e a demanda do hospital;


Bobina de RF

Bobinas de Gradiente

Magneto

Scanner

Cama do Paciente

Paciente

Equipamento de RM

O EQUIPAMENTO DE RM

CLICK TO EDIT MASTER TITLE STYLERM: CAMPO MAGNÉTICO PRINCIPAL

� Estado da arte:

� Sistemas clínicos: 0.1T – 3.0T

� Sistemas de animais: 2.0T – 11.7T

Curiosidades:1 Tesla = 10000 GaussCampo magnético da terra ~ 0.5 Gauss


5) Esses sinais são processados e dão origem a imagens

4) Antenas especiais captam esses sinais e os convertem eletronicamente

3) Após um tempo característico, τ, esta energia é reemitida

2) Os prótons, absorvem esta energia, pois estão em “ressonância” (mesma frequência)

1) Energia sob a forma de RF é transmitida aos prótons

RM EM 5 PASSOS

RF

1H

1H

RF

1H

CLICK TO EDIT MASTER TITLE STYLEIMAGENS POR RM

Clinicamente utilizada em uma grande variedade de especialidades

Mama

Abdômen

Coluna

Crânio

Coração

CLICK TO EDIT MASTER TITLE STYLEO CIERMAG

- CIERMag: Centro de Imagens e Espectroscopia In Vivo por Ressonância Magnética

- Equipe permanente:- Prof. Alberto Tannús- Prof. Fernando Paiva- Eng. Edson Vidoto- Eng. Mateus Martins

- Algumas colaborações atuais:- Dr. Afonso C. Silva - National Institute of NeurologicalDisorders and Stroke (NINDS - NIH)- Prof. Peter Morris - Sir Peter Mansfield Magnetic ResonanceCenter (The University of Nottingham)- Prof. Carlos Garrido Salmon (FFCLRP – USP)- Prof. Sergio Mascarenhas (IEA – USP)- Prof. Luciene Covolan (UNIFESP)- Dr. Jorge Moll (Instituto D’Or de Pesquisa e Ensino)

CLICK TO EDIT MASTER TITLE STYLENOSSA ABORDAGEM : “ PESQUISA

TRANSLACIONAL ”

CLICK TO EDIT MASTER TITLE STYLENOSSA ABORDAGEM : “ PESQUISA

TRANSLACIONAL ”


� Estudos longitudinais sem necessidade de sacrifício com um rigoroso controle de condições experimentais.

� Monitorização de parâmetros fisiológicos sem necessidade de medidas invasivas.

POR QUE IMAGENS?


� Completamente não-invasiva;

� Diferentes mecanismos de contraste;

� Alto grau de contraste em tecidos moles;

� Alta resolução espacial (<1 mm);

� Razoável resolução temporal (~1s);

RM: ALGUMAS VANTAGENS …


- Principais Linhas de Pesquisa:

- Instrumentação em RM;

- Desenvolvimento e implementação de metodologias de imagens e espectroscopia para estudos de sistemas biológicos;

- Processamento de sinais;






CLICK TO EDIT MASTER TITLE STYLEBOBINAS DE TRANSMISSÃO : NOSSA

MELHOR ABORDAGEM

Circuito de Tuning & matching

“Double crosses” (outperforms) the equivalent Birdcage structure

CLICK TO EDIT MASTER TITLE STYLEBOBINAS DE RECEPÇÃO

Máscarapara

Anestésico Restritor de

Movimento

CLICK TO EDIT MASTER TITLE STYLEESPECTRÔMETRO DIGITAL

- Sistemas comerciais são muito caros e na maior parte dos casos não possuem nenhum tipo de flexibilidade;

- Nosso “sistema dos sonhos” seria algo que permitisse sonhar com um problema, implementar a metodologia pela manhã, realizar o experimento à tarde e ter o artigo à noite;

- Nossa experiência com os sistema disponíveis nos trazem, entretanto, uma série de frustrações;

CLICK TO EDIT MASTER TITLE STYLEESPECTRÔMETRO DIGITAL : KIT DE

DESENVOLVIMENTO

CLICK TO EDIT MASTER TITLE STYLEESPECTRÔMETRO DIGITAL : PERIFÉRICOS

Fast A/D and D/A converters

(85/125 MHz,2 Transmit/ receivers

for now)

Low speed external bus for Gradients

Gradients DACs (1us/point, 4

units)

High speed external bus/ external SDRAM






CLICK TO EDIT MASTER TITLE STYLEASL: P RINCÍPIO BÁSICO

Controle Marcação

Perfusão

-


� Marcação – PLD – ACQ� TR/TE = 5115/38ms� Marcação = 4183ms� PLD = 350ms� NA = 32� Duração = 5’27’’

� Cálculo de CBF:

ctrllbl

lblctrl

TCBF

)12(1 −+−=

αλ

ctrl = imagem de controle;lbl = imagem obtida após marcação dos spins;

METODOLOGIA


0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0 1 2 3 4 5 6

Potência (W)

Gra

u de

Mar

caçã

o

GRAU DE MARCAÇÃO

0

0

2

a

aa

M

MM −=α0.0 W

0.1 W

0.5 W

5.0 W

α = 75±2%

CLICK TO EDIT MASTER TITLE STYLEMAPAS DE CBF

CBF = 116±6ml/100g/min

� SE EPI:� TR/TE = 5000/48ms;� Marcação = 4538; PLD = 250;� FOV = 32 x 32mm2; Plano = 2mm;� Matriz = 128 x 128; NA = 32;


�� ∆��

� Marcação – PLD – ACQ� TR/TE = 5115/38ms� Marcação = 4183ms� PLD = 350ms� NA = 32� Duração = 5’27’’

� Seletividade:

METODOLOGIA

> −

δθ

2tan 1 zEP

<<<<

== ooL

ooR

090- ,

900 , ,tan

θδθδ

χθχδz

CLICK TO EDIT MASTER TITLE STYLESD VS. SHR

Dominância na Região da ACA

SD (N=6) SHR (N=6)

Esq. 4 2

Dir. 1 1 *

Alt. Dir. Esq. 1 1

Simétrica 0 2 *

Nor

mot

enso

Hip

erte

nso

ACA: Dir.

ACA: Simétrica

ACA: Esq.

ACA: Simétrica; Talâmica: Dir.

* Animais que apresentaram lateralização na região da artéria talâmica


�� ∆��

� Marcação – PLD – ACQ� TR/TE = 5000/13.2ms� Marcação = 3000ms� PLD = 1200ms� NA = 25� Duração = 4’10’’

� Seletividade:

METODOLOGIA

> −

δθ

2tan 1 zEP

<<<<

== ooL

ooR

090- ,

900 , ,tan

θδθδ

χθχδz


� LP: circ. esquerda + posterior� RP: circ. direita + posterior� POST: circ. posterior� LICA: ICA esquerda� RICA: ICA direita POSTRPRICA

POSTLPLICA

−=−=

2

RPLPRPLPPOST

−−+=

Min et al, J. Neurol. Sci. (2007); Park et al, J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry (2006);

� Cuidados: 25% da população saudável tem hipoplasia ou aplasia da artéria vertebral

CLICK TO EDIT MASTER TITLE STYLEASL: APLICAÇÕES EM PATOLOGIAS

� Tumores intracranianos






CLICK TO EDIT MASTER TITLE STYLEESPECTROSCOPIA POR RM

� Krylov Basis Diagonalization Method

� Principais objetivos:

� Estabelecer uma ferramenta robusta que possibilite o processamento de dados clínicos de MRS;

� Processamento de dados de espectroscopia funcional;

CLICK TO EDIT MASTER TITLE STYLEOUTROS ESTUDOS APLICADOS DE

PROCESSAMENTO DE SINAIS

� Métodos quantitativos de MRI: aplicações in vivo

� Quantificação de gordura no fígado (spectral modeling)

� Quantificação de tecido não contrátil no músculo

CLICK TO EDIT MASTER TITLE STYLEO CIERMAG: POSSIBILIDADES

Estamos sempre em busca de alunos altamente motivados que pretendam

trabalhar em uma área de alto impacto com interfaces bastante

multidisciplinares.

Centro de Imagens e Espectroscopia In

Vivo por Ressonância Magnética

UNIVERSIDADEDE SÃO PAULO

Instituto de Física de São Carlos

Fernando F. Paiva [email protected]

OBRIGADO !!!

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