frame|Exame de imagem por ressonância magnética do topo à base do cérebro. O pequeno ponto em cima à esquerda é uma cápsula de vitamina E, que serve de orientação na compilação das imagens.
A ressonância magnética (RM) é uma técnica de imagem médica usada em radiologia para formar imagens da anatomia e dos processos fisiológicos do corpo, tanto na saúde como na doença. Os scanners de RM usam campos magnéticos fortes, ondas de rádio e gradientes de campo para gerar imagens dos órgãos no corpo. A RM não envolve raios X, o que a distingue da tomografia computadorizada (TAC ou TC).
Embora os riscos dos raios X estejam agora bem controlados na maioria dos contextos médicos, a ressonância magnética ainda pode ser vista como superior à TAC a este respeito. A RM é amplamente utilizada em hospitais e clínicas para diagnóstico médico, estadiamento de doenças e acompanhamento sem expor o corpo a radiações ionizantes. Geralmente pode produzir informações de diagnóstico diferentes em comparação com a tomografia computadorizada. As varreduras de ressonância magnética geralmente levam um tempo maior, são mais altas e geralmente exigem que o sujeito entre em um tubo estreito e confinado, podendo haver riscos e desconforto associados a mesma. Além disso, as pessoas com alguns implantes médicos ou outro metal não removível dentro do corpo podem ser incapazes de se submeter a um exame de ressonância magnética de forma segura.
A RM baseia-se na ciência da ressonância magnética nuclear, tendo sido originalmente chamada de ressonância magnética nuclear (NMRI, do inglês nucelar magnetic resonance imaging). Certos núcleos atômicos são capazes de absorver e emitir energia de frequência de rádio quando colocados em um campo magnético externo. Na ressonância magnética clínica e de pesquisa, os átomos de hidrogênio são usados com maior frequência para gerar um sinal de radiofrequência detectável que é recebido por antenas próximas da anatomia que está sendo examinada. Os átomos de hidrogênio existem naturalmente em pessoas e outros organismos biológicos em abundância, particularmente em água e gordura. Por este motivo, a maioria das varreduras de ressonância magnética caracteriza essencialmente a localização da água e da gordura no corpo. Os pulsos das ondas de rádio estimulam a transição de energia de spin nuclear e os gradientes de campo magnético localizam o sinal no espaço. Ao variar os parâmetros da sequência de pulso, podem ser gerados diferentes contrastes entre os tecidos com base nas propriedades de relaxamento dos átomos de hidrogênio nele.
Desde o início do desenvolvimento nas décadas de 1970 e 1980, a ressonância magnética mostrou ser uma técnica de imagem altamente versátil. Enquanto ela é mais proeminente em medicina diagnóstica e pesquisa biomédica, ela também pode ser usada para formar imagens de objetos não-vivos. As varreduras de ressonância magnética são capazes de produzir uma variedade de dados químicos e físicos, além de imagens espaciais detalhadas. O aumento sustentado da demanda de ressonância magnética no setor de saúde levou a preocupações quanto à relação custo-eficácia e sobre-diagnóstico.
Embora muitos pesquisadores já tenham descrito a maior parte da física subjacente, a imagem de ressonância magnética foi inventada por Paul C. Lauterbur em setembro de 1971. Ele publicou a teoria por trás disso em março de 1973. No final da década de 1970, Peter Mansfield, físico e professor da Universidade de Nottingham, Inglaterra, desenvolveu a técnica de imagem de eco-planar (EPI) que levaria a varredura tomando segundos em vez de horas e produziria imagens mais claras do que Lauterbur teve. Eles receberam o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina 2003 por suas "descobertas sobre ressonância magnética".
Histórico Pioneiros da ressonância magnética nuclear thumb|160px|Animação: ressonância magnética. thumb|160px|Nesta imagem encontra-se um cérebro a ser auscultado por ressonância magnética. Em 1937, o físico austro-norte-americano Isidor Isaac Rabi apresentou na Physical Review 51 (p. 652) uma nova técnica para medir momentos magnéticos nucleares.
Nessa técnica, dois campos magnéticos fortes não homogêneos desviam um feixe molecular em sentidos opostos, produzindo um efeito de focalização.
Por outro lado, no meio da trajetória do feixe, um campo magnético forte homogêneo produz uma frequência de Larmor nos núcleos das moléculas do feixe, no mesmo instante em que um campo magnético alternado fraco é aplicado ao feixe.
Assim, se esse campo estiver em ressonância com a frequência da precessão larmoriana, o núcleo ressonante é lançado fora de sua trajetória normal. Essa técnica de Rabi ficou conhecida como Ressonância Magnética Nuclear.
Rabi e seus colaboradores, os físicos Zacharias, S. Millman e Polykarp Kusch realizaram experiências nas quais mediram o momento magnético do lítio (Li), e que foram relatadas, em 1938, na Physical Review 53 (p. 318) divulgando um artigo que mostrou sem dúvida a primeira observação de RMN.
Em 1944, o Prêmio Nobel de Física foi concedido para Rabi por seus trabalhos pioneiros sobre Ressonância Magnética Nuclear. Estimulado pelos físicos alemães Otto Stern e Immanuel Estermann, em 1933 na qual foi medido o momento magnético do próton.
Em 1939, Felix Bloch e o físico norte americano Luis Walter Alvarez mediram o momento magnético do nêutron, usando uma adaptação da técnica de Rabi (1937) a um intenso feixe de nêutrons oriundos de um cíclotron. O desvio magnético da técnica de Rabi foi substituído por um efeito de polarização desse feixe.
Em 1942, Cornelis Jacobus Gorte e L. F. J. Broer publicaram na Physica 9 o resultado de uma experiência na qual tentaram, sem sucesso, medir ressonâncias nucleares.
Em 1945, o físico russo E. Zavoisky apresentou no Fiziologiocheskii Zhurnal 9 o resultado de experiências, nas quais observou a ressonância magnética nuclear ao aplicar um campo magnético uniforme a sais (cobre e manganês) contendo íons divalentes.
Em 1946, os físicos norte-americanos Edward Mills Purcell, Henry Cutler Torreye R. V. Pound e, independentemente, Félix Bloch , W. W. Hansen e M. Packard publicaram artigos, respectivamente, na Physical Review 69, nos quais anunciaram que haviam descoberto efeitos de ressonância magnética nuclear em sólidos e líquidos.
Na experiência realizada por Purcell, Torry e Pound o método utilizado foi o de obter a subtração de energia a um campo magnético oscilante por núcleos sujeitos a um campo magnético forte e fixo, método esse capaz de medir a frequência de Larmor, que é importante para a determinação do momento magnético dos núcleos.
O material por eles utilizado foi a parafina, a qual contém muitos prótons, que neste caso há dois níveis de separação da frequência v. Por sua vez, Bloch, Hansen e Packard utilizaram um método semelhante descrito acima; porém, eles detectaram a ressonância magnética nuclear pela intensidade máxima de sinais induzidos em uma bobina detectora perpendicular quer ao campo magnético fixo, quer ao campo magnético oscilante.
Em 1947, os físicos norte-americanos John Elliot Nafe e Edward B. Nelson, e o austro-norte-americano Isidor Isaac Rabi publicaram um artigo na Physical Review 71, no qual apresentaram o resultado de uma experiência que indicava ser o momento magnético do elétron (µe) um pouco maior do que o magnetão de Bohr (µ0). Resultado análogo a esse foi apresentado por D. E. Nagel, R. S. Julian e J. R. Zacharias na Physical Review 72, ambos eram trabalhos que falavam sobre estruturas hiperfinas.
Em 2019, pesquisadores realizaram a menor imagem por ressonância magnética do mundo para capturar os campos magnéticos de átomos individuais.IBS researchers performed world’s smallest MRI on single atoms Magnetic resonance imaging enables to scan the magnetic field of single atoms with unprecedented resolution. por Ashwini Sakharkar (2019)
Construção e física Para realizar um estudo, a pessoa fica posicionada dentro de um scanner de MRI que forma um forte campo magnético em torno da área a ser imageada. Na maioria das aplicações médicas, os prótons (núcleos de hidrogênio) em tecidos contendo moléculas de água criam um sinal que é processado para formar uma imagem do corpo. Primeiro, a energia de um campo magnético oscilante temporariamente é aplicada ao paciente na frequência de ressonância apropriada. Os átomos de hidrogênio excitados emitem um sinal de radiofrequência, que é medido por uma bobina receptora. O sinal de rádio pode ser feito para codificar informações de posição, variando o campo magnético principal usando bobinas de gradiente. À medida que estas bobinas são rapidamente ligadas e desligadas, elas criam o ruído repetitivo característico de uma varredura de ressonância magnética. O contraste entre diferentes tecidos é determinado pela taxa em que os átomos excitados retornam ao estado de equilíbrio. Os agentes de contraste exógenos podem ser administrados por via intravenosa, oral ou intra-articular.
Os principais componentes de um scanner de ressonância magnética são: o ímã principal, que polariza a amostra, as bobinas de compensação para corrigir as não-homogeneidades no campo magnético principal, o sistema de gradiente que é usado para localizar o sinal de MR e o sistema de RF, o que excita a amostra e detecta o sinal de RMN resultante. Todo o sistema é controlado por um ou mais computadores.
A RM requer um campo magnético que seja forte e uniforme. A força de campo do ímã é medida em teslas e enquanto a maioria dos sistemas operam a 1,5 T, sistemas comerciais estão disponíveis entre 0,2 e 7 T. A maioria dos ímãs clínicos são ímãs supercondutores, que requerem hélio líquido. As intensidades de campo mais baixas podem ser alcançadas com ímãs permanentes, que são frequentemente usados em scanners de MRI "abertos" para pacientes claustrofóbicos. Recentemente, a MRI foi demonstrada também em campos ultra baixos, ou seja, na faixa microtesla-a-militesla, onde a qualidade de sinal suficiente é possível por pré-polarização (na ordem de 10 a 100 mT) e medindo os campos de precessão de Larmor em cerca de 100 µT com dispositivos de interferência quântica supercondutores altamente sensíveis (SQUIDs).
Fundamentação Matemática e Processamento de Sinais
A formação da imagem por ressonância magnética (RM) depende da aquisição de sinais no k-space, uma matriz bidimensional que representa as frequências espaciais da amostra. Cada ponto do k-space contém informações sobre a contribuição harmônica de determinada região do objeto, e a imagem final () é obtida aplicando-se a Transformada Inversa de Fourier (IFFT) ao conjunto de dados adquiridos ().
Matematicamente, o processo de aquisição pode ser modelado como um sistema linear subdeterminado:
Onde é o vetor de intensidades da imagem, são as medições obtidas, é a matriz de amostragem e representa o ruído de medição. O desafio da reconstrução reside no fato de que, para acelerar o exame, muitas vezes o número de medições () é muito menor que o número de variáveis da imagem (), tornando o problema mal-posto sob a ótica da álgebra linear.
Esparsidade e Compressed Sensing Para recuperar a imagem original, utiliza-se a otimização convexa, especificamente o algoritmo LASSO (Least Absolute Shrinkage and Selection Operator), que busca o vetor mais esparso possível conciliando a fidelidade aos dados com uma penalização de norma :
Esta formulação permite que o problema original de norma (intratável computacionalmente) seja resolvido por uma relaxação convexa eficiente, garantindo a estabilidade da reconstrução.
Incoerência e Propriedade de Isometria Restrita (RIP)