Corso “Techine chimico-fisiche in ambito sanitario”
Dott.ssa I. Nicotera
NMR- IMAGING
(1° parte)
Altisonante
Misterioso
Inquietante
Nucleare
Cronologia NMR
1945
Prima osservazione di un segnale NMR
Bloch e coll. Stanford Un. (1H in H2O)
Purcell e coll. Harvard Un. (1H in paraffina) (nobel 1952)
1950
Scoperta del Chemical Shift
1961
Primo spettrometro commerciale CW
1970
Primo spettrometro commerciale FT
1976
Primi esperimenti 2D ( Ernst 1991 Nobel)
1980
Spettrometri NMR di II generazione
Risonanza magnetica imaging (MRI)
la MRI e' una modalità di imaging usata principalmente per costruire
immagini a partire dal segnale NMR proveniente dagli atomi di idrogeno
presenti nell'oggetto esaminato.
Nell'MRI medica, i radiologi sono per lo più interessati al segnale NMR
proveniente da acqua e grasso, essendo questi i componenti del corpo
umano che contengono le maggiori quantità di idrogeno.
L’ energia coinvolta nelle transizioni NMR è minima rispetto alle energie
coinvolte nelle emissioni di raggi X e gamma (1-100 Kev).
In un campo magnetico di 1 Tesla, il dislivello di energia tra i protoni
paralleli e antiparalleli è =
1.759 x 10-7 eV
Frequenze degli spettrometri NMR
usati per alta risoluzione
B0
200 MHz
4.7 T
300 MHz
7 T
400 MHz
9.4 T
500 MHz
11.7 T
600 MHz
14 T
900 MHZ
21 T
1 T ≈ 43 MHz
In MRI medica normalmente si utilizzano spettrometri da 1-2 T
La Risonanza Magnetica Nucleare è emersa come un nuovo
strumento non distruttivo e non invasivo per lo studio del
metabolismo e della struttura anatomica di sistemi biologici
intatti.
MRS in vivo e MRI (imaging)
Sono
due tecniche molto conosciute per il loro utilizzo in campo
biomedico ma in realtà possono essere usate in moltissimi campi scientifici.
I principi fisici fondamentali sono gli stessi dell’NMR in alta risoluzione
ma le tecniche, la strumentazione e i dati ottenuti da questi esperimenti
sono molto differenti.
La prima differenza è la scomparsa del termine NUCLEARE dal
nome delle tecniche!!!!!
Le differenze fondamentali derivano dalle diversità dei “campioni”
da analizzare:
- omogenei in NMR alta risoluzione
- assolutamente eterogenei in MRI
MRS in vivo
Tra le tecnologie emergenti della Medicina di laboratorio, la
spettroscopia di risonanza magnetica in vivo (MRS) è
particolarmente innovativa perché consente di esplorare
direttamente sul paziente e in modo non invasivo la
concentrazione intracellulare di alcuni intermedi metabolici e
la funzionalità di diverse vie metaboliche.
Invece di ottenere immagini dettagliate di
tessuti con la MRS possiamo ottenere gli
spettri
di
composti
biochimici
presenti
all’interno di questi tessuti!
Con la spettroscopia RM del fosforo (31P-MRS):
• ATP
Si valuta la funzionalità di:
• fosfato inorganico (Pi)
fosforilazione ossidativa,
glicogenolisi, glicolisi …..
• fosfocreatina (PCr)
• intermedi metabolici fosforilati (PME e PDE)
• concentrazione di Mg2+
• pH intracellulare
Con la spettroscopia RM del protone (1H-MRS):
• n-acetilaspartato (NAA)
• colina (Cho)
• creatina + fosfocreatina (Cr)
• glutammato e glutammina (Glx)
•mio-inositolo (m-I) e acido lattico (LA)
Si valuta la funzionalità di:
sistema glutamminergico,
metabolismo energetico, la
osmoregolazione del SNC
…….
In vivo 31P NMR di Corynebacterium glutamicum
MRI
il segnale NMR
I principali parametri che influenzano il segnale NMR sono:
densità dei nuclei
tempi di rilassamento T1 e T2
diffusione dei nuclei
“chemical shift”
presenza di materiali che modificano il campo magnetico locale
Le immagini MR di routine sono
ottenute in modo da
rappresentare prevalentemente:
T1, T2 e D
utilizzando sequenze di impulsi
opportune
Vista della sezione orizzontale e verticale di un tubo NMR riempito di acqua e
con una barretta di plastica al centro
XY
YZ
…ma!!!….come si ottengono
queste immagini?
Per esempio, assumete che una testa umana contenga solo tre piccole regioni
distinte in cui c'e' densità di spin di idrogeno.
(…in realtà l'intera testa genererebbe un segnale NMR)
Quando queste regioni di spin subiscono la stessa forza del campo magnetico,
nello spettro NMR ritroviamo un solo picco.
Questo solo picco non dà alcuna informazione sulla posizione delle tre regioni
Gradienti di campo magnetico
Un gradiente di campo magnetico e' quello che ci permetterà di differenziare le loro
posizioni.
Un gradiente di campo magnetico e' una variazione del campo rispetto ad una
direzione: un gradiente di campo magnetico mono-direzionale lungo l'asse x in un
campo magnetico Bo indica che il campo magnetico va aumentando lungo la direzione x.
La lunghezza dei vettori rappresenta
l'intensità del campo magnetico.
I simboli per un gradiente di campo
magnetico nelle direzioni x, y, z sono
rispettivamente
Gx, Gy e Gz
Gradients
Bz
gx
x
Bz (x)
B = B0 + g x
ω γBz γ (B0 g x x)
FID(t) ρ(x) exp[i γ g x x t ] dx
B = B0
x
f (t )
F ( ) exp( it )d
x
(x) : numero di nuclei localizzati a x
dal centro del gradiente
x: posizione degli spin
FT (from t to (x) domain)
Frequency Encoding
B
(codifica di frequenza)
–
sample 3 water tubes
–
no gradient
x
t
t
t
f
B
Frequency Encoding
(codifica di frequenza)
–
sample 3 water tubes
–
gradient on
–
quad detection
x
t
t
t
t
t
t
f
La codifica di frequenza fa sì che la frequenza di risonanza sia proporzionale alla
posizione dello spin.
= g ( Bo + x Gx ) = o + g x Gx
x = ( - o ) / ( g Gx )
Questo principio e' alla base di tutta l'MRI
Se un gradiente di campo magnetico lineare
viene applicato alla nostra ipotetica testa
con sole tre regioni contenenti spin, le tre
regioni subiranno campi magnetici diversi.
Il risultato e' uno spettro NMR con piu' di
un segnale.
L'ampiezza del segnale e' proporzionale al
numero degli spin in un piano perpendicolare
al gradiente.
Imaging
tomografico con
retroproiezione
Fu una delle prime tecniche di
MRI
E'
una
estensione
della
procedura
di
codifica
in
frequenza:
viene applicato un gradiente di
campo
monodimensionale
a
varie
angolazioni
e
per
ciascuno
di
questi
viene
registrato lo spettro NMR.
Una volta registrati tutti i dati
nella memoria del computer,
questi
possono
essere
retroproiettati nello spazio…e
l’immagine risulta visibile.
L'attuale schema di retroproiezione e' chiamato trasformata inversa di Radon
In una sequenza di imaging convenzionale 90-
FID la procedura di retroproiezione può
essere applicata con l'aiuto della seguente
sequenza di impulsi:
La variazione dell'angolo del gradiente e'
realizzata
mediante
combinazioni
lineari
l'applicazione
di
due
di
gradienti.
Vengono applicati dei gradienti lungo Y e X
nelle seguenti proporzioni per ottenere il
gradiente
Gf
di
codifica
in
frequenza
richiesto
Gy = GF sen
Gx = GF cos
Affinché la tecnica di retroproiezione sia una tecnica di imaging tomografico attuabile, dobbiamo
avere l'abilita' di selezionare gli spin in un sottile strato (fetta).
Il gradiente Gz serve a questo scopo. Quindi, come viene effettuata la selezione di una fetta?
SLICE SELECTION
La selezione della fetta, o slice, in MRI è la selezione degli spin in un piano del campione (piano di
immagine). Il principio alla base della selezione della fetta è spiegato dall’equazione di risonanza che
tiene conto delle variazioni di campo in funzione della posizione. La selezione è realizzata
applicando un gradiente di campo magnetico lineare mono-direzionale durante il periodo in cui è
applicato l’impulso a radiofrequenza.
L’impulso a 90 , applicato contemporaneamente con un gradiente di campo magnetico, ruoterà
gli spin che sono localizzati in una fetta del campione. La figura mostra schematicamente la
procedura di slide selection, dove in un cubo, formato da piccoli vettori che danno origine ad una
magnetizzazione netta, solo una parte degli spin sono eccitati (slide selection).
SLICE SELECTION
Il gradiente di selezione della fetta è diretto lungo lo stesso asse z. Gli impulsi RF
faranno ruotare solamente quei pacchetti di spin nel cubo che soddisfano la condizione di
risonanza.
Questi pacchetti di spin sono localizzati, in questo esempio, in un piano xy. La
localizzazione del piano lungo l'asse z rispetto all'isocentro è data da:
B(z) = Gs z + B0
(z) = g Gs z + g B0 = g Gs z + 0
z = / g Gs
Dove e' la differenza di frequenza
rispetto a o ( i.e. - o ), Gs è l'intensità
del gradiente di selezione della fetta e g il
rapporto giromagnetico
slice selection: impulso a 90°
Per capire tale procedura si deve esaminare il contenuto in frequenza di un impulso a 90°.
Infatti, dal teorema di convoluzione deriva che un impulso a 90° contiene un certo intervallo di
frequenze e inoltre, il contenuto in frequenza dell’impulso può avere diverse forme.
L'applicazione di un impulso a 90° di forma quadrata, con un gradiente di campo magnetico
nella direzione x, ruoterà di 90° spin in un piano perpendicolare all'asse x. Tuttavia, questa
forma dell’impulso ha lo svantaggio di non riuscire a ruotare tutti gli spin selezionati, in altre parole
non riesce a definire perfettamente i contorni della slice.
slice selection: impulso sinc
Una soluzione alla scarsa definizione del profilo della fetta è modellare
l'impulso a 90° con la forma di un impulso sinc.
Un impulso sinc ha una distribuzione di frequenza ad onda quadra.
…quindi…
un'immagine tomografica di
retroproiezione può essere ottenuta con
l'applicazione dei seguenti impulsi:
un impulso a 90°, modellato come impulso
sinc, e' applicato in congiunzione con
un gradiente di selezione della fetta
un gradiente di codifica in frequenza
viene applicato una volta che il gradiente di
selezione della fetta viene spento. Il
gradiente di codifica in frequenza e'
composto, in questo esempio, da una coppia
di gradienti Gx e Gy.
I FID sono trasformati secondo Fourier
per produrre lo spettro nel dominio delle
frequenze, che viene poi retroproiettato
per produrre l'immagine.
La tecnica di retroproiezione e'
altamente istruttiva ma non viene di
fatto mai utilizzata al giorno d'oggi.
Vengono invece usate le tecniche basate
sulla trasformata di Fourier.
