Aspetti Fisici della Risonanza Magnetica
Nucleare in Medicina
Prof. P.L. INDOVINA
Cattedra di Fisica
Direttore Scuola di Specializzazione Fisica Sanitaria
Dipartimento di Scienze Fisiche
Università di Napoli "Federico II"
Complesso Universitario Monte S. Angelo
Via Cinthia - 80126 Napoli
cell.: 335 8389 847
e-mail: [email protected]
RM (Risonanza Magnetica)
• E' nata nell'ambito della Struttura della Materia;
• Notevoli sviluppi nello studio delle strutture di
molecole organiche;
• Ulteriori sviluppi per lo studio di strutture e funzioni
di molecole biologiche
• Metodica di punta nel campo della Fisica Medica
per ottenere immagini su pazienti
Fisica Medica
• La Fisica Medica è una
branca della Fisica che
si occupa di tutte le
attività
legate
all’impiego di sorgenti
di
radiazioni
in
diagnostica e terapia e,
più in generale, in tutte
le applicazioni della
Fisica
in
campo
medico.
Immagini RM
PET/TC
Radioterapia
Risonanza Magnetica (RM)
• Cos’è la Risonanza Magnetica Nucleare?
• Cos'è Risonanza in Fisica?
• Come si ottiene una Risonanza di un sistema
magnetico?
Il fenomeno della risonanza
In Fisica si osserva un fenomeno di risonanza quando un sistema
che ha una frequenza propria di oscillazione viene sollecitato
dall’esterno da un agente (forza, tensione, ecc.) che ha una
frequenza circa uguale a quella propria del sistema.
Esempi di fenomeni di risonanza:
Altalena, orologio al quarzo, corda di una chitarra, rumori di
carrozzeria, ponte, ecc…
Un esperimento di risonanza nel campo gravitazionale
Lo spettro elettromagnetico
E = hn
n è la frequenza caratteristica dell’onda (c=ln)
Immagine fotografica
Immagine radiografica
Immagine con risonanza magnetica
B0
Cosa è una Immagine biomedica?
• E' una rappresentazione, bi-dimensionale (proiettiva)
o tri-dimensionale tomografica, della distribuzione
nello spazio dei valori che assume in ogni punto una
grandezza fisica del corpo umano.
• Tomografia: tecnica che consente di ottenere
immagini di sezioni ("Tomos"), del corpo umano.
Magnetismo Nucleare
Fenomeno della MR
Nucleo magnetico (es. protone) in un campo magnetico
precessione intorno a B0
B0
Trottola
Analogia: la trottola nel campo gravitazionale ruota
intorno al proprio asse e ruota intorno al campo
gravitazionale.
Frequenza di Larmor
ruota intorno a B0 e descrive un cono con
frequenza 0 B0
Applichiamo B1 a R.F. B0
B1 B0
B1 esercita una coppia su
B0
B1
Frequenza di Larmor
tra e B0 varia gradualmente
Se 0 , l’angolo
nel tempo.
Per 0 : fenomeno risonanza magnetica nucleare
B1 è in grado di modificare energia di interazione di
con e B0 .
B0
0 B0
B1
Equazione di Larmor
Scambio di Energia in Risonanza
Lo scambio di energia è possibile quando i
protoni ed il campo B1 hanno la stessa frequenza
(panino quanto di energia)
Porzione del Corpo Umano
• Contiene N nuclei di
idrogeno
• Magnetizzazione totale
• Risonanza
magnetizzazione totale
Magnetizzazione del Corpo Umano
Magnetizzazione nel piano
Legge di FARADAY-NEUMANN (1)
Una spira di filo conduttore è
collegata ad un galvanometro.
Se si avvicina o si allontana un
magnete (o si sposta la spira
rispetto al magnete), l’indice del
galvanometro indica un
passaggio di corrente (corrente
indotta).
Legge di FARADAY-NEUMANN (2)
Due spire sono ferme l’una
accanto all’altra.
Quando si chiude o si apre
l’interruttore S, l’ago del
galvanometro indica un
passaggio di corrente.
Legge di FARADAY-NEUMANN (3)
In entrambi gli esperimenti 1 e 2, si ha una forza elettromotrice indotta in un
circuito quando il flusso magnetico (BS) attraverso la superficie che limita il circuito
varia nel tempo.
La forza elettromotrice indotta in un circuito è uguale alla rapidità con cui varia il
flusso magnetico attraverso il circuito.
( B )
f
t
Una forza elettromotrice può essere indotta in un circuito in diversi modi:
1) Quando varia nel tempo il modulo di B
2) Quando varia nel tempo la superficie S del circuito
3) Quando varia la direzione di B
4) Quando si verifica una combinazione dei casi precedenti
Magnetizzazione nel piano
La magnetizzazione ruotando nel piano genera un
campo magnetico su una bobina ricevente.
z′
B0
f
y′
t
x′
(B )
La variazione del
concatenato con la bobina: per
la legge di FARADAY-NEUMANN. avremo nella bobina
una f.e.m. indotta.
f
è il segnale RM
( B )
f
t
Tempi di Rilassamento
• La magnetizzazione totale in Risonanza ha una
componente lungo il campo ed una componente
perpendicolare al campo magnetico.
• Queste due componenti ritornano all’equilibrio con
tempi caratteristici, detti tempi di rilassamento, che
dipendono dallo stato fisiologico o patologico del
tessuto del corpo umano risonante.
Tempi di Rilassamento
Il segnale RM può dare informazioni su tre
parametri:
• Numero di protoni per unità di volume
• Legge di decadimento di M lungo il campo
magnetico (T1)
• Legge di decadimento della componente
perpendicolare (T2)
Tre Provette in un
Campo Magnetico
omogeneo
Tre Provette in un
Campo Magnetico non
omogeneo
Componenti fondamentali di un
tomografo a risonanza magnetica
• Magnete
• Gradienti di campo
• Bobine RF
Premi Nobel per la Risonanza Magnetica
La RM è una tematica di ricerca che ha ricevuto riconoscimento
con premi Nobel:
- 1952 Edward Mills Purcell e Felix Block (Premio Nobel per la
Fisica)
"per aver osservato per primi il fenomeno della risonanza
magnetica"
- 1991 Richard R. Ernst (Premio Nobel per la Chimica)
"per il suo contributo della spettroscopia RM ad alta risoluzione“
- 2002 Kurt Wüthrich (Premio Nobel per la Chimica)
"per il suo contributo allo studio della struttura tridimensionale di
macromolecole biologiche con spettroscopia RM ad alta
risoluzione“
- 2003 Paul C. Lauterbur e Sir Peter Mansfield (Premio Nobel per
la Medicina)
“per le loro scoperte relative all’imaging in risonanza magnetica“
6 Ottobre 2003
Nobel per la applicazione della RM in medicina
Lauterbur e Mansfield
“per le loro scoperte relative all’imaging in risonanza
magnetica“
“Era atteso che il premio Nobel fosse anche
assegnato a Raymond V. Damadian che inventò e
brevettò uno scanner a risonanza magnetica. Inoltre,
per lo sviluppo della MR furono fondamentali i suoi
lavori che dimostrarono che i tempi di rilassamento
dei tessuti tumorali erano diversi da quelli dei tessuti
sani”.
6 Ottobre 2003
Nobel per la applicazione della RM in medicina
Lauterbur e Mansfield
“per le loro scoperte relative all’imaging in risonanza
magnetica“
• Rita Levi Montalcini:
“E’ un premio molto meritato per un’alta
applicazione tecnologica. Un Nobel che va in una
direzione diversa visto che di solito viene
assegnato a ricerche di base”.
• Nel mondo operano 22000 tomografi di RM (e 500
in Italia) e si effettuano circa 60 milioni di esami per
anno.
Conclusioni
La RM è un esempio di applicazione di alcuni principi di fisica di base in Medicina.
E’ una tecnica di Diagnostica per immagini rivoluzionaria perché utilizza radiazioni
NON ionizzanti.
Permette di ottenere l’immagine di qualunque sezione del corpo umano.
Oltre alle immagini morfologiche ottenibili con le radiazioni ionizzanti, permette di
ottenere immagini funzionali.
La RM è un esempio di applicazione medica che necessita della cooperazione tra
varie figure professionali: Medico Radiologo, Fisico Medico, Tecnico Sanitario di
Radiologia Medica, … .
