Tecniche Convenzionali di
Risonanza Magnetica
nello studio dell’encefalo
Arturo Brunetti
Diagnostica per Immagini - Neuroradiologia
Dipartimento di Scienze Biomorfologiche e Funzionali
Università di Napoli Federico II
Istituto di Biostrutture e Bioimmagini - CNR
Napoli
Laboratorio di Imaging Sperimentale
CEINGE Biotecnologie Avanzate- Napoli
Schema della presentazione
• Principi fisici
• in breve
• La macchina
• campo, bobine ... (sempre in breve)
• Le immagini
• T1, T2 , PD/FLAIR, T2*, (diffusione)
• semeiologia
Risonanza Magnetica convenzionale
Encefalo AB_2012_2013
1
Origine del segnale RM
O
H
H
I nuclei degli atomi di idrogeno delle molecole di acqua
in presenza di un campo magnetico di intensità elevata
–
migliaia di volte maggiore di quello terrestre
possono essere eccitati (messi in risonanza) con impulsi a RF
–
prodotti da bobine sintonizzate sulla frequenza di risonanza dell’idrogeno
terminati i quali i nuclei si rilassano creando un segnale
–
raccolto dalle bobine usate per eccitare o da altre bobine
che può essere utilizzato per costruire immagini
–
se si dispone di un sistema di localizzazione spaziale del segnale stesso
Risonanza Magnetica convenzionale
Encefalo AB_2012_2013
Perchè il nucleo atomico utilizzato per ottenere le
immagini RM è quello degli atomi di idrogeno
(“protone”) ?
-
+
• Vantaggi:
• elevata concentrazione nei tessuti (H2O)
• elevata abbondanza isotopica
• buon segnale RM
ab012009
7
LO “SPIN” DEL PROTONE
• I nuclei degli atomi di
idrogeno, essendo dotati di
uno “spin” e di una carica
elettrica, si comportano come
piccoli dipoli magnetici
• L’asse di rotazione descrive
nello spazio un movimento di
precessione
ab012009
8
Gli spin nucleari, sotto l’ azione di un campo magnetico di
intensità elevata, si orientano lungo le linee di forza del campo
La popolazione di spin è distribuita tra orientamento parallelo e antiparallelo con una lievissima
prevalenza di spin paralleli.Questa piccola differenza, modificabile con impulsi RF consente di
evidenziare i segnali NMR.La differenza è calcolabile con la formula di Boltzmann.
B0
ab012009
9
Frequenza di Risonanza e energie coinvolte
• Le frequenze di risonanza dipendono dal tipo di nucleo e sono
direttamente proporzionali all’ intensità del campo magnetico (B)
secondo la relazione di Larmor !0 = " B0
• " = costante giromagnetica valore specifico di ciascuna specie nucleare
• Le frequenze NMR si trovano nella regione delle radiofrequenze
dello spettro elettromagnetico (1-500 MHz) e sono associate a
transizioni energetiche tra livelli diversi, che corrispondono a diversi
stati magnetici dei nuclei.
• In un campo magnetico di 1.5 Tesla, il dislivello di energia tra i
protoni paralleli e antiparalleli è solo di
2.638 x 10-7 eV
ab012009
10
Esecuzione dellʼesame RM:
la sequenza di eventi
Il paziente è posizionato nel campo
magnetico
Si inviano sulla parte da studiare serie di
impulsi a radiofrequenza
Si registra il segnale di risposta agli
impulsi
Si ricostruiscono le immagini a partire dai
dati acquisiti
ab/01/2011
LIMITAZIONI E CAUTELE PER LʼUSO DELLA RM
Pazienti portatori
• pacemaker
• impianti metallici ferromagnetici mobili/
mobilizzabili (clips...)
Pazienti in terapia intensiva/rianimazione
Insufficienza renale (per mezzo di contrasto)
Gravidanza
Agitazione - tremore
Claustrofobia
Risonanza Magnetica convenzionale
Encefalo AB_2012_2013
Le componenti della macchina
Magneti principale
Bobine per la produzione di impulsi
RF e per la ricezione del segnale
Circuiti per creare gradienti di
campo magnetico e per shimming
Risonanza Magnetica convenzionale
Encefalo AB_2012_2013
LA MACCHINA (HARDWARE)
Magnete
•Resistivo
•Permanente
•Superconduttivo
•
Campo attualmente più utilizzato 1.5 Tesla
•
in prospettiva - diffusione di 3 Tesla soprattutto
per applicazioni neurologiche
•
oltre 3 Tesla solo ricerca
Risonanza Magnetica convenzionale
Encefalo AB_2012_2013
I molti vantaggi della RM
• Non invasività
• Multiplanarità
• Multiparametricità
• ...
ab/01/2009
Immagini multiplanari
Sagittale
Assiale
Coronale
ab/01/2009
Principali parametri che influenzano
le caratteristiche del segnale RM
• concentrazione dei nuclei
• tempi di rilassamento T1 e T2
• movimenti dei nuclei
– flusso ematico, moti browniani
• “chemical shift”
• presenza di materiali che modificano il
campo magnetico locale (T2*)
ab/01/2009
Sequenze diverse di impulsi RF consentono di
ottenere immagini “pesate” su parametri diversi
Le immagini RM sono state ottenute nei primi anni con
sequenze spin-echo (sequenze di impulsi da
90°-180°), che consentono di ottenere immagini pesate
sui tre principali parametri RM (T1, T2 e DP).
Si sono poi diffuse sequenze più rapide che permettono
di ottenere informazioni simili o diverse rispetto alle
Spin-echo tradizionali
• fast spin-echo (FSE, TSE)
• echo-gradient (GE, FFE ...)
• echo-planar (EPI)
• Con possibilità di integrare lo studio di altri parametri
quali T2*, diffusione ….
Risonanza Magnetica convenzionale
Encefalo AB_2012_2013
Immagini multiparametriche =
contrasto variabile
T1 pesata
T2 pesata
FLAIR
Ad esempio, la sostanza grigia può avere segnale
maggiore o minore della sostanza bianca
ab/01/2009
Che cosa possiamo vedere nelle immagini convenzionali ?
Modificazioni di
• forma/aspetto
• dimensioni
• struttura
• segnale
Definizioni utilizzate per le modificazioni di segnale :
iperintensità, isointensità, ipointensità rispetto a ....
Risonanza Magnetica convenzionale
Encefalo AB_2012_2013
L’immagine “pesata” in T1
Il segnale nelle immagini T1 dipende
dalla velocità di recupero della
magnetizzazione iniziale.
T1 pesata
Il segnale del tessuto adiposo è alto
quello del liquor è basso;
la sostanza grigia ha minor segnale (è
ipointensa) rispetto alla bianca
(grigia-grigia e bianca-bianca)
Immagine anatomica
Risonanza Magnetica convenzionale
Encefalo AB_2012_2013
Immagini T1 - ottime per l’anatomia
Corpo calloso normale
Agenesia del corpo calloso
Risonanza Magnetica convenzionale
Encefalo AB_2012_2013
Immagine “anatomica” T1 - atrofia sottotentoriale
Risonanza Magnetica convenzionale
Encefalo AB_2012_2013
Immagini prima e dopo mdc
(esame normale)
T1 precontrasto
T1 dopo mdc
Mezzi di contrasto paramagnetici (chelati di Gadolinio):
nelle immagini T1 aumentano (potenziano) il segnale nelle zone
in cui raggiungono elevate concentrazioni
ab/01/2009
Immagini T1 - indicate per evidenziare
modificazioni del segnale dopo mezzo di contrasto
in RM convenzionale: potenziamento del segnale =
contrast enhancement da aumento della permeabilità
capillare
pre-contrasto
post-contrasto
Risonanza Magnetica convenzionale
Encefalo AB_2012_2013
L’immagine “pesata” in T2
Il segnale nelle immagini T2 dipende da
“quanto a lungo la risonanza persiste dopo
l’impulso”
T2 pesata
Il grasso ha meno segnale rispetto alla T1;
il liquor ha segnale elevato, come tutto ciò che
ha molta acqua
la sostanza grigia ha segnale maggiore (è
iperintensa) rispetto alla bianca
(contrasto invertito rispetto alla T1)
Immagine “dell’acqua”
utile per la ricerca di patologie
Risonanza Magnetica convenzionale
Encefalo AB_2012_2013
L’immagine “pesata” in T1, T2 , FLAIR, DWI
Le immagini FLAIR sono caratterizzato
dall’abbattimento del segnale del liquor, che
appare scuro
FLAIR e DP
la sostanza grigia ha un segnale maggiore
rispetto alla bianca
(contrasto invertito rispetto alla T1)
Nelle FLAIR il segnale ridotto del liquor
permette di vedere meglio che ciò che è bianco
in T2 ma non è liquido (ad esempio, edema)
Liquor nero
meglio della T2 per la ricerca di patologie in
prossimità del liquor
Risonanza Magnetica convenzionale
Encefalo AB_2012_2013
!"#$%!&'()'*+'*,#%-##-%!.!#%(/'!
FLAIR
!"#$%&'
%(#")*%
!"#$%!&'()'*+'*,#%-##-%!.!#%(/'!
immagini T2
%(#")*%+
,"#(*,%&'
immagini T2
%(#")*%+
,"#(*,"-."((","#(*,%&'
!"#$%!&'()'*+'*,$0)!"$*1
"!2-)$
!!"#$#%!&'!((
!!)*+*,-#,($*.+#!/#0.-12#
T1
T2
FLAIR
.:4;0+:980<4/523480+=0+
'/012+34567489
>085?2@-#2A07
FLAIR
!"#$%!&'()'*+'*,$0)!"$*.*')/'!33!&'()$
T1
T2
FLAIR
!)#..(%!34!((
!!*$-5(,*6-!)*6+,(%!)-6+",7-!)*8!
8-.0"(00-#
B$&
T1
T2
FLAIR
!!"#$#%!99!((
!!6+(+#!)-!$(8*!*5-8*:/#
'759C43019+98:9D54
Danno tessutale - infiammazione
Aumento del contenuto di acqua =
Aumento del segnale in T2
Risonanza Magnetica convenzionale
Encefalo AB_2012_2013
!"#$%!&'()'*+'*,$0)!"$*1
,2"$%(,'*3-"#'4"!
FLAIR
!!"#$#%!;<!((
!!-5#6+*.-(!==>>%!,-)"?-#.*!)*8!
2-6"6!@>
T2
&9/0270+=4+.$
T1 con mdc
Danno strutturale - neoplasia
FLAIR
T1 +mdc
FLAIR
T1 +mdc
Risonanza Magnetica convenzionale
Encefalo AB_2012_2013
FLAIR
Lʼimmagine T2*:
le disomogeneità di campo magnetico locale determinano
una riduzione di intensità di segnale
T2
Risonanza Magnetica convenzionale
Encefalo AB_2012_2013
T2*
Le immagine T2*:
le disomogeneità di campo magnetico locale determinano
una riduzione di intensità di segnale
T2
T2*
Risonanza Magnetica convenzionale
Encefalo AB_2012_2013
0%!+'$)#.$25(*#67
NO!*!NP!$#8+#!7,*2!!6*A"*.?*!,*8(12($*.+*!2*8#/!B18-!5*,!,-8*2(,*!$-/,#A"(.1+C!)-!DE*,,#F!
#!/(8/-G/(?-#.!!H(8+*,.(12(!(2(.?(+(!6*A"*.?*!>IJ!K
!!!!!>"6/*517-8-+L!I*-0M+*)!J$(0-.0
E9:2/0D+=0+C9882
,4350H54;0270
'F2884G04
Immagini multiparametriche =
nella routine oggi cʼè anche la diffusione
DWI
ab/01/2009
FLAIR
T2 pesata
T1 pesata
ADC
mappe di diffusione
Che cosa significano DWI e ADC ?
(di cui si parlerà ampiamente domani)
Il segnale nelle immagini DWI
dipende dai processi di diffusione
molecolare (moti browniani)
E’ importante distinguere le
immagini di segnale (DWI) dalle
mappe parametriche in cui si
rappresenta il valore del
coefficiente di diffusione (ADC =
apparent diffusion coefficient)
perchè in generale ciò che è
bianco in DWI diventa nero in
ADC e viceversa
Risonanza Magnetica convenzionale
Encefalo AB_2012_2013
DWI
ADC
!"#$%!&'()'*+'*,$0)!"$*')*+'//-,'()$*1*$+$3!*1*2$""-"!%'#!8*
DWI
DWI
ADC
ADC
ADC
ADC
'=9F4+<4/2G97052
DWI
'=9F4+501212//052
Sviluppi futuri
Tecnica
– hardware
Metodologia
– mezzi di contrasto
– analisi dei dati
Risonanza Magnetica convenzionale
Encefalo AB_2012_2013
L’ “avanzato”
che diventa routine
SVILUPPI FUTURI :
CAMPO MAGNETICO
DI ELEVATA INTENSITAʼ ?
3T
7T
Risonanza Magnetica convenzionale
Encefalo AB_2012_2013
SVILUPPI FUTURI
LA MACCHINA (HARDWARE)
Bobine
• multicanale
• (ricezione - trasmissione)
• criogeniche
Blow N, Nature technology 2009
Gradienti / elettronica
Apparecchi dedicati
Integrazione con altre tecnologie
Risonanza Magnetica convenzionale
Encefalo AB_2012_2013
SVILUPPI FUTURI
RM “INTRAOPERATORIA” - RM DEDICATA
Risonanza Magnetica convenzionale
Encefalo AB_2012_2013
SVILUPPI FUTURI
INTEGRAZIONE
CON ALTRE TECNICHE
per applicazioni diagnostiche
per applicazioni terapeutiche
Risonanza Magnetica convenzionale
Encefalo AB_2012_2013
apparecchi ibridi
PET-MRI
