Risonanza Magnetica Nuclear Magnetic Resonance (NMR

Risonanza Magnetica
Arturo Brunetti
RM ab2000
Il fenomeno
Nuclear Magnetic Resonance (NMR)
Magnetic Resonance Imaging (MRI)
La tecnica
RM ab2000
1
Historical remarks
Nuclear Magnetic Resonance
The Nobel Prize in Physics
• 1952 "for their development of new methods for
nuclear magnetic precision measurements and
discoveries in connection therewith"
Felix Bloch
1905 - 1983
Edward Mills Purcell
1912 -1987
RM ab2000
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.
(D. Gadian, 1986)
RM ab2000
2
La Risonanza Magnetica Nucleare
(RMN) è un fenomeno che si origina in
nuclei atomici con numero dispari
di protoni e/o neutroni.
RM ab2000
Il nucleo atomico utilizzato per la formazione delle
immagini di Risonanza Magnetica è quello degli
atomi di idrogeno (“protone”).
-
+
Vantaggi:
elevata concentrazione nei tessuti (H2O)
elevato abbondanza isotopica
buon segnale RM
RM ab2000
3
LO “SPIN” NUCLEARE
I nuclei degli atomi di
idrogeno, essendo
dotati di uno “spin” e
di una carica
elettrica, si
comportano come
piccoli dipoli
magnetici
RM ab2000
Gli spin nucleari, sotto l’ azione di un campo
magnetico di intensità adeguata, si orientano lungo
le linee di forza del campo
H0
RM ab2000
4
EQUILIBRIO DI BOLTZMAN
Δn =
N ΔE
(1- e
-t/T1
)
2KT
ΔE = hν (= h γ Bo / 2π)
RM ab2000
Frequenza di precessione (= f. di risonanza)
ω = γ Ηο
ν = γ Ηο/2π
Ηο
Equazione di Larmor
RM ab2000
5
Le frequenze di risonanza dipendono dal tipo di
nucleo e sono direttamente proporzionali all’
intensità del campo magnetico (H).
Le frequenze RMN si trovano nella regione delle
radiofrequenze dello spettro elettromagnetico (1500 MHz) e sono associate a transizioni
energetiche tra livelli vicini, che corrispondono a
diversi stati magnetici dei nuclei.
RM ab2000
L’ energia coinvolta nelle transizioni RMN
E’ minima rispetto alle energie coinvolte nelle
emissioni di raggi X e gamma.
In un campo magnetico di 1 Tesla, il dislivello di
energia tra i protoni paralleli e antiparalleli è =
-7
1.759 x 10 eV
RM ab2000
6
Gli assi di rotazione dei nuclei (“spin”) si orientano in parte
appena superiore al 50%(1/1000000) con verso parallelo al
campo magnetico e in parte appena inferiore al 50% con
verso antiparallelo
Ho
RM ab2000
La somma dei vettori prevalenti con verso parallelo al
campo magnetico principale costituisce il vettore di
magnetizzazione macroscopica “M” (longitudinale),
utilizzato per spiegare il fenomeno RM secondo i principi
della fisica classica.
Ho
+
+
=
M
RM ab2000
7
L’ impulso
Con l’impulso dato dalla bobina (campo
magnetico oscillante a “RF”) alcuni nuclei
assumono energia modificando il loro spin da
parallelo a antiparallelo.
Ciò modifica il valore del vettore M
(magnetizzazione longitudinale) lungo l’ asse z.
La durata dell’ impulso RF determina l’angolo
di deflessione del vettore M.
RM ab2000
z
Ho
y
x
H1
RM ab2000
8
Ho
M
M
H1
Equilibrio
Impulso di 45 °
RM ab2000
ROTATING FRAME
Vettore M
Giradischi
RM ab2000
9
ROTATING FRAME
Il vettore M ha un movimento di
precessione attorno alla direzione del
campo magnetico principale Ho.
Per descrivere il fenomeno RMN più
semplicemente, è stato introdotto il
concetto di “rotating frame” che ci
permette di studiarlo come se ruotassimo
anche noi insieme a M. In detto sistema il
vettore M è apparentemente fermo.
RM ab2000
Il segnale RM
Si determina con il ritorno del vettore M alla
posizione di equilibrio.
Prende il nome di FID (Free Induction Decay)
RM ab2000
10
Componenti di M dopo un impulso a 90°
T1
T2
RM ab2000
Tempo di rilassamento T1
(rilassamento longitudinale - spin -reticolo
“spin-lattice”)
Tempo di rilassamento T2
(rilassamento trasversale - spin -spin
“spin-spin”)
RM ab2000
11
Il segnale RM
L’ ampiezza iniziale del segnale
dipende dalla quantità di protoni
presenti nel campione (Densità
Protonica, DP, N[H])
La velocità di ritorno all’ equlibrio è
influenzata dai “tempi di rilassamento”
T1 e T2.
RM ab2000
IL SEGNALE RM
I principali parametri che influenzano
la formazione del segnale RM sono:
densità dei nuclei
tempi di rilassamento T1 e T2
movimenti dei nuclei
“chemical shift”
presenza di materiali che modificano
il campo magnetico locale
RM ab2000
12
Il misuramento del rilassamento T1
La componente del vettore M lungo l’ asse z non è
vista dalla bobina, per cui le modifiche dei rapporti
tra spin paralleli e antiparalleli non producono
segnale di per sè.
Il processo di rilassamento longitudinale pertanto
può essere misurato solo con delle sequenze di
impulsi disegnate in modo da essere sensibili al
recupero della magnetizzazione longitudinale.
RM ab2000
Il rilassamento T1, spin-lattice, longitudinale
(recupero della magnetizzazione lungo l’ asse z )
Terminato l’ impulso, il ristabilimento delle
condizioni di partenza (con minima prevalenza degli
spin paralleli alla direzione del campo magnetico
principale) avviene con andamento esponenziale con
costante di tempo T1.
RM ab2000
13
Il rilassamento T2, spin-spin, trasversale
Al termine dell’ impulso RF gli spin sono in fase;
subito dopo cominciano a sfasarsi.
Quando lo sfasamento è completo la somma degli spin
sul piano xy è = 0, e la bobina non riceve più segnale.
Lo sfasamento ha un andamento esponenziale, con
costante = T2 ed è espressione di interazione degli
spin tra loro.
RM ab2000
Il rilassamento T2
Le disomogeneità locali del campo magnetico
possono accelerare il processo di sfasamento
degli spin che avviene con una costante reale T2*
(“T2 star”, o “T2 asteriscato”, in italiano).
La presenza di materiali magnetici (ferro etc)
può accelerare notevolmente il rilassamento
specie con campi magnetici di intensità superiore
a 1T.
RM ab2000
14
Magnetizzazione
Longitudinale
1-e
t
T1
T1
Tempo
RM ab2000
Il misuramento del rilassamento T1
La componente del vettore M lungo l’ asse z non è vista
dalla bobina, per cui le modifiche dei rapporti tra spin
paralleli e antiparalleli non producono segnale di per sè.
Il processo di rilassamento longitudinale pertanto può
essere misurato solo con delle sequenze di impulsi disegnate
in modo da essere sensibili al recupero della
magnetizzazione longitudinale.
RM ab2000
15
Il rilassamento T2, spin-spin, trasversale
Al termine dell’ impulso RF gli spin sono
in fase; subito dopo cominciano a
sfasarsi.
Quando lo sfasamento è completo la
somma degli spin sul piano xy è = 0, e la
bobina non riceve più segnale.
Lo sfasamento ha un andamento
esponenziale, con
costante = T2 ed è espressione di
interazione degli spin tra loro.
RM ab2000
Magnetizzazione
Trasversale
T2
e
t
T2
Tempo
RM ab2000
16
Il rilassamento T2
Le disomogeneità locali del campo magnetico
possono accelerare il processo di sfasamento degli
spin che avviene con una costante T2*.
La presenza di materiali magnetici (ferro etc) può
accelerare notevolmente il rilassamento specie
con campi magnetici > 1T.
RM ab2000
Il T1 è più lungo del T2 , poichè quando non
esiste più il vettore di magnetizzazione
trasversale, il vettore di magnetizzazione
longitudinale non ha ancora raggiunto la
lunghezza che possedeva prima dell’impulso di
RF
T1 > T2
RM ab2000
17
Le immagini RM di routine
Sono ottenute in modo da rappresentare
prevalentemente:
T1, T2 e DP
utilizzando la sequenza spin-echo
RM ab2000
Image Contrast
T1 pesata
T2 pesata
T1
T2
ρ
GM
950
100
0.8
WM
600
80
0.65
CSF
4500
2200
1.0
Densità protonica
RM ab2000
18
La localizzazione spaziale del segnale
Bo = 1 T
1.01 T
0.99 T
RM ab2000
Historical remarks
Nuclear Magnetic Resonance
The Nobel Prize in Physiology or Medicine
• 2003 for their discoveries concerning
"magnetic resonance imaging"
Paul C. Lauterbur
1929 -
Sir Peter Mansfield
1933 -
RM ab2000
19
Nuclear Magnetic Resonance
The Nobel Prize in Physiology or Medicine
• 2003 discoveries concerning "magnetic resonance imaging"
Especially valuable for examination of the brain and the
spinal cord
Important preoperative tool
Improved diagnostics in cancer
Reduced suffering for patients
RM ab2000
La localizzazione spaziale del segnale
avviene creando dei gradienti di campo sugli
assi x, y e z.
In questo modo ogni elemento del corpo in
esame è sottoposto ad un campo diverso e
risuona ad una frequenza leggermente diversa
dagli altri.
RM ab2000
20
Attraverso l’ analisi delle componenti del
segnale acquisito in presenza di
“gradienti di campo” è possibile ottenere
l’ informazione “spaziale” necessaria a
ricostruire le immagini tomografiche.
RM ab2000
CODIFICA SPAZIALE IN RM
1
Selezione dello strato
con un gradiente lungo
l’ asse z.
Tutti i voxel dello strato
hanno uguale frequenza
di risonanza e sono in
fase.
RM ab2000
21
CODIFICA SPAZIALE IN RM
2
Codifica di fase con il
gradiente y.
Tutti i voxel dello strato
hanno uguale frequenza
di risonanza ma
ciascuna fila ha una fase
diversa.
RM ab2000
CODIFICA SPAZIALE IN RM
3
Codifica di frequenza
lungo l’ asse x durante
la lettura .
Ciascun voxel dello
strato ha una diversa
combinazione di fase e
frequenza.
RM ab2000
22
For further information
http://www.cis.rit.edu/htbooks/mri/inside.ht
m
J, Hornak, PhD, University of Rochester , NY
Traduzione italiana a cura del Dott.
Larobina
RM ab2000
Le sequenze RM
La maggior parte delle immagini RM sono state
ottenute fino a poco fa con sequenze spin-echo,
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).
RM ab2000
23
La sequenza SPIN-ECHO
E’ stata sviluppata per ovviare agli effetti determinati
dalle disomogeneità del campo magnetico.
Si basa sull’ applicazione di una coppia di impulsi (90°
+ 180°) dei quali il primo ruota il vettore M sul piano
xy, il secondo rimette in fase gli spin permettendo la
lettura di un segnale che viene definito “echo”.
La bobina ricevente “legge” meglio l’ echo rispetto al
FID prodotto dall’ impulso di 90°.
RM ab2000
TE
τ
RF
90°
τ
180°
Impulsi RF (“ a radiofrequenze)
90°
TR
Selezione dello strato
Gz
Gy
SEQUENZA SPIN ECHO
Gy1
Codifica di fase
Gy2
Codifica di lettura
Gx
FID
Echo
24
La sequenza spin-echo
E’ definita da:
TR : Tempo di ripetizione (intervallo tra
due impulsi successivi a 90°)
TE = tempo di echo (intervallo fra l’
impulso a 90° e il massimo dell’ echo)
RM ab2000
La sequenza spin-echo
Sequenze con TR corto (< 600 msec) e TE corto
(<30 msec) danno immagini T1
Sequenze con TR lungo (> 2000 msec) e TE corto
(<30 msec) danno immagini DP
Sequenze con TR lungo (> 2000 msec) e TE lungo
(>80 msec) danno immagini T2
RM ab2000
25
Le immagini RM
In un esame RM si ottengono dalle
stesse strutture multiple serie di
immagini influenzate ( “pesate”) su
parametri fisici diversi
RM ab2000
I TRE SEGNALI FONDAMENTALI
FID
UN IMPULSO RF
SPIN ECHO
DUE IMPULSI RF
STIMULATED ECHO
TRE IMPULSI RF
RM ab2000
26
SEQUENZA RM
TEMPO DI ACQUISIZIONE
T = TR x N. codifiche di fase x N. “medie”
Sequenza SE T1 T = 500 msec x 256 x 3 = 6,4 min
Sequenza SE T2 T = 2000 msec x 256 x 1 = 8,5 min
RM ab2000
MISURAZIONE DI R2 (1/T2)
90° 180°
R2
R2*
FID
1° echo
2° echo
3° echo
RM ab2000
27
MISURAZIONE DI R1 (1/T1)
RM ab2000
L’ acquisizione delle immagini
Le sequenze spin-echo sono in genere
“multislice”. Più strati sono acquisiti in un’ unico
tempo.
Il tempo complessivo per il completamento di una
sequenza spin-echo dipende dal campionamento
spaziale (256, 128 passi), dal tempo di ripetizione
(TR) e dal numero di misurazioni (medie,
averaging)
RM ab2000
28
La ricostruzione delle immagini
Avviene utilizzando
la trasformata di Fourier
(2D-FT)
RM ab2000
La trasformata di Fourier
Permette di trasformare i dati temporali
(FID, echi etc) acquisiti dalle bobine in
linee di frequenza che indicano la
concentrazione di spin alle varie frequenze
(protoni/voxel).
RM ab2000
29
Il tomografo RM
Magnete con campo ...
(0.3 - 3Tesla)
RM ab2000
Tipi di magnete per MRI
RESISTIVO
PERMANENTE
SUPERCONDUTTORE
RM ab2000
30
I componenti del tomografo RM
Gantry
Computer
Consolle di comando
RM ab2000
I componenti del gantry RM
Magnete principale
Bobine di shimming
Circuiti per i gradienti di campo
Bobina body per la eccitazione e
la raccolta del segnale
RM ab2000
31
BOBINE RM
Bobina “body” generale
Bobine dedicate (cranio, collo, arti ....)
RM ab2000
TRASMETTITORE
CONSOLLE DI
COMANDO
AMPLIFICATORE
DEI GRADIENTI
BOBINE RF
BOBINE DI
STAMPANTE
LASER
COMPUTER
GRADIENTE
BOBINE RF
ARCHIVIAZIONE
RICEVITORE
DIGITALIZZATORE
RM ab2000
32
REFERTAZIONE DELLE IMMAGINI RM
Descrizione delle sequenze di impulsi
utilizzate e/o del tipo di immagini acquisite
Descrizione del reperto “morfologico” e delle
modificazioni patologiche del segnale
RM ab2000
REFERTAZIONE DELLE IMMAGINI RM
Riferimento alla “intensità di segnale”
nelle varie sequenze (T1, T2, DP)
Iperintensità, isointensità, ipointensità ...
Segnale elevato, intermedio, basso,...
...assenza di segnale
RM ab2000
33
ESAME RM
Scelta della bobina e posizionamento del paziente
Sequenze “localizer”
Sequenze di scansione
(tipo, orientamento spaziale, spessore e intervallo
tra gli strati, FOV, ....)
RM ab2000
SEQUENZE RM “TRADIZIONALI”
SPIN ECHO
PARTIAL SATURATION
INVERSION RECOVERY
RM ab2000
34
SEQUENZA RM
TEMPO DI ACQUISIZIONE
T = TR x N. codifiche di fase x N. “medie”
Sequenza SE T1 T = 500 msec x 256 x 3 = 6,4 min
Sequenza SE T2 T = 2000 msec x 256 x 1 = 8,5 min
RM ab2000
RIDUZIONE DEL TEMPO DI ACQUISIZIONE
RIDUZIONE DI TR
DIMINUZIONE DELLE CODIFICHE DI FASE
DIMINUZIONE DELLE “MEDIE”
RM ab2000
35
RIDUZIONE DEL TEMPO DI ACQUISIZIONE
RIDUZIONE DI TR
DIMINUZIONE DELLE CODIFICHE DI FASE
DIMINUZIONE DELLE “MEDIE”
AUMENTO DELLA VELOCITA’ DI
CAMPIONAMENTO SPAZIALE
DIMINUZIONE DELLE CODIFICHE DI FASE
=
RIDUZIONE DELLA RISOLUZIONE SPAZIALE
DIMINUZIONE DELLE “MEDIE”
=
RIDUZIONE DEL RAPPORTO SEGNALE / RUMORE
RM ab2000
36
SEQUENZE RM “VELOCI”
GRADIENT ECHO
TURBO SPIN ECHO
ECHO PLANAR
RM ab2000
SEQUENZE VELOCI A ECO DI GRADIENTE
FLASH
Fast Low Angle Shot
FISP
Fast Imaging with Steady
Precession
GRASS
Gradient Recalled Acquisition in
the Steady State
Siemens
GE
Philips
FFE
Fast Field Echo
37
RIDUZIONE DEL TEMPO DI RIPETIZIONE
Le sequenze “veloci” a echo di gradiente permettono
di ridurre significativamente il tempo di acquisizione
attraverso la riduzione del TR associata a una
riduzione dell’ angolo di ribaltamento (“flip angle”)
della magnetizzazione longitudinale M.
RM ab2000
Sequenza veloce con inversione di gradiente
TR = 100 msec
RF
30°
30°
Gz
Gy
Gy1
Gy2
SEQUENZA GRASS
38
TR = 100 msec
RF
30°
30°
Gz
Gy
Gy1
Gy2
Gx
Echo “di gradiente”
SEQUENZE VELOCI CON
AUMENTO DEL CAMPIONAMENTO SPAZIALE
DURANTE OGNI IMPULSO
TURBO - SPIN ECHO
(riduzione tempo di acquisizione ≥ 50%)
ECHO - PLANAR
(riduzione tempo di acquisizione ≥ 90%)
RM ab2000
39
SEQUENZE VELOCI CON
AUMENTO DEL CAMPIONAMENTO SPAZIALE
DURANTE OGNI IMPULSO
TURBO SPIN-ECHO
RM ab2000
SEQUENZE VELOCI CON
AUMENTO DEL CAMPIONAMENTO SPAZIALE
DURANTE OGNI IMPULSO
ECHO - PLANAR
RM ab2000
40
Velocità di acquisizione dei dati fMRI
90°
Echo Planar imaging (Mansfield – Nobel 2003)
RF
Gz
Gy
Gx
Echo
Signal
K phase
K frequency
RM ab2000
ANGIOGRAFIA RM
(MRA)
TIME-OF-FLIGHT
PHASE CONTRAST
RM ab2000
41
ANGIOGRAFIA RM
(MRA)
Imaging delle strutture vascolari
utilizzando il segnale proveniente
dai protoni in movimento nel sangue
senza somministrare mezzi di contrasto
RM ab2000
IL RAPPORTO SEGNALE-RUMORE
DIMENSIONE DEL VOXEL
NUMERO DI “MEDIE”
TR & TE
LARGHEZZA DI BANDA
TIPO DI BOBINA
CAMPO MAGNETICO
42
RISCHI DELLA RM
CAMPO MAGNETICO STATICO
CAMPI MAGNETICI OSCILLANTI
(IMPULSI “RF”)
ATTIVAZIONE / DISATTIVAZIONE DEI
GRADIENTI DI CAMPO
RM ab2000
RISCHI DELLA RM
SEGNALETICA SPECIFICA
CONTROLLO ACCURATO DELL’ ACCESSO
ALLA DIAGNOSTICA
ANAMNESI
UTILIZZO DI “METAL DETECTORS”
CONTROLLI RADIOGRAFICI
43
SOGGETTI CHE NON POSSONO
ESSERE SOTTOPOSTI A RM
portatori di pace-makers
operati su strutture vascolari con clips ferromagnetiche
portatori di neurostimolatori o pompe di infusione
portatori di corpi estranei metallici (scheggie, proiettili)
RM ab2000
POSSONO (!)
ESSERE SOTTOPOSTI A RM
portatori di impianti metallici non ferromagnetici
portatori di protesi “ortopediche” (anca, ginocchio ...)
donne gravide
per avere dati non ottenibili con ecografia e
per evitare indagini con radiazioni ionizzanti
in caso di indifferibile esigenza clinica
RM ab2000
44
POSSONO ESSERE DANNEGGIATI
DAL CAMPO MAGNETICO
CARTE MAGNETICHE (di credito, telefoniche....)
OROLOGI ANALOGICI
DISCHI - NASTRI MAGNETICI
CALCOLATRICI - MACCHINE FOTOGRAFICHE
RM ab2000
DOSIMETRIA RM
CAMPO OSCILLANTE (“RF”)
ESPOSIZIONE
Watt/m2
ASSORBIMENTO
Watt/Kg
RM ab2000
45
LINEE GUIDA DELLA FDA
CAMPO MAGNETICO STATICO ≤ 2 TESLA
VELOCITA’ DI VARIAZIONE DEL CAMPO
MAGNETICO ≤ 3 TESLA/SEC
RM ab2000
LINEE GUIDA DELLA FDA
LIMITI DI SAR
(Specific Absorption Rate)
CORPO INTERO : 0.4 Watt/Kg
SINGOLO TESSUTO: 0.02 Watt/g
RM ab2000
46
SVILUPPI DELLA RM
SISTEMI APERTI
SISTEMI DEDICATI
IMAGING FUNZIONALE
SPETTROSCOPIA
RM ab2000
Progress in NMR is so rapid and the future is so bright
that one of the great problems will be to develop a new
breed of radiologists who are versatile in biochemistry,
mathematics and computers as well as in morphologic
anatomy and patholgic physiology. As times goes on,
advances in NMR will be achieved by teams of clinical
and basic scientists encompassing multiple disciplines.
C.B. Higgins, 1983
RM ab2000
47