la risonanza magnetica

LA RISONANZA
MAGNETICA
I PRINCIPI FISICI
DELLA RM
Principi
di
Risonanza
Magnetica
La Risonanza Magnetica consta di
quell’insieme di tecniche che,
sfruttando le capacità magnetiche ed
elettriche dell’elettrone, permette di
studiare i tessuti biologici attraverso la
valutazione dell’assorbimento di
energie a radiofrequenze e di
microonde da parte dell’elettrone
sottoposto ad un campo magnetico
esterno.
Caratteristica fondamentale della
Risonanza Magnetica (MR) è
quella di impiegare radiazioni
elettromagnetiche a basso
contenuto energetico che non
modificano né distruggono le
sostanze da studiare e che non
hanno effetti dannosi sulle
molecole biologiche
La Risonanza Magnetica
(RM)
è l’applicazione
nel campo della
diagnostica medica
della Risonanza Magnetica Nucleare,
la cui scoperta risale a più
di 40 anni fa.
Nel 1946
Purcell
ad
Harvard
Bloch
a
Stanford
osservarono che:
Quando un atomo, con un numero dispari di protoni e/o neutroni,
è posto in un campo magnetico, il suo nucleo si allinea in senso
parallelo o antiparallelo alla direzione delle linee di forza del
campo stesso, e , ruota intorno al proprio asse ad una
frequenza specifica
(frequenza di LARMOR).
Fornendo energia sotto forma di onde radio
sintonizzate sulla frequenza di Larmour, il nucleo
assorbe questa energia e si pone in uno stato
instabile.
Dopo che l’impulso di RF è cessato, il nucleo ritorna alla
condizione iniziale, emettendo un’onda radio che può
essere captata e ad analizzata dall’apparecchio.
LE VARIE FASI DELLA ESECUZIONE
DI UN ESAME RM :
• il paziente è posto in un magnete
(campo magnetico)
• è inviato un impulso di radiofrequenza
• viene interrotto l’impulso
• il pz emette un segnale che viene
rilevato e impiegato per la
formazione dell’ immagine.
CHE SUCCEDE QUANDO INTRODUCIAMO UN
PAZIENTE IN UN MAGNETE ?
Il campo magnetico del paziente,
per influenza del
CAMPO MAGNETICO ESTERNO,
CME
subisce una variazione, per cui tutti gli atomi (protoni) si
orientano secondo la direzione del CME.
Si determina in tal modo un
momento magnetico significativo,
espressione del campo magnetico del pz stesso.
…Consideriamo
il corpo umano come un
insieme di
atomi,
formati da un
nucleo centrale
e da una
nube elettronica circostante.
Il nucleo è costituito da
neutroni, con carica nulla,
e da
protoni, con carica positiva.
I protoni ruotano
costantemente intorno al proprio asse, questo movimento è detto
SPIN;
Lo spin (detto anche momento angolare) è una
grandezza vettoriale, che ha un valore pari a +/- ½ .
Alcuni nuclei atomici come
H1, P31, C13, possiedono
uno spin intrinseco, ovvero
essi ruotano sul proprio
asse, generando un campo
magnetico, detto momento
magnetico nucleare.
In definitiva possono essere
considerati dei dipoli che
sono normalmente orientati
casualmente ma che se
sottoposti all’azione esterna
di un campo magnetico si
allineano secondo la
direzione di quest’ultimo.
Quantità
nel
Specie
corpo
Spin
nucleare
umano
(g)
Sensibili
tà MR
1H
6930.02
1/2
1
13C
160.0
1/2
0.000028
4
14N
1793.3
1
0.000018
8
17O
15.9
5/2
0.000003
9
19F
2.6
1/2
0.000016
5
23Na
100.0
3/2
0.000058
5
31P
780.0
1/2
0.000242
8
In RM il nucleo
studiato è l’1H che
ha spin 1/2 e può,
quindi, essere
osservato in due
soli stati: spin-insu e spin-in-giù
spin-in-su

spin-in-giù

Ogni nucleo magnetico possiede
anche un’altra importante
proprietà fisica: la carica elettrica,
cui è associato un momento
magnetico: µ µ
La carica elettrica connessa al protone gira insieme ad esso:
una carica elettrica in movimento determina un
CAMPO ELETTRICO.
Dove è presente un campo elettrico è sempre presente un
campo magnetico.
In assenza di
UN CAMPO MAGNETICO
ESTERNO,
ogni protone si orienta in
maniera casuale nello
spazio, per cui
IL MOMENTO MAGNETICO
sarà zero.
Applicando
UN CAMPO MAGNETICO ESTERNO
(omogeneo e costante nel tempo)
le singole particelle si orientano secondo la direzione del campo magnetico,
così come l’ago di una bussola si orienta secondo la direzione del campo
magnetico terrestre, disponendosi con verso parallelo o antiparallelo.
Questi allineamenti presentano di
un diverso livello energetico;
naturalmente lo stato energetico preferito è quello
a
livello energetico minore:
È come se camminassimo sui piedi,
oppure, in senso antiparallelo, sulle mani.
Indubbiamente camminare sui piedi richiede
minor fatica ed è quindi paragonabile ad
un livello energetico minore.
PRECESSIONE
I protoni non sono fissi; girano su se stessi
con un movimento detto
PRECESSIONE.
Considerando che l’asse
magnetico del protone
tende a disporsi secondo
la direzione del campo
magnetico in maniera
oscillante, e che, tale
oscillazione si combina
con il moto rotatorio
proprio della particella
(SPIN), avremo un
movimento complesso di
rotazione su una
superficie conica avente
come asse la direzione
del campo magnetico.
Il movimento è molto simile a quello di una trottola, che oscilla intorno al proprio asse di
rotazione.
E’ importane conoscere la velocità di questo movimento misurata come
frequenza di precessione: N° PRECESSIONI IN UN SECONDO
La velocità del movimento di precessione,
misurata come una frequenza, aumenta in
modo proporzionale all’intensità del campo
magnetico esterno, e varia da atomo ad atomo
in funzione della costante giromagnetica.
La relazione che lega queste grandezze è detta
equazione di Larmor.
ω0 = g B 0
ω0= velocità angolare di precessione o frequenza di precessione
g= costante giromagnetica (tipica di ogni elemento)
B0= forza del CME misurato in Tesla
Usando un sistema di coordinate (x, y, z) dove “z” è parallelo alla
direzione del campo magnetico, si può descrivere meglio il
movimento magnetico dei protoni nel campo magnetico
nonché rappresentare il campo magnetico esterno:
Consideriamo 8 protoni, introdotti nel nostro
sistema XYZ; di questi 6 precedono in senso
parallelo alle linee del campo magnetico
esterno, 2 presentano un movimento di
precessione in senso antiparallelo.
Ricordando che le forze magnetiche con direzione e
verso opposto
si annullano reciprocamente,
avremo un vettore magnetico risultante, corrispondente alla somma
delle forze magnetiche non controbilanciate.
Questo vettore, dato dalla somma dei vettori
che erano puntati verso l’alto, ha una
direzione parallela a quella del campo
magnetico esterno.
Questo dimostra che posizionando un
paziente in un apparecchio ad RM,
come in un qualsiasi
campo magnetico,
questi si comporta
come un
magnete,
formando
esso stesso
un
campo magnetico.
I vettori dei protoni
che non si annullano
reciprocamente,
si sommano tra loro;
essendo questa
magnetizzazione
orientata in senso
longitudinale a quella
del campo magnetico
esterno è chiamata
MAGNETIZZAZIONE
LONGITUDINALE.
Non possiamo quantizzare la
magnetizzazione longitudinale,
presentando questa una
direzione parallela
a quella del
campo magnetico esterno.
A tal proposito (ossia per valutare la forza
del campo magnetico del paziente)
è necessario perturbare tale sistema,
di modo che si venga a
generare una nuova magnetizzazione,
ad orientamento trasversale rispetto alla precedente.
In che modo perturbiamo tale sistema?
Inviamo un impulso di radiofrequenza
Ciò che noi inviamo al paziente è un’ onda
elettromagnetica, di breve durata, che noi
chiamiamo impulso di RF, che ha lo scopo di
disturbare i protoni che precedono in modo
regolare, parallelamente al campo magnetico
esterno.
Non tutti gli impulsi radio disturbano l’allineamento
dei protoni, solo alcuni possono cambiare la loro
energia.
Solo quando impulso RF e protoni hanno la
stessa frequenza, questi possono assorbire
energia dall’ impulso radio
un fenomeno chiamato risonanza.
L’impulso deve avere la stessa frequenza
cioè la
stessa velocità
dei
protoni.
Se così non fosse lo
scambio di energia
sarebbe
minore o impossibile
La possibilità di calcolare questa frequenza
con
l’equazione di Larmour
ci permette di conoscere la frequenza dell’
impulso RF da inviare.
Effetti della RF
Dopo l’opportuna
stimolazione con la RF,
alcuni protoni passano da
un livello energetico
inferiore ad uno superiore.
Tale fenomeno determina
una modificazione della
magnetizzazione del
paziente:
Alcuni protoni che puntavano verso l’alto,
dopo l’impulso,
punteranno
verso il basso.
Di conseguenza,
questi annulleranno
le forze magnetiche
di un ugual numero di protoni che puntano verso l’alto;
si avrà una riduzione della
magnetizzazione longitudinale.
Contemporaneamente,
l’impulso RF sincronizza i moti di
precessione di tutti i protoni
( sono “ in fase “ );
E quindi sono ingrado di generare un unico
vettore “somma”,
orientato secondo il verso in cui sono diretti i protoni
che precedono in fase,
In direzione trasversale.
Questo vettore rappresenta la
MAGNETIZZAZIONE TRASVERSALE.
RIASSUMENDO 1\2
L’onda radio ha due effetti sui protoni:
Fa scivolare qualche protone verso un livello
più alto di energia (essi si orientano verso il basso)
e fa sì che i protoni precedano in fase.
Il primo effetto provoca un decremento della
magnetizzazione longitudinale.
Il secondo stabilisce una nuova magnetizzazione
nel piano “X-Y”,
trasversale,
che si muove intorno con i protoni che precedono.
RIASSUMENDO 2\2
La nuova magnetizzazione
- TRASVERSALE –
presentando un movimento costante,
induce una corrente elettrica
( ricordiamo che dove c’è un campo elettrico c’è
sempre un campo magnetico e viceversa ).
In RM
abbiamo un movimento/cambiamento del vettore
magnetico, che induce una corrente elettrica in
un’antenna.
Questo effetto costituisce il segnale RM.
Ulteriori dettagli sul segnale RM
Quando i nostri protoni ruotano in sincronia, cioè in fase, allora noi possiamo
ottenere un segnale RM
Non appena l’impulso RM è
interrotto,
il sistema che era stato disturbato
dall’impulso RF torna
allo stato originale,
allo stato di quiete (si rilassa).
Ulteriori dettagli sul segnale RM
Perché si ha questo ?
Ulteriori dettagli
sul segnale RM
T1=TL=
T
Ulteriori dettagli sul segnale RM
Magnetizzazione trasversale
Ulteriori dettagli sul segnale RM
Magnetizzazione trasversale
Ulteriori dettagli sul segnale RM
T2=Tx2=TT=
Tt
T trasversale
Come ricordare quale sia la curva T1 e quale
la curva T2?
L’ unione delle curve T1 e T2 ricorda una montagna.
Ci vuole più tempo per salire che per scendere; ciò aiuta a
ricordare
che il T1 è più lungo del T2
Riprendiamo l’esempio di poco fa…
Impulso RF 90°ribalta la magnetizzazione di 90°
Cosa succede quando l’impulso RF è interrotto?
I protoni:
•ritornano allo loro stato di energia inferiore
•perdono al coerenza di fase
E’ importante notare
che entrambi i processi si verificano
nello stesso momento ed indipendentemente
Vettore somma
Quindi, invece di rappresentare tutti e due questi vettori,
possiamo utilizzare il loro vettore somma che viene così a rappresentare
il momento magnetico totale di un tessuto.
Dato che tutto questo sistema è in precessione
il vettore somma descriverà tutta la fase di rilassamento
con un movimento spiraliforme
Il segnale RM è generato a
seguito di una eccitazione e
può essere fondamentalmente
di due tipi:
• FID (Free Induction Decay)
• Eco
Segnale FID
Indica il decadimento naturale del
segnale e si rileva
immediatamente dopo aver
fornito al sistema di spin una
energia sufficiente per ottenere
l’eccitazione
Segnale FID
Un impulso radio trasferisce energia
agli spin che assumono un moto di
precessione attorno alla direzione del
campo magnetico statico con
frequenza pari a quella di risonanza
ed angolo via via crescente
F. I. D. = Free Induction Decay
(decadimento per induzione libera)
Segnale FID
Arrestando l’applicazione della radiofrequenza
quando questo angolo è di 90° si instaura una
condizione nella quale gli spin precedono nel
piano perpendicolare alla direzione del campo
magnetico statico e sono pertanto in condizione
di indurre una tensione nella bobina di ricezione
perpendicolare alla direzione del campo
principale
Segnale FID
Il segnale ricevuto, che
costituisce la FID, ha un
andamento sinusoidale alla
frequenza di risonanza degli
spin fino ad annullarsi
Segnale FID
stop
Eccitazione di un sistema spin con un impulso a
radiofrequenza e rilevazione del segnale FID
RF
90°
Segnale
FID
Segnale FID
La perdita di magnetizzazione sul piano
trasversale, correlata allo sfasamento degli
spin, è caratterizzata dal tempo di
rilassamento T2, o spin-spin, in quanto
determinato nei singoli tessuti dalle
disomogeneità strutturali che verificano
interazione consistente tra i singoli spin
Segnale FID
Trascorso un tempo dell’ordine di alcune volte T2 non si
ha più segnale rilevabile dalla bobina di ricezione ma gli
spin sono ancora nella condizione “eccitata” (ovvero stanno
ancora precedendo con un angolo diverso da zero rispetto alla direzione del
campo magnetico).
Con il trascorrere del tempo essi torneranno lentamente
a riposo (ovvero nella condizione iniziale di orientamento secondo il
campo magnetico statico).
La costante di tempo che rappresenta questo
ritorno all’equilibrio è convenzionalmente
denominata T1
Segnale FID
Il segnale FID ha una grande
importanza concettuale in quanto
rappresenta il fenomeno della
Risonanza Magnetica allo stato puro,
ma ha scarso interesse pratico
Segnale Eco
Se si applica un impulso a RF di 180°
dopo un tempo maggiore di T2 ma minore
di T1 (cioè dopo che il segnale è
completamente decaduto ma prima che gli
spin abbiano riguadagnato la condizione di
equilibrio) è possibile ricostruire la iniziale
coerenza di fase ed osservare un’ “eco”
che è una replica della FID originale
Segnale Eco
90°
180°
RF
90°
FID
180°
Eco
L’applicazione di un impulso a 180° inverte il moto relativo
degli spin e ricupera la coerenza di fase generando una eco
Imaging
Come si può selezionare il piano da esaminare?
Per esaminare solo un piano specifico,
viene sovrapposto a quello esterno un
secondo campo magnetico avente
forza diversa nei diversi punti
Nell’ illustrazione, la
forza del campo magnetico
risultante crescente da 1,4 T ai piedi
fino a 1,6 T al capo.
Poiché la forza del campo magnetico e
la sequenza di precessione/risonanza
sono direttamente correlate
(equazione di Larmor), la frequenza di
risonanza ai piedi è di circa 60 mHz,
mentre di 68 mHz alla cima del capo.
Gradiente di Campo
Selezionando una certa frequenza di impulso RF noi
determiniamo
la frequenza della sezione in esame
Imaging
Possiamo selezionare lo spessore del
piano in due modi:
1) Inviando un impulso RF con un più
ampio range di frequenze
64-65 mHz slice 1
64-64.5  slice 2 < slice1
2) Usando la stessa fascia di
radiofrequenze lo spessore del
piano potrebbe essere modificato
allora dalla variazione del gradiente
di campo
a) 64 – 65 mHz  slice 1
=
c) 64 – 65 mHz  slice 3
a) Range 60-68 mHz
c) Range 56-72 mHz
Imaging
Gradiente di codifica
della frequenza
Imaging
Gradiente di codifica della fase
RISONANZA MAGNETICA

CARATTERISTICHE:

MULTIPLANARE

MULTIPARAMETRICA

ALTA RISOLUZIONE DI CONTRASTO

ALTA RISOLUZIONE TEMPORALE

NON UTILIZZA RADIAZIONI
IONIZZANTI
1982
magnete resistivo, 0,2 Tesla
Dipartimento di Fisica
Università di Roma La Sapienza
COMPONENTI DI UN
SISTEMA RM
COMPONENTI DI UN TOMOGRAFO
RM
1. Magnete
3. Gradienti
4. Sistema di Elaborazione
2. Bobine
COMPONENTI DI UN TOMOGRAFO
RM
Magnete
Il compito principale del magnete è di
produrre un campo statico che serve a
differenziare i livelli energetici degli spin
in modo da renderli suscettibili al
processo di eccitazione e capaci di
produrre un segnale.
COMPONENTI DI UN TOMOGRAFO
RM
Caratteristiche del campo magnetico
• intensità
• omogeneità
• stabilità
COMPONENTI DI UN TOMOGRAFO
RM
MAGNETE
•Magneti Permanenti
•Magneti Resistivi
• Magneti Superconduttivi
COMPONENTI DI UN TOMOGRAFO
RM
MAGNETI PERMANENTI e
RESISTIVI:
•Intensità di campo non superiore a 0.5T
• Disomogeneità di campo, facile deterioramento
•Magneti dedicati ed aperti
• Costo relativamente basso (gestione)
ARTOSCAN (ESAOTE - ITALIA)
COMPONENTI DI UN TOMOGRAFO
RM
MAGNETI SUPERCONDUTTIVI:
• Costituiti da bobine nelle quali passa
corrente elettrica
•Materiali criogenici
• Costo elevato
• Alta intensità di campo
• Alta stabilita’ di campo
COMPONENTI DI UN TOMOGRAFO
RM
MAGNETE
GRADIENTI
TOMOGRAFO A
RM
SISTEMA A
RADIOFREQUENZA
COMPONENTI DI UN TOMOGRAFO
RM
GRADIENTI di campo magnetico:
• Deformano il campo in modo
controllato per imporre gli elementi di
discriminazione spaziale nella risposta
degli spin
•GRADIENTI DI SELEZIONE DI STRATO
•GRADIENTI DI CODIFICA DI FASE
•GRADIENTI DI CODIFICA DI FREQUENZA
COMPONENTI DI UN TOMOGRAFO
RM
MAGNETE
GRADIENTI
TOMOGRAFO A
RM
SISTEMA A
RADIOFREQUENZA
COMPONENTI DI UN TOMOGRAFO
RM
SISTEMA A RADIOFREQUENZA:
Bobina di eccitazione
COMPONENTI DI UN TOMOGRAFO
RM
Bobina di Eccitazione o Trasmissione
•Si trova all’interno del magnete
•Viene utilizzata per la trasmissine
delle RF per tutti tipi di esami RM
•Viene utilizzata come bobina ricevente
per lo studio del torace e dell’addome
•Body coil
Bobina di ricezione:
Cranio
•Volume
collo
addome
ginocchio
•Superficie
•Phased array
Piatte , flessibili
Endocavitarie
Unita’ in parallelo
Informazioni contenute nel
segnale RM
Il segnale RM è il risultato della
somma di una molteplicità di segnali
provenienti dai singoli spin, ciascuno
dei quali è caratterizzato da un valore
di frequenza e dai tempi di
decadimento T1 e T2
Informazioni contenute nel
segnale RM
Se il campione è omogeneo si può
assumere che i singoli spin si
comportano allo stesso modo e si
possono quindi ottenere informazioni
sulla abbondanza degli spin e sui loro
tempi di rilassamento caratteristici
Informazioni contenute nel
segnale RM
Se il campione non è omogeneo gli spin
risuoneranno a frequenze diverse e
sarà possibile, analizzando
matematicamente il segnale, ricavare
informazioni circa l’abbondanza delle
varie classi di spin e la struttura
molecolare che li circonda: è questo il
fondamento della spettroscopia RM
RISONANZA MAGNETICA in
DIAGNOSTICA PER IMMAGINI
La semeiotica di base della Risonanza
Magnetica, si basa sostanzialmente sulla
valutazione dell’intensità del segnale evocato
dal campione.
Il segnale evocabile è variabile in relazione al
tipo di sequenza impiegato, in quanto,
contrariamente a quanto avviene per altre
tecniche di diagnostica per immagini, la RM
fornisce un imaging di tipo multiparametrico
In pratica questo vuol dire che noi non
esploriamo, come avviene per esempio per la
TC, una sola caratteristica, ma abbiamo la
possibilità di valutare differenti caratteristiche
del tessuto.
Queste caratteristiche sono legato
fondamentalmente alle proprietà magnetiche
intrinseche delle differenti componenti tissutali
e sono rappresentate dal tempo di rilassamento
T1, dalla densità protonica e dal tempo di
rilassamento T2
ampiezza scala dei
T1
dell’eco
grigi
Immagini
T1 pesate
Immagini
T2 pesate
T2
lungo
breve
Angio RM
lungo
cisti
breve
cisti
ag superparamagnetico
I MEZZI DI CONTRASTO in
RM
Vengono distinti, in relazione alla loro
farmacocinetica, in due grandi categorie:
- Mezzi di contrasto interstiziali
- Mezzi di contrasto organo-specifici
In base alle loro caratteristiche
magnetiche vengono invece distinti in:
Paramagnetici
superparamagnetici
I mezzi di contrasto paramagnetici (chelati
del Gadolinio) agiscono abbattendo il
tempo di rilassamento T1;
I mezzi di contrasto superparamagnetici
agiscono sia sul T1 che sul T2 , ma con
un effetto maggiore sul T1 e
determinano un netto abbattimento del
rilassamento T1 e T2
VENA
PERIFERICA
CUORE
DESTRO
CIRCOLO
POLMONARE
CUORE
SINISTRO
Circolazione
sistemica
Circolazione
sistemica
Eliminazione
renale
Reuptake
vascolare
Diffusione interstiziale
spio
o
uspio
FEGATO
LINFONODI
Sistema
Reticolo
endoteliale
1985
TC
RM: sequenza FLAIR
Sclerosi
multipla
MULTIPARAMETRICITA’
CT
Diffusion MRI
Ischemia
cerebrale
acuta
Malattia
multicistica
?
normale
aneurisma
Angiografia RM
dopo contrasto
Infarto settale acuto
fase diastolica
fase sistolica
T2
spettroscopia RM in vivo del
fosforo
Uomo, 58 aa, ca. prostata (pT3a, Gleason 5)
IMAGING
SPETTROSCOPICO
cortesia di H. Hricak,
Radiology 213, 473-480,1999
A
B
Mappe di attivazione cerebrale: movimento della mano
sinistra con attivazione della regione cerebrale destra
(A) e viceversa (B)