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)
