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Leonardo Pace » 5.Risonanza Magnetica Nucleare


Risonanza Magnetica Nucleare

  • Principi tecnici
  • Principali costituenti dell’apparecchiatura
  • Cenni sulle applicazioni cliniche

Risonanza Magnetica Nucleare

1924: Magnetismo Nucleare: Pauli
1946: TEORIA: Bloch per i liquidi e Purcell per i solidi
1951: TEORIA: Gabillard note sulla localizzazione spaziale
1973: Lauterbur: su Nature codifica spaziale e back projection
1975: Primo prototipo commerciale

Risonanza Magnetica Nucleare

La Risonanza Magnetica è una metodica non invasiva che fornisce sezioni multiplanari del corpo in esame utilizzando campi magnetici e radioonde, cioè radiazioni non ionizzanti.

Caratteristiche e vantaggi:

  • non utilizza radiazioni ionizzanti
  • multiplanare
  • multiparametrica
  • alta risoluzione di contrasto

Svantaggi:

  • elevati costi di gestione
  • ancora poco diffusa rispetto alla Tomografia Computerizzata
  • minore risoluzione spaziale della Tomografia Computerizzata

Risonanza Magnetica Nucleare

I nuclei di alcuni elementi con numero dispari di protoni e/o neutroni (es. 1H) sono dotati di spin intrinseco, cioè ruotano intorno a se stessi. Dato che ogni carica elettrica in movimento produce un campo magnetico, anche questi nuclei, carichi elettricamente e dotati di spin, sono associati ad un campo magnetico microscopico detto momento magnetico nucleare o dipolo magnetico.

  • I sistemi RM producono immagini utilizzando le proprietà magnetiche del nucleo dell’idrogeno, che è l’elemento più abbondante nell’organismo
  • Il campo magnetico terrestre non è sufficientemente forte per influenzare l’orientamento dei dipoli magnetici
  • Se i vettori magnetici sono disposti in maniera casuale nello spazio, il vettore magnetico risultante dalla loro somma è nullo
Somma nulla dei momenti magnetici dei nuclei di idrogeno

Somma nulla dei momenti magnetici dei nuclei di idrogeno


Risonanza Magnetica Nucleare

  • 1 Tesla = 10.000 Gauss
  • L’intensità del campo magnetico terrestre è di 0.5 Gauss (0.00005 Tesla)

Il campo magnetico di un’apparecchiatura RM va da 0,2 Tesla fino a 3T e oltre. Viceversa, in presenza di un forte campo magnetico esterno stazionario (B0), i protoni tendono ad orientarsi parallelamente alla direzione del campo magnetico esterno. Si produce così una magnetizzazione risultante M, orientata parallelamente a B0. Inoltre sempre per effetto di B0, il momento magnetico di ciascun protone comincia a ruotare, cioè a precedere attorno alla direzione di B0 nello stesso modo in cui l’asse di una trottola ruota intorno alla direzione della forza di gravità.

Rispetto a B0, per i protoni esistono solo due possibili orientamenti, parallelo (basso livello energetico) ed opposto o antiparallelo (alto livello energetico). In condizioni di equilibrio, il numero di protoni paralleli è lievemente superiore rispetto al numero di protoni antiparalleli. Questa piccola prevalenza di protoni paralleli produce una magnetizzazione risultante (M), misurabile, che ha la stessa direzione e verso del campo magnetico esterno B0 e ha un valore molto piccolo pari a circa un milionesimo di B0.

Magnetizzazione

Magnetizzazione

Comportamento dei protoni in un campo magnetico esterno (B0)

Comportamento dei protoni in un campo magnetico esterno (B0)


Risonanza Magnetica Nucleare

La frequenza con cui i protoni ruotano attorno alla direzione di B0 è detta frequenza di precessione o di Larmor (ω0) e dipende da due fattori: la costante giromagnetica (γ), valore numerico caratteristico di ogni specie nucleare e la forza del campo magnetico principale B0.

ω0 = γB0

Risonanza Magnetica Nucleare

In condizioni di equilibrio, in presenza di un campo magnetico uniforme, tutti i protoni hanno la stessa frequenza, ma non la stessa fase di precessione. Per ogni protone possiamo considerare due componenti vettoriali:

  • longitudinale, orientata lungo l’asse z; detta magnetizzazione longitudinale, somma dei singoli momenti
  • trasversale, perpendicolare a B0, che ruota nel piano x, y. Non esiste alcuna magnetizzazione trasversale nel piano x, y perché, le componenti trasverse dei singoli nuclei si trovano sparpagliate e si annullano reciprocamente

Lo stato di equilibrio appena descritto può essere alterato mediante l’applicazione di radiofrequenze (RF), cioè di onde elettromagnetiche, la cui frequenza sia uguale a quella di precessione dei protoni (frequenza di Larmor).

Solo in tali condizioni si verifica il fenomeno della risonanza magnetica nucleare , cioè il passaggio di energia dalla RF ai protoni.

Per RF con frequenza diversa da quella di Larmor non si verifica alcuno scambio di energia.

Risonanza Magnetica Nucleare

La stimolazione con RF provoca due fenomeni:

  1. la sincronizzazione dei protoni nella stessa fase di precessione
  2. iI passaggio di alcuni protoni dal livello energetico basso (paralleli a B0) al livello energetico alto (antiparalleli a B0)

In tal modo la magnetizzazione risultante (M) si allontana dall’asse z di un angolo proporzionale alla intensità e alla durata dell’impulso RF.

Stimolazione dei protoni con RF e allontanamento di M dall’asse z verso il piano trasversale x, y.

Stimolazione dei protoni con RF e allontanamento di M dall'asse z verso il piano trasversale x, y.


Risonanza Magnetica Nucleare

Un impulso RF capace di spostare la magnetizzazione M sul piano x, y viene definito impulso di 90 gradi.

In tali condizioni le componenti magnetiche longitudinali (parallela ed antiparallela) si annullano, mentre le componenti magnetiche trasversali si sommano nel piano x, y.

Un impulso RF di durata o intensità doppia rispetto al precedente, tale da ruotare M in posizione diametralmente opposta rispetto a B0, è detto impulso di 180 gradi.

Stimolazione dei protoni con RF di 90 gradi e abbattimento di M sul piano trasversale x, y

Stimolazione dei protoni con RF di 90 gradi e abbattimento di M sul piano trasversale x, y


Risonanza Magnetica Nucleare

Ogni volta che un circuito è attraversato da un campo magnetico variabile nel tempo si genera una corrente elettrica indotta (fenomeno dell’induzione elettromagnetica).

Il vettore di magnetizzazione trasversale, che ruota nel piano x, y dopo un impulso di 90°, genera nel circuito (antenna) ricevente una corrente misurabile che è il segnale di RMN, detto anche FID (free induction decay).

Una volta cessato l’impulso RF, si verificano i due seguenti fenomeni inversi:

  1. desincronizzazione dei protoni, con conseguente decadimento della magnetizzazione trasversale (rilassamento trasversale o rilassamento spin-spin, T2)
  2. passaggio di molti protoni ad un livello energetico basso, con conseguente recupero della magnetizzazione longitudinale (rilassamento longitudinale o rilassamento spin-lattice, T1)

Risonanza Magnetica Nucleare

  • Il T1 o tempo di rilassamento longitudinale è un misura del tempo richiesto ai protoni per tornare alle condizioni di equilibrio iniziale, grazie alla cessione di energia al microambiente circostante (lattice)
  • Il T1 è un processo descritto da una funzione di tipo esponenziale ed indica il tempo necessario per recuperare il 63% della magnetizzazione longitudinale
  • La velocità del T1 dipende da numerosi fattori, tra cui l’intensità del campo B0 e la dimensione della molecola stessa
  • Il DNA ha un T1 Lungo, i Lipidi Breve
  • Mediamente le strutture del corpo umano in un campo magnetico di intensità 0,1-0,5 T hanno un T1 compreso tra 300 e 700 millisecondi
Tempo di rilassamento T1 e recupero progressivo della magnetizzazione longitudinale

Tempo di rilassamento T1 e recupero progressivo della magnetizzazione longitudinale

Curva di rilassamento T1

Curva di rilassamento T1


Risonanza Magnetica Nucleare

  • Il T2 o tempo di rilassamento trasversale è un misura del tempo richiesto ai protoni (spin) per desincronizzarsi in relazione al reciproco scambio di energia
  • La disomogeneità del microcampo magnetico locale provoca una perdita della coerenza di fase dei protoni
  • La progressiva desincronizzazione determina, quindi, il decadimento della magnetizzazione trasversa, che si azzera in condizioni di equilibrio
  • Il T2 è un processo descritto da una funzione di tipo esponenziale ed indica il tempo richiesto alla magnetizzazione trasversale per decadere al 37% del valore iniziale
  • L’efficienza di T2 dipende da vari fattori come ad esempio dalla dimensione delle molecole
  • Grosse molecole hanno T2 più brevi. L’acqua ha, quindi, un T2 lungo
  • Nei tessuti biologici il T2 è compreso tra 50 e 150 millisecondi
  • A differenza del T1, il T2 è poco influenzato dalla variazione di B0
Curva di rilassamento T2

Curva di rilassamento T2

Tempo di rilassamento T2

Tempo di rilassamento T2


Risonanza Magnetica Nucleare

Il campo magnetico principale B0 non è perfettamente uniforme e presenta una certa disomogeneità, che produce una desincronizzazione dei protoni accelerata rispetto a quanto avverrebbe in un campo magnetico perfettamente omogeneo.

In queste condizioni il tempo di decadimento del segnale è definito T2*.

Esso dipende sia dalle interazioni reciproche tra i protoni (spin-spin) sia dalle inevitabili disomogeneità di B0. E’ possibile ricavare T2 da T2* in quanto le disomogeneità di B0 sono reversibili, mentre le interazioni “spin-spin” sono irreversibili.

Risonanza Magnetica Nucleare

Il valore di T1 per un dato tessuto dipende dall’intensità del campo magnetico principale B0 e cresce all’aumentare di questo. Nei tessuti biologici i valori di T1, per intensità di B0 comprese tra 0,1 e 0,5 TESLA, oscillano tra 300 e 700 millisecondi.

Il valore di T2 è poco influenzato dalle variazioni di B0 e può essere uguale o inferiore a T1. Nei tessuti biologici i valori di T2 sono compresi tra 50 e 150 millisecondi.

Magneti

Permanenti

  • Poco costosi
  • Ridotta dispersione del campo magnetico nello spazio
  • Peso elevato
  • Bassa potenza (fino a 0,5T)

Resistivi

  • Sono costituiti da bobine attraversate da corrente elettrica
  • Generano calore in proporzione alla corrente che li attraversa
  • Poco potenti (0,2-0,3 T)
  • Economici

Magneti

Superconduttivi

  • Si basano sulla capacità di alcune sostanze di non opporre resistenza alla corrente elettrica, se tenuti ad una temperatura prossima allo 0 assoluto (-273° C)
  • Possibilità di ottenere campi magnetici potenti (4 T)
  • Costosi
  • Utilizzano azoto liquidi o elio per il raffreddamento
  • Grossa componente dispersa

Bobine di Shimming

  • Servono per rendere uniforme il campo magnetico
  • Possono essere attive o passive

Antenne per radiofrequenza

  • Possono essere doppie (una per la trasmissione ed una per la ricezione) o singole.
  • Possono essere di forma e dimensione diversa.

L’immagine viene prodotta utilizzando il segnale di risonanza emesso dai nuclei di idrogeno in precessione, dopo che questi sono stati eccitati dalla RF.

L’ampiezza dei segnali generati dipende dalle seguenti caratteristiche del tessuto in esame:

  1. numero di protoni in precessione per unità di volume (densità protonica o DP)
  2. caratteristiche di T1 e T2 dei protoni

Il contrasto dell’immagine in RM dipende per lo più dal T1 ed dal T2: molti tessuti, infatti, hanno DP simile, mentre differiscono nei valori di T1 e T2.

Antenne per radiofrequenza

  • Esistono numerose sequenze di impulsi RF in grado di ottenere immagini pesate in T1, T2 o DP
  • La sequenza più semplice è detta FID ripetuto o “saturation recovery
  • Le sequenze attualmente più utilizzate sono denominate “spin-echo” ed “inversion recovery
  • Esistono altre sequenze, più o meno complesse: “gradient echo“, “turbo spin-echo” etc

Risonanza Magnetica Nucleare

I segnali di RMN vengono utilizzati per formare un’immagine in cui le tonalità di grigio dei tessuti rappresentati sono tanto più chiare quanto più intenso è il segnale da essi emesso e viceversa.

Tessuti con un T1 breve o con un T2 lungo danno un segnale intenso e quindi sono rappresentati con un tonalità di grigio chiara.

Grasso

  • T1 breve –> alto segnale –> tonalità chiara

Acqua

  • T1 lungo –> basso segnale –> tonalità scura
  • T2 lungo –> alto segnale –> tonalità chiara

Risonanza Magnetica Nucleare

I vari tessuti hanno diverse velocità di rilassamento T2, per cui i rispettivi echi differiscono per intensità.

I tessuti con tempi di rilassamento T2 lunghi sono caratterizzati da scarsa desincronizzazione dei nuclei, producono echi intensi e sono rappresentati nell’immagine con tonalità chiare.

I tessuti con tempi di rilassamento T2 brevi desincronizzano i loro nuclei in misura maggiore, producono echi di debole intensità e vengono rappresentati nell’immagine con tonalità scure.

Incrementando il TE si ottiene un’accentuazione del contrasto tra tessuti con diversi tempi di rilassamento T2.

Curve di decadimento del segnale T2 in funzione di TE

Curve di decadimento del segnale T2 in funzione di TE

Curve di decadimento del segnale T2 in funzione di TE


Risonanza Magnetica Nucleare

Le sequenze SE offrono immagini pesate in T1, T2 o DP in relazione ai valori di TR e TE.

  • Immagini pesate in T1: TR breve; TE breve
  • Immagini pesate in T2: TR lungo; TE lungo
  • Immagini pesate in DP: TR lungo; TE breve

Piani di acquisizione

  1. Assiale
  2. Coronale
  3. Longitudinale
  4. Obliqui
Piano di acquisizione assiale
Piano di acquisizione coronale
Piano di acquisizione sagittale
Piano di acquisizione obliquo

Scansioni

Scansione Coronale GRE T2

Scansione Coronale GRE T2

Scansione Sagittale SE T1

Scansione Sagittale SE T1

Scansione Assiale SE T1

Scansione Assiale SE T1


Immagini assiali e coronali

Immagine assiale dell’addome T1 pesata

Immagine assiale dell'addome T1 pesata

Immagine coronale dell’addome T2 pesata con soppressione del grasso

Immagine coronale dell'addome T2 pesata con soppressione del grasso


Mezzi di contrasto

1) Paramagnetici:

  • a distribuzione non selettiva ed escrezione renale (gadolinio-DTPA, gadolinio-DOTA)
  • ad escrezione epatobiliare (gadolinio-BOPTA, Mn-DPDP)
  • a distribuzione intravasale (gadolinio-DTPA legato all’albumina)

2) Superparamagnetici:

  • Ossido di ferro (Fe3O4)

Mezzi di contrasto

I mdc paramagnetici e superparamagnetici sono in grado di produrre un accorciamento dei tempi di rilassamento dei protoni circostanti.

  • I mdc paramagnetici abbreviano sia il T1 che il T2, aumentando l’intensità del segnale in T1 e riducendola in T2
  • I mdc superparamagnetici agiscono solo sul T2, abbreviandolo e riducendone l’intensità del segnale; inoltre vengono captati da cellule del SRE

Ne consegue che per visualizzare in modo adeguato l’effetto dei mdc, è necessario usare sequenze T1 pesate per i mdc paramagnetici e sequenze T2 pesate per i mdc superparamagnetici.

Applicazioni Cliniche

  • Addome (Angio RM, Uro RM, Colangio RM)
  • Articolazioni
  • Cuore
  • Colonna vertebrale
  • Cervello
  • Spettroscopia

Risonanza Magnetica Nucleare alle articolazioni

RMN alle articolazioni

RMN alle articolazioni

RMN alle articolazioni

RMN alle articolazioni

RMN alle articolazioni

RMN alle articolazioni

RMN alle articolazioni

RMN alle articolazioni


Risonanza Magnetica Nucleare al cuore

RM per studi di flusso
RM Perfusionale
Angiografia
RM Coronarica
Risonanza magnetica
RM di funzione

Imaging spettroscopico

Uomo, 58 aa, ca. prostata (pT3a, Gleason 5), cortesia di H. Hricak, Radiology 213, 473-480, 1999.

Imaging spettroscopico
Imaging spettroscopico
Imaging spettroscopico
Imaging spettroscopico
Imaging spettroscopico
Imaging spettroscopico

Limiti

  • Il parenchima polmonare (perché povero di protoni) attualmente è difficilmente studiabile
  • La presenza di oggetti metallici crea artefatti con perdita di informazioni
  • Portatori di protesi metalliche, clips vascolari, pace maker, ecc. non possono eseguire questo tipo di esame

Risonanza Magnetica Nucleare

Principi di Risonanza Magnetica Nucleare

Conclusioni

Gli elementi basilari del ragionamento e questioni su cui riflettere:

  • I Principi della Risonanza Magnetica
  • La formazione dell’Immagine in Risonanza Magnetica
  • I mezzi di contrasto in Risonanza Magnetica

Prossima lezione

Si parlerà di:

  • Medicina Nucleare
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