Dott.ssa Simona Cammaroto, Medico Radiologo, IRCCS Centro Neurolesi Bonino-Pulejo

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1 Applicazioni cliniche della RM ad alti campi Dott.ssa Simona Cammaroto, Medico Radiologo, IRCCS Centro Neurolesi Bonino-Pulejo

2 La storia della Risonanza Magnetica Bloch e Purcell (1946) Raymond Vahan Damadian (1971)

3 La storia della Risonanza Magnetica Paul Lauterbur e Peter Mansfield (1973)

4 Museo di Silkeborg, Danimarca Il corpo umano è costituito per la maggior parte da protoni di idrogeno

5 Cenni di fisica

6 Cenni di fisica Questa precessione mostra una frequenza tipica detta frequenza di Larmor che si trova nell'ordine dei MHz: ω₀=γb₀ Per mettere in risonanza i protoni dell Idrogeno, si invia un onda radio con frequenza pari alla frequenza di Larmor per l Idrogeno (ad esempio, per un campo di 1 Tesla è pari a 42 MHz). Mettere in risonanza un protone significa fornirgli energia (è un fenomeno analogo alla spinta che diamo ad un altalena che, se data al momento giusto, fa aumentare l ampiezza delle oscillazioni).

7 Cenni di Fisica Inviando l impulso di radiofrequenza (RF) sugli atomi compresi nel campo magnetico si determinano principalmente due cose: 1) la sincronizzazione dei protoni nella stessa fase di precessione (ruotano alla stessa frequenza ed in maniera coordinata); quando i protoni precedono in fase tra loro, si genera un vettore di magnetizzazione trasversale, che ruota nel piano x-y. Questo vettore genera una piccola corrente rilevabile nel circuito ricevente (antenna); un impulso RF capace di spostare la magnetizzazione M sul piano x-y viene definito impulso di 90.

8 Cenni di Fisica Cenni di Fisica 2) il passaggio di alcuni protoni dal livello energetico basso (paralleli a B 0 ) al livello energetico alto (antiparalleli a B 0 ). Un impulso RF di durata o intensità doppia rispetto a quello di 90, è in grado di ribaltare il vettore di magnetizzazione M in posizione antiparallela rispetto a B0 ed è perciò detto impulso di 180.

9 Se sul paziente viene applicato un campo magnetico ad un esatta frequenza e con energia sufficiente, è possibile ruotare la magnetizzazione dei protoni di un angolo arbitrario (detto flip angle) che dipende dal tipo di immagini che si desidera ottenere.

10 Una volta cessato l impulso RF si verifica: 1) la progressiva desincronizzazione della precessione dei protoni, con conseguente decadimento della magnetizzazione trasversale (FID); 2) il ritorno ad un livello energetico basso da parte dei protoni che avevano subito un inversione di 180. In ambedue i casi si parla di rilassamento durante il quale si generano degli impulsi misurabili tramite la bobina.

11 Tale rilassamento avviene con due costanti di tempo distinte: - T 1 : indica la rapidità con cui si ricostruisce la magnetizzazione diretta lungo la direzione del campo principale e dipende dall'interazione tra protoni e le molecole circostanti (rilassamento spin-reticolo), - T 2 : indica la rapidità con cui si distrugge la componente di magnetizzazione trasversale in condizioni ideali e dipende dall'interazione di protoni vicini (rilassamento spin-spin). Essendo espressione di proprietà fisiche diverse, queste costanti sono in generale indipendenti l'una dall'altra e funzioni dell'intensità del campo magnetico. In teoria, sarebbe possibile effettuare misurazioni rilevando il segnale emesso da una grande varietà di nuclei atomici, come ad esempio il sodio, il fosforo, il carbonio e l'idrogeno, impostando la frequenza di risonanza delle bobine a radiofrequenza al valore appropriato.

12 1,5 T vs 3T E noto che il tempo di rilassamento longitudinale T¹ è più lungo a campi magnetici elevati piuttosto che a campi magnetici inferiori. Il T¹ è definito come il trasferimento di energia dai protoni eccitati alle strutture circostanti (spin-lattice). Il T² risulta essere indipendente dalla potenza del campo magnetico.

13 VANTAGGI Aumento del rapporto segnale rumore Aumento del rapporto contrasto rumore Aumento della qualità e della risoluzione delle immagini Riduzione della durata delle sequenze Riduzione degli artefatti da movimento Aumento del chemical shift

14 SVANTAGGI Aumento del SAR (quadruplicato rispetto 1.5T) Artefatti da flusso, da interfaccia aria/tessuto, da chemical shift, dielettrici. Molti impianti (protesi, pompe per infusione, etc) non sono stati testati a 3T. Si rende necessario l utilizzo di tappi per le orecchie. ACR white paper on magnetic resonance safety

15 SAR Il SAR (rateo di assorbimento specifico medio) misura la quantità di potenza da radiofrequenze assorbite dal corpo quando è esposto ad un campo elettromagnetico. Dipende da : - I parametri del campo incidente (intensità, frequenza, polarizzazione); - Le caratteristiche del corpo esposto (dimensioni, geometrie e proprietà dielettriche dei tessuti attraversati); - Gli effetti di terra e di riflessione di altri oggetti (corpi metallici). Il valore limite per pazienti, volontari sani e lavoratori non deve superare l innalzamento della temperatura corporea di 1 C.

16 Al fine di ridurre il tempo di scansione e conseguentemente il SAR, è stato introdotto il concetto dell Imaging Parallelo. Tale metodica, che può essere effettuata solo con bobine phased array, riduce i dati del K-spazio nella codifica di fase. K-SPAZIO: è una memoria temporanea delle informazioni sulla frequenza spaziale in due o tre dimensioni di un oggetto Rappresentazione di K-spazio nelle EPI

17 SENSE (sensitive encoding) : esemplificazione cartesiana della trasformata di Fourier; GRAPPA e MASH: sono algoritmi di esemplificazione del K-spazio di seconda e terza generazione e dipendono dal numero degli elementi della bobina.

18 Pompe per infusione Programmable Infusion Pump and Catheter: Evaluation Using 3-Tesla Magnetic Resonance Imaging. F. G. Shellock, R. Crivelli, R. Venugopalan. Neuromodulation: Technology at the neural interface, Vol.11, num. 3, (MedStream Programmable Infusion Pump) Surriscaldamento, cambiamenti della funzionalità e artefatti.

19 Artefatti

20 Artefatti della FLAIR

21 Applicazioni Cliniche Apparato muscolo scheletrico e tessuti molli; Addome; Cuore; Tecniche Whole Body Studi neuroradiologici

22 Osteo-articolare Relationship of compartment-specific structural knee status at baseline with change in cartilage morphology: a prospective observational study using data from the osteoarthritis initiative; F. Eckstein, W. Wirth, M.I Hudelmaier, S.Maschek, et All.; Arthritis Res Ther. 2009; 11(3): R90.

23 Tessuti molli Preliminary study of 3T 1H MR spectroscopy in bone and soft tissue tumors; QI Zi-hua, LI Chuan-fu, LI Zhen-feng, ZHANG Kai, WANG Qian, YU De-xin; Chinese Medical Journal, 2009, Vol. 122 No. 1 : 39-43

24 Addome

25 Cuore Le applicazioni a 3T consentono la visualizzazione dei sei segmenti dell arteria coronaria di destra.

26 MRI Whole Body In questo studio Giapponese, pubblicato su Hong Kong Med J nell aprile del 2008 è valutata la fattibilità degli studi Total-Body MRI. Sono stati eseguiti 132 esami su pazienti speciali.

27 E chiaro pertanto che.. Le applicazioni di campi magnetici elevati sono appannaggio prevalente delle neuroscienze. Sfruttando le caratteristiche fisiche e tecniche dell altissimo campo si possono ottenere immagini diagnostiche con una maggior risoluzione di contrasto in tempi brevi, utile negli studi morfologici, e per un impiego ottimale con migliori risultati per le applicazioni funzionali.

28 Studi vascolari Intracranial Aneurysm Detection with 3T Magnetic Resonance Angiography; Phua-Hwee,Francis Hui, Yih-Yian Sitoh; Ann Acad Med Singapore 2007;36:388-93

29 Studi vascolari

30 Nervo ottico Use of T2-weighted magnetic resonance imaging of the optic nerve sheath to detect raised intracranial pressure; T. Geeraerts, V. FJ Newcombe, J.P Coles, M.G. Abate, I. E Perkes, et All.; Crit Care. 2008; 12(5): R114.

31 Studi morfo-volumetrici Hippocampal Volume Reduction in Congenital Central Hypoventilation Syndrome; P.M. Macey, C.A. Richard, R. Kumar, M. A. Woo, J.A. Ogren, C. Avedissian, P. M. Thompson, and R. M. Harper; PLoS One. 2009; 4(7): e6436.

32 Uno dei vantaggi non trascurabili sia sul piano diagnostico che economico, riguarda l uso del mezzo di contrasto. Il potenziamento dell impregnazione con il 3 T è in stretta relazione con l allungamento del tempo di rilassamento T1 piuttosto che con il miglioramento del rapporto segnalerumore; tale caratteristica comporta una riduzione, anche di tre quarti della dose somministrata con beneficio per i pazienti e chiari riscontri economici.

33 Applicazione del MdC MR Imaging of metastatic brain tumor at 3 T:Utility of T1-weighted SPACE compared with 2D Spin Echo and 3D Gradient Echo Sequence; T.Komada, S. Naganawa, H.Ogawa, et All; Magn Reson Med Sci, Vol 7, n 1, pg 13-21, 2008

34 Canale uditivo interno MR Imaging of the Internal Auditory Canal and Inner Ear at 3T: Comparison between 3D Driven Equilibrium and 3D Balanced Fast Field Echo Sequences; J Byun, H.Kim, Y Yim, et All. Korean J Radiol May Jun; 9(3):

35 L alto campo magnetico rende possibile un incremento di due parametri utilizzati in specifiche applicazioni: il chemical shift e la suscettibilità magnetica, divenuti indispensabili per la spettroscopia. Queste modifiche obbligano naturalmente ad una revisione ed all adattamento di tutte le sequenze e i protocolli d esame. La maggior sensibilità all effetto BOLD, Blood Oxygenation Level Dependent, rende più accurate le misurazioni spettroscopiche e gli studi funzionali d attivazione.

36 Studi Spettroscopici To examine biochemical differences in the anterior cingulate cortex (ACC) and insula during the interictal phase of migraine patients. We hypothesized that there may be differences in levels of excitatory amino acid neurotransmitters and/or their derivatives in migraine group based on their increased sensitivity to pain. Excitatory neurotransmitters in brain regions in interictal migraine patients; Andrew Prescot, Lino Becerra, et All; Mol Pain. 2009; 5: 34.

37 L avanzamento tecnologico porterà dunque alla maggiore diffusione di queste apparecchiature per rispondere all esigenza di una diagnostica neuroradiologica sempre più precisa. L uso di questi apparecchi potrebbe portare con maggiore facilità e credibilità allo studio della fisiologia normale del sistema nervoso aprendo scenari infiniti di conoscenza dell encefalo.

38 Imaging a 7 Tesla 7T MRI: New Vision of Microvascular Abnormalities in Multiple Sclerosis; Yulin Ge, Vahe M. Zohrabian, and Robert I. Grossman, Arch Neurol June; 65(6):

39 Imaging a 7 Tesla

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