MAGNETIC RESONANCE imaging and spectroscopy

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Orazio Poletti
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1 Applicazioni della NMR Struttura e funzioni di macromolecole Metabolismo Identificazione di molecole presenza/assenza di molecole Imaging MRI Magnetic Resonance Imaging MAGNETIC RESONANCE imaging and spectroscopy MRI MRS 1

presenza/assenza di molecole Imaging MRI Magnetic

2 Spettroscopia Metodi che misurano le interazioni delle radiazioni elettromagnetiche con la materia. La radiazione assorbita o emessa da un corpo viene rivelata/misurata e la sua rappresentazione grafica é definita spettro. Spettroscopia Tipo di Radiazione Raggi X UV/Visibile Microonde Infrarossi Spettroscopia a Risonanza Magnetica Energia di Transizione Elettroni interni degli atomi Elettroni esterni Rotazionale Vibrazionale Stati Magnetici 2

3 Un esempio di spettro non NMR Spettro beta Numero Energia 31 P MRS [spettroscopia del fosforo] TESSUTO CEREBRALE NORMALE 3

4 31 P MRS [spettroscopia del fosforo] 31 P MRS [spettroscopia del fosforo] TESSUTO CEREBRALE NORMALE TESSUTO CEREBRALE ISCHEMICO 4

5 Frequenza di precessione (= f. di risonanza) ω = γ Ηο ν = γ Ηο/2π Ηο Equazione di Larmor Relazione di Larmor La frequenza di precessione o di Larmor (ω 0) e dipende da due fattori: 1. la costante giromagnetica (γ ), valore numerico caratteristico di ogni specie nucleare e 2. la forza del campo magnetico principale B 0. ω 0 = γ B 0 5

frequenza di precessione o di Larmor (ω 0) e dipende da due fattori: 1.

6 Il segnale NMR : FID FID Trasformata di Fourier del FID 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 (es. protoni/voxel). 6

(FID, echi etc) acquisiti dalle bobine in linee di frequenza che

7 Il segnale NMR : FID MRS = Magnetic Resonance Spectroscopy Chemical shift 7

8 Chemical shift Potrebbe essere espresso in Hz, ma in questo caso i valori aumenterebbero al crescere del campo magnetico principale (B 0 ) Viene quindi espresso in ppm, parti per milioni (cioè in unità relativa, analoga a un valore frazionario) in modo da restare invariato anche se misurato a campi di diversa intensità INFORMAZIONI OTTENIBILI CON SPETTROSCOPIA RM - identificazione di specie chimiche - misurazione della concentrazione di metaboliti - valutazione di processi metabolici -determinazione del ph -.. 8

modo da restare invariato anche se misurato a campi di diversa intensità INFORMAZIONI OTTENIBILI CON SPETTROSCOPIA RM -

9 MRS "IN VIVO" - selezione del nucleo oggetto di studio - posizionamento nel campo magnetico - imaging preliminare della regione di interesse - acquisizione dei dati spettroscopici - elaborazione dei dati Nuclei di possibile interesse per MRS in vivo IDROGENO (H-1) FOSFORO - 31 CARBONIO - 13 FLUORO - 19 SODIO

acquisizione dei dati spettroscopici - elaborazione dei dati Nuclei di

10 Nuclei di possibile interesse per MRS in vivo NUCLIDE n (2T, MHz) ABB. NATUR.(%) SENSIBILITA' Idrogeno (H-1) Fosforo Fluoro Carbonio Sodio Azoto Il segnale 1 H-MRS in vivo Con concentrazioni di acqua > 50M quasi tutto il segnale tessutale viene dagli atomi di idrogeno delle molecole di acqua. Tuttavia una piccola quota di segnale viene dai protoni degli atomi di idrogeno delle altre molecole presenti nei tessuti. In campi magnetici di intensità elevata il segnale ottenibile aumenta proporzionalmente. Oltre 1T (circa volte l intensità del campo terrestre) è possibile ottenere spettri MRS in vivo in tempi ragionevoli La concentrazioni di protoni necessari per produrre un segnale individuabile devono essere nell ordine del millimolare, ma per vedere questi segnali si deve sopprimere il segnale dell acqua 10

Tuttavia una piccola quota di segnale viene dai protoni degli atomi di idrogeno delle altre molecole presenti nei tessuti.

11 Il segnale in spettroscopia protonica E dominato dal picco dell acqua che nasconde i picchi di vari metaboliti H-1 MRS Colina 3.25 ppm NAA 2.02 ppm Creatina 3.05 ppm 11

12 Si vedono più picchi e c è più segnale con sequenze a echi corti PRESS TE=270 B 0 =1.5T STEAM TE=25 B 0 =1.5T Più picchi e segnale con campi di intensità elevata Encefalo di cane B 0 = 9,4 Tesla (da Ross 2001) 12

13 NAA = N-acetilaspartato [5-15mM] Marker neuronale La riduzione dei NAA indicata perdita o danno neuronale NAA si osserva nell ictus, nei gliomi, e in varie malattie neurodegenerative, nella epilessia Aumenta solo in una malattia rara la m.di Canavan Colina [1.5 mm] Colina etc = marker di metabolismo/membrane cellulari L aumento del picco della colina indica un aumento del turnover delle membrane si osserva nei tumori e in varie malattie neurodegenerative 13

14 Creatina +Fosfocreatina [8mM] Creatina = marker di riserva energetica La riduzione del picco di creatina può indicare un consumo delle riserve energetiche (ipossia, ictus, tumori) Aumenta con l età; nel trauma e in condizioni di iperosmolarità; Glutammato-Glutammina [10 e 5 mm?] Glx = marker di metabolismo Aumenta nella sindrome di Reye e nelle encefalopatie epatica e ipossica Diminuirebbe nella AD 14

età; nel trauma e in condizioni di iperosmolarità; Glutammato-Glutammina [10 e 5 mm?

15 Mioinositolo [5mM] Mioinositolo = marker astrocitario Alto nel neonato e nell ipernatremia, ma anche nelle lesioni di SM, HIV e LDM, AD Ridotto nell encefalopatia epatica e ipossica, nell ictus, nei tumori Lattato Lattato (ac.lattico) = marker di attività metabolica L aumento del picco del lattato indica un incremento della glicolisi anaerobia si osserva in corso di ischemia e aspecificamente in alcuni tumori 15

16 H1-MRS Colina NAA Creatina H1-MRS Colina NAA Creatina 16

17 H1-MRS Choline Lactate Spettri protonici Da Ross

18 Meningioma QMCI PET-FDG H1-MRS Medicina Nucleare -Radiologia Università "Federico II" CNR CMN - Napoli PET-FDG e spettroscopia protonica a volume singolo nella caratterizzazione funzionale di neoplasie cerebrali. tumore normale Medicina Nucleare -Radiologia Università "Federico II" CNR CMN - Napoli 18

singolo nella caratterizzazione funzionale di neoplasie cerebrali.

19 Spettroscopia single voxel automatizzata 2003 A volte si vedono solo schifezze 19

20 H1-MRS Choline 3.25 ppm NAX Lipids Creatine 3.05 ppm 1 H Spettroscopia del protone Metabolismo encefalico Misura di metaboliti come: N-acetylaspartato (NAA) creatina + fosfocreatina (Cr + PCr) Composti contenenti colina (Cho) Lattato (inositolo, glutammato) 20

Misura di metaboliti come: N-acetylaspartato (NAA) creatina +

21 SPECTROSCOPIC IMAGING PROTONICO - bobina unica per l' acquisizione convenzionale e per la spettroscopia sequenze tipo CSI - immagini di: N-acetil-aspartato creatina colina lattato Imaging spettroscopico 21

22 QM930426: Slice 3 NIH-NINDS-NB NAA Cho Cre Lac MRI Imaging spettroscopico 22

23 Imaging spettroscopico Immagini diverse per ciascun metabolita studiato Imaging spettroscopico 23

24 Imaging spettroscopico FOSFORO abbondanza isotopica naturale prossima al 100% - sensibilità relativamente elevata - presenza di numerosi composti del fosforo in concentrazioni elevate nelle strutture biologiche - spettri di interpretazione agevole 24

25 31 P- metabolismo energetico e misura del ph 31 P Spettroscopia del fosforo Misurazione del ph intracellulare Metabolismo energetico ATP, fosfocreatina, e fosfato inorganico Modificazioni associate a sforzi o tests diversi, ipossia, ischemia. Ipossia lieve ischemia Normale normale Alger et al

26 SPETTROSCOPIA DEL CARBONIO ampia utilizzazione per applicazioni in vitro - scarsa possibilità di applicazione in vivo, per la bassa concentrazione naturale del Carbonio-13 SPETTROSCOPIA DEL FLUORO elevata abbondanza naturale del F-19 - possibilità di sintesi di "traccianti" marcati con F-19 Brunetti et al, Stroke

27 METODOLOGIA OPERATIVA DELLA MRS "IN VIVO" - omogeneizzazione del campo magnetico nel volume di interesse (shimming) - acquisizione dei dati spettroscopici - data processing e analisi degli spettri SCHEMA ESECUZIONE MRS 1 H LOCALIZER SHIM GLOBALE (FWHM < 20 Hz) POSIZIONAMENTO VOXEL SHIM LOCALE (FWHM 7 Hz) SOPPRESSIONE ACQUA (2-3%) ACQUISIZIONE DATI (DURATA COMPLESSIVA DELL'ESAME? min) 27

28 SINGLE VOXEL 1H-MRS 2 cm ACQUISIZIONE DA 2 VOXEL: Lesione + Tessuto Normale Controlaterale SEQUENZA PRESS TR = 2 sec, TE = 135 msec, 256 campionamenti ELABORAZIONE Correzione Eddy Currents, Baseline VALUTAZIONE DEI METABOLITI: calcolo dei rapporti COL/CREA, NAA/CREA, NAA/COL CMN, 1993 CARATTERISTICHE DELLA SPETTROSCOPIA A RISONANZA MAGNETICA - SPECIFICITA' CHIMICA - SENSIBILITA' LIMITATA - NON INVASIVITA' - NECESSITA' DI CAMPI MAGNETICI DI INTENSITA' ELEVATA - POSSIBILITA' DI IMAGING SPETTROSCOPICO 28

29 SETTORI DI INTERESSE DELLA MRS - ONCOLOGIA - NEUROLOGIA - CARDIOLOGIA - NEFROLOGIA MRS IN ONCOLOGIA possibili applicazioni - valutazione della aggressività biologica markers metabolici - definizione della ipossia tumorale - monitoraggio della terapia -differenziazione recidiva / fibrosi 29

30 SPETTROSCOPIA DEL P-31 NELLE NEOPLASIE - caratterizzazione bioenergetica (ATP, fosfocreatina, colina) - misura del ph tessutale - monitoraggio della terapia MRS 1H in oncologia - neurooncologia - e ca. della prostata 30

31 MRS NELLO STUDIO DEL SISTEMA NERVOSO CENTRALE - ischemia - malattie degenerative - neoplasie MRS IN CARDIOLOGIA cardiopatia ischemica MRS IN NEFROLOGIA trapianto renale 31

32 PROSPETTIVE - CHEMICAL SHIFT IMAGING (acquisizione di dati da volumi piccoli per limitare gli effetti di volume parziale) - misurazione di concentrazioni assolute di metaboliti - valutazione integrata con altre tecniche di imaging morfologico e funzionale - monitoraggio e prognosi IL RUOLO CLINICO DELLA MRS E' ANCORA IN VIA DI DEFINIZIONE L' IMPIEGO CLINICO DELLA MRS E' LEGATO ALLA AUTOMATIZZAZIONE DELLE PROCEDURE ALLO SVILUPPO DELLE TECNICHE DI IMAGING SPETTROSCOPICO 32

33 MRS E PET POSSONO OFFRIRE INFORMAZIONI COMPLEMENTARI NELLA CARATTERIZZAZIONE BIOLOGICA DELLE NEOPLASIE 33

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