Spettroscopia NMR (in vivo) Magnetic Resonance Imaging MRI. Un solo segnale (1H MRI: generalmente il segnale dell H2O)

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1 Spettroscopia NMR (in vivo) Magnetic Resonance Imaging MRI Un solo segnale (1H MRI: generalmente il segnale dell H2O) Localizzazione del segnale mediante gradienti di campo magnetico

2 Localizzazione degli spin nel campione Gradiente Gz 90 ωx selezione di una fetta del campione ωx=ω H+ Gz*x FID Gx

3 Gradienti di codifica di frequenza (frequency encoding gradient) S = ρ n exp( 2iϖ n t ) n Gf ω1 ω2 ω3 ω1 ω2 ω3

4 Frequency encoding gradient Gf ω ω ω0 ω ω ω S = ρ n exp( 2iϖ n t ) n ω ω ω0 ω ω ω Intensità del segnale nella posizione n Frequenza di risonanza nella posizione n

5 Costruzione dell immagine mediante retroproiezione Gy ϕ1 ϕ2 ϕ3 Gx,y Gx ω1 ω2 ω3 ω1 ω2 ω3

6 Back Projection Imaging esperimento base Selezione di una fetta del campione z RF RF Gxx Y X Gyy Gzz FID Gradienti di codifica in frequenza: ripeto l acquisizione facendo variare la composizione Gx+ Gy ottengo proiezioni lungo tutte le diverse orientazioni

7 Field of view (FOV) x ω = γ H Gz x In un campo magnetico di 1.5T (64 MHz per 1H) applico un gradiente di 0.01 T/m; considerando che il segnale dell H2O è largo 30 Hz, quanto deve essere ampia la ω per avere un FOV di 3 cm? Risoluzione spaziale δx Dipende dalla risoluzione spettrale δν δν = γ x G x γ δx G x = 2π N x 2π δx = 2πδν γg x ν δν = Nx Ampiezza spettrale Punti campionati

8 BP imaging il segnale è codificato lungo una sola direzione alla volta (quella perpendicolare alla direzione del gradiente applicato) 2D-FT imaging (Spin warp imaging) ciascun segnale (FID) viene codificato nelle due dimensioni del piano x,y φn = γ * y * Gφ * t Gφ Phase encoding gradient

9 Frequency encoding gradient Gf Frequenza ωn = γ * x * Gf fase φn = γ * y * Gφ * t Ogni elemento di volume (voxel) ha una sua caratteristica fase e frequenza FID = M n n f(gφ,gf) Gf = gradiente di frequency encoding Gφ = gradiente di phase encoding Per avere una risoluzione di n pixels lungo la direzione y (phase encoding) ripeto l esperimento n volte variando l intensità del gradiente

10 Esperimento 2D-FT imaging Selezione della slice Gradiente di phase encoding Gradiente di frequency encoding

11 Gradiente di phase encoding perdita di coerenza del segnale Durante l applicazione del Gφ il segnale si annulla! Gx accensione gradiente spegnimento gradiente Tempo(s)

12 Eco di spin Eco di gradiente gradiente con segno invertito

13 Imaging veloce Per avere una risoluzione di 256 pixels lungo l asse y (phase encoding) 256 acquisizioni con diverso Gφ 1 slice 4-20 min sequenza spin-eco (TR = 5T1) Sequenza RARE (Rapid Acquisition with Relaxation Enhancement) Acquisisco una serie di echi con diverso Gφ Immagine di una slice con una sola scansione! L intensità degli echi decade nelle successive acquisizioni ( immagine T2 pesata..)

14 Il contrasto Differenza di intensità tra i segnali di due regioni adiacenti C= Ia I b Ia + Ib RX = differenza di densità tra i tessuti tessuti ossei MRI =??? contrasto tra tessuti molli

15 1 H-MRI Spettro 1H-NMR di tessuti : H2O (75%) 4.7 ppm + segnale 0.9 ppm (CH3 lipidi) la maggior parte delle immagini sono ottenute sull acquisizione del segnale dell acqua..il contenuto in acqua non permetterebbe di ottenere questa immagine differenze di T1 (e/o T2) dell acqua in tessuti differenti

16 T1 e T2 dell acqua in diversi tessuti H2O di bulk Tessuto normale T2 Tessuto malato T2 (ms) (ms) Materia grigia 101 astrocitoma 180 Materia bianca 96 glioblastoma 170 CFS 510 ologodendroglioma 200 Guaina mielinica 160 Sclerosi multipla 190 Misure a 1.5 T ( 64 MHz) H2O di superficie macromolecola

17 come utilizzare la differenza in T1 per ottenere contrasto sequenza saturation recovery TR 90 TR Acquisizione TR = repetition time tessuto adiposo sangue SI=Kρ(1-exp(TR/T1)) muscolo ρ = densità protonica I I I TR= 2000 ms TR= 1000 ms I TR= 500 ms TR= 100 ms contrasto migliore T1 minore segnale più intenso (bianco)

18 sequenza invertion recovery TI Acquisizione immagine TR SI = KρM0(1-2exp(-TI/T1)+exp(-TR/T1)) Contrasto tra materia bianca e grigia con TI crescenti: 50, 100,200,400,600, 800,1000,1200 ms; per TI molto corti o molto lunghi il contrasto è scarso

19 Come evidenziare le differenze in T2 nel contrasto Spin Eco Acquisizione immagine Tempo di eco CFS TR corto immagini pesate in T1 TR lungo, TE corto immagini pesate in T2 Materia bianca Materia grigia ms

20 TR: 400 ms TR: 2000 ms TE 25 ms TE 50 ms TE 75 ms TE 100 ms

21 Patologie o lesioni non visibili con una sequenza T1 pesata lo possono diventare con una T2 pesata lesione T1 pesata T2 pesata

22 Agenti di contrasto Non sono di per se stessi visibili, ma cambiano il comportamento dei tessuti circostanti Ioni paramagnetici diminuzione di T1 e T2 Gd3+, Fe2+, Fe3+, Cu2+, Mn2+, O2, radicali liberi Agenti di contrasto positivi T1 Gd-DTPA (Magnevist) Gd-DOTA (Dotarem) Gd-HP-DO3A (ProHance) Albumina-(Gd-DTPA) Polilisina-(Gd-DTPA) Agenti di contrasto negativi T2 Dy-DTPA SPIO (superparamagnetic iron oxides) USPIO (ultrasmall superparamagnetic iron oxides)

23 CH2COON Gd3+ 7 e- spaiati 3+ Gd N CH COO-OOCH C 2 2 CH2 CH2 COOH COOH N Gd-DTPA: lo ione metallico è altamente tossico è necessario un chelante sufficientemente forte che lo trattenga finchè lo ione metallico non è eliminato Complessi paramagnetici di Gd 3+ non oltrepassano la BBB una mancanza della BBB dovuta a una patologia porta a un enhancement della zona

24 f-mri Functional MRI BOLD (Blood Oxigen Level Detection) sequenze di impulsi che permettono di ottenere immagini in tempo reale (4-5 s dopo l attivazione data dallo stimolo) Emoglobina-O2: paramagnetica contrasto tra zone in cui il flusso sanguigno è aumentato rispetto a quelle non attivate. Attivazione della corteccia in seguito a uno stimolo visivo: l immagine è ottenuta per differenza rispetto a un altra ottenuta in condizioni di riposo

25 MRI con eteronuclei: 3He 129Xe iperpolarizzati Nuclei esogeni il contrasto è dato dalla densità di spin He iperpolarizzato: immagine polmonare soggetto di 29 anni non fumatore 3 Immagine polmonare soggetto di 34 anni fumatore: zone scura = mancanza di ventilazione

26 Chemical Shift Imaging Spettro 1H segnali di specie molecolari diverse dall H2O Mappa metabolica di N-acetilaspartato, colina, creatina e lattato; il n di voxels è 1/1000 quelli usati in MRI CH3 H2N Spettri 1H delle diverse zone: nel tumore è elevato il segnale della colina, mentre è basso quello dell Nacetilaspartato O N O- NH2+ creatina N-acetilaspartato O colina CH3 Cl- H3C N+ CH2CH2OH CH3 HO OH O NH O CH3