di risonanza magnetica come Imaging Guidance

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1 Corso di Fisica dell Imaging Molecolare L Imaging di risonanza magnetica come Imaging Guidance Valentina Marganella Mat CLS Biotecnologie Mediche

2 Introduzione L'imaging a risonanza magnetica (MRI) è una tecnica di generazione di immagini, usata prevalentem2ente ente a scopi DIAGNOSTICI in campo medico e basato sul principio fisico della risonanza magnetica nucleare. L utilità della RM non si esaurisce tuttavia nell impiego diagnostico di lesioni patologiche o di aspetti funzionali. Sebbene non sia una tecnica a cui si associ un successo terapeutico (come p.e. gli ultrasuoni focalizzati ad alta intensità, che non consideriamo, al contrario, protocollo di imaging molecolare diagnostico), l l imaging mediante risonanza magnetica può oltrepassare la sua funzione classicamente intesa e evolversi tecnica di IMAGING GUIDANCE (guida, monitoraggio e controllo in tempo reale associata a diverse strategie terapeutiche) Valentina Marganella 2

3 Obiettivo Lo scopo di questo lavoro è mettere in evidenza alcune potenzialità dell imaging mediante risonanza magnetica, quali il ruolo di tecnica guida usata in associazione a trattamenti terapeutici, mediante la descrizione del sistema di chirurgia ad ultrasuoni focalizzati guidata con immagini di RM. Steps fondamentali della MRgFUS: 1) IMAGING MORFOLOGICO IMR 2) FASE CHIRURGICA IMR IMR+ + HIFU 3) VALUTAZIONE ESITI IMR Valentina Marganella 3

4 MRgFUS Sistema di chirurgia ad ultrasuoni focalizzati guidata con immagini di Risonanza Magnetica Il sistema MRgFUS utilizza ultrasuoni focalizzati ad alta intensità per la terapia di lesioni patologiche profonde mediante ablazione termica. L energia degli ultrasuoni focalizzati produce calore nel volume focale e causa una necrosi coagulativa solamente nei tessuti patologici delle lesioni-bersaglio risparmiando le strutture sane circostanti. La Risonanza Magnetica ha, perciò, funzione diagnostica, di monitoraggio e di controllo in tempo reale. PRIMA del trattamento individua la lesione-bersaglio bersaglio, DURANTE il trattamento controlla l efficacia ablativa degli ultrasuoni focalizzati mediante la sua capacità di termometria tessutale, DOPO il trattamento, nella stessa seduta terapeutica, ne valuta l esito ablativo. Valentina Marganella 4

5 La guida del trattamento terapeutico mediante Risonanza Magnetica consente, quindi, di ottenere: le informazioni anatomiche in 3D della lesione-bersaglio e delle strutture anatomiche circostanti, la visualizzazione della direzione e del percorso del fascio di ultrasuoni focalizzati che attraversa le varie strutture anatomiche per trattare esclusivamente la lesione-bersaglio e per non danneggiare organi e strutture circostanti e,quindi quindi, rendere sicura la terapia, la termometria RM dei tessuti trattati per valutare,, in tempo reale,, un incremento terapeutico della temperatura adeguato ed efficace per l'ablazione, nella fase finale del trattamento,, la valutazione mediante esame RM con mezzo di contrasto del volume non perfuso, corrispondente alla necrosi coagulativa indotta dagli ultrasuoni focalizzati. Valentina Marganella 5

6 MRI: : tecnica di elezione per l imagingl guidance La RM non è l unica l tecnica sperimentata nell ambito dell imaging guidance che ha visto l uso l di raggi X e US. Grazie agli innumerevoli vantaggi, oggi è considerata tecnica di elezione Non utilizza radiazioni ionizzanti (perciò anche nel caso in cui si avranno tempi di chirurgia lunghi, il pz non riscontrerà effetti nocivi) Approccio tridimensionale e multiplanare Eccellente discriminazione dei tessuti Registrazione accurata dell aumento della T focale Caratterizzazione funzionale e fisiologica dei parametri tissutali come diffusione, perfusione,, circolazione e temperatura. Valentina Marganella 6

7 Principi fisici La tecnica NMR è basata sull assorbimento di radiazioni nel campo delle radiofrequenze da parte di nuclei di atomi con caratteristiche particolari, immersi in un forte campo magnetico. La radiazione emessa da un trasmettitore, verrà parzialmente assorbita dal campione e rilevata da un antenna ricevente L idrogeno H, per la sua abbondanza nei tessuti e per le proprietà che facilitano la rivelazione de relativi segnali MR, è il nuclide normalmente utilizzato. Esso può essere assimilato a una sferetta carica che ruota intorno ad un asse e che possiede un momento magnetico intrinseco Se sottoposto ad un campo magnetico statico B 0, la componente di μ si orienta in un numero di direzioni che dipende dal numero di spin Nel caso di 1 H si hanno solo 2 orientamenti preferenziali Valentina Marganella 7 N S Campo magnetico

8 Il vettore μ tende a orientarsi parallelamente a B,, compiendo però un moto di precessione Il moto di precessione dell asse di rotazione avviene con una frequenza di precessione fo (chiamata frequenza di Larmor). La frequenza di precessione è direttamente proporzionale PRECESSIONE all intensità del campo magnetico applicato. Se si fa interagire il protone con un ONDA a RADIOFREQUENZA (RF) generata dall esterno che ha la stessa frequenza di precessione del protone, la RF trasferisce energia ai protoni: fenomeno di RISONANZA SPIN Valentina Marganella 8

9 Tempo di rilassamento longitudinale T1 (lungo) Se ci mettiamo nella direzione del campo, vediamo un RECUPERO della magnetizzazione, che si può descrivere con una legge di tipo esponenzale,, la cui COSTANTE DI TEMPO è detta T1. T1: tempo necessario per il recupero della magnetizzazione longitudinale Tempo di rilassamento trasversale T2 (breve) Se ci mettiamo nella direzione perpendicolare al campo, vediamo che la magnetizzazione tende a scomparire. Anche il decadimento della componente trasversale segue una legge esponenziale,, la cui costante di tempo è detta T2. T2: tempo di decremento magnetizzazione trasversale Valentina Marganella 9

10 Per riuscire a generare un segnale misurabile (anche ripetutamente) occorrono degli artifici: il più comune consiste nel generare degli ECHI di questo segnale originario.. La Procedura di generazione di questi echi può essere diversa: si parla di SEQUENZE. Una successione di impulsi a radiofrequenza e di applicazione di gradienti costituisce le cosiddette sequenze di impulsi o sequenze di eccitazione. Gli impulsi a radiofrequenza hanno la funzione di perturbare l'equilibrio degli spin e di generare il segnale, mentre gli impulsi di gradiente influenzano la frequenza e la fase del segnale ricevuto,, e sono necessari a l'ottenimento dell'immagine. Questo segnale analogico è convertito in digitale e viene fatto corrispondere al segnale proveniente da ciascun voxel in studio un tono di grigio sul pixel corrispondente del video Antenna emittente Antenna ricevente Valentina Marganella 10 N spin S

11 Concretamente La pianificazione della terapia consiste nella definizione della lesione- bersaglio, nella pianificazione delle sonicazioni e nella verifica del percorso in sicurezza del fascio di ultrasuoni focalizzati. nell esecuzioneesecuzione della sequenza Il trattamento terapeutico vero e proprio consiste nell delle sonicazioni della lesione-bersaglio bersaglio, nella verifica del percorso in sicurezza del fascio di ultrasuoni focalizzati per ogni sonicazione, nella migliore selezione e nel migliore aggiustamento dei parametri tecnici di ciascuna sonicazione in base alle informazioni RM dell anatomia della lesione-bersaglio e delle strutture circostanti e in base al feedback in tempo reale della termometria di RM e, infine, nella registrazione della mappa termometrica corrispondente a tutta la regione trattata. immediato dell esito esito della terapia consiste nell acquisizione di immagini di RM con mezzo di contrasto per la dimostrazione della Il controllo immediato mancanza di perfusione in corrispondenza dell ablazione termica irreversibile dei tessuti trattati. Valentina Marganella 11

12 Apparecchiatura La tecnica MRgFUS si avvale di un sistema di MRI a cui si aggiungono le parti strettamente indispensabili del sistema HIFU, che sono posizionate sotto al lettino così come il sistema di elaborazione e visualizzazione delle immagini MR. (assenti nello schema) 1. Il magnete principale 2. Le bobine a radiofrequenza 3. Le bobine di gradiente 4. Varie bobine ausiliarie Valentina Marganella 12

13 1) Dopo aver individuato la lesione patologica (informazioni morfologiche) 2) Si deve monitorare il fascio ultrasonico e l innalzamento l della temperatura durante la sonicazione (informazioni termometriche) Per far ciò si usano le tecniche di imaging: Pesata T1 Pesata in diffusione Di fase (la fase dipende dalla frequenza di risonanza del protone PRF che è temperatura dipendente) Valentina Marganella 13

14 Il principio della misura della temperatura in T1 è che la relazione tempo T1 è dipendente dalla temperatura. Conoscendo il T1 di un riferimento preso è possibile calcolare la T di una misura con un altro T1 La tecnica dell'imaging pesato in diffusione (Diffusion-weighted imaging, o DWI) permette la misurazione della distanza di diffusione delle molecole d'acqua. Più breve è questa distanza, più chiara appare la regione considerata. Si usa nella valutazione della T poiché la diffusione è maggiorata a più alte temperature Ma siccome entrambe le tecniche citate sono dipendenti dalla composizione tissutale, viene preferibilmente usata la PRF che non risente di questo problema Valentina Marganella 14

15 Gündüz R., Çilesiz I,.: Magnetic Resonance Guided Focused Ultrasound Surgery (MRgFUS( MRgFUS). Biomedical Imaging Systems. Valentina Marganella 15

16 A partire da dati rilevati termometrici della risonanza magnetica Un regolatore automatico esegue inizialmente un innalzamento della temperatura, che viene mantenuta costante per pochi secondi. Trattato il primo target, ci si sposta verso il prossimo bersaglio, così fino a bersagliare tutti i tessuti indicati. Valentina Marganella 16

17 Dopo il trattamento vero e proprio, quindi l ablazione l della lesione patologica, l ultimo l step è quello di controllo dell esito esito chirurgico. 3) RM con AGENTI DI CONTRASTO comunemente detti magnetofarmaci modificano temporaneamente le proprieta magnetiche di aree del corpo umano modificano T 1 e T 2 in generale sono soluzioni di agenti paramagnetici (Gadolinio) e riducono entrambi i tempi di rilassamento consentono di discriminare vasi o tessuti perfusi da altre aree non perfuse Valentina Marganella 17

18 Indicazioni terapeutiche Fibromi uterini ( miomi, leiomiomi, fibromiomi) Tumori Mammella Fegato Valentina Marganella 18

19 Vantaggi Tecnica chirurgica non invasiva Radiazioni non ionizzanti Rare reazioni ai mdc Svantaggi Alti costi Limiti legati alle caratteristiche di propagazione degli ultrasuoni Per prevenire la distorsione delle immagini dell IMR è necessario un uso minimo di parti metalliche Valentina Marganella 19

20 APPENDICE High Intensity Focused Ultrasound (HIFU) Temperature superiori a 45 C inducono necrosi coagulativa tissutale. L'ipertermia può essere indotta da ultrasuoni ad alta energia, senza contatto con il tessuto da trattare. Lo scopo dell'hifu è di riscaldare i tessuti a temperature superiori a 65 C distruggendoli mediante una necrosi coagulativa. Con un fascio estremamente focalizzato, attraverso una lente acustica, l'intensità degli ultrasuoni diventa elevata nell'area focale e decresce rapidamente tra il fuoco e la faccia anteriore del transduttore. Così il fascio ultrasonico è capace di indurre un netto incremento della temperatura ( C) nel tessuto compreso nell'area focale,, in pochi secondi. Al di fuori dell'area focale, l'intensità del fascio ultrasonico è così bassa che i tessuti circostanti non vengono danneggiati. Valentina Marganella 20

21 High Intensity Focused Ultrasound (HIFU) In funzione di una determinata quantità di energia,, la distruzione tissutale è determinata da due distinti effetti fisici dipendenti dalla intensità acustica: 1. effetto termico che si ottiene applicando basse intensità (inferiori a 500 W/cm2 ) di ultrasuoni,, per periodi superiori ad 1 secondo 2. effetto di cavitazione che si ottiene con picchi di intensità elevata (maggiori di 3000 W/cm2). Le lesioni indotte sono caratterizzate da lisi cellulare con formazione di cavità. Valentina Marganella 21

22 Bibliografia G. Valli,, G. Coppini: Bioimmagini. Patron Editore,, Bologna, 2002; Lee M. Ellis, Steven A. Curley, Kenneth K. Tanabe :Radiofrequency Ablation for Cancer. Springer 2003 Carasso D., Hanannel A., Navon G.: A new method,tested in vitro for the assessment of thermal coagulation and demonstrated in vivo on focus ultrasound ablation. NMR Biomed 2008; 21: Mark Henkelman, PH.D. and Ropert D. Peters, PH.D. Thermal Imaging and Technological Aspects for MR-Guided Thermotherapy R. Proc. Intl. Sot. Mag. Reson. Med. 8 (2000) Furusawa H., Namba K., Nakahara H., Tanaka C., Yasuda Y., Hirabara E., Imahariyama M., Komaki K.:The evolving non surgical ablation of breast cancer: MR guided focused ultrasound (MRgFUS). Breast Cancer Vol 14 No 1 January 2007 C. Bohris, J. Jenne, R. Rastert, I. Simiantonakis,G. Brix, J. Spoo, M. Hlavac,Nemeth, P. Huber,J. Debus, MR monitoring of focused ultrasound surgery in a breast tissue model in vivo., Magn. Reson.Imaging 19 (2) (2001) Gündüz R., Çilesiz I,.: Magnetic Resonance Guided Focused Ultrasound Surgery (MRgFUS). Biomedical Imaging Systems. Biomedical Engineering Graduate Program Istanbul Technical University. May 2005 Gail ter Haar High Intensity Focused Ultrasound(HIFU) The Future of Local Control for Cancer Therapy? Joint Department of Physics.Institute of Cancer Research Sutton, Surrey, UK Valentina Marganella 22