Corsi residenziali di Risonanza Magnetica encefalo-midollare. Le sequenze in RM

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1 Corsi residenziali di Risonanza Magnetica encefalo-midollare Le sequenze in RM Dott. TSRM Luigi Imperiale Dipartimento di Scienze Radiologiche Ospedali Riuniti di Ancona

2 In risonanza magnetica vengono definite sequenze, le sequenze di impulsi, radiofrequenza B 1 e impulsi di gradienti db/dt che rendono possibile la raccolta e l analisi dei segnali di rilassamento dei nuclei di H che hanno subito un eccitazione.

3 Se consideriamo il sistema di generazione degli impulsi, possiamo suddividere le sequenze in due gruppi: SE (Spin echo) GRE o FFE (Gradient echo)

4 Se invece prendiamo in considerazione la velocità di acquisizione, avremo una suddivisione in tre gruppi: CONVENZIONALI RAPIDE ULTRA RAPIDE Spin echo Inversion recovery (IR) STIR SPIR SPAIR FLAIR Gradient echo o FFE Fast o Turbo Spin Echo (FSE o TSE) GRadient echo And Spin Echo (GRASE) Echo Planar Imaging (EPI) Half Fourier single shot spin echo (HASTE)

5 CONVENZIONALI Spin echo Inversion recovery (IR) STIR SPIR FLAIR SPAIR RAPIDE ULTRA RAPIDE Gradient echo o FFE Fast o Turbo Spin Echo (FSE o TSE) GRadient echo And Spin Echo (GRASE) Echo Planar Imaging (EPI) Half Fourier single shot spin echo (HASTE)

6 Diagramma temporale Spin echo RF: Amplificatore di radiofrequenza Gss: Gradiente selezione slice Gpe: Gradiente phase encoding Gfe: Gradiente frequency encoding

7 Spin echo E la prima sequenza di impulsi che è stata utilizzata e risulta tuttora la più applicata grazie alla sua capacità di ottenere un elevato contrasto e per la sua ridotta sensibilità alle disomogeneità di campo. Con opportune modifiche dei parametri che caratterizzano le sequenze spin echo è possibile ottenere immagini pesate in T1, T2 e Densità protonica. I tempi di acquisizione sono relativamente lunghi rendendo le sequenze sensibili agli artefatti da movimento e producendo inoltre valori di SAR elevati.

8 Spin echo pesata in T1 Le sequenze Spin echo pesate in T1 sono dotate di un alto rapporto S/N e ci consentono di ottenere una accurata analisi morfologica delle strutture in esame.

9 Spin echo pesata in T2 Le sequenze Spin echo pesate in T2 sono dotate di un alto rapporto S/N. Una manifestazione specifica delle sequenze spin-echo è l outflow effect. I vasi ematici non generano alcun segnale e appaiono neri.

10 Spin echo pesata in DP Le sequenze Spin echo pesate in DP sono dotate di un alto rapporto S/N.

11 Spin echo Densità protonica T1 T2 Il segnale del grasso risulta ipointenso per effetto J-copling

12 CONVENZIONALI Spin echo Inversion recovery (IR) STIR SPIR FLAIR SPAIR RAPIDE ULTRA RAPIDE Gradient echo o FFE Fast o Turbo Spin Echo (FSE o TSE) GRadient echo And Spin Echo (GRASE) Echo Planar Imaging (EPI) Half Fourier single shot spin echo (HASTE)

13 Inversion Recovery Queste sequenze sono caratterizzate da un pre-impulso a 180 prima dell impulso a 90 che viene fornito ad un tempo noto come tempo di inversione (TI). Il TI influisce sul contrasto T1 dipendente che permette di sopprimere il segnale di un particolare tessuto al null point

14 Inversion Recovery

15 Inversion Recovery M z RF 180 tempo Grasso White matter CSF TI null point RF 90

16 STIR Short tau Inversion recovery M z Grasso TI ~ 150ms La STIR è una sequenza della famiglia delle inversion recovery che consente grazie ad un breve tempo di inversione, circa 150ms di effettuare una soppressione selettiva del segnale del grasso. Questo ci consente di eliminare la componente di segnale dovuta al grasso che in alcune situazioni potrebbe mascherare una lesione iperintensa.

17 SPIR -spectral presaturation inversion recovery- La SPIR è una sequenza della famiglia delle inversion recovery che consente grazie ad un impulso di pre-saturazione di effettuare una soppressione selettiva del segnale del grasso. Questo ci consente di eliminare la componente di segnale dovuta al grasso che in alcune situazioni potrebbe nascondere una lesione iperintensa. La SPIR (Spectral Presaturation Inversion Recovery) è utilizzata per ovviare all inconveniente della sequenza STIR di sottrarre anche il segnale del mdc

18 FLAIR Fluid Attenuation Inversion Recovery La FLAIR è una sequenza della famiglia delle inversion recovery che consente grazie ad un lungo tempo di inversione, circa ms di effettuare una soppressione selettiva del segnale del liquor. Questo ci consente di vedere le lesioni encefaliche caratterizzate da una iperintensità di segnale che si trovano vicino a zone come i ventricoli e i solchi delle circonvoluzioni che nelle sequenze pesate in T2 apparirebbero naturalmente iperintense.

19 SPAIR - SPectral Attenuated Inversion Recovery Utilizza un impulso di inversione adiabatico selettivo di frequenza che utilizza la differenza fra le frequenze di risonanza dell'acqua e del grasso (circa 3,4 ppm) simile a SPIR Soppressione Spettrale del grasso: poiché le frequenze di risonanza di grasso e acqua differiscono di circa 3,4 ppm, un impulso di saturazione selettivo in frequenza può essere utilizzato per eliminare il segnale del grasso. Un impulso di eccitazione selettivo converte la magnetizzazione longitudinale in magnetizzazione trasversale, che viene immediatamente defasato con gradienti di spoiler. La magnetizzazione longitudinale del tessuto adiposo non avrà tempo per recuperare prima che la sequenza di impulsi successiva inizi determinando quindi la soppressione del segnale del grasso.

20 CONVENZIONALI Spin echo Inversion recovery (IR) STIR SPIR FLAIR RAPIDE ULTRA RAPIDE Gradient echo o FFE Fast o Turbo Spin Echo (FSE o TSE) GRadient echo And Spin Echo (GRASE) Echo Planar Imaging (EPI) Half Fourier single shot spin echo (HASTE)

21 Gradient echo (GRE - FFE FLASH) Le sequenze gradient echo sono caratterizzate da valori di TR e di TE molto brevi. L aspetto principale sta nel fatto che l impulso iniziale, che nelle SE è costituito da un impulso RF a 90, questa volta è dato da un impulso RF di un angolo minore di 90 chiamato angolo di nutazione o Flip angle (FA).

22 Gradient echo (GRE - FFE FLASH) Nelle sequenze ad echo di Gradiente, il rifasamento degli spin avviene attraverso l accensione di un gradiente di campo invece che con un impulso di RF a 180. Questa procedura rende più veloce la sequenza in quanto i tempi di attivazione dei gradienti sono nettamente più veloci. Il concetto è che un eco viene creato applicando due lobi di gradiente di frequenza con polarità opposte. Il primo lobo, negativo, detto di sfasamento, defasa gli spin determinando lungo il gradiente di frequenza un guadagno di fase dalla parte più intensa rispetto agli spin che si trovano dalla parte opposta con una intensità di gradiente minore. In un secondo momento viene acceso il secondo gradiente sempre di frequenza ma questa volta positivo, detto di rifasamento, adesso gli spin che avevano perso fase cominciano a riguadagnarla arrivando a recuperarla completamente nel momento di lettura del segnale che sarà il nostro TE.

23 Gradient echo La caratteristica fondamentale che ne ha sviluppato il loro uso invece di limitarlo è la forte sensibilità alle disomogeneità di campo. Avremo quindi una situazione di aumento di artefatti da metallo che è però compensata dall utilità di poter rilevare delle minime quantità di sostanze paramagnetiche come ad esempio l emosiderina, il Fe e il Ca (GRE T2*) Inoltre il corto TR se da un verso riduce la MML dei tessuti stazionari dall altro incrementa il segnale del sangue nei vasi che appaiono naturalmente iperintensi (GRE T1) e vengono utilizzate quindi negli esami angio-rm

24 GRE T1w Gradient echo GRE T2w Il TR è sempre breve TE brevi (10ms) FA elevati (> 60 ) TE lunghi FA bassi(< 20 )

25 Gradient echo Le Gradient echo esistono in tantissime varianti che si possono suddividere in gruppi, a seconda che la genesi del segnale dipenda dalla magnetizzazione longitudinale, da quella trasversale o da entrambe. Dato che i TR sono molto brevi, più brevi dei T2 dei tessuti biologici, avremo sempre una parte di magnetizzazione trasversale residua quando andremo a dare il secondo impulso, questo fenomeno ha fatto sviluppare diverse tecniche, una che si propone di eliminare questa magnetizzazione residua ad ogni ripetizione, e un altra che invece la utilizza come parte integrante del segnale utilizzato per la formazione dell immagine.

26 Gradient echo Spoiled Del primo gruppo fanno parte le cosiddette SPOILED GRE, nelle quali, dopo la lettura del segnale, viene fornito un impulso di RF o di gradiente che abbatte la magnetizzazione trasversale residua prima dell impulso successivo.

27 Gradient echo Unspoiled Del secondo gruppo fanno parte le cosiddette UNSPOILED. In queste sequenze, la magnetizzazione trasversale residua non viene eliminata e viene anzi utilizzata per generare un echo perché gli impulsi successivi che vengono inviati sono anch essi in grado di rifocalizzare gli spin che precedono sul piano XY fino alla formazione di un echo. Per compensare però la differente fase degli spin che potrebbe generare artefatti, vengono applicati degli impulsi di rifasamento (gradienti di rewinding).

28 Gradient echo Unspoiled True-FISP I tessuti con un T1 corto ed un T2 lungo contribuiscono all aumento dell intensità del segnale, pertanto la pesatura effettiva di queste sequenze è da considerarsi un rapporto T2/T1 H 2 O T1 e T2 lunghi hanno entrambi un rapporto T2/T1 alto quindi elevato segnale Grasso T1 e T2 brevi Muscolo ed altri tessuti con T1 lungo T2 breve hanno un rapporto T2/T1 basso quindi intensità di segnale bassa

29 CONVENZIONALI Spin echo Inversion recovery (IR) STIR SPIR FLAIR RAPIDE ULTRA RAPIDE Gradient echo o FFE Fast o Turbo Spin Echo (FSE o TSE) GRadient echo And Spin Echo (GRASE) Echo Planar Imaging (EPI) Half Fourier single shot spin echo (HASTE)

30 Fast spin echo o Turbo spin echo Le sequenze Fast spin echo o Turbo spin echo sono sequenze del tutto simili alle spin echo con la differenza che dopo la lettura del segnale di echo vengono forniti nuovi impulsi a 180 di rifasamento nello stesso TR che permettono di rendere più breve il tempo d acquisizione grazie al riempimento più veloce del Kspace. Vengono infatti riempite in ogni TR tante linee del Kspace quanti sono gli impulsi a 180 (ETL, echo train lenght o TF, turbo factor) L echo spacing è il tempo che separa due impulsi di rifocalizzazione.

31 Fast spin echo o Turbo spin echo Le caratteristiche del contrasto ottenibile con le sequenze FSE sono del tutto simili a quelle viste con le SE, possiamo quindi ottenere le pesature T1, T2, DP, o multiecho (DP-T2). In conclusione possiamo dire che le FSE possiedono caratteristiche simili alle SE con il vantaggio di ridurre in modo notevole i tempi di acquisizione.

32 CONVENZIONALI Spin echo Inversion recovery (IR) STIR SPIR FLAIR RAPIDE ULTRA RAPIDE Gradient echo o FFE Fast o Turbo Spin Echo (FSE o TSE) GRadient echo And Spin Echo (GRASE) Half Fourier single shot spin echo (HASTE) Echo Planar Imaging (EPI)

33 GRASE -GRadient echo And Spin Echo E una sequenza ibrida che fonde le caratteristiche delle gradient echo e delle spin echo Combinazione di TSE ed EPI (TSE-EPI). Viene creato un determinato numero di echi di gradiente centrati attorno a ciascun segnale di eco di spin TSE. Tale risultato è ottenuto con la commutazione della polarità del gradiente di lettura, come nella tecnica EPI.

34 CONVENZIONALI Spin echo Inversion recovery (IR) STIR SPIR FLAIR RAPIDE ULTRA RAPIDE Gradient echo o FFE Fast o Turbo Spin Echo (FSE o TSE) GRadient echo And Spin Echo (GRASE) Half Fourier single shot spin echo (HASTE) Echo Planar Imaging (EPI)

35 Sequenze ultra rapide Haste o SSFSE Dalle prime implementazioni delle sequenze RARE (Rapid Acquisition with relaxation enhancement) che ha dato origine alle FSE, si è cercato di acquisire tutto il segnale necessario alla formazione dell immagine in un unico impulso di eccitazione (Single Shot). Il problema all origine era costituito dal valore dell echo spacing che non poteva essere ridotto considerevolmente. L evoluzione tecnologica ha permesso nel tempo di ridurre l echo spacing al di sotto dei 5ms permettendo, insieme alla modalità di acquisizione del Kspace denominata Half Fourier la nascita della tecnica SSFSE o Haste (Half Fourier acquisition fast spin echo).

36 Sequenze ultra rapide Haste o SSFSE La tipologia di contrasto di queste sequenze è di tipo T2. Dal momento che sono delle Single Shot, a colpo singolo, il TR è concettualmente infinito. In generale possiamo dire che queste sequenze sono in grado di produrre immagini di alta qualità e alto SNR in tempi brevissimi dell ordine delle centinaia di millisecondi.

37 CONVENZIONALI Spin echo Inversion recovery (IR) STIR SPIR FLAIR RAPIDE ULTRA RAPIDE Gradient echo o FFE Fast o Turbo Spin Echo (FSE o TSE) GRadient echo And Spin Echo (GRASE) Half Fourier single shot spin echo (HASTE) Echo Planar Imaging (EPI)

38 Sequenze ultra rapide: EPI (Echo Planar Imaging) Le sequenze EPI (Echo Planar Imaging) sono sequenze che utilizzano una combinazione delle tecniche ad echo di spin e ad echo di gradiente. Furono descritte già nel 1977 da Sir Peter Mansfield (Nobel nel 2003 per gli studi in NMR) ma vennero utilizzate nella pratica clinica soltanto molto più tardi, intorno agli anni 80 a causa dell altissimo livello di performance necessario dei componenti hardware delle apparecchiature di risonanza. E la sequenza che consente la più rapida acquisizione possibile con una riduzione potenziale degli artefatti da movimento anche in pazienti non collaboranti con un tempo di acquisizione inferiore ai 100ms.

39 Sequenze ultra rapide: EPI (Echo Planar Imaging) La sequenza EPI è un procedimento di acquisizione delle immagini molto veloce; permette di acquisire contemporaneamente tutte le linee in una sola eccitazione (shot), cioè è in grado di produrre immagini tomografiche a frequenza video. L EPI consiste nell acquisizione di una successione di echi di gradiente tra loro contigui e con differente codifica di fase, allo scopo di campionare l intero Kspace e ricostruire un immagine, sfruttando la magnetizzazione generato da un solo impulso RF.

40 Sequenze ultra rapide: EPI (Echo Planar Imaging) Diagramma temporale C'è un impulso RF a 90 che viene applicato insieme ad un gradiente di selezione della fetta. Ci sono un impulso di gradiente di codifica di fase iniziale e un impulso di gradiente di codifica di frequenza iniziale per posizionare gli spin nell'angolo dello spazio-k. Segue un impulso a 180. Le direzioni della codifica di fase e di frequenza sono alternate cosi' da scandire l'intero spazio-k. Cio' equivale a mettere 128 o 256 gradienti di codifica di fase e frequenza nel consueto periodo di registrazione dell'echo.

41 Sequenze ultra rapide: EPI (Echo Planar Imaging) Guardando la traiettoria dello spazio-k nello stesso momento in cui zoomiamo nell'area del gradiente di codifica di fase e frequenza, possiamo vedere come i gradienti tracciano lo spazio-k. La velocità con la quale lo spazio-k viene attraversato è così rapida che è possibile, a seconda della dimensione della matrice di acquisizione, ottenere da 15 a 30 immagini al secondo. Questa è l'acquisizione a frequenza video. C'e un gradiente di codifica di fase, seguito da un gradiente di codifica di frequenza, durante il quale viene registrato un segnale. Poi c'e un altro gradiente di codifica di fase seguito dal gradiente di codifica di frequenza di polarità inversa per la formazione del segnale di eco (Gradient echo)

42 Sequenze ultra rapide: EPI (Echo Planar Imaging) Quando l'imaging echo planare venne sviluppato, si pensò che avrebbe avuto un grande impatto nel produrre immagini di risonanza magnetica in tempo reale. La sua più grande applicazione apparve essere nell'area dell fmri del cervello. L'imaging funzionale permette di visualizzare quali zone del cervello stanno lavorando durante lo svolgimento di un determinato compito. Durante l'attività cerebrale c'è un rapido momentaneo incremento di flusso sanguigno in specifici centri del cervello deputati al pensiero. Il maggior flusso determina un incremento di ossigeno che, in quanto paramagnetico, ha effetto sul T1 e sul T2 dei tessuti locali del cervello; la differenza in T1 e T2 rispetto ai tessuti circostanti determina un contrasto tra i tessuti stessi.

43 SWI Susceptibility-weighted imaging L'imaging SWI usa le differenze in suscettibilità magnetica dei tessuti Nelle sequenze RM standard viene interpretata solo la magnetizzazione longitudinale degli spin e non le informazioni relative alla fase degli stessi. Le sequenze SWI offrono quindi informazioni complementari alle immagini standard di risonanza magnetica, in modo da poter rilevare sui tessuti una suscettibilità diversa per l'eventuale presenza di emosiderina, ferritina, e di calcio, che si possono presentare in molte patologie del sistema nervoso centrale.

44 Immagine in fase Immagine in fase Reformat immagine in fase sangue Reformat immagine in fase calcio Courtesy: Paolo De Felice MR product specialist GE

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