Tecniche Convenzionali di Risonanza Magnetica nello studio dell encefalo

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1 Tecniche Convenzionali di Risonanza Magnetica nello studio dell encefalo Arturo Brunetti Diagnostica per Immagini - Neuroradiologia Dipartimento di Scienze Biomorfologiche e Funzionali Università di Napoli Federico II Istituto di Biostrutture e Bioimmagini - CNR Napoli Laboratorio di Imaging Sperimentale CEINGE Biotecnologie Avanzate- Napoli Schema della presentazione Principi fisici in breve La macchina campo, bobine... (sempre in breve) Le immagini T1, T2, PD/FLAIR, T2*, (diffusione) semeiologia 1

2 Origine del segnale RM O H H I nuclei degli atomi di idrogeno delle molecole di acqua in presenza di un campo magnetico di intensità elevata migliaia di volte maggiore di quello terrestre possono essere eccitati (messi in risonanza) con impulsi a RF prodotti da bobine sintonizzate sulla frequenza di risonanza dell idrogeno terminati i quali i nuclei si rilassano creando un segnale raccolto dalle bobine usate per eccitare o da altre bobine che può essere utilizzato per costruire immagini se si dispone di un sistema di localizzazione spaziale del segnale stesso Perchè il nucleo atomico utilizzato per ottenere le immagini RM è quello degli atomi di idrogeno ( protone )? - + Vantaggi: elevata concentrazione nei tessuti (H2O) elevata abbondanza isotopica buon segnale RM ab

3 LO SPIN DEL PROTONE I nuclei degli atomi di idrogeno, essendo dotati di uno spin e di una carica elettrica, si comportano come piccoli dipoli magnetici L asse di rotazione descrive nello spazio un movimento di precessione ab Gli spin nucleari, sotto l azione di un campo magnetico di intensità elevata, si orientano lungo le linee di forza del campo La popolazione di spin è distribuita tra orientamento parallelo e antiparallelo con una lievissima prevalenza di spin paralleli.questa piccola differenza, modificabile con impulsi RF consente di evidenziare i segnali NMR.La differenza è calcolabile con la formula di Boltzmann. B0 ab

4 Frequenza di Risonanza e energie coinvolte Le frequenze di risonanza dipendono dal tipo di nucleo e sono direttamente proporzionali all intensità del campo magnetico (B) secondo la relazione di Larmor!0 = " B0 " = costante giromagnetica valore specifico di ciascuna specie nucleare Le frequenze NMR si trovano nella regione delle radiofrequenze dello spettro elettromagnetico (1-500 MHz) e sono associate a transizioni energetiche tra livelli diversi, che corrispondono a diversi stati magnetici dei nuclei. In un campo magnetico di 1.5 Tesla, il dislivello di energia tra i protoni paralleli e antiparalleli è solo di x 10-7 ev ab Esecuzione dellʼesame RM: la sequenza di eventi Il paziente è posizionato nel campo magnetico Si inviano sulla parte da studiare serie di impulsi a radiofrequenza Si registra il segnale di risposta agli impulsi Si ricostruiscono le immagini a partire dai dati acquisiti ab/01/2011

5 LIMITAZIONI E CAUTELE PER LʼUSO DELLA RM Pazienti portatori pacemaker impianti metallici ferromagnetici mobili/ mobilizzabili (clips...) Pazienti in terapia intensiva/rianimazione Insufficienza renale (per mezzo di contrasto) Gravidanza Agitazione - tremore Claustrofobia Le componenti della macchina Magneti principale Bobine per la produzione di impulsi RF e per la ricezione del segnale Circuiti per creare gradienti di campo magnetico e per shimming

6 LA MACCHINA (HARDWARE) Magnete Resistivo Permanente Superconduttivo Campo attualmente più utilizzato 1.5 Tesla in prospettiva - diffusione di 3 Tesla soprattutto per applicazioni neurologiche oltre 3 Tesla solo ricerca I molti vantaggi della RM Non invasività Multiplanarità Multiparametricità... ab/01/2009

7 Immagini multiplanari Sagittale Assiale Coronale ab/01/2009 Principali parametri che influenzano le caratteristiche del segnale RM concentrazione dei nuclei tempi di rilassamento T1 e T2 movimenti dei nuclei flusso ematico, moti browniani chemical shift presenza di materiali che modificano il campo magnetico locale (T2*) ab/01/2009

8 Sequenze diverse di impulsi RF consentono di ottenere immagini pesate su parametri diversi Le immagini RM sono state ottenute nei primi anni con sequenze spin-echo (sequenze di impulsi da ), che consentono di ottenere immagini pesate sui tre principali parametri RM (T1, T2 e DP). Si sono poi diffuse sequenze più rapide che permettono di ottenere informazioni simili o diverse rispetto alle Spin-echo tradizionali fast spin-echo (FSE, TSE) echo-gradient (GE, FFE...) echo-planar (EPI) Con possibilità di integrare lo studio di altri parametri quali T2*, diffusione. Immagini multiparametriche = contrasto variabile T1 pesata T2 pesata FLAIR Ad esempio, la sostanza grigia può avere segnale maggiore o minore della sostanza bianca ab/01/2009

9 Che cosa possiamo vedere nelle immagini convenzionali? Modificazioni di forma/aspetto dimensioni struttura segnale Definizioni utilizzate per le modificazioni di segnale : iperintensità, isointensità, ipointensità rispetto a... L immagine pesata in T1 Il segnale nelle immagini T1 dipende dalla velocità di recupero della magnetizzazione iniziale. T1 pesata Il segnale del tessuto adiposo è alto quello del liquor è basso; la sostanza grigia ha minor segnale (è ipointensa) rispetto alla bianca (grigia-grigia e bianca-bianca) Immagine anatomica

10 Immagini T1 - ottime per l anatomia Corpo calloso normale Agenesia del corpo calloso Immagine anatomica T1 - atrofia sottotentoriale

11 Immagini prima e dopo mdc (esame normale) T1 precontrasto T1 dopo mdc Mezzi di contrasto paramagnetici (chelati di Gadolinio): nelle immagini T1 aumentano (potenziano) il segnale nelle zone in cui raggiungono elevate concentrazioni ab/01/2009 Immagini T1 - indicate per evidenziare modificazioni del segnale dopo mezzo di contrasto in RM convenzionale: potenziamento del segnale = contrast enhancement da aumento della permeabilità capillare pre-contrasto post-contrasto

12 L immagine pesata in T2 Il segnale nelle immagini T2 dipende da quanto a lungo la risonanza persiste dopo l impulso T2 pesata Il grasso ha meno segnale rispetto alla T1; il liquor ha segnale elevato, come tutto ciò che ha molta acqua la sostanza grigia ha segnale maggiore (è iperintensa) rispetto alla bianca (contrasto invertito rispetto alla T1) Immagine dell acqua utile per la ricerca di patologie L immagine pesata in T1, T2, FLAIR, DWI Le immagini FLAIR sono caratterizzato dall abbattimento del segnale del liquor, che appare scuro FLAIR e DP la sostanza grigia ha un segnale maggiore rispetto alla bianca (contrasto invertito rispetto alla T1) Nelle FLAIR il segnale ridotto del liquor permette di vedere meglio che ciò che è bianco in T2 ma non è liquido (ad esempio, edema) Liquor nero meglio della T2 per la ricerca di patologie in prossimità del liquor

13 !"#$%!&'()'*+'*,#%-##-%!.!#%(/'! FLAIR!"#$%&' %(#")*%!"#$%!&'()'*+'*,#%-##-%!.!#%(/'! immagini T2 immagini T2 %(#")*%+,"#(*,%&' %(#")*%+,"#(*,"-."((","#(*,%&'

14 !"#$%!&'()'*+'*,$0)!"$*1 "!2-)$!!"#$#%!&'!((!!)*+*,-#,($*.+#!/#0.-12# T1 T2 FLAIR.:4;0+:980<4/ =0+ '/ FLAIR!"#$%!&'()'*+'*,$0)!"$*.*')/'!33!&'()$ T1 T2 FLAIR!)#..(%!34!((!!*$-5(,*6-!)*6+,(%!)-6+",7-!)*8! 8-.0"(00-# B$& T1 T2 FLAIR!!"#$#%!99!((!!6+(+#!)-!$(8*!*5-8*:/# '759C :9D54

15 Danno tessutale - infiammazione Aumento del contenuto di acqua = Aumento del segnale in T2!"#$%!&'()'*+'*,$0)!"$*1,2"$%(,'*3-"#'4"!!!"#$#%!;<!((!!-5#6+*.-(!==>>%!,-)"?-#.*!)*8! 2-6"6!@> FLAIR T2 T1 con mdc &9/0270+=4+.$

16 Danno strutturale - neoplasia FLAIR FLAIR T1 +mdc T1 +mdc FLAIR Lʼimmagine T2*: le disomogeneità di campo magnetico locale determinano una riduzione di intensità di segnale T2 T2*

17 Le immagine T2*: le disomogeneità di campo magnetico locale determinano una riduzione di intensità di segnale T2 T2* 0%!+'$)#.$25(*#67 NO!*!NP!$#8+#!7,*2!!6*A"*.?*!,*8(12($*.+*!2*8#/!B18-!5*,!,-8*2(,*!$-/,#A"(.1+C!)-!DE*,,#F! #!/(8/-G/(?-#.!!H(8+*,.(12(!(2(.?(+(!6*A"*.?*!>IJ!K!!!!!>"6/* L!I*-0M+*)!J$(0-.0 E9:2/0D+=0+C9882,4350H54;0270 'F2884G04

18 Immagini multiparametriche = nella routine oggi cʼè anche la diffusione T1 pesata T2 pesata FLAIR DWI ADC ab/01/2009 mappe di diffusione Che cosa significano DWI e ADC? (di cui si parlerà ampiamente domani) Il segnale nelle immagini DWI dipende dai processi di diffusione molecolare (moti browniani) DWI E importante distinguere le immagini di segnale (DWI) dalle mappe parametriche in cui si rappresenta il valore del coefficiente di diffusione (ADC = apparent diffusion coefficient) perchè in generale ciò che è bianco in DWI diventa nero in ADC e viceversa ADC

19 !"#$%!&'()'*+'*,$0)!"$*')*+'//-,'()$*1*$+$3!*1*2$""-"!%'#!8* DWI DWI ADC ADC '=9F4+<4/2G97052 DWI ADC ADC '=9F //052 Sviluppi futuri Tecnica hardware Metodologia mezzi di contrasto analisi dei dati L avanzato che diventa routine

20 SVILUPPI FUTURI : CAMPO MAGNETICO DI ELEVATA INTENSITAʼ? 3T 7T SVILUPPI FUTURI LA MACCHINA (HARDWARE) Bobine multicanale (ricezione - trasmissione) criogeniche Gradienti / elettronica Blow N, Nature technology 2009 Apparecchi dedicati Integrazione con altre tecnologie

21 SVILUPPI FUTURI RM INTRAOPERATORIA - RM DEDICATA SVILUPPI FUTURI INTEGRAZIONE CON ALTRE TECNICHE per applicazioni diagnostiche per applicazioni terapeutiche apparecchi ibridi PET-MRI