Risonanza Magnetico Nucleare

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Fabia Dini
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1 Dipartimento di Fisica a.a. 2004/2005 Fisica Medica 2 Risonanza Magnetico Nucleare 21/3/2005

2 RMN ovvero NMR Spettroscopia RMN permette di - acquisire immagini 2D e 3D di parti del corpo umano ottima risoluzione anatomica complementare a TAC, PET e SPECT - studiare in situ la struttura chimico-fisica dei tessuti nonché le reazioni metaboliche tecnica non invasiva quasi totale assenza di danni da radiazioni complessa elaborazione del segnale

3 Principio fisico Sfrutta il processo di assorbimento ed emissione di fotoni con energia hν da parte dei livelli quantizzati esistenti nella materia La maggior parte dei nuclei atomici possiedono un momento magnetico µ µ = γ h l γ momento giromagnetico l momento della quantità di moto infatti il protone possiede µ = (2.79 e S z )/ m p con S z = ± ħ / 2

4 Proprietà magnetico nucleari Una carica nucleare che ruota su se stessa può avere un momento di dipolo magnetico proporzionale al suo momento angolare di spin Numero di massa A pari Numero atomico Z pari Momento angolare di spin S = 0 Momento di dipolo magnetico µ = 0 pari dispari S è intero µ = 0 dispari pari S è semintero µ > 0 dispari dispari S è semintero µ 0, µ 0

5 Isotopi biochimici 16 O e 12 C hanno momento magnetico nullo A pari e Z pari isotopi 17 O e 13 C hanno momento magnetico non nullo - bassa abbondanza naturale - possono essere sintetizzati in molecole complesse In un campo magnetico i nuclei atomici si comportano come dipoli magnetici La RMN utilizza questi atomi sia da soli sia in molecole arricchite

6 Spettroscopia In assenza di campi magnetici esterni l energia dello stato fondamentale del nucleo non dipende dall orientamento nello spazio di µ Quando nuclei o molecole si trovano però in un campo magnetico esterno B si crea una differenza di energia tra i nuclei che hanno diversa orientazione rispetto al campo indotto B p dell idrogeno H + presenta due stati

7 Assorbimento Se l energia del fotone incidente è uguale alla differenza di energia dei livelli energetici si può avere un assorbimento in risonanza ν L = γ B / 2π frequenza di precessione di Larmor

8 Precessione Un momento magnetico µ precede intorno alla direzione di B con la frequenza di Larmor ω = 2πν L = γ B se il campo magnetico dell onda a radiofrequenza ( MHz) ha la stessa frequenza ν L si esercita coerentemente una coppia meccanica che varia l angolo tra µ e B Per il protone la frequenza di Larmor è 42.6 MHz per ogni tesla (T) di campo magnetico

Descrizione RMN In presenza di B esterno il numero medio di nuclei in direzione di B è poco maggiore di quelli diretti in senso opposto Si crea una così

9 Descrizione RMN In presenza di B esterno il numero medio di nuclei in direzione di B è poco maggiore di quelli diretti in senso opposto Si crea una così una magnetizzazione macroscopica longitudinale M mentre la magnetizzazione trasversale a B è invece nulla a causa della fase casuale di precessione di µ µ

10 Immagini cliniche Ponendo il materiale in una regione in cui B varia in modo noto da punto a punto la frequenza di risonanza sarà differente da punto a punto nello spettro NMR è quindi codificata l informazione della distribuzione dei nuclei risonanti nello spazio Si apprezzano anche le nervature all interno della calotta cerebrale

11 Ricostruzione immagine Campione di liquido, a forma di croce, in campo magnetico B costante Aggiungendo un gradiente di campo da sinistra a destra nella stessa direzione di B frequenza di risonanza dei nuclei aumenta!

12 Schema tomografo Magnete permanente alimentatore gradienti generatore forme d onda sorgente principale radio frequenza ricevitore a radio frequenza memoria magnetica (PACS) elaboratore elettronico Bobine a radiofrequenza alimentatore magnete schermo radiazioni elettromagnetiche Quadro di comando e video di controllo

13 Richieste tecniche Principio semplice ma realizzazione complicata Magnete permanente, elettromagnete, magnete superconduttore per produrre il campo esterno statico ( T) uniformità 10-8 Solenoidi addizionali per generare gradienti di campo di configurazione variabile e nota Bobine di scansione a radiofrequenza (60 MHz) per creare il campo trasversale e per ricevere i segnali di ritorno (specifici x differenti materiali) Elaboratore elettronico che pilota l acquisizione variando l irraggiamento RF e la raccolta dati

14 Risoluzione altissima Colonna vertebrale Ginocchio Differenti livelli di grigio scelti dall operatore

15 Caratteristiche della risoluzione Sezione sagittale mediana di un cranio Le zone più chiare sono quelle dove sono presenti protoni contenuti nell idrogeno dell acqua o delle molecole che costituiscono i tessuti Le parte ossee o le cavità appaiono invece scure

16 Efficienza Possibilità di rappresentare non solo la densità dei protoni nei tessuti Ma anche discriminare tra protoni presenti in atomi e molecole aventi diverso grado di mobilità Il tempo di rilassamento nucleare T 1 è il tempo impiegato dal momento magnetico del nucleo per tornare all equilibrio (termico) dopo essere stato irraggiato con un campo a radiofrequenza alle condizioni di risonanza a parità di altri fattori T 1 è tanto più lento tanto più lenti sono i moti molecolari

17 Tempo di rilassamento T 1 per protoni in tessuti biologici è s Se l altezza del segnale RMN è misurata dopo T 1 intensità del segnale risulta funzione di T 1 e risulta quindi diversa per i differenti nuclei che hanno differenti tempi di rilassamento T 1 dei protoni in tessuto cancerogeno è più lungo di quello dei protoni in tessuto sano si possono dare rappresentazioni della densità in cui appare la presenza del tessuto malato

18 Tempo di rilassamento spin-spin Un altro parametro è il tempo di rilassamento trasversale T 2 ovvero di spin-spin che caratterizza l allargamento intrinseco della riga di risonanza Nei liquidi (H 2 O) il rapporto T 1 /T 2 è vicino ad 1 in strutture più ordinate e meno mobili (tessuti, proteine) il rapporto T 1 /T 2 assume valori >>1 si possono così ottenere mappe per i differenti elementi quali 133 Cs, 127 I, 39 K, 31 P, 23 Na chiaramente il valore della frequenza di risonanza è diverso per ciascun tipo di nucleo

19 Risonanza magnetica nucleare Sezione trasversale di una gamba umana protoni appartenenti a H 2 O e a gruppi CH 2 di acidi grassi usando RF diverse ed i differenti T 1

20 Riscaldamento Stimare l energia assorbita dal paziente in un analisi RMN della sezione sagittale mediana della testa (10 kg, 60% H 2 O) Per ν = 42.6 MHz, B = 1 T e 200 spessori di x = 1 mm ciascuno N H = [2 (10000 /18) ] / 200 = H + E = h ν = = J E tot = = J se E tot = m c T T = C Insignificante!

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