Risonanza Magnetica. Risonanza Magnetica

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1 Risonanza Magnetica La per Imaging (MRI) e' una tecnica utilizzata principalmente in campo medico per produrre immagini ad alta definizione dell'interno del corpo umano. L'MRI e' basata sui principi della Nucleare (NMR), una tecnica spettroscopica usata dai ricercatori per ottenere informazioni di tipo microscopico, chimico e fisico, sulle molecole. 1

2 La tecnica e' stata chiamata "imaging mediante risonanza magnetica" piuttosto che "imaging mediante risonanza magnetica nucleare" a causa delle connotazioni negative associate alla parola "nucleare" negli ultimi anni '70. L'MRI e' nata inizialmente come tecnica di imaging tomografico, in grado cioe' di produrre un'immagine di una sottile fetta del corpo umano dal segnale NMR. Da normale tecnica di produzione di immagini tomografiche si e' poi evoluta fino a divenire una tecnica di imaging volumetrico. 2

3 E una tecnica di indagine sulla materia basata su principi fisici che utilizzano la misurazione della precessione dello spin dei protoni sottoposti ad un campo magnetico. La risonanza magnetica è un esame diagnostico che permette di visualizzare l'interno del nostro corpo senza effettuare operazioni chirurgiche o somministrare pericolose radiazioni ionizzanti. Storia Magnetismo Nucleare: Pauli Scoperta indipendentemente da Bloch per i liquidi e da Purcell per i solidi (entrambi Nobel nel 1952) Gabillard espone note sulla localizzazione spaziale E utilizzata nell analisi chimica molecolare e della struttura dei materiali Damadian dscrive come tumori e tessuti sani si comportino in maniera differenziata alla RM Lauterbur: su Nature codifica spaziale e back projection (utilizza la RM per i distretti anatomici) Primo prototipo commerciale 3

4 E il più moderno metodo di diagnostica per immagini oggi disponibile. Con questa tecnica molte malattie e alterazioni degli organi interni possono essere visualizzate e quindi facilmente diagnosticate. Particolarmente utile nell'ottenere immagini dettagliate del cervello e della colonna vertebrale, riesce a fornire ottime informazioni anche in campo traumatologico, oncologico, ortopedico, cardiologico e gastroenterologico. L'unico limite alla sua diffusione rimane l'elevato costo dell'apparecchiatura e delle operazioni di manutenzione. E un metodo non invasivo che fornisce sezioni multiplanari e multiparametriche del corpo in esame utilizzando campi magnetici e radioonde, cioè radiazioni NON IONIZZANTI. L'azione del campo magnetico e delle onde di radiofrequenza non produce nessun danno biologico. La capacità di discriminazione dei differenti tessuti molli del corpo umano è molto maggiore rispetto agli altri sistemi radiologici. 4

5 Prima di essere sottoposti all'indagine RM al paziente verranno poste una serie di domande che hanno lo scopo di prevenire eventuali danni causati dall'esposizione del paziente al forte campo magnetico prodotto dalla macchina di RM. In particolare dovrà essere accertata la presenza di pace-maker cardiaco, pompe di infusione interne, neurostimolatori, protesi all'orecchio interno che possono subire danneggiamenti sotto l'azione del campo magnetico. Altre controindicazione all'esame sono la presenza di schegge metalliche all'interno del corpo e in particolare in vicinanza degli occhi, clips metalliche a seguito di interventi chirurgici al cervello o al cuore. 5

6 Il paziente viene fatto sdraiare su un lettino e, in relazione al tipo di organo da studiare, potranno essere posizionate all'esterno del corpo le cosiddette "bobine di superficie" (fasce, caschetto, piastre ecc.), sagomate in modo da adattarsi alla regione anatomica da studiare. Anche l'applicazione di queste "bobine" (essendo appoggiate all'esterno del corpo), non provoca dolore o fastidio al paziente. Indipendentemente dal tipo di esame da eseguire il paziente dovrà essere collocato all'interno della macchina RM; in tal modo tutto il corpo verrà sottoposto all'azione del campo magnetico. Durante l esame si dovrà evitare ogni movimento perchè l'apparecchiatura è sensibile al più piccolo spostamento. Per evitare il senso di claustrofobia che si potrebbe generare e per evitare il rumore che l apparecchiatura genera si applicano cuffie auricolari con musica. 6

7 L'indagine RM ha una durata variabile; mediamente la permanenza all'interno della macchina é di circa 30. Durante questo tempo il paziente non avvertirà nessun dolore o particolare sensazione. Terminato l'esame diagnostico il paziente può tornare a svolgere la sua attività regolare. E particolarmente utile nella diagnosi delle malattie: del cervello della colonna vertebrale dell'addome e pelvi (fegato e utero) dei grossi vasi (aorta) del sistema muscolo-scheletrico (articolazioni, osso, tessuti molli) 7

8 Vantaggi: Non utilizza radiazioni ionizzanti Multiplanare Multiparametrica Alta risoluzione di contrasto Svantaggi: Elevati costi di gestione Ancora poco diffusa rispetto alla TC Minore risoluzione spaziale della TC E costituita essenzialmente da un grosso magnete e da bobine che emettono e ricevono onde elettromagnetiche. Sia il magnete che le bobine sono racchiuse nell involucro di un grosso cilindro cavo, al cui interno scorre il lettino dove viene posizionato il paziente. 8

9 Secondo il criterio funzionale, i sistemi RM si distinguono in sistemi a corpo intero, che consentono di esaminare tutti i distretti corporei, e sistemi dedicati, per lo studio di uno specifico distretto. Apparecchiature Secondo la geometria si distinguono sistemi a magnete chiuso o aperto. I sistemi a magnete chiuso possono avere tunnel lunghi o corti con magnete più compatto e svasato verso l esterno, per ridurre la sensazione di claustrofobia e consentire l accesso anche a pazienti obesi. 9

10 Apparecchiature I sistemi a magnete aperto, innovativi, hanno una forma a C e sono resistivi o permanenti, o hanno forma di tempietto e sono permanenti o superconduttivi; riducono al minimo la sensazione di claustrofobia, e consentono manovre chirurgiche, ma sono attualmente limitati a campi medi-bassi. Magnete Un magnete è un corpo che genera un campo magnetico Un magnete può essere permanente o un elettromagnete: un magnete permanente non necessita di nessuno stimolo esterno per generare il campo magnetico, mentre un elettromagnete genera il campo grazie allo stimolo di una corrente elettrica; un magnete permanente si può formare naturalmente in alcune rocce ma può anche essere creato artificialmente. 10

11 Magnete Nelle apparecchiature RM si distinguono 3 tipi di magneti: Permanenti Resistivi Superconduttivi Permanenti Magnete Generano un campo magnetico grazie alle proprietà magnetiche dei materiali di cui sono composti (ferrite o leghe a base di terre rare). Poco costosi e pochi costi di manutenzione Ridotta dispersione del campo magnetico nello spazio Ingombranti e di peso elevato Bassa potenza (fino a 0,3T) 11

12 Magnete Resistivi Sono elettromagneti costituiti da avvolgimenti (solenoidi) di rame, spesso raffreddati ad acqua. Sono costituiti da bobine attraversate da una notevole corrente elettrica Generano calore in proporzione alla corrente che li attraversa Poco potenti (fino a 0,5 T) Economici Magnete Superconduttivi Sono costituiti da avvolgimento di materiale superconduttore, ossia una lega metallica, la cui resistenza elettrica si azzera a basse temperature (un superconduttore perfetto può trasportare una corrente elettrica senza dispersioni; in RM si utilizzno comunemente conduttori in Titanio-Niobio all interno di un grosso avvolgimento di rame raffreddato con elio liquido a circa -269 C. Hanno intensità anche potenti (>3T) utilizzate solo nella ricerca. 12

13 Superconduttivi Magnete Si basano sulla capacità di alcune sostanze di non opporre resistenza alla corrente elettrica, se tenuti ad una temperatura prossima allo 0 assoluto (-273 C) Possibilità di ottenere campi magnetici compresi tra 0,5 e 4T Costosi Utilizzano azoto liquidi o elio per il raffreddamento Grossa dispersione in evaporazione dell elio liquido Bobine di gradiente Sono gli avvolgimenti in cui passa e viene modulata la corrente per modificare l intensità del campo magnetico lungo i tre assi spaziali; sono generalmente a forma toroidale. L'effetto delle bobine di gradiente è quello di modificare la frequenza di risonanza dei nuclei in maniera dipendente dalla posizione spaziale. Tuttavia è impossibile ottenere un campo perfettamente lineare ed orientato in una unica direzione. 13

14 Bobine di correzione (di Shimming) Queste bobine hanno lo scopo di creare campi magnetici tali da annullare le imperfezioni e non linearità del campo magnetico principale, in modo da renderlo più omogeneo e quindi mantenere il più costante possibile la frequenza di Larmor nella zona di cui si vuole fare l'imaging. Al posto di bobine controllate elettronicamente, o più spesso in aggiunta ad esse, si utilizza anche uno shimming passivo, costituito da elementi in materiale ferromagnetico posti nei dintorni del campo magnetico principale, che ne distorcono le linee di flusso. Bobine Esistono delle bobine superficiali (normalmente circolari o ellittiche), che si dispongono sul corpo del paziente, il più vicino possibile all organo in esame. Per gli organi superficiali - il migliorato rapporto segnale/rumore - si ha un incremento della qualità delle immagini. 14

15 Bobine di schermatura (shielding) Lo scopo di questi avvolgimenti consiste nel generare un campo magnetico che si annulli col campo primario o col campo prodotto dalle bobine di gradiente nei punti in cui non è desiderato un effetto magnetico, ad esempio all'esterno del magnete. Bobine di schermatura (shielding) Nonostante non siano noti effetti nocivi di un campo magnetico statico sui tessuti organici, almeno alle intensità usate per l'imaging diagnostico, è buona norma cercare di ridurre i campi indesiderati, sia per motivi precauzionali che per la salvaguarda delle apparecchiature elettriche ed elettroniche nei dintorni dello scanner ed all'interno dello scanner stesso. 15

16 Sistema di radiofrequenza Il sistema di radiofrequenza invia gli impulsi necessari alla formazione del campo H nonché riceve e trasmette il segnale al sistema di elaborazione dati che è costituito da: Emettitore di impulsi o trasmettitore radio Antenna o bobina RF (in base alla zona corporea da esaminare si distinguono antenna-corpo, antenna-testa, antenna di superficie) Ricevitore Antenne per radiofrequenza Possono essere doppie (una per la trasmissione ed una per la ricezione) o singole Possono essere di forma e dimensione diversa 16

17 Sistema informatico Il sistema informatico di elaborazione dei dati, elabora, presenta e memorizza i dati acquisiti; la consolle di studio non è più solo un banco di comando, ma può essere un centro di refertazione, con capacità evolutive di presentazione, confronto e correlazione di immagini. Sistema informatico L immagine viene prodotta utilizzando il segnale di risonanza emesso dai nuclei di idrogeno, dopo che questi sono stati eccitati dalla RF. L ampiezza dei segnali generati dipende dalle seguenti caratteristiche del tessuto in esame: 1) numero di protoni in precessione per unità di volume (densità protonica o DP) 2) caratteristiche di T1 e T2 dei protoni Il contrasto dell immagine in RM dipende per lo più dal T1 ed dal T2; molti tessuti, infatti, hanno DP simile, mentre differiscono nei valori di T1 e T2. 17

18 Sistema informatico Esistono numerose sequenze di impulsi RF in grado di ottenere immagini pesate in T1, T2 o DP. La sequenza più semplice è detta FID ripetuto o saturation recovery. Le sequenze attualmente pù utilizzate sono denominate spin-echo ed inversion recovery. Esistono altre sequenze, più o meno complesse: gradient echo, turbo spin-echo etc. I segnali di RM vengono utilizzati per formare un immagine in cui le tonalità di grigio dei tessuti rappresentati sono tanto più chiare quanto più intenso è il segnale da essi emesso e viceversa. 18

19 La generazione di immagini avviene attraverso la ripetuta acquisizione di segnali provenienti dal corpo, e attraverso l'opportuna modulazione delle bobine di gradiente; facendo in modo che ogni voxel dell'immagine abbia una frequenza e/o una fase diversa rispetto a tutti gli altri, si riescono a separare i segnali provenienti da una singola porzione. L'imaging avviene attraverso tre processi separati: 1. la selezione di una "fetta" (slice) 2. la codifica in frequenza 3. la codifica di fase. Selezione della "fetta" (slice) L'applicazione di un gradiente lungo una direzione, fa sì che la frequenza di Larmor degli atomi vari linearmente lungo quella direzione; come conseguenza, il corpo all'interno del magnete viene suddiviso in piani isofrequenziali paralleli. Un impulso radio ad una specifica frequenza (monocromatico) applicato mentre il gradiente è attivo, ecciterà un solo piano, lasciando in condizione di equilibrio tutti gli altri. 19

20 Rappresentazione del meccanismo di selezione della fetta. L'applicazione del gradiente fa variare linearmente la frequenza di Larmor all'interno del volume. Un impulso radio monocromatico eccita solamente un piano del volume. Codifica in frequenza Applicando un gradiente dopo l'impulso a radiofrequenza e durante l'acquisizione del segnale emesso, si varia linearmente lungo lo spazio la frequenza di emissione da parte dei protoni. Il segnale acquisito è la somma di segnali a frequenze diverse, le quali possono essere ottenute tramite la trasformata di Fourier. Facendo corrispondere ad ogni frequenza una posizione spaziale, si ottiene una localizzazione in una dimensione. Per localizzare gli spin anche nella seconda direzione spaziale, è necessario utilizzare la codifica di fase. 20

21 Rappresentazione schematica della codifica in frequenza Codifica di fase Il gradiente nella seconda direzione spaziale viene applicato dopo l'impulso a radiofrequenza ma prima dell'acquisizione. Una sola codifica di fase non è sufficiente per ottenere informazioni spaziali, per questo è necessario che la sequenza venga ripetuta un certo numero di volte per ottenere un campionamento significativo lungo la direzione della fase. 21

22 Sequenze di base Diversi tipi di sequenze portano ad immagini che evidenziano caratteristiche diverse dei tessuti; in particolare due sequenze classiche servono ad individuare rispettivamente il T 1 ed il T 2. Cenni di elettromagnetismo L'elettromagnetismo è la branca della fisica che studia i fenomeni di natura elettrica e magnetica, tra cui i campi magnetici prodotti dalle correnti elettriche, e le correnti elettriche prodotte dai campi magnetici variabili. Tra la forza elettrica e magnetica esiste una forte analogia, infatti entrambe sono sia attrattive che repulsive e diminuiscono con il crescere del quadrato della distanza. Tuttavia, una grande differenza è che mentre esistono cariche elettriche positive o negative isolate, sia a livello microscopico che a livello macroscopico, non esistono monopoli magnetici (+ o -) ma dipoli

23 Campo elettrico Il campo elettrico è un campo vettoriale, ovvero l'associazione di un vettore E(P) ad ogni punto P dello spazio; esso determina l'azione della forza elettrica su una particella carica eventualmente posta in quel punto. Corpi elettrizzati entrambi positivamente o entrambi negativamente si respingono mentre corpi elettrizzati in modo opposto si attraggono. Ogni atomo è composto dal nucleo ove risiedono protoni e neutroni e da una zona esterna dove si trovano gli elettroni. In condizioni normali un atomo è neutro, cioè ha lo stesso numero di elettroni e protoni. Nella figura il Carbonio. 23

24 Si definiscono due quantità per identificare ogni atomo: il numero atomico, cioè il numero dei protoni del nucleo, e il numero di massa, cioè la somma del numero dei protoni e dei neutroni. Normalmente, il numero degli elettroni che ruotano attorno al nucleo è uguale al numero dei protoni nel nucleo; essendo dette cariche di valore uguale (a parte il segno), un atomo è normalmente elettricamente neutro. Tuttavia esistono atomi con un numero di elettroni diverso dal numero atomico: si parla in questo caso di ioni. Alla base del fenomeno RM c è il fatto che alcuni nuclei atomici come H 1, P 31, C 13, possiedono uno spin intrinseco, sioè ruotano sul proprio asse generando un campo magnetico detto momento magnetico nucleare. In definitiva possono essere considerati dei dipoli che sono normalmente orientati casualmente, ma che, se sottoposti all azione di un campo magnetico si allineano secondo la direzione di quest ultimo. 24

25 Una condizione di equilibrio è rappresentata dai nuclei di idrogeno costituenti i tessuti biologici nel corpo umano; nel momento in cui si interviene disturbando tale condizione tramite una opportuna radiofrequenza, si avrà una data risposta dei nuclei di idrogeno che al termine dell applicazione della radiofrequenza rilasceranno l energia assorbita sotto forma di radiazione elettromagnetica della stessa lunghezza d onda della radiofrequenza di disturbo. Il riassestamento del nucleo rilascia un segnale che verrà utilizzato per l elaborazione dell immagine RM con una tecnica di ricostruzione analoga a quella della TC. 25

26 I nuclei di alcuni elementi con numero dispari di protoni e/o neutroni (es. 1 H), sono dotati di spin intrinseco, cioè ruotano intorno a se stessi. 1 H Poiché ogni carica elettrica in movimento produce un campo magnetico, anche questi nuclei, carichi elettricamente e dotati di spin, sono associati ad un campo magnetico microscopico (detto momento magnetico nucleare o dipolo magnetico). 26

27 Il campo magnetico terrestre non è sufficientemente forte per influenzare l orientamento dei dipoli magnetici. Unità di misura: 1 Tesla = Gauss L intensità del campo magnetico terrestre è di 0.5 Gauss ( Tesla) 1 Tesla è volte l intensità del campo magnetico terrestre Il campo magnetico di un apparecchiatura RM va da 0,2 Tesla fino a 3T e oltre. Le intensità di campo delle apparecchiature commerciali, in genere sono di 0,3-0, ,5 T. I magneti inferiori ad 1 T sono detti a bassa intensità. I magneti superiori ad 1 T sono detti ad alta intensità. Apparecchiature superiori a 3 T non sono ancora autorizzati per l attività clinica e sono riservati alla ricerca. 27

28 I sistemi RM producono immagini utilizzando le proprietà magnetiche del nucleo dell idrogeno, che è l elemento più abbondante nell organismo. Quantità media nel corpo umano 1 H 6930 gr 14 N C 160 Se i vettori magnetici (µ), sono disposti in maniera casuale nello spazio, il vettore magnetico risultante dalla loro somma è nullo. 28

29 Viceversa, in presenza di un forte campo magnetico esterno stazionario (che viene rappresentato da un vettore B 0 ), i protoni tendono ad orientarsi parallelamente alla direzione del campo magnetico esterno. Si produce una magnetizzazione risultante (che viene rappresentata da un vettore M), orientata parallelamente a B 0. Senza campo magnetico esterno stazionario (B0) Campo magnetico esterno stazionario (B0) 29

30 Lo spin risentirà, quindi, di una coppia data da L=µ* B 0 che farà si che il momento magnetico di ciascun protone cominci a ruotare, cioè a precedere attorno alla direzione di B 0 nello stesso modo in cui l asse di una trottola ruota intorno alla direzione della forza di gravità (fenomeno detto di precessione), con una ben precisa frequenza angolare ν 0, detta frequenza di Larmor, che dipende esclusivamente dal tipo di nucleo e dalla intensità del campo magnetico B 0. Comportamento dei protoni in un campo magnetico esterno (B 0 ) 30

31 Rispetto a B 0, per i protoni esistono solo due possibili orientamenti, parallelo (basso livello energetico), ed opposto o antiparallelo (alto livello energetico). In condizioni di equilibrio, il numero di protoni paralleli è lievemente superiore rispetto al numero di protoni antiparalleli. In condizioni di equilibrio, in presenza di un campo magnetico uniforme, tutti i protoni hanno la stessa frequenza, ma non la stessa fase di precessione. Per ogni protone possiamo considerare due componenti vettoriali: Longitudinale, orientata lungo l asse z; detta magnetizzazione longitudinale, somma dei singoli momenti Trasversale, perpendicolare a B 0, che ruota nel piano x, y. Non esiste alcuna magnetizzazione trasversale nel piano x, y perchè, le componenti trasverse dei singoli nuclei si trovano sparpagliate e si annullano reciprocamente. 31

32 Lo stato di equilibrio appena descritto può essere alterato mediante l applicazione di radiofrequenze (RF), cioè di onde elettromagnetiche, la cui frequenza sia uguale a quella di precessione dei protoni (frequenza di Larmor). La frequenza con cui i protoni ruotano attorno alla direzione di B 0 è detta frequenza di precessione o di Larmor (ω 0 ) e dipende da due fattori: 1. la costante giromagnetica (γ), valore numerico caratteristico di ogni specie nucleare 2. la forza del campo magnetico principale B0 ω 0 = γ B0 32

33 Se al sistema viene inviata un onda radio sulla frequenza di Larmor, specifica per il nucleo che vogliamo studiare (idrogeno), il sistema assorbe energia e cambia il suo stato, cioè risuona. Per radiofrequenze con frequenza diversa da quella di Larmor non si verifica alcuno scambio di energia. La stimolazione con RF provoca due fenomeni: 1) la sincronizzazione dei protoni nella stessa fase di precessione 2) il passaggio di alcuni protoni dal livello energetico basso (paralleli a B 0 ) al livello energetico alto (antiparalleli a B 0 ). In tal modo la magnetizzazione risultante (M) si allontana dall asse z di un angolo proporzionale alla intensità e alla durata dell impulso RF. 33

34 La stimolazione dei protoni con RF produce il progressivo allontanamento di M dall asse z verso il piano trasversale x, y. Un impulso RF capace di spostare la magnetizzazione M sul piano x, y viene definito impulso di 90. In tali condizioni le componenti magnetiche longitudinali (parallela ed antiparallela) si annullano, mentre le componenti magnetiche trasversali si sommano nel piano x, y. Un impulso RF di durata o intensità doppia rispetto al precedente, tale da ruotare M in posizione diametralmente opposta rispetto a B0, è detto impulso di

35 Stimolazione dei protoni con RF di 90 gradi e abbattimento di M sul piano trasversale x, y. Ricapitolando Ogni volta che un circuito è attraversato da un campo magnetico variabile nel tempo si genera una corrente elettrica indotta (fenomeno dell induzione elettromagnetica). Nella RM si utilizzano gli effetti sui protoni influenzati dall applicazione di radiofrequenze. 35

36 Ricapitolando In presenza di un forte campo magnetico esterno stazionario (B 0 ), i protoni tendono ad orientarsi parallelamente alla direzione del campo magnetico esterno. Ricapitolando Lo stato di equilibrio è alterato mediante l applicazione di radiofrequenze (RF); la frequenza deve essere uguale a quella di precessione dei protoni (frequenza di Larmor). Per RF con frequenza diversa da quella di Larmor non si verifica scambio di energia 36

37 Il vettore di magnetizzazione trasversale, che ruota nel piano x, y dopo un impulso di 90, genera nel circuito (antenna) ricevente una corrente misurabile che è il segnale di RM, detto anche FID (free induction decay). Una volta cessato l impulso RF, si verificano due fenomeni inversi: 1) Desincronizzazione dei protoni, con conseguente decadimento della magnetizzazione trasversale (rilassamento trasversale o rilassamento spin-spin, T2) 2) Passaggio di molti protoni ad un livello energetico basso, con conseguente recupero della magnetizzazione longitudinale (rilassamento longitudinale o rilassamento spin-lattice, T1) 37

38 Il T1 (tempo di rilassamento longitudinale), è una misura del tempo richiesto ai protoni per tornare alle condizioni di equilibrio iniziale, grazie alla cessione di energia al microambiente circostante (lattice). ll T1 è un processo descritto da una funzione di tipo esponenziale ed indica il tempo necessario per recuperare il 63% della magnetizzazione longitudinale. Durante il tempo di rilassamento T1 si ha il progressivo recupero della magnetizzazione longitudinale 38

39 Durante il tempo di rilassamento T1 si ha il progressivo recupero della magnetizzazione longitudinale Campo Magnetico Invio di una RF Recupero della magnetizzazione Curva di rilassamento T1 39

40 La velocità del T1 dipende da numerosi fattori, tra cui l intensità del campo B 0 e la dimensione della molecola stessa. Il DNA ha un T1 Lungo, i Lipidi Breve. Mediamente le strutture del corpo umano in un campo magnetico di intensità 0,1-0,5 T hanno un T1 compreso tra 300 e 700 millisecondi. Il T2 (tempo di rilassamento trasversale), è una misura del tempo richiesto ai protoni (spin) per desincronizzarsi in relazione al reciproco scambio di energia. La disomogeneità del microcampo magnetico locale provoca una perdita della coerenza di fase dei protoni. La progressiva desincronizzazione determina, quindi, il decadimento della magnetizzazione trasversa, che si azzera in condizioni di equilibrio. 40

41 Durante il tempo di rilassamento T2 si ha la desincronizzazione dei protoni ed il conseguente decremento progressivo della magnetizzazione trasversale Curva di rilassamento T2 41

42 Il T2 è un processo descritto da una funzione di tipo esponenziale ed indica il tempo richiesto alla magnetizzazione trasversale per decadere al 37% del valore iniziale. L efficienza di T2 dipende da vari fattori come ad esempio dalla dimensione delle molecole; grosse molecole hanno T2 più brevi. L acqua ha, quindi, un T2 lungo. Nei tessuti biologici il T2 è compreso tra 50 e 150 msec. A differenza del T1, il T2 è poco influenzato dalla variazione di B0. Il valore di T1 per un dato tessuto dipende dalla intensità del campo magnetico principale B 0 e cresce all'aumentare di questo. Nei tessuti biologici i valori di T1, per intensità di B 0 comprese tra 0,1 e 0,5 TESLA, oscillano tra 300 e 700 millisecondi. Il valore di T2 è poco influenzato dalle variazioni di B 0 e può essere uguale o inferiore a T1. Nei tessuti biologici i valori di T2 sono compresi tra 50 e 150 millisecondi. 42

43 L immagine RM è formata dalla elaborazione di un segnale elettrico ottenuto dalla captazione delle variazioni di campo magnetico generate dal moto di processione degli spin del campione. Il segnale RM da interpretare non è legato alla densità fisica delle strutture in esame, come nella TC, ma è funzione di molteplici parametri (densità protonica, tempi di rilassamento T 1 e T 2 ), e l operatore può scegliere tra le diverse procedure di indagine (le sequenze di impulsi), a seconda del parametro da esaminare. L immagine viene prodotta utilizzando il segnale di risonanza emesso dai nuclei di idrogeno, dopo che questi sono stati eccitati dalla RF. L ampiezza dei segnali generati dipende dalle seguenti caratteristiche del tessuto in esame: 1) numero di protoni in precessione per unità di volume (densità protonica o DP) 2) caratteristiche di T1 e T2 dei protoni Il contrasto dell immagine in RM dipende per lo più dal T1 ed dal T2; molti tessuti, infatti, hanno DP simile, mentre differiscono nei valori di T1 e T2. 43

44 Esistono numerose sequenze di impulsi RF in grado di ottenere immagini pesate in T1, T2 o DP. La sequenza più semplice è detta FID ripetuto o saturation recovery. Le sequenze attualmente pù utilizzate sono denominate spin-echo ed inversion recovery. Esistono altre sequenze, più o meno complesse: gradient echo, turbo spin-echo etc. I fattori che influenzano l immagine sono: Rapporto segnale/rumore Intensità del campo magnetico Dimensione della matrice Numero di rilevamenti del segnale Lo spessore dello strato Tempo di esecuzione dell esame 44

45 I segnali di RMN vengono utilizzati per formare un immagine in cui le tonalità di grigio dei tessuti rappresentati sono tanto più chiare quanto più intenso è il segnale da essi emesso e viceversa. Tessuti con un T1 breve o con un T2 lungo danno un segnale intenso e quindi sono rappresentati con un tonalità di grigio chiara. Grasso: T1 breve --> alto segnale --> tonalità chiara Acqua: T1 lungo --> basso segnale --> tonalità scura T2 lungo --> alto segnale --> tonalità chiara I vari tessuti hanno diverse velocità di rilassamento T2, per cui i rispettivi echi differiscono per intensità. I tessuti con tempi di rilassamento T2 lunghi sono caratterizzati da scarsa desincronizzazione dei nuclei, producono echi intensi e sono rappresentati nell immagine con tonalità chiare. I tessuti con tempi di rilassamento T2 brevi desincronizzano i loro nuclei in misura maggiore, producono echi di debole intensità e vengono rappresentati nell immagine con tonalità scure. Incrementando il TE (tempo), si ottiene un accentuazione del contrasto tra tessuti con diversi tempi di rilassamento T2. 45

46 Curve di decadimento del segnale T2 in funzione di TE Le sequenze SE offrono immagini pesate in T1, T2 o DP in relazione ai valori di TR e TE. Immagini pesate in T1: TR breve; TE breve Immagini pesate in T2: TR lungo; TE lungo Immagini pesate in DP: TR lungo; TE breve 46

47 PIANI DI SCANSIONE Assiale Coronale Longitudinale Obliqui In particolari esami sono utilizzati mezzi di contrasto. 1) Paramagnetici: a distribuzione non selettiva ed escrezione renale (gadolinio-dtpa, gadolinio-dota) ad escrezione epatobiliare (gadolinio-bopta, Mn- DPDP) a distribuzione intravasale (gadolinio-dtpa legato all albumina) 2) Superparamagnetici: Ossido di ferro (Fe3O4) 47

48 Mezzi di contrasto I mdc paramagnetici e superparamagnetici sono in grado di produrre un accorciamento dei tempi di rilassamento dei protoni circostanti. I mdc paramagnetici abbreviano sia il T1 che il T2, aumentando l intensità del segnale in T1 e riducendola in T2. I mdc superparamagnetici agiscono solo sul T2, abbreviandolo e riducendone l intensità del segnale; inoltre vengono captati da cellule del SRE. Ne consegue che per visualizzare in modo adeguato l effetto dei mdc, è necessario usare sequenze T1 pesate per i mdc paramagnetici e sequenze T2 pesate per i mdc superparamagnetici. E un metodo che impiega un elevato numero di parametri per l acquisizione delle immagini. La particolarità della RM rispetto agli altri metodi deriva dal fatto che il contrasto dell immagine dipende dalle proprietà fisiche intrinseche dei vari tessuti. E possibile, quindi, variare la combinazione dei parametri RM per aumentare o diminuire la visibilità di strutture anatomiche o situazioni patologiche. Nonostante ciò e necessario a volte impiegare dei mdc per accentuare il contrasto delle immagini RM. 48

49 Le applicazioni cliniche: Addome (Angio RM, Uro RM, Colangio RM) Articolazioni Cuore Colonna vertebrale Cervello Spettroscopia I vantaggi della RM rispetto alla TC sono: Uso di radiazioni non ionizzanti Acquisizione di immagini multiplanari Ottimi dettagli anatomici Maggiore sensibilità nello studio delle alterazioni tissutali Capacità di discriminare tra vari tessuti in base all intensità del segnale Migliore contrasto di tessuti rispetto alla TC 49

50 I vantaggi della TC rispetto alla RM sono: Migliore valutazione di calcificazioni ed anomalie di ossificazione dei muscoli Esame di prima istanza nello studio del torace, addome ed organi pelvici Indagine meno costosa, più veloce nell esecuzione, senza disturbi claustrofobici Note: Per le donne in stato di gravidanza la RM è riservata alle emergenze poiché non p stato completamente dimostrato se il feto, sottoposto ad intensi campi magnetici, subisce o meno danni, soprattutto nel primo trimestre di gravidanza 50

51 Limiti: Il parenchima polmonare (perchè povero di protoni) attualmente è difficilmente studiabile La presenza di oggetti metallici crea artefatti con perdita di informazioni Controindicazioni: Portatori di protesi metalliche, clips vascolari, pace maker, ecc. non possono eseguire questo tipo di esame in quanto apparecchi suscettibili di movimento o di danneggiamento da parte di campi elettromagnetici 51

52 Effetti Biologici Campo magnetico Principale Gradienti Magnetici Radio Frequenza 52