Elementi di risonanza magnetica

Elementi di risonanza magnetica

Mario Coriasco Osvaldo Rampado Gianni Boris Bradac (a cura di) Elementi di risonanza magnetica Dal protone alle sequenze per le principali applicazioni diagnostiche

a cura di Mario Coriasco Laureato in Tecniche di Radiologia Medica, per Immagini e Radioterapia, svolge la sua attività presso il Dipartimento di Neuroscienze dell Università di Torino Gianni Boris Bradac Professore Emerito di Neuroradiologia presso l Università di Torino, già direttore della Cattedra di Neuroradiologia dell Università di Torino Osvaldo Rampado Laureato in Fisica con specializzazione in Fisica Sanitaria, svolge la sua attività presso l Azienda Ospedaliera Città della Salute e della Scienza di Torino ISSN 2239-2017 ISBN 978-88-470-5640-4 ISBN 978-88-470-5641-1 (ebook) DOI 10.1007/978-88-470-5641-1 Springer-Verlag Italia 2014 Quest opera è protetta dalla legge sul diritto d autore e la sua riproduzione anche parziale è ammessa esclusivamente nei limiti della stessa. Tutti i diritti, in particolare i diritti di traduzione, ristampa, riutilizzo di illustrazioni, recitazione, trasmissione radiotelevisiva, riproduzione su microfilm o altri supporti, inclusione in database o software, adattamento elettronico, o con altri mezzi oggi conosciuti o sviluppati in futuro, rimangono riservati. Sono esclusi brevi stralci utilizzati a fini didattici e materiale fornito ad uso esclusivo dell acquirente dell opera per utilizzazione su computer. I permessi di riproduzione devono essere autorizzati da Springer e possono essere richiesti attraverso RightsLink (Copyright Clearance Center). La violazione delle norme comporta le sanzioni previste dalla legge. Le fotocopie per uso personale possono essere effettuate nei limiti del 15% di ciascun volume dietro pagamento alla SIAE del compenso previsto dalla legge, mentre quelle per finalità di carattere professionale, economico o commerciale possono essere effettuate a seguito di specifica autorizzazione rilasciata da CLEARedi, Centro Licenze e Autorizzazioni per le Riproduzioni Editoriali, e-mail autorizzazioni@clearedi.org e sito web www.clearedi.org. L utilizzo in questa pubblicazione di denominazioni generiche, nomi commerciali, marchi registrati, ecc. anche se non specificatamente identificati, non implica che tali denominazioni o marchi non siano protetti dalle relative leggi e regolamenti. Le informazioni contenute nel libro sono da ritenersi veritiere ed esatte al momento della pubblicazione; tuttavia, gli autori, i curatori e l editore declinano ogni responsabilità legale per qualsiasi involontario errore od omissione. L editore non può quindi fornire alcuna garanzia circa i contenuti dell opera. 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Layout copertina: Ikona S.r.l., Milano Impaginazione: C & G di Cerri e Galassi, Cremona Stampa: Grafiche Porpora, Segrate (MI) Springer-Verlag Italia S.r.l., Via Decembrio 28, I-20137 Milano Springer fa parte di Springer Science+Business Media (www.springer.com)

Acknowledgements Un lavoro come quello svolto nel presente testo è frutto di anni di esperienze, sperimentazioni, valutazioni e discussioni scientifiche con un numero molto elevato di persone, e non è possibile ringraziare nominalmente tutti. Tuttavia, alcuni meritano specifica menzione. La dott.ssa Luciana Gennari, tecnico di radiologia medica presso l osp. Niguarda Cà Granda, e l ing. Marcello Cadioli - Philips Medical Systems Italia, per il gentile supporto fornito nella generazione dell esempio in figura 4.15. Il prof. David Moratal, dell Università Politecnica di Valencia (Spagna), per la concessione del software-laboratorio con il quale si sono creati alcuni esempi degli effetti prodotti sull immagine dalle modifiche del k-spazio. I suoi graditi apprezzamenti sono stati di stimolo a continuare la trattazione divulgativa di un argomento così complesso con uno stile semplificato. La dott.ssa Patrizia Cesana e la dott.ssa Tiziana Spandonari per l indispensabile e preziosa opera di revisione del capitolo 10. Tutto Il team editoriale Springer Verlag Italia, in particolare Antonella Cerri, Paola Capponi, Juliette Kleemann e Corinna Parravicini, per la competenza (e la pazienza!) mostrata nel seguire passo per passo il lavoro durante la sua preparazione. v

Prefazione Lo scopo di questo lavoro non è aggiungere un testo sovrapponibile alla già ricca letteratura sulla risonanza magnetica, i suoi principi fisici, le tecnologie e le sue applicazioni cliniche. A essa si rimanda, per ciascuna specifica necessità di approfondimento, nelle letture consigliate. Piuttosto, si è cercato di comprendere sinteticamente in un unico volume gli aspetti fondamentali, in modo da renderli rapidamente consultabili anche nella pratica quotidiana. Il percorso, mediato da un lessico diretto e accessibile, conduce il lettore ai fondamenti teorici della metodica, riducendo al minimo i requisiti della sua formazione di base nell acquisire consapevolezza sui fenomeni coinvolti nella realizzazione dell immagine di risonanza magnetica. In seguito, il percorso porta a considerare le sequenze più tradizionali e le evoluzioni più recenti, descrivendone gli impieghi clinici più frequenti per le principali, fino ad arrivare alle conseguenze delle scelte operative sulla qualità dell immagine, sull insorgenza di artefatti e sulla sicurezza. Il testo pertanto si rivolge a chiunque desideri o abbia necessità di conoscere i tratti principali della metodica RM, in particolare ai tecnici di radiologia. Essi sono coinvolti come i medici in questo progressivo sviluppo tecnologico, sempre più complesso e rapido, che se da un lato aumenta le possibilità di conoscenza del funzionamento dei vari organi del corpo umano e dei loro aspetti patologici, dall altro richiede un costante impegno di aggiornamento. Con queste premesse, crediamo che una stretta collaborazione tra medico, tecnico e fisico, integrando conoscenze, esperienze e approcci differenti, non possa che andare a supporto di un sempre più proficuo utilizzo della metodica, ottimizzando i risultati con essa ottenuti. Gianni Boris Bradac Mario Coriasco Osvaldo Rampado vii

Indice 1 Principi fisici di base e grandezze misurabili.............................. 1 Osvaldo Rampado, Mario Coriasco 1.1 Introduzione.................................................... 1 1.2 Generalità sui fenomeni magnetici.................................. 2 1.3 I protoni e le loro proprietà magnetiche.............................. 5 1.4 Campo statico e vettore di magnetizzazione longitudinale............... 6 1.5 Il fenomeno della risonanza....................................... 11 1.6 Impulso di radiofrequenza (RF) e vettore di magnetizzazione trasversale... 11 1.7 Fenomeni di rilassamento e grandezze misurabili...................... 16 1.8 Caratteristiche dei tempi di rilassamento T1 e T2...................... 17 1.8.1 Le interazioni spin-spin..................................... 17 1.8.2 Le interazioni spin-reticolo.................................. 20 1.9 Sintesi e considerazioni finali...................................... 21 Letture consigliate............................................... 22 Esercizi........................................................ 23 2 Le basi del contrasto in RM............................................ 27 Mario Coriasco, Osvaldo Rampado, Gianni Boris Bradac 2.1 Introduzione.................................................... 27 2.2 I contrasti fondamentali........................................... 27 2.3 Contrasto dipendente dal tempo di rilassamento T2..................... 28 2.4 Contrasto dipendente dal tempo di rilassamento T1..................... 32 2.5 Contrasto dipendente dalla densità protonica.......................... 35 2.6 La sequenza spin-echo............................................ 40 2.6.1 Definizione di tempo di eco (TE) e tempo di ripetizione (TR)...... 43 2.6.2 Azione dei mezzi di contrasto sui tempi di rilassamento.......... 45 2.7 Conclusioni.................................................... 48 2.7.1 Considerazioni sul TR...................................... 49 2.7.2 Considerazioni sul TE...................................... 49 Letture consigliate............................................... 50 Esercizi........................................................ 51 ix

x Indice 3 La formazione dell immagine........................................... 55 Mario Coriasco, Osvaldo Rampado, Sergio Rabellino 3.1 Introduzione.................................................... 55 3.2 La ricostruzione dell immagine RM................................. 56 3.3 La trasformata di Fourier: relazioni con la risonanza magnetica........... 59 3.4 I gradienti di campo magnetico..................................... 60 3.4.1 Il gradiente di selezione dello strato (Gs)...................... 60 3.4.2 Il gradiente di lettura o di codifica di frequenza (Gl)............. 62 3.4.3 Il gradiente di codifica di fase (Gf)........................... 63 3.5 Lo spazio k e le sue proprietà...................................... 67 3.6 Tecniche di riempimento del k-spazio............................... 71 3.6.1 Tecnica della matrice di fase ridotta........................... 71 3.6.2 Tecnica del campo di vista rettangolare (Rectangular FOV)........ 71 3.6.3 Tecniche Half-Fourier...................................... 72 3.7 Tipologie di acquisizione spaziale................................... 73 3.7.1 La tecnica multislice....................................... 74 3.8 Tecniche di imaging parallelo...................................... 75 3.8.1 Phased-array............................................. 76 3.8.2 Profili di sensibilità degli elementi delle bobine................. 77 3.8.3 Imaging parallelo nello spazio immagine: la tecnica SENSE....... 78 3.8.4 La tecnica msense....................................... 80 3.8.5 Imaging parallelo nel k-spazio: la tecnica SMASH............... 80 3.8.6 Ricostruzione immagine con metodo proiettivo.................. 80 3.9 Sistemi di acquisizione non cartesiani............................... 83 Letture consigliate............................................... 84 Esercizi........................................................ 85 4 Le sequenze RM: tecniche fondamentali................................. 89 Osvaldo Rampado, Mario Coriasco, Gianni Boris Bradac 4.1 Introduzione.................................................... 89 4.2 Sequenze spin-echo.............................................. 90 4.2.1 Sequenze spin-echo a doppio eco............................. 91 4.3 Sequenze TSE.................................................. 94 4.3.1 Sequenze DIET........................................... 98 4.3.2 Sequenze TSE a doppio eco................................. 99 4.3.3 Sequenze single-shot TSE................................... 99 4.3.4 Sequenze driven equilibrium (o con impulso di flip-back)......... 100 4.4 Sequenze a eco di gradiente....................................... 104 4.4.1 Sequenze ultrafast gradient-echo............................. 107 4.4.2 Sequenze gradient-echo spoiled............................ 107 4.4.3 Sequenze gradient-echo unspoiled.......................... 107 4.4.4 Sequenze con preparazione della magnetizzazione............... 110 4.5 Sequenze Inversion Recovery...................................... 110 4.5.1 Sequenze STIR........................................... 111 4.5.2 Sequenze FLAIR.......................................... 112 4.5.3 Sequenze SPIR........................................... 112 4.5.4 Sequenze DIR............................................ 112

Indice xi 4.6 Sequenze ibride (EPI e turbo gradient spin echo)...................... 114 4.6.1 Sequenze EPI............................................ 115 4.6.2 Sequenze turbo gradient spin echo............................ 117 4.7 Sequenze Angio-RM............................................. 118 4.7.1 Sequenze TOF............................................ 118 4.7.2 Sequenze PC............................................. 122 4.7.3 Sequenze Angio-RM contrast-enhanced....................... 124 Letture consigliate............................................... 124 Esercizi........................................................ 125 5 Sequenze RM: tecniche avanzate........................................ 129 Federico D Agata, Mario Coriasco, Osvaldo Rampado, Marina Corsico, Gianni Boris Bradac 5.1 Sequenze Perfusion-Weighted (PWI)................................. 129 5.1.1 Dynamic Susceptibility Contrast MRI (DSC-MRI)............... 131 5.1.2 Dynamic Contrast-Enhanced MRI (DCE-MRI).................. 134 5.1.3 Arterial Spin Labelling (ASL)............................... 135 5.2 Sequenze Susceptibility-Weighted (SWI)............................. 136 5.3 Sequenze Diffusion-Weighted (DWI)................................. 137 5.3.1 Diffusione e anisotropia.................................... 142 5.3.2 Mean diffusity e fractional anisotrophy........................ 143 5.3.4 Tracciamento delle fibre.................................... 145 5.3.5 Prospettive della metodica.................................. 146 5.4 La spettroscopia RM............................................. 147 5.4.1 Chemical shift............................................ 148 5.4.2 Multipletti............................................... 148 5.4.3 FFT e rappresentazione spettrale............................. 149 5.4.4 Soppressione del segnale dell acqua e dei lipidi, shimming........ 150 5.4.5 Metaboliti più comunemente rilevati nel cervello umano in vivo.... 151 5.4.6 Sequenze................................................ 152 5.4.7 STEAM e PRESS a confronto............................... 153 5.4.8 Le tecniche single- e multi-voxel a confronto................... 155 5.4.9 Effetto del tempo di eco.................................... 155 5.4.10 Editing.................................................. 158 5.4.11 Artefatti 1 H-MRS......................................... 158 5.4.12 Elaborazione dei dati....................................... 160 5.4.13 Differenze tra 1,5 T e 3 T................................... 161 5.4.14 Scelta dei protocolli....................................... 161 Letture consigliate............................................... 162 Esercizi........................................................ 163 6 Considerazioni su parametri e qualità dell immagine....................... 167 Mario Coriasco, Osvaldo Rampado, Federico D Agata 6.1 Indicatori della qualità dell immagine............................... 168 6.1.1 Rapporto segnale-rumore................................... 168 6.1.2 Il contrasto............................................... 168 6.1.3 Rapporto contrasto-rumore.................................. 168 6.1.4 La risoluzione spaziale..................................... 169

xii Indice 6.2 Influenza dei parametri di definizione della sequenza................... 169 6.2.1 Effetti del TE............................................. 169 6.2.2 Effetti del TR............................................. 170 6.2.3 Effetti del flip-angle....................................... 172 6.2.4 Effetti della variazione di spessore della sezione................. 173 6.2.5 Effetti della distanza tra sezioni.............................. 174 6.2.6 Effetti della modifica del FOV............................... 175 6.2.7 Effetti del cambio di dimensione della matrice.................. 175 6.2.8 Effetti del cambio nell averaging (NEX, NSA, ACQ, ecc.)........ 175 6.2.9 Tecniche Half-Fourier (HF)................................. 177 Letture consigliate............................................... 178 Esercizi........................................................ 179 7 Applicazioni cliniche della RM in neuroradiologia......................... 183 Gianni Boris Bradac, Andrea Boghi, Marina Corsico, Maria Federica Ferrio, Paola Caroppo, Mario Coriasco 7.1 Generalità...................................................... 183 7.1.1 Il mezzo di contrasto....................................... 185 7.2 L encefalo: tecniche particolari nelle patologie encefaliche............... 186 7.2.1 Microadenomi............................................ 186 7.2.2 Microneurinomi dell angolo ponto-cerebellare.................. 187 7.2.3 Malformazioni dell orecchio interno.......................... 188 7.2.4 Alterazioni del parenchima cerebrale a livello dell ippocampo...... 188 7.2.5 Utilizzo della tecnica double inversion recovery................. 189 7.3 L encefalo: tecniche di studio avanzate............................... 189 7.3.1 La RM pesata in diffusione: aspetti di tecnica e applicazioni cliniche 190 7.3.2 La RM pesata in perfusione: aspetti tecnici e applicazioni cliniche.. 199 7.4 La colonna vertebrale............................................ 207 7.5 La spettroscopia RM ( 1 H-MRS).................................... 210 7.5.1 Principali metaboliti valutabili............................... 210 7.5.2 Aspetti patologici......................................... 212 7.6 La risonanza magnetica funzionale.................................. 214 7.6.1 Generalità............................................... 214 7.6.2 Accoppiamento neurovascolare e contrasto BOLD............... 215 7.6.3 Tecniche di studio......................................... 216 7.6.4 Funzioni valutate.......................................... 217 7.7 Le tecniche angiografiche in risonanza magnetica...................... 220 7.7.1 Generalità............................................... 220 7.7.2 Applicazioni cliniche...................................... 221 7.8 Conclusioni.................................................... 223 Letture consigliate............................................... 224 Esercizi........................................................ 225 8 Applicazioni della RM in radiologia generale.............................. 227 Riccardo Faletti, Giacomo Battisti, Camilla Bogetti, Luca Romano 8.1 Studio RM cardiovascolare........................................ 227 8.1.1 Generalità............................................... 227 8.1.2 Preparazione del paziente................................... 227

Indice xiii 8.1.3 Tecniche di esecuzione dell esame............................ 229 8.1.4 Utilità clinica delle sequenze utilizzate........................ 233 8.1.5 Considerazioni finali e pitfalls............................... 236 8.2 Studio RM addominale........................................... 236 8.2.1 Generalità............................................... 236 8.2.2 Preparazione del paziente................................... 236 8.2.3 Tecniche di esecuzione dell esame............................ 236 8.2.4 Utilità clinica delle sequenze utilizzate........................ 237 8.2.5 Mezzi di contrasto......................................... 240 8.2.6 Considerazioni finali e pitfalls............................... 241 8.3 Studio RM osteoarticolare......................................... 242 8.3.1 Generalità............................................... 242 8.3.2 Preparazione del paziente................................... 243 8.3.3 Tecnica di esecuzione dell esame della spalla................... 243 8.3.4 Tecnica di esecuzione dell esame del gomito................... 244 8.3.5 Tecnica di esecuzione dell esame del polso..................... 246 8.3.6 Tecnica di esecuzione dell esame del bacino.................... 247 8.3.7 Tecnica di esecuzione dell esame del ginocchio................. 248 8.3.8 Tecnica di esecuzione dell esame della caviglia................. 249 8.3.9 Utilità clinica delle sequenze utilizzate........................ 250 8.3.10 Sequenze base............................................ 250 8.3.11 Considerazioni finali e pitfalls............................... 255 Letture consigliate............................................... 252 Esercizi........................................................ 253 9 Gli artefatti in RM.................................................... 257 Mario Coriasco 9.1 Introduzione.................................................... 257 9.2 Definizione.................................................... 258 9.3 Artefatti da movimento........................................... 258 9.3.1 Strategie per la riduzione degli artefatti da movimento............ 259 9.4 Artefatti da chemical shift......................................... 261 9.4.1 Strategie per la riduzione degli artefatti da chemical shift......... 264 9.5 Artefatti da troncamento.......................................... 264 9.5.1 Descrizione matematica.................................... 264 9.5.2 Strategie per la riduzione degli artefatti da troncamento........... 267 9.6 Artefatti da interferenza tra gli strati................................. 268 9.7 Artefatti da radiofrequenza........................................ 268 9.8 Artefatti da suscettività magnetica.................................. 269 9.8.1 Strategie per la riduzione degli artefatti da suscettività magnetica... 272 9.9 Artefatti da ribaltamento (o aliasing)................................ 273 9.10 L artefatto N/2.................................................. 274 9.11 Artefatti causati dal circuito di rivelazione RF......................... 276 9.11.1 Artefatti da componente continua nel circuito RF................ 276 9.11.2 Artefatti da quadratura..................................... 277 9.12 Artefatto da Magic Angle....................................... 277 Letture consigliate............................................... 278 Esercizi........................................................ 279

xiv Indice 10 La sicurezza in RM................................................... 281 Osvaldo Rampado 10.1 Introduzione.................................................... 281 10.2 Effetti legati all esposizione al campo magnetico statico................. 282 10.2.1 Effetti biologici del campo magnetico statico................... 282 10.2.2 Interferenza con dispositivi elettronici e impianti metallici......... 283 10.2.3 Effetto proiettile.......................................... 284 10.2.4 Protezione dai rischi del campo magnetico statico............... 285 10.3 Effetti legati all esposizione ai gradienti di campo..................... 285 10.4 Effetti associati alle radiofrequenze................................. 286 10.4.1 Effetti a breve termine..................................... 287 10.4.2 Effetti a lungo termine..................................... 288 10.4.3 Protezione dai rischi associati alle radiofrequenze................ 288 10.5 Problematiche legate al rumore..................................... 289 10.6 Problematiche legate ai liquidi criogeni.............................. 289 10.6.1 Modalità di fuoriuscita dei liquidi criogeni e rischi conseguenti..... 289 10.6.2 Protezione dai rischi legati ai liquidi criogeni................... 289 Letture consigliate............................................... 290 Esercizi........................................................ 291 Soluzioni esercizi..................................................... 295 Appendice........................................................... 299

Elenco degli Autori Dott. Giacomo Battisti di Scienze Radiologiche Dott. Camilla Bogetti di Scienze Radiologiche Dott. Andrea Boghi Azienda Ospedaliera S. Croce e Carle di Cuneo Neuroradiologia Prof. Gianni Boris Bradac di Neuroscienze Dott. Paola Caroppo di Neuroscienze Dott. Marina Corsico Azienda Ospedaliera Città della Salute e della Scienza di Torino Neuroradiologia Dott. Federico D Agata di Neuroscienze Dott. Riccardo Faletti Azienda Ospedaliera Città della Salute e della Scienza di Torino Radiologia Dott. Maria Federica Ferrio Azienda Ospedaliera Città della Salute e della Scienza di Torino Neuroradiologia Ing. Sergio Rabellino di Informatica Dott. Osvaldo Rampado Azienda Ospedaliera Città della Salute e della Scienza di Torino Fisica Sanitaria Dott. Luca Romano di Scienze Radiologiche Dott. Mario Coriasco di Neuroscienze xv