Diagnostica per Immagini: Risonanza Magnetica, principi e tecniche

Sommario

1. Risonanza Magnetica
2. Vettore di magnetizzazione longitudinale
3. Frequenza di Larmor
4. Vettore di magnetizzazione trasversale
5. Rilassamento longitudinale e trasversale
6. T1, T2 e intensità di segnale
7. Trasformata di Fourier
8. Micro-gradienti di campo
9. RM con molecole di contrasto a base di gadolinio
10. Controindicazioni relative o assolute.
11. Esempio Sequenza Spin-Echo (SE)
12. Pesatura in T1
13. Pesatura in T2
14. Esempio Pesatura in T1 e T2
15. Inversion Recovery
16. Magneti permanenti
17. Magneti superconduttivi
18. RM pesato in diffusione (DWI)
19. Applicazioni DWI
20. Conclusioni

Risonanza Magnetica

La risonanza magnetica, metodica di imaging basata sull'applicazione di energie non ionizzanti, ci consente di riconoscere sulle immagini dei reperti, che con l'utilizzo di TC potrebbero sfuggire. Nella TC abbiamo visto che le immagini sono la conseguenza dell'interazione tra il fascio protonico di raggi X e gli atomi dei tessuti. Nel caso della risonanza, la tecnica è basata su 2 elementi fondamentali: 1-L'applicazione di un campo magnetico uniforme all'interno del quale si trova il paziente e che ha intensità massima in corrispondenza del lettino che entra all'interno del tunnel di risonanza, che è molto più stretto e lungo rispetto a quello della TC. -Applicazione di impulsi di radiofrequenza che sono in grado di perturbare un elemento in particolare molto rappresentato nel nostro corpo, ovvero l'Idrogeno, e in particolare il nucleo di Idrogeno. All'interno del nucleo di idrogeno troviamo un neutrone e un protone; il protone è utile per ottenere imaging con risonanza magnetica, perché è una piccola particella con massa e carica, rappresentata con momento angolare o spin. Ogni carica elettrica (in questo caso positiva) in movimento produce un piccolo campo magnetico.

I protoni contenuti nei nuclei atomici hanno una proprietà fisica chiamata spin, che può essere assimilata (soltanto per fini esplicativi) ad una rotazione costante attorno ad un asse. Essendo il protone una particella carica, la sua rotazione produce un campo magnetico, la cui direzione sarà quella dell'asse di rotazione e il cui verso sarà corrispondente al momento angolare della rotazione.

Magnetic moment Angular momentum

Quindi grazie all'azione del campo magnetico statico (o uniforme), ma soprattutto grazie all'applicazione delle onde di radiofrequenza, riusciamo a ottenere immagini che hanno un elevato contenuto diagnostico in quanto sono immagini con un elevato risoluzione contrastografica. Da un punto di vista fisico il protone avrà, nel momento in cui il paziente viene introdotto all'interno della sala dove è presente il campo magnetico statico, avrà un orientamento che dipende dall'orientamento delle linee di forza del campo magnetico stesso. In condizioni di base (all'esterno della sala di risonanza magnetica), il protone dell'Idrogeno da un punto di vista energetico potrà presentare un particolare tipo di livello energetico; sono previsti in 2 stati: -Spin-up -Spin-down

Gli atomi di idrogeno, l'elemento di gran lunga più utilizzato in RM, sono costituiti da un singolo protone, che può avere soltanto due stati di spin, chiamati convenzionalmente "spin-up" e "spin-down", corrispondenti al senso di rotazione del protone.

N S - 10 N

Questi stati coincidono con quello che è il senso di rotazione del protone: uno è energeticamente più favorevole (spin-up), l'altro (spin-down) da un punto di vista energetico è più dispendioso. Se noi pensiamo che ognuno di questi spin possa esprimere una micro-forza vettoriale, la sommatoria di queste forze sarà, in condizione di base, pari a zero. Quindi se il paziente si trova fuori dalla sala di risonanza, i protoni sono disposti casualmente e la sommatoria sarà zero.

In condizioni di base, il vettore magnetizzazione di ogni protone è orientato casualmente nello spazio, in modo che la sommatoria di tutti i vettori risulti pari a 0.

Il campo magnetico statico ci consente di allineare gli spin dell'idrogeno in maniera parallela rispetto all' orientamento del campo magnetico statico. Questo orientamento è disposto dai piedi del paziente alla testa dello stesso. L'unità di misura del campo magnetico statico è il Tesla. Si distinguono apparecchiature a basso campo e ad alto campo: quelle a basso campo hanno un'intensità di campo compresa tra 0,3 e 0,5 Tesla, mentre quelle ad alto campo da 1,5 Tesla a salire. Per routine clinica solitamente si utilizzano apparecchiature che hanno intensità di campo magnetico statico fino a un massimo di 4 Tesla, anche se ne esistono con intensità più elevata (fino a 7 Tesla), ma sono utilizzate solo per attività sperimentali.

Vettore di magnetizzazione longitudinale

L'allineamento degli spin ci consente di modificare il risultato della somma vettoriale dei singoli protoni; dato che il livello energetico spin-up è più conveniente rispetto allo spin-down ("per i protoni è più facile stare in piedi piuttosto che a testa in giù"), un numero leggermente superiore di protoni avrà come stato quello di spin-up, per cui la sommatoria dei singoli vettori sarà positiva; la somma dei vettori fornisce un vettore di magnetizzazione.

Quando immersi in un campo magnetico statico (Ba), i protoni si allineano alla direzione del campo magnetico; Ciò genera un campo magnetico di intensità pari alla differenza tra orientamenti parallelo e antiparallelo, con verso orientato secondo il campo magnetico esterno; tale campo è chiamato Magnetizzazione Longitudinale (ML). questo allineamento è possibile in due versi, definiti parallelo (corrispondente a spin-up) ed antiparallelo (corrispondente a spin- down).

Quindi l'applicazione del campo magnetico statico è necessaria per ottenere una prima variazione all'interno del paziente, ovvero la formazione di un vettore di magnetizzazione macroscopica longitudinale. Questa magnetizzazione longitudinale, importante per ottenere immagini di risonanza magnetica, è una condizione preliminare ma non sufficiente perché è una grandezza parallela rispetto alle linee di forza del campo magnetico (orientata dai piedi alla testa del paziente). Il paziente può essere valutato con delle bobine presenti all'interno dell'apparecchiatura, ma in realtà noi valutiamo utilizzando bobine di superficie denigrate, che sono quelle attraverso le quali vengono inviati gli impulsi di radiofrequenze. Per esempio per uno studio dell'encefalo, non solo il paziente verrà posizionato sul lettino, verrà anche posizionato attorno alla testa del paziente una bobina che è in grado di trasmettere gli impulsi di radiofrequenza, ma anche di rilevare il segnale di ritorno. Per potere misurare il segnale di ritorno è necessario che il sistema venga perturbato, cioè che il vettore di magnetizzazione macroscopica longitudinale venga spostato dall'asse longitudinale verso l'asse trasversale in modo che il vettore punti verso la superficie della bobina che dovrà rilevare il segnale e trasformare questa rilevazione in immagine. Un altro elemento importante per ottenere questa informazione è quello relativo alle caratteristiche con cui gli spin non solo si allineano ma anche precedono; dovete immaginare che questi protoni siano come delle trottole, cioè ruotano intorno al proprio asse e anche attorno ad un'orbita di rotazione.

Frequenza di Larmor

Sarà possibile interrogare il sistema, sapendo che questa precessione si verifica con una precisa frequenza che è la frequenza di Larmor, data dal prodotto tra l'intensità del campo magnetico esterno per la costante giromagnetica, che è nota per ogni elemento. Quindi noi sappiamo che il protone dell'idrogeno ha una determinata costante giromagnetica e che a quella intensità di campo magnetico presenterà una precisa frequenza di precessione, ovvero la frequenza con cui lo spin ruota attorno alle linee di forza del campo magnetico.

In realtà, l'asse di rotazione dei protoni non è esattamente allineato a quello del campo magnetico esterno, ma ruota intorno a quest'ultimo con un movimento definito di precessione. Tale rotazione avviene ad una frequenza dipendente dal campo magnetico esterno, chiamata frequenza di Larmor, e definibile secondo l'equazione: W = Y·Bo dove Bo è il campo magnetico esterno e y una costante, detta costante giromagnetica, caratteristica di ogni elemento.

Il movimento di precessione potrebbe a sua volta essere responsabile della formazione di una componente trasversale rispetto alle linee di forza del campo magnetico e quindi misurabile. In questa slide in basso: in giallo la rappresentazione del vettore di magnetizzazione macroscopica longitudinale, gli spin-up che precedono attorno alle linee di forza del campo magnetico in maniera disordinata (uno nel punto A, uno nel punto B dell'orbita di processione, uno nel punto A', uno nel punto B').

Il movimento di precessione genera un campo magnetico con una piccola componente trasversale al campo magnetico esterno. Z B A A' B Tuttavia, ogni protone precede con fase diversa rispetto a quelli circostanti, cosicché le componenti trasversali di ognuno dei singoli campi magnetici protonici si annullano tra loro in ogni istante, e viene sommata solo la componente longitudinale. Questa componente non è però misurabile, in quanto sovrapposta a quella molto più forte del campo magnetico esterno.

Gli spin precedono in maniera disordinata nell'orbita di precessione, si dice che gli spin hanno la stessa frequenza di precessione, quindi ruotano tutti alla stessa velocità, ma ogni spin ha la sua fase, occupa una parte dell'orbita di precessione; avendo questa fase differente, il vettore di magnetizzazione macroscopica longitudinale, resta tale quindi non è misurabile.

Vettore di magnetizzazione trasversale

Per ottenere la magnetizzazione trasversale dobbiamo cedere energia al sistema attraverso un impulso di radiofrequenza. La magnetizzazione trasversale è importante, cioè dobbiamo realizzare la formazione di un vettore di magnetizzazione macroscopica trasversale perché in questo modo noi otteniamo una condizione che è misurabile, perché il vettore di magnetizzazione longitudinale ha orientamento dai piedi alla testa del paziente, quello trasversale è posto verso la bobina di superficie, posizionata sul paziente per ottenere l'immagine. Per perturbare il sistema e quindi, fornendo energia agli spin dei protoni dell'idrogeno, l'impulso di radiofrequenza deve avere la stessa frequenza di precessione degli spin. Come facciamo a sapere qual è la frequenza di precessione degli spin? Noi sappiamo che la frequenza di precessione dei protoni dell'idrogeno è data dal prodotto della costante giro magnetica e l'intensità di campo (frequenza di Larmor). Se questa condizione è rispettata, le macchine (esempio nella slide) sono allineate e si può verificare la cessione di energia. Se l'impulso di radiofrequenza non ha la stessa frequenza posseduta dagli spin, è più difficile lo scambio di energia e potrà essere ridotto o nullo.

Una Magnetizzazione Trasversale (MT), misurabile, può essere ottenuta perturbando il sistema tramite l'invio di impulsi a radiofrequenza. I protoni possono assorbire energia dagli impulsi a RF soltanto quando la frequenza degli impulsi è uguale alla frequenza di precessione (frequenza di Larmor) Stesso frequenza: scambio di energia possibile Differente frequenzo: scambio di energia ridotto a nullo

Nel momento in cui viene erogato l'impulso di radiofrequenza di opportuna durata che ha, sulla base della legge di Larmor, la stessa frequenza di risonanza degli spin del protone, l'impulso di radiofrequenza cede energia ai protoni che si sposteranno verso up e verso down; quindi se la somma all'inizio era a favore della formazione del vettore di magnetizzazione macroscopica longitudinale, con il passaggio da spin up a spin down la somma si abbasserà e il vettore tenderà a sparire perché aumenta il numero degli spin-down.