Corso di Tecniche di Radiodiagnostica RM, TC e Ecografia

Fisica delle apparecchiature a Risonanza Magnetica

Novara, novembre - dicembre 2011

Luca GastaldiFisico Medico, Esperto Responsabile Sicurezza RM

email: gastaldi.phd@gmail.comblog: www.ilfisicomedico.it

PRINCIPI FISICI

Non c’è bisogno che prendiate appunti.

Se è importante ve lo ricorderete.

Steve Jobs (Inside Steve’s Brain, 2009)

Mano di Anna Berthe Roentgen

1895

Rx

- Fonte Toshiba

- Fonte Toshiba

TAC

RM

RM!!!!!.....

Un nucleo si comporta come un

magnete.

Come tutto è cominciato

194

6Felix Bloch (1905-

1983)

Premio Nobel, 1952

1

.

2

.

Una particella carica, come un

protone, che ruoti intorno al proprio

asse genera un campo magnetico

(“momento magnetico”)

EQUAZIONI di BLOCH

1960I primi spettrometri confermano le teorie di

Bloch

Raymond Damadian (medico

armeno)

“Tessuti sani e malati hanno differenti

parametri RM”

Costruisce la prima apparecchiatura

superconduttiva per imaging RM

(“L’Indomita”)

La prima scansione

umana richiede circa

5 ore

Nel frattempo…

Sempre nel frattempo…

Paul Lauterbur

(1929- )

Paul Laterbur, professore di chimica alla State

University di New York, segue un percorso

analogo

Nel 1973 pubblicherà sulla rivista Nature l’articolo:

Formazione dell’immagine per interazione locale

indotta; impiego della RM

Chi è arrivato prima…? Bho!

Ogni produttore di

apparecchiature di imaging

medicale ha cominciato a

studiare e produrre scanner

RM clinici

dal

1980

GE

Siemen

s

Picker

Philips

M

R

I maging

Imaging a risonanza magnetica

esonance

agnetic

Why MRI ?

Perché ?

RX vs. MRI

Con una radiografia NON si vede molto…

tranne le ossa!Contrasto limitato per tessuti molli (risoluzione a

basso contrasto)

(mezzi di contrasto, variazione kV/mA, elaborazioni

elettroniche)Basso contenuto di informazione

RX vs. MRI

Con una risonanza magnetica…

Alta risoluzione a basso contrasto (tessuti molli)

Variabilità parametrica praticamente infinita

Ricostruzione su infiniti piani

è una ‘fotografia’ di

una nuvola di

elettroni:

zone più o meno

dense impressionano

diversamente la

pellicola

visualizzazione, attraverso

campi magnetici, di una

configurazione spaziale di

nuclei

Immagine

RX

Immagine RM

Parliamo di Fisica

Guardiamoci intorno… cosa vediamo?

La TERRA

Cos’è la Terra?

1. È una gigantesca palla sospesa nello

spazio

2. È composta per circa il 70% di acqua

3. Ha una luna, che le gira intorno

4. Ruota su sé stessa

5. Ha una carica elettrica (ricordiamo

Bloch…?)

La Terra ha quindi un campo

magnetico

30

mT

70

mTpo

l

i

equato

reT = Tesla = 100 Gauss

E noi?

Cosa

abbiamo

in

comune?

70%

H2O

80%

H2O

H2OIdrogen

o

L’atomo di

idrogeno

1. È formato da un nucleo (protone; +)

e una ‘luna’ (elettrone; -)

2. Il nucleo (positivo) ruota su sé stesso

(spin), quindi è un piccolo magnete

Poniamo i nuclei in un campo magnetico

In assenza di campi magnetici

esterni, i piccoli magneti si

distribuiscono liberamente nello

spazio…

…ma, all’interno di un campo

magnetico, si distinguono 2

differenti stati energetici, uno stabile

(allineato al campo esterno) ed uno

instabile (opposto al campo esterno)

1

.

PRECESSIONE

intorno all’asse del

campo esterno

Equazione di Larmor

0B

: frequenza di Larmor (di precessione) [MHz]

: rapporto giromagnetico [MHz/Tesla]

: intensità del campo magnetico esterno [Tesla]

0BJoseph

Larmor

(1857-

1942)

2

.

0B

Questo spiega anche perché l’idrogeno?

1. Si trova in grandi quantità nel corpo umano (già

detto!)

2. Ha un elevato rapporto giromagnetico gElemento Simbol

og

Idrogeno

1H 42.6

Carbonio 13C 10.7

Ossigeno 17O 5.8

Fluoro 19F 40.0

Sodio 23Na 11.3

Magnesio 25Mg 2.6

Fosforo 31P 17.2

Zolfo 33S 3.3

Ferro 57Fe 1.4

Alta frequenza = Alta

energiaAlta energia = Alto

segnale

Esempi di relazioni campo-frequenza

Per Risonanze Magnetiche da 1.0 T…

Per Risonanze Magnetiche da

0.5 T…

Per Risonanze Magnetiche da 1.5

T…

…la frequenza di Larmor sarà (1.0 x 42.6) =

42.6 MHz

…la frequenza di Larmor sarà (0.5 x 42.6) =

21.3 MHz

…la frequenza di Larmor sarà (1.5 x 42.6) =

63.9 MHz

Riassumendo

Campo magnetico

esterno

Precessione

Orientamento (2

stati) +

B0

Nuclei di

idrogeno+

Magnetizzazione macroscopica

B

Come si arriva al segnale RM

X

Y

Z

1. Il campione (nuclei) è posto nel campo

magnetico

Il vettore rosso rappresenta la magnetizzazione

macroscopica

X

Y

Z

2. Viene inviato un impulso RF alla frequenza di

Larmor

La magnetizzazione macroscopica ruota di un certo

angolo (flip angle) da 0 a 180°.

Impulso RFFlip angle =

90°

X

Y

Z

3. L’impulso RF viene interrotto

La magnetizzazione macroscopica si trova a 90°.

Il sistema ha accumulato energia dall’impulso RF

X

Y

Z

4. Il sistema comincia a cedere energia

La magnetizzazione macroscopica tende a tornare a

0°.

Si accompagna un movimento precessorio

(Larmor).

X

Y

Z

5. Il risultato è il segnale F.I.D.

F.I.D. = Free Induction Decay

Segnale FID

Parametri caratteristici: i tempi di

rilassamento

1. Il segnale viene emesso mentre il sistema si

‘rilassa’, ossia rilascia l’energia accumulata con

l’impulso RF

2. Il segnale dipenderà da 2 fattori:

i. Il comportamento del nucleo emettitore (micro)

ii. Cosa sta intorno al nucleo stesso (macro)

3. I tempi T1 e T2 caratterizzeranno il rilassamento

3 riflessioni

T1 T2

T1Tempo di rilassamento longitudinale o spin-

reticoloTempo impiegato dal sistema, esposto ad impulso a

90°, per cambiare il valore della componente

longitudinale (Z) della magnetizzazione di un fattore e.

Descrive il comportamento macroscopico del sistema

T1

110Tt

z eMM

X

Y

Z

M0

La curva di rilassamento

1. Dipende dall’intensità del campo magnetico

2. È relativo al sistema, non al singolo nucleo

(macro)

3. La velocità di rilassamento del nucleo H+

dell’acqua è esaltata dalla presenza di sostanze

paramagnetiche come Mn2+, Cu2+, Fe2+, Fe3+,

Gd3+, ecc. (mezzi di contrasto)

T1Note

T2Tempo di rilassamento trasversale o spin-spin

Descrive il comportamento microscopico del sistema

Tempo impiegato dal sistema, esposto ad un impulso

a 90°, per ritornare ad un valore della componente

trasversale (XY) della magnetizzazione pari a 1/e del

valore iniziale.

T2La curva di rilassamento

2

0

Ttxyxy eMM

X

Y

Z

M0

T2Note1. Il defasamento degli spin (T2) è normalmente più

veloce del recupero della magnetizzazione lungo la

direzione Z (T1).

2. T2 è molto sensibile alle disomogeneità del campo,

quindi:

i. Sensibili variazioni locali di T2 con campi non

uniformi

ii. T2* corregge per le disomogeneità (T2*<T2).

Per minimizzare gli effetti delle disomogeneità di campo si impiegano opportune sequenze quali la Spin Echo.

Variazioni di T2

Quindi

T2

Disomogeneità di campo

Riassunto minimo

Spin Echo : analisi di una sequenza

Le sequenze sono una successione di impulsi RF

Sono progettate per la valutazione dei tempi di

rilassamento.

Sono anche progettate per esaltare alcune

caratteristiche o per particolari scopi, come nel

caso della sequenza Spin Echo

Prologo : sequenze?

Spin Echo : analisi di una sequenza

La serie di impulsi a 180° generano un succedersi di

echo.

Spin Echo : analisi di una sequenza

Si rimuove l’influenza delle disomogeneità di campo

e si valuta T2 anziché T2*

L’espressione del segnale nella SE

Agendo su TE e TR si può esaltare la componente in T1,

in T2 o in densità protonica (r)

211 TTTT ER eekS

k = fattore di proporzionalità

r = densità protonica

TE = tempo di echo (tempo tra 2 echo successivi)

TR = tempo di ripetizione (tempo tra 2 impulsi a 90° successivi)

Localizzazione del segnale: codifica spaziale

Da dove proviene il segnale che

registro?

Problema

Localizzazione del segnale: codifica spaziale

Campo magnetico di gradiente

0B

Codifica spaziale

Per discriminarne la posizione si aggiungono dei gradienti

magnetici al campo principale, variando così linearmente la

frequenza di Larmor

Campo magnetico uniforme

Non c’è modo di discriminare la

posizione

Si introduce il gradiente, che va a sommarsi

al campo magnetico statico

Ogni punto è caratterizzato da un

diverso valore di campo (statico +

gradiente); si hanno quindi diversi valori

di frequenza di Larmor

Procedimento di imaging

1. Selezione dello strato

Gradiente + impulso RF permettono la selezione dello

strato.

Intensità di gradiente diverse producono spessori di strati

differenti.

Intensità di gradiente

Intensità di gradiente

Spessore strato

Procedimento di imaging

2. Codifiche in frequenza e in fase

Codifica in frequenza + codifica in fase permettono la

localizzazione del punto all’interno dello strato.

Codifica in frequenza Codifica in fase

Procedimento di imaging

3. Trasformata di Fourier

Trasformazione matematica che lega il segnale in tempo a

quello in frequenza

+ =+1

Freq.

123

2 3

F.T.

FT

IFT

k-space

kx

ky

Acquired Data

Image space

x

y

Final Image

Si ha il passaggio dal cosiddetto spazio K all’immagine vera e

propria

Procedimento di imaging

ImageK

FT

IFT

Eccone una visualizzazione…

Ecco finalmente l’immagine!

Procedimento di imaging

Q&A1. Dove sono localizzate le bobine che generano i campi

magnetici?

Q&A1. Dove sono localizzate le bobine che generano i campi

magnetici?

Campo

staticoGradiente

Impulsi RF

Q&A1. Dove sono localizzate le bobine che generano i campi

magnetici?

PERMANENTI

B0

Vantaggi

• Non richiedono alimentazione

• Campo di dispersione limitato

• Nessun raffreddamento

• Limitati costi di gestioneSvantaggi• Peso elevato

• Sensibili a variazioni termiche

• Limitata intensità di campo

0.2 - 0.3 Tesla

Q&A2. Quali sono le varie tipologie di

magnete?

RESISTIVI Vantaggi

• Non richiedono criogeni

• Sono disattivabili

Svantaggi• Elevato consumo di

energia

• Raffreddamento ad acqua

• Elevati costi di gestione

Fino a 0.6 - 0.7 Tesla

Q&A2. Quali sono le varie tipologie di

magnete?

SUPERCONDUTTIVI Vantaggi

• Elevata intensità si campo

• Elevata omogeneità di campo

• Ridotto consumo di energia Svantaggi

• Necessità di criogeni

• Elevati costi di acquisto

Fino a 9 - 10 Tesla

Q&A2. Quali sono le varie tipologie di

magnete?

Q&A3. Pro e contro dei principali tipi di sequenza?

SEQUENZA VANTAGGI SVANTAGGISpin Echo Alto segnale Alto rilascio di energia RF

Compensazione effetti T2*

Lunghi tempi di scansione

“Vere” immagini in T1 e T2

Artefatti di movimento

Gradient Echo Basso rilascio di energia RF

Basso segnale

Brevi tempi di scansione Artefatti T2* correlati

Possibilità di scan dinamici

Artefatti di movimanto

Inversion Recovery

Alto segnale Alto rilascio di energia RF

“Vere” immagini in T1 Lunghissimi tempi di scansione

Alto contrasto T1 Numero limitato di slices

Soppressione del grasso Artefatti di movimento

Grazie per l’attenzione