Altisonante

Misterioso

Inquietante

NMR- IMAGING (1° parte)

Nucleare

Corso “Techine chimico-fisiche in ambito sanitario” Dott.ssa I. Nicotera

Cronologia NMR

1945 Prima osservazione di un segnale NMRBloch e coll. Stanford Un. (1H in H2O)Purcell e coll. Harvard Un. (1H in paraffina) (nobel 1952)

1950 Scoperta del Chemical Shift 1961 Primo spettrometro commerciale CW 1970 Primo spettrometro commerciale FT 1976 Primi esperimenti 2D ( Ernst 1991 Nobel) 1980 Spettrometri NMR di II generazione

Risonanza magnetica imaging (MRI)

L’ energia coinvolta nelle transizioni NMR è minima rispetto alle energie coinvolte nelle emissioni di raggi X e gamma (1-100 Kev).

In un campo magnetico di 1 Tesla, il dislivello di energia tra i protoni paralleli e antiparalleli è =

1.759 x 10-7 eV

la MRI e' una modalità di imaging usata principalmente per costruire

immagini a partire dal segnale NMR proveniente dagli atomi di

idrogeno presenti nell'oggetto esaminato.

Nell'MRI medica, i radiologi sono per lo più interessati al

segnale NMR proveniente da acqua e grasso, essendo questi i

componenti del corpo umano che contengono le maggiori

quantità di idrogeno.

Frequenze degli spettrometri NMRusati per alta risoluzione

BB00

200 MHz 4.7 T200 MHz 4.7 T

300 MHz 7 T300 MHz 7 T

400 MHz 9.4 T400 MHz 9.4 T

500 MHz 11.7 T500 MHz 11.7 T

600 MHz 14 T600 MHz 14 T

900 MHZ 21 T900 MHZ 21 T

In MRI medica normalmente si utilizzano spettrometri da 1-2 T

1 T ≈ 43 MHz

La Risonanza Magnetica Nucleare è emersa come un

nuovo strumento non distruttivo e non invasivo per lo

studio del metabolismo e della struttura anatomica di

sistemi biologici intatti.

MRS in vivo e MRI (imaging)

Sono due tecniche molto conosciute per il loro utilizzo in campo biomedico ma in realtà possono essere usate in moltissimi campi scientifici.

I principi fisici fondamentali sono gli stessi dell’NMR in alta risoluzione ma le tecniche, la strumentazione e i dati ottenuti da questi esperimenti sono molto differenti.

La prima differenza è la scomparsa del termine NUCLEARE dal nome delle tecniche!!!!!

Le differenze fondamentali derivano dalle diversità dei “campioni” da analizzare:

- omogenei in NMR alta risoluzione - assolutamente eterogenei in MRI

Tra le tecnologie emergenti della Medicina di laboratorio, la spettroscopia di risonanza magnetica in vivo (MRS) è particolarmente innovativa perché consente di esplorare direttamente sul paziente e in modo non invasivo la concentrazione intracellulare di alcuni intermedi metabolici e la funzionalità di diverse vie metaboliche.

MRS in vivo

Invece di ottenere immagini dettagliate di tessuti con la MRS possiamo ottenere gli spettri di composti biochimici presenti all’interno di questi tessuti!

Con la spettroscopia RM del fosforo (31P-MRS):

• ATP

• fosfato inorganico (Pi)

• fosfocreatina (PCr)

• intermedi metabolici fosforilati (PME e PDE)

• concentrazione di Mg2+

• pH intracellulare

Si valuta la funzionalità di:

fosforilazione ossidativa, glicogenolisi, glicolisi …..

Con la spettroscopia RM del protone (1H-MRS):

• n-acetilaspartato (NAA)

• colina (Cho)

• creatina + fosfocreatina (Cr)

• glutammato e glutammina (Glx)

•mio-inositolo (m-I) e acido lattico (LA)

Si valuta la funzionalità di:

sistema glutamminergico, metabolismo energetico, la osmoregolazione del SNC …….

In vivo 31P NMR di Corynebacterium glutamicum

MRIMRI

il segnale NMRil segnale NMR

I principali parametri che influenzano il segnale NMR sono:densità dei nucleitempi di rilassamento T1 e T2diffusione dei nuclei“chemical shift”presenza di materiali che modificano il campo magnetico locale

Le immagini MR di routine sono ottenute in modo da rappresentare prevalentemente:

T1, T2 e Dutilizzando sequenze di impulsi opportune

Vista della sezione orizzontale e verticale di un tubo NMR riempito di acqua e con una barretta di plastica al centro

XY YZ

…ma!!!….come si ottengono queste immagini?

Per esempio, assumete che una testa umana contenga solo tre piccole regioni distinte in cui c'e' densità di spin di idrogeno.(…in realtà l'intera testa genererebbe un segnale NMR)

Quando queste regioni di spin subiscono la stessa forza del campo magnetico, nello spettro NMR ritroviamo un solo picco.

Questo solo picco non dà alcuna informazione sulla posizione delle tre regioni

Gradienti di campo magnetico

Un gradiente di campo magnetico e' quello che ci permetterà di differenziare le loro posizioni.

Un gradiente di campo magnetico e' una variazione del campo rispetto ad una direzione: un gradiente di campo magnetico mono-direzionale lungo l'asse x in

un campo magnetico Bo indica che il campo magnetico va aumentando lungo la

direzione x.

La lunghezza dei vettori rappresenta l'intensità del campo magnetico.

I simboli per un gradiente di campo magnetico nelle direzioni x, y, z sono rispettivamente

Gx, Gy e Gz

Gradients

B (x)z

x

B = B0 + g x

B = B0

x

Bg zx

x)g(B γzγBω x0

dx ] x tg γexp[iρ(x)FID(t)x x

FT (from t to (x) domain)

(x) : numero di nuclei localizzati a x dal centro del gradiente

x: posizione degli spin

dtiFtf )exp()()(

– sample 3 water tubes

– no gradient

Frequency Encoding(codifica di frequenza)

B

x

tt

f

t

B

x

tt

f

t

tt t

– sample 3 water tubes

– gradient on

– quad detection

Frequency Encoding(codifica di frequenza)

La codifica di frequenza fa sì che la frequenza di risonanza sia proporzionale alla posizione dello spin.

= ( Bo + x Gx ) = o + x Gx

x = ( - o ) / ( Gx )

Questo principio e' alla base di tutta l'MRI

Se un gradiente di campo magnetico lineare viene applicato alla nostra ipotetica testa con sole tre regioni contenenti spin, le tre regioni subiranno campi magnetici diversi.

Il risultato e' uno spettro NMR con piu' di un segnale.

L'ampiezza del segnale e' proporzionale al numero degli spin in un piano perpendicolare al gradiente.

Imaging tomografico

con retroproiezion

eFu una delle prime tecniche di MRI

E' una estensione della procedura di codifica in frequenza:viene applicato un gradiente di campo monodimensionale a varie angolazioni e per ciascuno di questi viene registrato lo spettro NMR.

Una volta registrati tutti i dati nella memoria del computer, questi possono essere retroproiettati nello spazio…e l’immagine risulta visibile.

L'attuale schema di retroproiezione e' chiamato trasformata inversa di Radon

In una sequenza di imaging

convenzionale 90-FID la procedura di

retroproiezione può essere applicata con

l'aiuto della seguente sequenza di

impulsi:

La variazione dell'angolo del gradiente

e' realizzata mediante l'applicazione di

combinazioni lineari di due gradienti.

Vengono applicati dei gradienti lungo

Y e X nelle seguenti proporzioni per

ottenere il gradiente Gf di codifica in

frequenza richiestoGy = GF sen Gx = GF cos Affinché la tecnica di retroproiezione sia una tecnica di imaging tomografico

attuabile, dobbiamo avere l'abilita' di selezionare gli spin in un sottile strato (fetta).

Il gradiente Gz serve a questo scopo. Quindi, come viene effettuata la selezione di

una fetta?

SLICE SELECTIONSLICE SELECTION

La selezione della fetta, o slice, in MRI è la selezione degli spin in un piano del campione

(piano di immagine). Il principio alla base della selezione della fetta è spiegato

dall’equazione di risonanza che tiene conto delle variazioni di campo in funzione della

posizione. La selezione è realizzata applicando un gradiente di campo magnetico

lineare mono-direzionale durante il periodo in cui è applicato l’impulso a

radiofrequenza.

L’impulso a 90 , applicato contemporaneamente con un gradiente di campo

magnetico, ruoterà gli spin che sono localizzati in una fetta del campione. La figura

mostra schematicamente la procedura di slide selection, dove in un cubo, formato da piccoli

vettori che danno origine ad una magnetizzazione netta, solo una parte degli spin sono

eccitati (slide selection).

SLICE SELECTIONSLICE SELECTION

Il gradiente di selezione della fetta è diretto lungo lo stesso asse z. Gli

impulsi RF faranno ruotare solamente quei pacchetti di spin nel cubo che

soddisfano la condizione di risonanza.

Questi pacchetti di spin sono localizzati, in questo esempio, in un piano xy. La

localizzazione del piano lungo l'asse z rispetto all'isocentro è data da:

Dove e' la differenza di frequenza

rispetto a o ( i.e. - o ), Gs è l'intensità

del gradiente di selezione della fetta e il

rapporto giromagnetico

B(z) = Gs z + B0

(z) = Gs z + B0 = Gs z + 0

z = / Gs

slice selection: impulso a 90°slice selection: impulso a 90°Per capire tale procedura si deve esaminare il contenuto in frequenza di un impulso a 90°.

Infatti, dal teorema di convoluzione deriva che un impulso a 90° contiene un certo intervallo

di frequenze e inoltre, il contenuto in frequenza dell’impulso può avere diverse forme.

L'applicazione di un impulso a 90° di forma quadrata, con un gradiente di campo

magnetico nella direzione x, ruoterà di 90° spin in un piano perpendicolare

all'asse x. Tuttavia, questa forma dell’impulso ha lo svantaggio di non riuscire a ruotare

tutti gli spin selezionati, in altre parole non riesce a definire perfettamente i contorni della

slice.

slice selection: impulso sincslice selection: impulso sinc

Una soluzione alla scarsa definizione del profilo della fetta è modellare

l'impulso a 90° con la forma di un impulso sinc.

Un impulso sinc ha una distribuzione di frequenza ad onda quadra.

…quindi…

un'immagine tomografica di

retroproiezione può essere ottenuta con

l'applicazione dei seguenti impulsi:

un impulso a 90°, modellato come

impulso sinc, e' applicato in

congiunzione con

un gradiente di selezione della fetta

un gradiente di codifica in frequenza

viene applicato una volta che il

gradiente di selezione della fetta viene

spento. Il gradiente di codifica in

frequenza e' composto, in questo

esempio, da una coppia di gradienti Gx

e Gy.

I FID sono trasformati secondo Fourier

per produrre lo spettro nel dominio

delle frequenze, che viene poi

retroproiettato per produrre l'immagine.

La tecnica di retroproiezione e' altamente istruttiva ma non viene di fatto mai utilizzata al giorno d'oggi.Vengono invece usate le tecniche basate sulla trasformata di Fourier.