Aspetti Fisici della Risonanza Magnetica Nucleare in Medicina

Prof. P.L. INDOVINACattedra di Fisica

Direttore Scuola di Specializzazione Fisica SanitariaDipartimento di Scienze FisicheUniversità di Napoli "Federico II"

Complesso Universitario Monte S. AngeloVia Cinthia - 80126 Napoli

cell.: 335 8389 847e-mail: indovina@na.infn.it

RM (Risonanza Magnetica)

• E' nata nell'ambito della Struttura della Materia;

• Notevoli sviluppi nello studio delle strutture di molecole organiche;

• Ulteriori sviluppi per lo studio di strutture e funzioni di molecole biologiche

• Metodica di punta nel campo della Fisica Medica per ottenere immagini su pazienti

Fisica Medica

• La Fisica Medica è una branca della Fisica che si occupa di tutte le attività legate all’impiego di sorgenti di radiazioni in diagnostica e terapia e, più in generale, in tutte le applicazioni della Fisica in campo medico.

Immagini RM Radioterapia

PET/TC

Risonanza Magnetica (RM)

• Cos’è la Risonanza Magnetica Nucleare?

• Cos'è Risonanza in Fisica?

• Come si ottiene una Risonanza di un sistema magnetico?

Il fenomeno della risonanza

In Fisica si osserva un fenomeno di risonanza quando un sistema che ha una frequenza propria di oscillazione viene sollecitato dall’esterno da un agente (forza, tensione, ecc.) che ha una frequenza circa uguale a quella propria del sistema.

Esempi di fenomeni di risonanza:Altalena, orologio al quarzo, corda di una chitarra, rumori di carrozzeria, ponte, ecc…

Un esperimento di risonanza nel campo gravitazionale

Lo spettro elettromagnetico

E = hè la frequenza caratteristica dell’onda (c=)

Immagine fotografica

Immagine radiografica

Immagine con risonanza magnetica

B0

Cosa è una Immagine biomedica?

• E' una rappresentazione, bi-dimensionale (proiettiva) o tri-dimensionale tomografica, della distribuzione nello spazio dei valori che assume in ogni punto una grandezza fisica del corpo umano.

• Tomografia: tecnica che consente di ottenere immagini di sezioni ("Tomos"), del corpo umano.

Magnetismo Nucleare

Fenomeno della MR

Nucleo magnetico (es. protone) in un campo magnetico

precessione intorno a

0B

0B

Trottola

Analogia: la trottola nel campo gravitazionale ruota

intorno al proprio asse e ruota intorno al campo

gravitazionale.

Applichiamo a R.F.

ruota intorno a e descrive un cono con frequenza

0B

00 B

1B 0B 01 BB

0B

1B

esercita una coppia su 1B

Frequenza di Larmor

Se , l’angolo tra e varia gradualmente nel tempo.

0B0

Per : fenomeno risonanza magnetica nucleare0

1B

è in grado di modificare energia di interazione di con e . 0B

00 B

Equazione di Larmor

0B

1B

Frequenza di Larmor

Scambio di Energia in Risonanza

Lo scambio di energia è possibile quando i protoni ed il campo B1 hanno la stessa frequenza (panino quanto di energia)

Porzione del Corpo Umano

• Contiene N nuclei di idrogeno

• Magnetizzazione totale

• Risonanza magnetizzazione totale

Magnetizzazione del Corpo Umano

Magnetizzazione nel piano

Legge di FARADAY-NEUMANN (1)

Una spira di filo conduttore è collegata ad un galvanometro.Se si avvicina o si allontana un magnete (o si sposta la spira

rispetto al magnete), l’indice del galvanometro indica un

passaggio di corrente (corrente indotta).

Legge di FARADAY-NEUMANN (2)

Due spire sono ferme l’una accanto all’altra.

Quando si chiude o si apre l’interruttore S, l’ago del galvanometro indica un passaggio di corrente.

Legge di FARADAY-NEUMANN (3)

In entrambi gli esperimenti 1 e 2, si ha una forza elettromotrice indotta in un circuito quando il flusso magnetico (BS) attraverso la superficie che limita il circuito varia nel tempo.La forza elettromotrice indotta in un circuito è uguale alla rapidità con cui varia il flusso magnetico attraverso il circuito.

Una forza elettromotrice può essere indotta in un circuito in diversi modi:

1) Quando varia nel tempo il modulo di B2) Quando varia nel tempo la superficie S del circuito3) Quando varia la direzione di B4) Quando si verifica una combinazione dei casi precedenti

t

Bf

)(

è il segnale RMf t

Bf

)(

La variazione del concatenato con la bobina: per la legge di FARADAY-NEUMANN. avremo nella bobina una f.e.m. indotta.

La magnetizzazione ruotando nel piano genera un campo magnetico su una bobina ricevente.

)(B

x′

z′ B0

y′

t

f

Magnetizzazione nel piano

Tempi di Rilassamento

• La magnetizzazione totale in Risonanza ha una componente lungo il campo ed una componente perpendicolare al campo magnetico.

• Queste due componenti ritornano all’equilibrio con tempi caratteristici, detti tempi di rilassamento, che dipendono dallo stato fisiologico o patologico del tessuto del corpo umano risonante.

Tempi di Rilassamento

Il segnale RM può dare informazioni su tre parametri:

• Numero di protoni per unità di volume

• Legge di decadimento di M lungo il campo magnetico (T1)

• Legge di decadimento della componente perpendicolare (T2)

Tre Provette in un Campo Magnetico

omogeneo

Tre Provette in un Campo Magnetico non

omogeneo

Componenti fondamentali di un tomografo a risonanza magnetica

• MagneteMagnete

• Gradienti di campoGradienti di campo

• Bobine RFBobine RF

Premi Nobel per la Risonanza Magnetica

La RM è una tematica di ricerca che ha ricevuto riconoscimento con premi Nobel:

- 1952 Edward Mills Purcell e Felix Block (Premio Nobel per la Fisica)

"per aver osservato per primi il fenomeno della risonanza magnetica"

- 1991 Richard R. Ernst (Premio Nobel per la Chimica)

"per il suo contributo della spettroscopia RM ad alta risoluzione“- 2002 Kurt Wüthrich (Premio Nobel per la Chimica)

"per il suo contributo allo studio della struttura tridimensionale di macromolecole biologiche con spettroscopia RM ad alta risoluzione“

- 2003 Paul C. Lauterbur e Sir Peter Mansfield (Premio Nobel per la Medicina)

“per le loro scoperte relative all’imaging in risonanza magnetica“

6 Ottobre 2003Nobel per la applicazione della RM in medicina

Lauterbur e Mansfield“per le loro scoperte relative all’imaging in risonanza

magnetica“

“Era atteso che il premio Nobel fosse anche assegnato a Raymond V. Damadian che inventò e brevettò uno scanner a risonanza magnetica. Inoltre, per lo sviluppo della MR furono fondamentali i suoi lavori che dimostrarono che i tempi di rilassamento dei tessuti tumorali erano diversi da quelli dei tessuti sani”.

6 Ottobre 2003Nobel per la applicazione della RM in medicina

Lauterbur e Mansfield“per le loro scoperte relative all’imaging in risonanza

magnetica“

• Rita Levi Montalcini:“E’ un premio molto meritato per un’alta applicazione tecnologica. Un Nobel che va in una direzione diversa visto che di solito viene assegnato a ricerche di base”.

• Nel mondo operano 22000 tomografi di RM (e 500 in Italia) e si effettuano circa 60 milioni di esami per anno.

Conclusioni

La RM è un esempio di applicazione di alcuni principi di fisica di base in Medicina.

E’ una tecnica di Diagnostica per immagini rivoluzionaria perché utilizza radiazioni NON ionizzanti.

Permette di ottenere l’immagine di qualunque sezione del corpo umano.

Oltre alle immagini morfologiche ottenibili con le radiazioni ionizzanti, permette di ottenere immagini funzionali.

La RM è un esempio di applicazione medica che necessita della cooperazione tra varie figure professionali: Medico Radiologo, Fisico Medico, Tecnico Sanitario di Radiologia Medica, … .