RM- Principi fisici

PROGRAMMAApparecchiature di Risonanza Magnetica- le onde elettromagnetiche- il fenomeno fisico della risonanza- le sequenze di impulsi in RM.- il contrasto nelle immagini di RM- i componenti di un sistema per imaging a RM- la codifica spaziale del segnale di RM- differenti tipi di apparecchiature a RM

MR è realmente semplice !

Risonanza Magnetica Nucleare

Risonanza Magnetica Nucleare

Il nucleone (protone o neutrone) o l’elettrone di un atomo può essere schematizzato come una trottola che ruota attorno a se stessa e pertanto presenta un momento angolare che viene definito “SPIN” e identificato con l’asse di rotazione. Lo spin può essere di ½ e può essere + o -

Nucleare

Nel modello a guscio, come gli elettroni, anche i nucleoni riempiono degli orbitali. Quando il numero di nucleoni è uguale a 2, 8, 20, 28, 50, 82, and 126, gli orbitali sono pieni. Quando gli orbitali vengono riempiti, gli spin dei nucleoni, come quello degli elettroni, si possono appaiare ed annullare. Quasi tutti gli elementi della tavola periodica hanno un isotopo con uno spin nucleare non nullo. Gli atomi con protoni/neutroni non appaiati hanno uno “SPIN netto”.

Nucleare

Nuclei Protoni Spaiati

Neutroni Spaiati

Spin Risultante

γ (MHz/T)

1H 1 0 1/2 42.58 2H 1 1 1 6.54 31P 1 0 1/2 17.25 23Na 1 2 3/2 11.27 14N 1 1 1 3.08 13C 0 1 1/2 10.71 19F 1 0 1/2 40.08

Nel nucleo è concentrata tutta la carica positiva dell’atomo, la rotazione (quindi il movimento) di una carica elettrica genera un campo magnetico. Si dice quindi che al momento angolare P è associato un momento magnetico µ.Entrambi i momenti sono grandezze vettoriali e sono direttamente proporzionali sulla base di un fattore di proporzionalità γ detto rapporto giramagnetico.µ = γ . P

Nucleare

N

S

Nucleare

1.Imaging dei nuclei RM-ATTIVI1.Imaging dei nuclei RM-ATTIVI

Spinnetto

Nucleare

1.Cosa è un nucleo RM-ATTIVO ?1.Cosa è un nucleo RM-ATTIVO ?

E’ un nucleo dotato di MOMENTO MAGNETICOE’ un nucleo dotato di MOMENTO MAGNETICO

spin

+ -

1.Il MOMENTO MAGNETICO:

- dipende dal numero di protoni

(dispari)

- non è influenzato dai neutroni

1.Il MOMENTO MAGNETICO:

- dipende dal numero di protoni

(dispari)

- non è influenzato dai neutroni

Nucleare

Idrogeno 1Carbonio 13Azoto 15Ossigeno 17Fluoro 19Sodio 23Fosforo 31

Idrogeno 1Carbonio 13Azoto 15Ossigeno 17Fluoro 19Sodio 23Fosforo 31

RMN può essere eseguita solo su isotopi la cui presenza naturale è sufficientemente alta per essere rilevata.

ElementoAbbondanzaBiologica*

Idrogeno (H)

0.63

Carbonio (C)

0.094

Azoto (N) 0.015

Sodio (Na) 0.00041

Fosforo (P) 0.0024

Ossigeno (O)

0.26

Calcio (Ca) 0.0022

Nucleare1. Imaging del NUCLEO DI IDROGENO1. Imaging del NUCLEO DI IDROGENO

- il più abbondante

- momento magnetico elevato

+ =+

-

MagnetizzazioneSe sottoposti ad un campo magnetico esterno iprotoni si ALLINEANO

+

++

+

+

+

++

+

B0

+

Allineamento PARALLELO o ANTI-PARALLELO

+ +

B0

PARALLELO = bassa energia

ANTI-PARALLELO = alta energia

+

++

++

Magnetizzazione netta

Magnetizzazione

Magnetizzazione netta = Magnetizzazione LONGITUDINALE

B0

Magnetizzazione

1.“MAGNETIZZAZIONE” del pz

2.Invio di un impulso di RF

3.Cessazione dell’impulso di RF

4.Rilassamento del sistema





Imaging RMImaging RM

Se sottoposti ad un campo magnetico esterno i protoni assumono un moto di PRECESSIONE

B0 = w g B0

Eq. di Larmor

1. Invio di un impulso di RF1. Invio di un impulso di RF


…l’impulso di RF deve avere la stessa

frequenza della frequenza di

precessione del nucleo di idrogeno

per entrare in RISONANZA con esso

e scambiarvi energia…

…l’impulso di RF deve avere la stessa

frequenza della frequenza di

precessione del nucleo di idrogeno

per entrare in RISONANZA con esso

e scambiarvi energia… = w g B0

RF

Risonanza


a) Eccitazione nucleare

b) Sincronizzazione di fase dei

protoni




protoni


+

++

++

RF

+

+

++

++

+

B0



scomparsa della ML


protoni



scomparsa della ML


protoni


RF

Magnetizzazione TRASVERSALE



scomparsa della ML


protoni

creazione della MT



scomparsa della ML


protoni

creazione della MT


RF

ML

MT

B0




e…

4.…rilassamento del sistema




e…

4.…rilassamento del sistema


RF

ML

MT

ML

MTI

t

FID

“free induction decay”

90°

F ID

M xy

La rotazione del vettore di MT attorno alla direzione di B0 (asse Z) induce una corrente nella bobina posizionata attorno all'asse X.

1.Tempo di rilassamento T1


3.Densità protonica

4.Chemical shift

5.Fenomeni di flusso



3.Densità protonica

4.Chemical shift

5.Fenomeni di flusso

Determinanti del segnaleDeterminanti del segnale

1. Tempo di rilassamento

T1


T1

Imaging RMImaging RMDeterminanti del segnaleDeterminanti del segnale

ML%

t

63%

0

100

T1

- velocità con cui viene

recuperata

la ML

- tempo necessario a

raggiungere il

63% della ML

- spin-reticolo

- velocità con cui viene

recuperata

la ML

- tempo necessario a

raggiungere il

63% della ML

- spin-reticolo

ML%

t

63%

0

100

T1 T1

Curva del rilassamento T1Curva del rilassamento T1

MT%

t

37%

100

0

T2

63%


T2- velocità con cui decade la MT

- tempo necessario a perdere il 63% della

MT

- spin-spin


T2- velocità con cui decade la MT

- tempo necessario a perdere il 63% della

MT

- spin-spin


MT%Curva del rilassamento T2Curva del rilassamento T2

t100

0

T2 T2

3.Densità protonica- numero di nuclei risonanti per unità di

volume

- solo protoni di idrogeno che

costituiscono le

molecole dell’acqua libera

3.Densità protonica- numero di nuclei risonanti per unità di

volume

- solo protoni di idrogeno che

costituiscono le

molecole dell’acqua libera


Dal T1 e dal T2……alla immagine

“T1 pesata” & “T2 pesata”

Dal T1 e dal T2……alla immagine

“T1 pesata” & “T2 pesata”


Sequenza spin-echoSequenza spin-echo

90° 90° 90°

TR

TETR = tempo di ripetizioneTE = tempo di echoTR = tempo di ripetizioneTE = tempo di echo

180° 180°

90° 90° 90°

180° 180°

t0

T1 grasso

acqua63%

TR0

T1 grasso

acqua

lungobreve

TE

TR

Immagine “T1 pesata”


Per massimizzare la dipendenza T1

si devono usare

TR brevi


si devono usare

TR brevi


90° 90° 90°

180° 180°

TE

TR



t

T2

acqua63%

TElungobreve

grasso

T2

acqua

grasso


si devono usare

TE lunghi


si devono usare

TE lunghi



TR breve…


TR breve…

Immagine T1 pesataImmagine T1 pesata

…per abbattere la dipendenza T2

TE breve


TE breve

Per abbattere la dipendenza T1

TR lungo…


TR lungo…

Immagine T2 pesataImmagine T2 pesata

…per massimizzare la dipendenza T2

TE lungo

…per massimizzare la dipendenza T2

TE lungo


TR lungo…


TR lungo…

Immagine pesata in DPImmagine pesata in DP


TE breve


TE breve

Imaging RM: pesatura delle immagini

Imaging RM: pesatura delle immagini

TR TE

breve breve T1 pesata

lungo lungo T2 pesata

lungo breve densità protonica

breve lungo NO segnale

4.Chemical shift- frequenza di risonanza influenzata

anche dalla

nube elettronica circostante il nucleo

=w gB0 (1- )s- s (costante di schermo) dipende da

densità e

distribuzione spaziale e-

4.Chemical shift- frequenza di risonanza influenzata

anche dalla

nube elettronica circostante il nucleo

=w gB0 (1- )s- s (costante di schermo) dipende da

densità e

distribuzione spaziale e-


Determinanti del segnaleDeterminanti del segnale


Determinanti del segnaleDeterminanti del segnale4.Chemical shift

- esprime la variazione della frequenze di risonanza di un determinato nucleo in relazione alle differenti nubi elettroniche che lo circondano schermandolo

- CS ha un valore “tipico” per ciascuna molecola

- diff. H acqua – H grasso circa 225Hz a 1,5T- Artefatto a banda (iperintenso o

ipointenso) all’interfaccia acqua-grasso

4.Chemical shift- esprime la variazione della frequenze di

risonanza di un determinato nucleo in relazione alle differenti nubi elettroniche che lo circondano schermandolo

- CS ha un valore “tipico” per ciascuna molecola

- diff. H acqua – H grasso circa 225Hz a 1,5T- Artefatto a banda (iperintenso o

ipointenso) all’interfaccia acqua-grasso

Soppressione del segnale del grasso: “chemical shift”


t = 0t = 0 TE = 2.26 msTE = 2.26 ms TE = 4.52 msTE = 4.52 ms

inizio seq. GREinizio seq. GRE FUORI FASEFUORI FASE IN FASEIN FASE

A AG G

AG

AG

A G

in fase: TE 5,4 msin fase: TE 5,4 ms

Chemical shift imaging

- Seq. GRE- Perdita di segnale all’interfaccia acqua-grasso- Differenza nella frequenza di risonanza tra protoni dell’acqua e del grasso

fuori fase: TE 2,7 msfuori fase: TE 2,7 ms

TE = 2.26 msTE = 2.26 ms

TE = 4.52 msTE = 4.52 ms

FUORI FASEFUORI FASE IN FASEIN FASE

A AG G



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