Apparecchiature rm

APPARECCHIATURE RM

ESAME ORALE 3 domande con argomento a scelta:

1 contrasto

1 imaging (strato, codifica e sequenza)

1 sicurezza

La risonanza magnetica è la tecnica d’eccellenza per lo studio dei tessuti

molli, essa infatti, permette di studiare non solo l’anatomia ma anche la

funzionalità degli organi.

Questa tecnica non utilizza radiazioni ionizzanti e prevede tante e differenti

tipologie di contrasto dell’immagine.

Durante l’esame il paziente viene posto in un campo magnetico stazionario

(B0). Successivamente vengono inviati una combinazione di onde RF e campi

magnetici variabili nel tempo e nello spazio. In questo modo il paziente

emetterà un segnale di onde RF rilevato e usato per ricostruire le immagini.

CENNI DI FISICA DI BASE

All’interno delle cellule che compongono i tessuti del nostro organismo sono

presenti delle molecole d’acqua. Ogno molecola d’acqua è costituita da 2

atomi di H e uno di O.

Il nucleo dell’atomo H è costituito da un solo nucleone, il protone, ovvero una

particella con carica elettrica positiva. Attorno al nucleo, orbita un elettrone.

Queste particelle (così come anche i neutroni), hanno una proprietà chiamata

SPIN: è una proprietà della materia come la massa o la carica elettrica ed è

una proprietà fisica misurabile.

Lo si può pensare come un momento angolare ad intensità costante, come

una particella che ruota attorno al proprio asse.

Bisogna tenere presente che lo SPIN è quantizzato, e la sua intensità è

definita dal numero quantico s. Al valore di spin è collegato il numero di stati in

cui la particella può essere osservata: se I è il valore dello spin, il n° di stati è

2I+1. (Per l’H I=1⁄2 quindi 2 stati: ±1⁄2.)

Le particelle componenti il nucleo (protoni e neutroni) e gli elettroni, presi

singolarmente, hanno spin 1⁄2 .

MAGNETIZZAZIONE MICROSCOPICA

Sappiamo quindi che il protone è una particella a carica positiva dotata di spin, ovvero

assimilabile ad una rotazione intorno ad un asse proprio, e, secondo le leggi della fisica,

particelle cariche in movimento danno origine a campi magnetici.

Alla luce di questi elementi si può quindi concludere che il protone è

caratterizzato da un campo magnetico e può essere rappresentato

come una piccola calamita con un polo Nord ed un polo Sud. Si dice

infatti che il nucleo di idrogeno possiede una magnetizzazione

microscopica (mm)

In assenza di un campo magnetico esterno i

nuclei di H non presentano una

magnetizzazione netta, in quanto gli SPIN sono

orientati in maniera casuale e caotica nello

spazio e nel tempo.

Quando, invece, un protone è posizionato

all’interno di un campo magnetico lo spin

tenderà ad allineare se stesso con il campo

magnetico esterno, proprio come un magnete,

e si potranno distinguere 2 configurazioni:

Quando un insieme di spin è posto in un campo magnetico esterno

(B0), ognuno di essi si può trovare in ognuna delle due

configurazioni

A temperatura ambiente, la differenza tra il n° degli spin ad energia

più bassa (stato favorito), e il n° di spin ad energia più elevata

(stato sfavorito) è molto piccola e dipende dalla forza del campo

magnetico applicato.

Per dare un’idea approssimativa, su circa 10 milioni di protoni orientati in senso antiparallello

ve ne sono circa 10.000.070 protoni orientati parallelamente (7ppm) in un c.m. di 1,5T.

MAGNETIZZAZIONE MACROSCOPICA

L’insieme delle magnetizzazioni microscopiche, sommandosi secondo le regole della

meccanica vettoriale, fornisce un vettore risultante definito

magnetizzazione macroscopica (MM)

Il vettore MM ha in questa condizione la stessa direzione e verso delle linee di forza del

campo magnetico esterno (B0) e viene pertanto definita magnetizzazione longitudinale

(MML).

La configurazione che si è venuta a determinare, con la formazione di una MML, può essere

definita di equilibrio in funzione dell’introduzione del Campo Magnetico Statico (B0), in

quanto favorita energeticamente.

PRECESSIONE

I vettori di spin, quando posti in un Campo magnetico esterno, danno luogo ad

un moto di precessione: rotazione della particella intorno al proprio asse

(spin) e, contemporaneamente, intorno ad un asse secondario, ovvero alla

direzione del campo magnetico esterno. L’angolo tra i due assi è costante.

L’asse di rotazione dello spin ruota a sua volta attorno all’asse di B0,

mantenendo l’angolo tra i due assi costante

Prendiamo come esempio una trottola: oltre attorno al suo asse la trottola

ruota attorno ad un'asse centrale z.

In assenza di attrito la componente z dell’asse della trottola non cambia. La

componente z può essere positiva o negativa.

Quello che si conserva e su cui si basa il ragionamento ora compiuto è quindi

la componente (proiezione) dello spin lungo la direzione del campo magnetico

esterno (ovvero lungo z)

Perciò, inserendo un nucleo di H all’interno di un campo B0 la componente Z

non varia più → moto di precessione

Il moto di precessione è, inoltre, caratterizzato dalla frequenza di

precessione, ovvero dalla velocità di rotazione attorno all’asse secondario.

Essa dipende dall’intensità del campo magnetico all’interno del quale sono

inseriti i nuclei ed è data dall’equazione di Larmor:

Questo comporta che per una determinata intensità del

campo magnetico esterno, nuclei differenti possono essere

distinti sulla base di diverse frequenze di risonanza. Per le

intensità di B0 attualmente in uso in campo medico, la

frequenza di precessione dei nuclei di H assume i seguenti

valori:

RISONANZA MAGNETICA

Una volta posto un corpo all’interno di un campo B0, l’invio di un piccolo

campo magnetico oscillante con direzione perpendicolare a B0 e freq uguale

a quella di Larmor, induce un assorbimento di E da parte del corpo stesso. ​

Questo fenomeno è detto Risonanza Magnetica

Dalla fisica, infatti, è noto che è possibile variare la proiezione dei vettori di

spin lungo la direzione del CMS (componente longitudinale) introducendo un

piccolo (rispetto a B0) campo perturbante B1 che ruota in un piano ortogonale

a B0

Tale variazione è massima quando B1 ruota nello stesso verso del vettore di

spin e con la medesima frequenza

Per originare campi B1 si ricorre alle onde elettromagnetiche, di energia E=hv,

dove v è la frequenza di Larmor. (si parla anche di onde a RadioFrequenza,

per le frequenze impiegate)

Cosa succede a livello microscopico ai nuclei di H?

La radiazione pari alla frequenza di Larmor induce una transizione tra i due

livelli di energia (e quindi i due allineamenti) del nucleo di H.

Cosa succede a livello macroscopico ai nuclei di H?

Si ha una diminuzione della MML e la formazione di una

Magnetizzazione Macroscopica Trasversale (MMT), ovvero,

una componente del vettore M non nulla sul piano

perpendicolare a B0. Sul piano ortogonale alla direzione del

CMS abbiamo spin protonici che continuando nel loro moto

di precessione, sono in fase tra loro.

Una volta terminato l’impulso di RF, il sistema di spin tenderà a tornare allo

stato di equilibrio, con il pieno recupero del vettore MML e l’azzeramento della

MMT. I nuclei di H, quindi, daranno origine ad un processo di recupero della

situazione iniziale, emettendo a loro volta onde e.m. con frequenza pari alla

frequenza di Larmor. Avremo quindi due processi:

1.​ Recupero Magnetizzazione Longitudinale (Rilassamento

Longitudinale o spin-reticolo)

2.​ Azzeramento Magnetizzazione Trasversale (Rilassamento

Trasversale o spin-spin)

RILASSAMENTO LONGITUDINALE

Con Rilassamento Longitudinale si intende il processo di recupero della

magnetizzazione longitudinale mediante scambi di energia termica fra i

protoni (spin) e l’ambiente molecolare circostante, detto reticolo (in inglese

“lattice”). Il processo di rilassamento spin-lattice è

parametrizzato dal tempo T1, detto tempo di

rilassamento longitudinale, ovvero il tempo

che impiega la MML a recuperare il 63%

della sua magnetizzazione iniziale, partendo

da zero.

Reticolo

Ogni H ha un intorno a sé complessi molecolari (acqua, lipidi, proteine) di

varia forma e grandezza a cui diamo il nome di reticolo

Il reticolo è sottoposto a moti rotovibrazionali che dipendono dalle

- DIMENSIONI

- STATO DI AGGREGAZIONE

- TEMPERATURA

I moti sono più rapidi quando

- MINORI SONO LE DIMENSIONI DEI COSTITUENTI

- Più FLUIDO è LO STATO DI AGGREGAZIONE

- MAGGIORE è LA TEMPERATURA AMBIENTE

• H2O nel tessuto biologico: molecole di H2O libere o variamente legate con

sistemi lipidici o proteici

Sulla base delle interazioni con il reticolo il processo potrà essere più lento o

più veloce.

Nel caso di un tessuto il reticolo può essere considerato omogeneo e il

processo di rilassamento dipenderà dalle proprietà rotovibrazionali delle

molecole, ma soprattutto dallo stato di aggregazione del tessuto.

Se il tessuto è solido o liquido (es liquido cerebro-spinale o osso) il processo

sarà “lento” (T1>1s), se invece è molle (es grasso), il processo sarà “veloce”

(T1 circa= 400 ms).

I protoni hanno un campo magnetico che varia

continuamente alla frequenza di Larmor. Anche nel

reticolo abbiamo campi magnetici che variano

continuamente.

Lo scambio di energia avviene quando le

fluttuazioni dei campi magnetici nel reticolo hanno

frequenze uguali o quantomeno prossime a quella

degli spin (ovvero la frequenza di Larmor)

RILASSAMENTO TRASVERSALE

Con Rilassamento Trasversale si intende il processo di azzeramento della

magnetizzazione trasversale mediante interazioni spin-spin.

Il processo di rilassamento spin-spin è parametrizzato dal tempo T2, detto

tempo di rilassamento trasversale, ovvero il tempo che impiega la MMT a

perdere il 63% della sua magnetizzazione iniziale.

Il rilassamento spin-spin non comporta

scambi di E con il reticolo ma induce la

perdita di coerenza di fase fra i protoni,

ovvero introducono una fase relativa nei

moti di precessione e ,pertanto,

velocizzano l’azzeramento di MMT.

Il processo è dovuto a due fattori intrinseci alla struttura in esame:

- Oscillazione delle molecole del reticolo a frequenze prossime a quella

di Larmor (vedi Rilassamento T1)

- Non omogeneità dei campi magnetici locali all’interno dei tessuti ovvero

piccoli campi magnetici delle molecole vicine che non sono distribuite

uniformemente e troppo lente per annullarsi reciprocamente.

Il processo viene velocizzato nei casi di tessuto molle (muscoli, grasso) e

rallentato nel caso dei liquidi

RELAZIONE FRA I TEMPI DI RILASSAMENTO

Come già detto, i rilassamenti

dipendono dalle proprietà dei

tessuti all’interno dei quali si

trovano i nuclei di H.

In realtà il processo di

azzeramento della MMT è

ulteriormente velocizzato da altre

causa come: presenza di

disomogeneità all’interno del CMS

dopo l’introduzione del corpo,

variazioni del CMS introdotte

accendendo un gradiente,

presenza di materiale estraneo nel tessuto…

Anche in questo caso il processo è parametrizzato da un tempo: T2* (T2 star),

per sottolineare che ci si riferisce al processo di annullamento della MMT ma

tenendo conto di fattori esterni ai tessuti.

T1 e T2 sono uguali?

T2 è più breve di T1, questo a livello

del corpo umano. Entrambi possono

variare al variare del CMS.

(guarda tabella)

CSF → liquido cerebro spinale

Ma quali sono le relazioni fra T1, T2 e T2*?

Il processo più veloce sarà T2*, seguito da T2 e, successivamente T1.

Nessun processo potrà essere più lento di T1 e più veloce di T2*

Come mai abbiamo 2 rilassamenti e non uno solo?

Durante il rilassamento spin-spin il sistema starà recuperando anche la MML,

perciò sarà composto anche da T1. Le magnetizzazioni microscopiche

devono trovarsi in fase tra di loro, queste ultime, però, possono avere delle

interazioni. L’esito di queste interazioni da un lieve sfasamento, quindi quando

H e H interagiscono hanno un piccolo sfasamento. Nonostante siano piccoli

sfasamenti, ci sono molte interazioni perciò si avrà un effetto macroscopico

sfasato.

MAGNETI

Possono essere

●​ Permanenti: magneti comuni costituiti da una lega di acciaio

contenente elementi delle terre rare

-​ Non possono essere spenti

-​ Economici

-​ Limiti nel campo magnetico massimo e nella omogeneità e

stabilità

-​ Configurazioni aperte

●​ Resistivi: si possono spegnere

-​ Campo magnetico generato da un solenoide attraversato da

corrente.

-​ Limiti nel campo magnetico massimo e nella omogenità e stabilità

-​ Economici all’installazione, ma importante impegno energetico

●​ Superconduttori: ad una certa T hanno resistenza elettrica nulla. La T

viene raggiunta tramite un criogeno.

-​ Leghe particolari che a temperature vicino allo zero assoluto (4 K

= -269°C) diventano superconduttive, ovvero con resistenza

nulla.

-​ Alti campi magnetici e alta omogeneità e stabilità

-​ Alta tecnologia in fase di progettazione.

-​ Impegno economico: all’installazione e per il mantenimento

criogeni (vd dopo).

SEGALE RM

Durante la fase di rilassamento lo spin continua nel moto di precessione

attorno all’asse del magnete.

Se poniamo una bobina con asse parallelo alla direzione dell’asse del

magnete noteremo che una variazione del flusso (ad es. variazione

dell’intensità del campo magnetico sentito dalla bobina) induce una tensione

(e pertanto una corrente) nel circuito della bobina.

Questo viene definito segnale RM → FID (Free Induction Decay)

Il FID è un segnale grezzo caratterizzato dalla frequenza di Larmor e dal

decadimento T2* e, graficamente, ha la forma di una cosinusoide smorzata

esponenzialmente.

Le apparecchiature di RM sono organizzate a “strati”. Dall’interno all’esterno

troveremo: la bobina trasmittente, le bobine di gradiente e il

superconduttore…

GRADIENTI

Il CMS può essere generato in 3 modi: con terre rare, solenoide percorso da

corrente a T ambiente, e magneti superconduttivi

Solitamente il termine gradiente viene utilizzato per indicare la differenza di

concentrazione: in questo caso si intende un campo B che varia lungo una

particolare direzione → X Y o Z .

Perché ciò avvenga serve una coppia di bobine. Per questo motivo nelle

apparecchiature RM avremo 3 coppie di bobine (coil)

Caratteristiche dei gradienti

●​ Intensità max: Si misura in mT/m (millitesla su metro)

●​ Rise time: Tempo impiegato per il raggiungimento dell’intensità

massima del gradiente. Si misura in ms

●​ Slew rate: Rapporto tra intensità max e rise time. Si misura in mT/m/ms

o in T/m/s

Effetto gradiente: viene accumulata una fase (angolo) di differenza

Gradiente di selezione dello strato (Gs)

L’applicazione del gradiente conferisce al campo magnetico sperimentato

lungo quest’asse valori dipendenti in modo lineare dalla coordinata spaziale

lungo la quale è applicato (x, y o z). Ad esempio, applicando un gradiente

lungo l’asse z, ovvero l’asse longitudinale del magnete, si ottengono

lungo la direzione di applicazione valori di campo magnetico crescenti da un

minimo a un massimo.

In corrispondenza del punto nel quale il gradiente assume valore nullo (null

point) il campo magnetico, mancando il contributo del gradiente, tornerà ad

assumere il valore del solo campo statico B0. L’applicazione di un impulso RF

alla frequenza di Larmor ecciterà, dunque, soltanto i nuclei sottoposti a un

valore di campo per cui si ha la condizione di risonanza, cioè quelli localizzati

sulla sezione trasversale del soggetto esaminato in corrispondenza del punto

nullo del gradiente.

Di conseguenza, il segnale prodotto corrisponderà alla sezione voluta,

stabilita dalle coordinate relative al punto nullo del gradiente.

Lo spessore dello strato ha in realtà una dimensione fisica ben precisa

stabilita a priori: l’impulso di eccitazione RF non è composto soltanto dalla

sola frequenza di risonanza, ma da una più o meno larga distribuzione

(banda) di frequenze intorno al valore di Larmor. La “pendenza” del gradiente

e la larghezza della banda RF di eccitazione stabiliscono quindi lo spessore

della sezione

Gradiente di lettura o di codifica di frequenza (Gl)

Dopo la stimolazione dei nuclei di una determinata sezione da parte

dell’impulso RF, durante la ricezione del segnale (lettura), è applicato un

gradiente di campo nella direzione x.

Di conseguenza ai diversi valori del campo magnetico lungo la direzione x

corrisponderanno diverse frequenze di precessione, e il segnale prodotto

durante il rilassamento sarà costituito dalla somma dei segnali associati alle

diverse frequenze, ricevuti simultaneamente.

Per valutare le ampiezze dei segnali corrispondenti a “linee di nuclei”

ortogonali all’asse x, dovranno essere individuate in questo segnale tutte le

singole componenti di diversa frequenza che lo avevano generato.

Si noti, in ogni caso, che tutte le forme d’onda che costituiscono il segnale

così ricevuto sono sinusoidali.

Gradiente di codifica di fase (Gf)

Successivamente all’eccitazione dei nuclei di una sezione e prima del

gradiente di lettura, viene applicato un gradiente di campo lungo una direzione

(per esempio l’asse y) che determinerà una frequenza di precessione diversa

per i n