Risonanza Magnetica

Risonanza magnetica nucleare (RMN)

La RMN produce immagini di tipo tomografico digitale utilizzando campi magnetici e radiofrequenze (non utilizza radiazioni ionizzanti). È una tecnica di imaging multiparametrica e multiplanare. I responsabili del segnale che è alla base della formazione delle immagini RM sono gli atomi di idrogeno, costituiti da un protone e abbondanti nei tessuti viventi, in particolare quelli ricchi di acqua.

I nuclei atomici formati da un numero dispari di protoni e neutroni hanno la proprietà di ruotare su se stessi (momento angolare di una carica elettrica o spin), generando un campo magnetico microscopico detto momento magnetico nucleare. Fra le specie nucleari dotate di tali proprietà magnetiche viene impiegato in diagnostica convenzionale il nucleo dell'atomo di idrogeno (o "protone" poiché contiene una sola carica positiva).

I protoni quindi ruotano attorno al proprio asse - hanno uno spin - generando un microscopico campo magnetico. Normalmente, questi microscopici campi magnetici sono orientati casualmente e, perciò, il risultante dalla loro somma è nullo.

Genesi del segnale RM

Nella genesi del segnale RM si possono individuare tre fasi:

Orientamento

Se sottoposti a un forte campo magnetico statico (B₀), l'asse dei dipoli magnetici dei nuclei di idrogeno si orienterà lungo il campo stesso. Questo orientamento può avvenire o nella stessa direzione di B₀ (in maniera parallela, cioè con basso livello energetico) o con direzione opposta (in maniera antiparallela, cioè con alto livello energetico). I protoni paralleli sono leggermente prevalenti rispetto a quelli antiparalleli. Questa piccola prevalenza produce una magnetizzazione risultante M, orientata parallelamente a B₀, e misurabile.

Nei magneti più usati in campo medico la direzione del campo magnetico coincide con l'asse longitudinale piedi-testa del paziente sdraiato nel gantry e la magnetizzazione risultante viene pertanto detta MM longitudinale (MML). Inoltre, sempre per effetto di B₀, l'asse di ciascun protone ruota attorno all'asse del campo magnetico esterno, cioè alla direzione del momento di B₀ (precessione). I movimenti di precessione possono essere paragonati alle oscillazioni di una trottola.

NB: All'intensità del campo magnetico statico (CMS) è direttamente legata l'intensità del segnale RM rilevabile; il suo aumento comporta, inoltre, una riduzione dei tempi di acquisizione, cui si associa però una maggiore evidenza di alcuni tipi di artefatto (chemical shift). L'omogeneità e la stabilità temporale del campo magnetico statico influiscono invece significativamente sul potere di risoluzione dell'immagine. Piccole disomogeneità nel campo magnetico comportano, infatti, variazioni delle frequenze di precessione dei singoli spin, rendendone impossibile la fine discriminazione spaziale.

eccitazione

La frequenza di precessione è caratteristica di ogni elemento atomico e dipende dall'intensità del campo magnetico (frequenza di Larmor). Per mettere in risonanza i protoni dell'idrogeno, si invia un'onda radio con frequenza pari alla frequenza di Larmor per l'idrogeno.

Inviando l'impulso di radiofrequenza sugli atomi compresi nel campo magnetico si determinano principalmente due cose (ad inizio simultaneo ma con distinta evoluzione temporale):

• La sincronizzazione dei protoni nella stessa fase di precessione (ruotano non solo alla stessa frequenza ma anche in maniera coordinata: precessione in coerenza di fase, ruotano tutti allineati nello stesso punto dell'orbita di precessione); quando i protoni precedono in fase tra loro, si genera un vettore di magnetizzazione trasversale, che ruota nel piano x-y (flessione dell'asse di magnetizzazione fino a divenire ortogonale al MML). Un impulso RF capace di spostare la magnetizzazione sul piano x-y viene definito impulso di 90°.
• Il passaggio di alcuni protoni dal livello energetico basso (paralleli a B₀) al livello energetico alto (antiparalleli a B₀). Un impulso RF di durata o intensità doppia rispetto a quello di 90°, è in grado di ribaltare il vettore di magnetizzazione M in posizione antiparallela rispetto a B₀ ed è perciò detto impulso di 180°.

Rilassamento

Alla sospensione dell'impulso di radiofrequenza può avvenire il campionamento del segnale RM utile per la creazione dell'immagine:

• La progressiva desincronizzazione della precessione dei protoni, con conseguente decadimento della magnetizzazione trasversale; > perdita di MMT (T₂).
• Il ritorno a un livello energetico basso da parte dei protoni che avevano subito un'inversione di 180°; > recupero di MML.

In ambedue i casi si parla di rilassamento durante il quale si generano degli impulsi misurabili tramite una bobina che funge da antenna ricevente (oltre che da emettitrice di RF). Il rilassamento dei protoni avviene con due costanti di tempo distinte:

• Rilassamento spin-reticolo: la prima, definita T₁, indica la rapidità con cui si ricostituisce il momento M del campo B₀; può essere rappresentata da una funzione esponenziale (curva di accrescimento esponenziale) (fig. 1).
• Rilassamento spin-spin: la seconda, definita T₂, indica il tempo di annullamento della componente di magnetizzazione trasversale determinata dalla sincronizzazione di fase dei movimenti di precessione; anch'essa può essere rappresentata da una funzione esponenziale (curva di decremento esponenziale) (fig. 2).

*Il reticolo (o lattice) è il sistema di atomi e molecole in moto di cui fanno parte gli spin.

Fig. 1: Rilassamento T₁ (spin-reticolo) Fig. 2: Rilassamento T₂ (spin-spin)

Ponendo nel piano x-y una bobina ricevente, il moto del vettore M induce ai capi di questa una forza elettromotrice, che rappresenta il segnale RM. L'andamento di questo segnale, chiamato FID (free induction decay, segnale di decadimento della magnetizzazione trasversale), decade con una costante di tempo pari a T₂ e con intensità proporzionale alla grandezza della magnetizzazione trasversale.

Il segnale RM dipende dai parametri T₁, T₂, e dal numero totale di protoni provvisti di spin per unità di volume (densità protonica - DP): questi sono definiti parametri intrinseci (sono espressivi delle caratteristiche del tessuto). Il T₁ ed il T₂ sono i più importanti fattori che regolano il contrasto del segnale di RM ed il loro contributo può essere modulato; esistono diversi sistemi di invio degli impulsi di radiofrequenza e di ricezione del segnale (che vengono definite sequenze di impulsi) la cui scelta consente di ottenere immagini che risentono in modo differente dei vari parametri. L'operatore può modificare cioè i fattori estrinseci in modo da variare il peso dei parametri intrinseci nella costruzione dell'immagine. Mentre il valore di densità protonica nei diversi tessuti può variare entro limiti alquanto ristretti, il T₁ e T₂ possiedono un range di variabilità tissutale sensibilmente maggiore: è evidente il vantaggio di costruire immagini basate sui tempi di rilassamento dei tessuti qualora si vogliano stabilire condizioni di contrasto ideali.

I parametri (estrinseci ed operatore dipendenti) che influenzano il risultato dell'immagine sono i tempi Time to Repeat (TR: tempo di ripetizione dell’impulso, intervallo tra ogni invio) e Time of Echo (TE: intervallo tra l’inizio della sequenza e il campionamento del segnale).