Prima parte del corso "Fisica della Apparecchiature a Risonanza Magnetica" tenuto presso l'Università A.Avogadro di Novara

1. Corso di Tecniche di Radiodiagnostica RM, TC e Ecografia
Fisica delle apparecchiature a Risonanza Magnetica
Luca Gastaldi
Fisico Medico, Esperto Responsabile Sicurezza RM
email: gastaldi.phd@gmail.com
blog: www.ilfisicomedico.it Novara, novembre - dicembre 2011

2. Non c‟è bisogno che prendiate appunti.
Se è importante ve lo ricorderete.
Steve Jobs (Inside Steve’s Brain, 2009)

3. Rx
Mano di Anna Berthe Roentgen
1895

4. TAC
- Fonte Toshiba
- Fonte Toshiba

5. RM

6. !!!!!..... RM

7. Come tutto è cominciato
Premio Nobel, 1952
1946
Felix Bloch (1905-1983)
1. Un nucleo si comporta come un magnete.

8. 2. Una particella carica, come un protone, che
ruoti intorno al proprio asse genera un
campo magnetico (“momento magnetico”)
EQUAZIONI di BLOCH

9. 1960
I primi spettrometri confermano le teorie di Bloch
Nel frattempo…
“Tessuti sani e malati hanno differenti parametri RM”
Costruisce la prima apparecchiatura superconduttiva
per imaging RM (“L‟Indomita”)
La prima scansione umana
richiede circa 5 ore
Raymond Damadian (medico armeno)

10. Sempre nel frattempo…
Paul Laterbur, professore di chimica alla State University
di New York, segue un percorso analogo
Nel 1973 pubblicherà sulla rivista Nature l‟articolo: Paul Lauterbur (1929- )
Formazione dell’immagine per interazione locale indotta; impiego della RM
Chi è arrivato prima…? Bho!

11. Picker
dal 1980
Ogni produttore di
apparecchiature di imaging
medicale ha cominciato a studiare Philips
e produrre scanner RM clinici
GE
Siemens

12. M agnetic
R esonance
I maging
Imaging a risonanza magnetica

13. Why MRI ?
Perché ?

14. RX vs. MRI
Con una radiografia NON si vede molto… tranne le ossa!
Contrasto limitato per tessuti molli (risoluzione a basso contrasto)
(mezzi di contrasto, variazione kV/mA, elaborazioni elettroniche)
Basso contenuto di informazione

15. RX vs. MRI
Con una risonanza magnetica…
Alta risoluzione a basso contrasto (tessuti molli)
Variabilità parametrica praticamente infinita
Ricostruzione su infiniti piani

16. Immagine RX
è una „fotografia‟ di una
nuvola di elettroni:
zone più o meno dense
impressionano
diversamente la pellicola
Immagine RM
visualizzazione, attraverso campi
magnetici, di una configurazione
spaziale di nuclei

17. Parliamo di Fisica
Guardiamoci intorno… cosa vediamo?
La TERRA

18. Cos‟è la Terra?
1. È una gigantesca palla sospesa nello spazio
2. È composta per circa il 70% di acqua
3. Ha una luna, che le gira intorno
4. Ruota su sé stessa
5. Ha una carica elettrica (ricordiamo Bloch…?)

19. La Terra ha quindi un campo magnetico
30 T 70 T
poli equatore
T = Tesla = 100 Gauss

20. E noi?
Cosa abbiamo
in comune?

21. 80% H2O 70% H2O

22. H2O
Idrogeno

23. L‟atomo di idrogeno
1. È formato da un nucleo (protone; +) e una
„luna‟ (elettrone; -)
2. Il nucleo (positivo) ruota su sé stesso
(spin), quindi è un piccolo magnete

24. Poniamo i nuclei in un campo magnetico
In assenza di campi magnetici
esterni, i piccoli magneti si
distribuiscono liberamente nello
spazio…
…ma, all‟interno di un campo magnetico, si
distinguono 2 differenti stati energetici, uno
stabile (allineato al campo esterno) ed uno
instabile (opposto al campo esterno)

25. PRECESSIONE
intorno all‟asse del campo
esterno
Equazione di Larmor
B0
: frequenza di Larmor (di precessione) [MHz]
: rapporto giromagnetico [MHz/Tesla] Joseph Larmor
B0 : intensità del campo magnetico esterno [Tesla] (1857-1942)

26. Questo spiega anche perché l‟idrogeno?
1. Si trova in grandi quantità nel corpo umano (già detto!)
2. Ha un elevato rapporto giromagnetico
Elemento Simbolo
Idrogeno 1H 42.6
Carbonio 13C 10.7
B0 Ossigeno
Fluoro
17O
19F
5.8
40.0
Sodio 23Na 11.3
Magnesio 25Mg 2.6
Fosforo 31P 17.2
Alta frequenza = Alta energia 33S
Zolfo 3.3
57Fe
Alta energia = Alto segnale Ferro 1.4

27. Esempi di relazioni campo-frequenza
Per Risonanze Magnetiche da 1.0 T…
…la frequenza di Larmor sarà (1.0 x 42.6) = 42.6 MHz
Per Risonanze Magnetiche da 0.5 T…
…la frequenza di Larmor sarà (0.5 x 42.6) = 21.3 MHz
Per Risonanze Magnetiche da 1.5 T…
…la frequenza di Larmor sarà (1.5 x 42.6) = 63.9 MHz

28. Riassumendo
Nuclei di idrogeno
+ B0
Campo magnetico esterno
Orientamento (2 stati)
+
Precessione

29. Magnetizzazione macroscopica
B

30. Come si arriva al segnale RM
1. Il campione (nuclei) è posto nel campo magnetico
Z
X
Y
Il vettore rosso rappresenta la magnetizzazione macroscopica

31. 2. Viene inviato un impulso RF alla frequenza di Larmor
Z
Impulso RF X
Flip angle = 90
Y
La magnetizzazione macroscopica ruota di un certo angolo (flip angle)
da 0 a 180 .

32. 3. L‟impulso RF viene interrotto
Z
X
Y
La magnetizzazione macroscopica si trova a 90 .
Il sistema ha accumulato energia dall’impulso RF

33. 4. Il sistema comincia a cedere energia
Z Z
X X
Y Y
La magnetizzazione macroscopica tende a tornare a 0 .
Si accompagna un movimento precessorio (Larmor).

35. 5. Il risultato è il segnale F.I.D.
Segnale FID
F.I.D. = Free Induction Decay

36. Parametri caratteristici: i tempi di rilassamento
3 riflessioni
1. Il segnale viene emesso mentre il sistema si „rilassa‟, ossia
rilascia l‟energia accumulata con l‟impulso RF
2. Il segnale dipenderà da 2 fattori:
i. Il comportamento del nucleo emettitore (micro)
ii. Cosa sta intorno al nucleo stesso (macro)
3. I tempi T1 e T2 caratterizzeranno il rilassamento
T1 T2

37. T1
Tempo di rilassamento longitudinale o spin-reticolo
Tempo impiegato dal sistema, esposto ad impulso a 90°, per cambiare il
valore della componente longitudinale (Z) della magnetizzazione di un
fattore e.
Descrive il comportamento macroscopico del sistema

38. T1
La curva di rilassamento
Z
X
M0
Y
t T1
Mz M0 1 e

39. T1
Note
1. Dipende dall‟intensità del campo magnetico
2. È relativo al sistema, non al singolo nucleo (macro)
3. La velocità di rilassamento del nucleo H+ dell‟acqua è
esaltata dalla presenza di sostanze paramagnetiche come
Mn2+, Cu2+, Fe2+, Fe3+, Gd3+, ecc. (mezzi di contrasto)

40. T2
Tempo di rilassamento trasversale o spin-spin
Tempo impiegato dal sistema, esposto ad un impulso a 90°, per ritornare
ad un valore della componente trasversale (XY) della magnetizzazione
pari a 1/e del valore iniziale.
Descrive il comportamento microscopico del sistema

41. T2
La curva di rilassamento
Z
X
M0
Y
t T2
M xy M xy0 e

42. T2
Note
1. Il defasamento degli spin (T2) è normalmente più veloce del
recupero della magnetizzazione lungo la direzione Z (T1).
2. T2 è molto sensibile alle disomogeneità del campo, quindi:
i. Sensibili variazioni locali di T2 con campi non uniformi
ii. T2* corregge per le disomogeneità (T2*<T2).

43. T2
Quindi
Disomogeneità
Variazioni di T2
di campo
Per minimizzare gli effetti delle disomogeneità di campo
si impiegano opportune sequenze quali la Spin Echo.

44. Riassunto minimo

45. Spin Echo : analisi di una sequenza
Prologo : sequenze?
 Le sequenze sono una successione di impulsi RF
Sono progettate per la valutazione dei tempi di rilassamento.
Sono anche progettate per esaltare alcune caratteristiche o per
particolari scopi, come nel caso della sequenza Spin Echo

46. Spin Echo : analisi di una sequenza
La serie di impulsi a 180 generano un succedersi di echo.

47. Spin Echo : analisi di una sequenza
Si rimuove l‟influenza delle disomogeneità di campo e si valuta
T2 anziché T2*

48. L‟espressione del segnale nella SE
TR T1 TE T2
S k 1 e e
k = fattore di proporzionalità
= densità protonica
TE = tempo di echo (tempo tra 2 echo successivi)
TR = tempo di ripetizione (tempo tra 2 impulsi a 90° successivi)
Agendo su TE e TR si può esaltare la componente in T1, in T2 o in densità
protonica ( )

49. Localizzazione del segnale: codifica spaziale
Problema
Da dove proviene il segnale che registro?

50. Localizzazione del segnale: codifica spaziale
Campo magnetico di gradiente
B0

51. Codifica spaziale
Per discriminarne la posizione si aggiungono dei gradienti magnetici al campo
principale, variando così linearmente la frequenza di Larmor
Campo magnetico uniforme
Non c‟è modo di discriminare la posizione
Si introduce il gradiente, che va a sommarsi al campo
magnetico statico
Ogni punto è caratterizzato da un diverso valore
di campo (statico + gradiente); si hanno quindi
diversi valori di frequenza di Larmor

52. Procedimento di imaging
1. Selezione dello strato
Gradiente + impulso RF permettono la selezione dello strato.
Intensità di gradiente diverse producono spessori di strati differenti.
Intensità di
gradiente
Intensità di
gradiente
Spessore strato

53. Procedimento di imaging
2. Codifiche in frequenza e in fase
Codifica in frequenza + codifica in fase permettono la localizzazione del
punto all‟interno dello strato.
Codifica in frequenza Codifica in fase

54. Procedimento di imaging
3. Trasformata di Fourier
Trasformazione matematica che lega il segnale in tempo a quello in frequenza
+ + =
1 2 3
3 2 1
F.T.
Freq.

55. Procedimento di imaging
Si ha il passaggio dal cosiddetto spazio K all‟immagine vera e propria
k-space Image space
ky y
IFT
kx x
FT
Acquired Data Final Image

56. Procedimento di imaging
Eccone una visualizzazione…
K Image
IFT
FT
Ecco finalmente l‟immagine!

57. 1. Dove sono localizzate le bobine che generano i campi magnetici?
Q&A

58. 1. Dove sono localizzate le bobine che generano i campi magnetici?
Q&A

59. 1. Dove sono localizzate le bobine che generano i campi magnetici?
Q&A
Campo statico
Gradiente
Impulsi RF

60. 2. Quali sono le varie tipologie di magnete?
Q&A
PERMANENTI Vantaggi
• Non richiedono alimentazione
• Campo di dispersione limitato
• Nessun raffreddamento
B0 • Limitati costi di gestione
Svantaggi
• Peso elevato
• Sensibili a variazioni termiche
0.2 - 0.3 Tesla • Limitata intensità di campo

61. 2. Quali sono le varie tipologie di magnete?
Q&A
RESISTIVI Vantaggi
• Non richiedono criogeni
• Sono disattivabili
Svantaggi
• Elevato consumo di energia
• Raffreddamento ad acqua
• Elevati costi di gestione
Fino a 0.6 - 0.7 Tesla

62. 2. Quali sono le varie tipologie di magnete?
Q&A
SUPERCONDUTTIVI Vantaggi
• Elevata intensità si campo
• Elevata omogeneità di campo
• Ridotto consumo di energia
Svantaggi
• Necessità di criogeni
• Elevati costi di acquisto
Fino a 9 - 10 Tesla

63. 3. Pro e contro dei principali tipi di sequenza?
Q&A
SEQUENZA VANTAGGI SVANTAGGI
Spin Echo Alto segnale Alto rilascio di energia RF
Compensazione effetti T2* Lunghi tempi di scansione
“Vere” immagini in T1 e T2 Artefatti di movimento
Gradient Echo Basso rilascio di energia RF Basso segnale
Brevi tempi di scansione Artefatti T2* correlati
Possibilità di scan dinamici Artefatti di movimanto
Inversion Recovery Alto segnale Alto rilascio di energia RF
“Vere” immagini in T1 Lunghissimi tempi di scansione
Alto contrasto T1 Numero limitato di slices
Soppressione del grasso Artefatti di movimento

64. Grazie per l’attenzione