NMR- IMAGING Nucleare Altisonante Misterioso Inquietante (1° parte) Corso “Techine chimico-fisiche in ambito sanitario” Dott.ssa I. Nicotera NMR- IMAGING (1° parte) Altisonante Misterioso Inquietante Nucleare

Cronologia NMR 1945 Prima osservazione di un segnale NMR Bloch e coll. Stanford Un. (1H in H2O) Purcell e coll. Harvard Un. (1H in paraffina) (nobel 1952) 1950 Scoperta del Chemical Shift 1961 Primo spettrometro commerciale CW 1970 Primo spettrometro commerciale FT 1976 Primi esperimenti 2D ( Ernst 1991 Nobel) 1980 Spettrometri NMR di II generazione

Risonanza magnetica imaging (MRI) la MRI e' una modalità di imaging usata principalmente per costruire immagini a partire dal segnale NMR proveniente dagli atomi di idrogeno presenti nell'oggetto esaminato. Nell'MRI medica, i radiologi sono per lo più interessati al segnale NMR proveniente da acqua e grasso, essendo questi i componenti del corpo umano che contengono le maggiori quantità di idrogeno. L’ energia coinvolta nelle transizioni NMR è minima rispetto alle energie coinvolte nelle emissioni di raggi X e gamma (1-100 Kev). In un campo magnetico di 1 Tesla, il dislivello di energia tra i protoni paralleli e antiparalleli è = 1.759 x 10-7 eV

 B0 Frequenze degli spettrometri NMR usati per alta risoluzione 200 MHz 4.7 T 300 MHz 7 T 400 MHz 9.4 T 500 MHz 11.7 T 600 MHz 14 T 900 MHZ 21 T 1 T ≈ 43 MHz In MRI medica normalmente si utilizzano spettrometri da 1-2 T

La Risonanza Magnetica Nucleare è emersa come un nuovo strumento non distruttivo e non invasivo per lo studio del metabolismo e della struttura anatomica di sistemi biologici intatti.

MRS in vivo e MRI (imaging) Sono due tecniche molto conosciute per il loro utilizzo in campo biomedico ma in realtà possono essere usate in moltissimi campi scientifici. I principi fisici fondamentali sono gli stessi dell’NMR in alta risoluzione ma le tecniche, la strumentazione e i dati ottenuti da questi esperimenti sono molto differenti. La prima differenza è la scomparsa del termine NUCLEARE dal nome delle tecniche!!!!! Le differenze fondamentali derivano dalle diversità dei “campioni” da analizzare: - omogenei in NMR alta risoluzione - assolutamente eterogenei in MRI

MRS in vivo Tra le tecnologie emergenti della Medicina di laboratorio, la spettroscopia di risonanza magnetica in vivo (MRS) è particolarmente innovativa perché consente di esplorare direttamente sul paziente e in modo non invasivo la concentrazione intracellulare di alcuni intermedi metabolici e la funzionalità di diverse vie metaboliche. Invece di ottenere immagini dettagliate di tessuti con la MRS possiamo ottenere gli spettri di composti biochimici presenti all’interno di questi tessuti!

Si valuta la funzionalità di: Con la spettroscopia RM del fosforo (31P-MRS): ATP fosfato inorganico (Pi) fosfocreatina (PCr) intermedi metabolici fosforilati (PME e PDE) concentrazione di Mg2+ pH intracellulare Si valuta la funzionalità di: fosforilazione ossidativa, glicogenolisi, glicolisi ….. Con la spettroscopia RM del protone (1H-MRS): n-acetilaspartato (NAA) colina (Cho) creatina + fosfocreatina (Cr) glutammato e glutammina (Glx) mio-inositolo (m-I) e acido lattico (LA) Si valuta la funzionalità di: sistema glutamminergico, metabolismo energetico, la osmoregolazione del SNC …….

In vivo 31P NMR di Corynebacterium glutamicum

MRI il segnale NMR I principali parametri che influenzano il segnale NMR sono: densità dei nuclei tempi di rilassamento T1 e T2 diffusione dei nuclei “chemical shift” presenza di materiali che modificano il campo magnetico locale Le immagini MR di routine sono ottenute in modo da rappresentare prevalentemente: T1, T2 e D utilizzando sequenze di impulsi opportune

…ma!!!….come si ottengono queste immagini? Vista della sezione orizzontale e verticale di un tubo NMR riempito di acqua e con una barretta di plastica al centro XY YZ …ma!!!….come si ottengono queste immagini?

(…in realtà l'intera testa genererebbe un segnale NMR) Per esempio, assumete che una testa umana contenga solo tre piccole regioni distinte in cui c'e' densità di spin di idrogeno. (…in realtà l'intera testa genererebbe un segnale NMR) Quando queste regioni di spin subiscono la stessa forza del campo magnetico, nello spettro NMR ritroviamo un solo picco. Questo solo picco non dà alcuna informazione sulla posizione delle tre regioni

Gradienti di campo magnetico Un gradiente di campo magnetico e' quello che ci permetterà di differenziare le loro posizioni. Un gradiente di campo magnetico e' una variazione del campo rispetto ad una direzione: un gradiente di campo magnetico mono-direzionale lungo l'asse x in un campo magnetico Bo indica che il campo magnetico va aumentando lungo la direzione x. La lunghezza dei vettori rappresenta l'intensità del campo magnetico. I simboli per un gradiente di campo magnetico nelle direzioni x, y, z sono rispettivamente Gx, Gy e Gz

FT (from t to (x) domain) Gradients (x) : numero di nuclei localizzati a x dal centro del gradiente x: posizione degli spin FT (from t to (x) domain)

(codifica di frequenza) Frequency Encoding (codifica di frequenza) sample 3 water tubes no gradient

(codifica di frequenza) Frequency Encoding (codifica di frequenza) sample 3 water tubes gradient on quad detection

Questo principio e' alla base di tutta l'MRI La codifica di frequenza fa sì che la frequenza di risonanza sia proporzionale alla posizione dello spin. n = g ( Bo + x Gx ) = no + g x Gx x = ( n - no ) / ( g Gx ) Questo principio e' alla base di tutta l'MRI Se un gradiente di campo magnetico lineare viene applicato alla nostra ipotetica testa con sole tre regioni contenenti spin, le tre regioni subiranno campi magnetici diversi. Il risultato e' uno spettro NMR con piu' di un segnale. L'ampiezza del segnale e' proporzionale al numero degli spin in un piano perpendicolare al gradiente.

Imaging tomografico con retroproiezione Fu una delle prime tecniche di MRI E' una estensione della procedura di codifica in frequenza: viene applicato un gradiente di campo monodimensionale a varie angolazioni e per ciascuno di questi viene registrato lo spettro NMR. Una volta registrati tutti i dati nella memoria del computer, questi possono essere retroproiettati nello spazio…e l’immagine risulta visibile. L'attuale schema di retroproiezione e' chiamato trasformata inversa di Radon

In una sequenza di imaging convenzionale 90-FID la procedura di retroproiezione può essere applicata con l'aiuto della seguente sequenza di impulsi: La variazione dell'angolo  del gradiente e' realizzata mediante l'applicazione di combinazioni lineari di due gradienti. Vengono applicati dei gradienti lungo Y e X nelle seguenti proporzioni per ottenere il gradiente Gf di codifica in frequenza richiesto Gy = GF sen  Gx = GF cos  Affinché la tecnica di retroproiezione sia una tecnica di imaging tomografico attuabile, dobbiamo avere l'abilita' di selezionare gli spin in un sottile strato (fetta). Il gradiente Gz serve a questo scopo. Quindi, come viene effettuata la selezione di una fetta?

SLICE SELECTION La selezione della fetta, o slice, in MRI è la selezione degli spin in un piano del campione (piano di immagine). Il principio alla base della selezione della fetta è spiegato dall’equazione di risonanza che tiene conto delle variazioni di campo in funzione della posizione. La selezione è realizzata applicando un gradiente di campo magnetico lineare mono-direzionale durante il periodo in cui è applicato l’impulso a radiofrequenza. L’impulso a 90 , applicato contemporaneamente con un gradiente di campo magnetico, ruoterà gli spin che sono localizzati in una fetta del campione. La figura mostra schematicamente la procedura di slide selection, dove in un cubo, formato da piccoli vettori che danno origine ad una magnetizzazione netta, solo una parte degli spin sono eccitati (slide selection).

SLICE SELECTION B(z) = Gs z + B0 (z) =  Gs z +  B0 =  Gs z + 0 Il gradiente di selezione della fetta è diretto lungo lo stesso asse z. Gli impulsi RF faranno ruotare solamente quei pacchetti di spin nel cubo che soddisfano la condizione di risonanza. Questi pacchetti di spin sono localizzati, in questo esempio, in un piano xy. La localizzazione del piano lungo l'asse z rispetto all'isocentro è data da: B(z) = Gs z + B0 (z) =  Gs z +  B0 =  Gs z + 0 z =  /  Gs Dove n e' la differenza di frequenza rispetto a no ( i.e. n - no ), Gs è l'intensità del gradiente di selezione della fetta e g il rapporto giromagnetico

slice selection: impulso a 90° Per capire tale procedura si deve esaminare il contenuto in frequenza di un impulso a 90°. Infatti, dal teorema di convoluzione deriva che un impulso a 90° contiene un certo intervallo di frequenze e inoltre, il contenuto in frequenza dell’impulso può avere diverse forme. L'applicazione di un impulso a 90° di forma quadrata, con un gradiente di campo magnetico nella direzione x, ruoterà di 90° spin in un piano perpendicolare all'asse x. Tuttavia, questa forma dell’impulso ha lo svantaggio di non riuscire a ruotare tutti gli spin selezionati, in altre parole non riesce a definire perfettamente i contorni della slice.

slice selection: impulso sinc Una soluzione alla scarsa definizione del profilo della fetta è modellare l'impulso a 90° con la forma di un impulso sinc. Un impulso sinc ha una distribuzione di frequenza ad onda quadra.

Vengono invece usate le tecniche basate sulla trasformata di Fourier. …quindi… un'immagine tomografica di retroproiezione può essere ottenuta con l'applicazione dei seguenti impulsi: un impulso a 90°, modellato come impulso sinc, e' applicato in congiunzione con un gradiente di selezione della fetta un gradiente di codifica in frequenza viene applicato una volta che il gradiente di selezione della fetta viene spento. Il gradiente di codifica in frequenza e' composto, in questo esempio, da una coppia di gradienti Gx e Gy. I FID sono trasformati secondo Fourier per produrre lo spettro nel dominio delle frequenze, che viene poi retroproiettato per produrre l'immagine. La tecnica di retroproiezione e' altamente istruttiva ma non viene di fatto mai utilizzata al giorno d'oggi. Vengono invece usate le tecniche basate sulla trasformata di Fourier.