La Risonanza Magnetica Nucleare (RMN) Massimo Caulo Dipartimento di Scienze Cliniche e Bioimmagini ITAB - Istituto Tecnologie Avanzate Biomediche

Risonanza: Magnetica: il campo magnetico è un campo di forze magnetiche che associa ad ogni punto dello spazio una forza in generale proporzionale alla corrente elettrica e inversamente proporzionale al quadrato della distanza del punto ove si vuole calcolare il campo. Nucleare: In fisica col termine nucleo generalmente si intende la parte centrale, densa, di un atomo, costituita da protoni (H+) che possiedono carica positiva e neutroni di carica nulla Fenomeno fisico che si verifica quando la frequenza di una sollecitazione esterna a un sistema è simile a quella propria del sistema stesso.

La Risonanza Magnetica Nucleare (RMN): è un principio fisico che permette di misurare la precessione dello spin di alcuni nuclei atomici sottoposti ad un campo magnetico. Scoperta indipendentemente nel 1946 dai fisici Felix Bloch ed Edward Purcell, per cui entrambi ricevettero il Premio Nobel per la fisica nel 1952, tra il 1950 e il 1970 venne utilizzata primariamente nell'analisi della chimica molecolare e della struttura dei materiali. Quello che normalmente viene chiamato RMN in medicina è in realtà il Magnetic Resonance Imaging o MRI, ossia la visualizzazione di immagini tramite RMN.

MRI Interazione tra onde radio e nuclei di H+ delle diverse strutture del corpo in presenza di un forte campo magnetico

Risonanza Magnetica

Proprietà del protone (e di altri nuclei atomici): spin (momento angolare) momento di dipolo magnetico (momento magnetico)

Protone in un campo magnetico Cosa succede quando il protone è immerso in un campo magnetico uniforme? Sappiamo che un momento magnetico si allinea lungo la direzione del campo (come l’ago di una bussola indica il nord geografico) A causa dello spin il comportamento è analogo a quello di una trottola nel campo gravitazionale

MAGNETIZZAZIONE MACROSCOPICA CAMPO MAGNETICO VETTORI DEI SINGOLI MOMENTI MAGNETICI MAGNETIZZAZIONE MACROSCOPICA CAMPO MAGNETICO

Moto di precessione Il protone mentre tende ad allinearsi lungo la direzione del campo magnetico applicato B0 è animato da un moto di precessione analogo a quello della trottola La frequenza angolare 0 del moto di precessione è proporzionale all’intensità del campo magnetico applicato B0 0 =  B0 In un campo magnetico di 1,5 T la frequenza di precessione dei protoni è di circa 64 MHz

IN CONDIZIONI DI EQUILIBRIO LA MAGNETIZZAZIONE MACROSCOPICA M E’ ALLINEATA CON IL CAMPO MAGNETICO (B0)

Se applichiamo Radiofrequenza al sistema alla stessa frequenza di precessione degli Spin, trasferiremo energia in grado di variare l’angolo formato tra il momento magnetico e il campo magnetico FENOMENO DELLA RISONANZA

SOLLECITANDO LA MAGNETIZZAZIONE MACROSCOPICA INIZIALE CON ONDE DI RF SI AVRA’ UNA COMPONENTE LONGITUDINALE LUNGO L’ASSE Z DIVERSA DA QUELLA DI EQUILIBRIO E ....

NASCERA’ UNA NUOVA COMPONENTE SUL PIANO XY

SEGNALE RM TOGLIENDO RF AL SISTEMA LA COMPONENTE DELLA MAGNETIZZAZIONE NEL PIANO XY GENERERA UN CAMPO ELETTROMAGNETICO INDOTTO NELLA BOBINA RICEVENTE CHE RAPPRESENTA IL SEGNALE RM (FREE INDUCTION DECAY o FID)

1° RF Il corpo viene esposto ad un fascio di onde radio di una determinata frequenza

2° STEP RF Un radioricevitore attende l’eco proveniente dal corpo a questa frequenza

Decadimento della magnetizzazione trasversale A causa delle disomogeneità del campo magnetico, la componente trasversale della magnetizzazione comincia a ridursi subito dopo la fine dell’impulso di eccitazione

Tempo di rilassamento T2 T2 è una durata caratteristica che ci da una misura del tempo necessario per la scomparsa della magnetizzazione trasversale

Ricostituzione della magnetizzazione longitudinale Successivamente gli spin cedono la loro energia, allineandosi nuovamente al campo magnetico B0, e si ricostituisce la magnetizzazione longitudinale

Tempo di rilassamento T1 T1 è una durata caratteristica che ci da una misura del tempo necessario per la ricostituzione della magnetizzazione longitudinale

I VALORI DEI TEMPI DI RILASSAMENTO DIPENDONO DALLA MOBILITA’ CHE HANNO I SINGOLI MOMENTI MAGNETICI NELLE STRUTTURE MOLECOLARI DAL MEZZO IN CUI LE MOLECOLE SONO IMMERSE

COMPONENTI DI UN SISTEMA RM magnete: genera un campo magnetico statico (B0) bobine (B1): formazione dei gradienti e ricezione- trasmissione delle onde RF amplificatore: formazione degli impulsi RF computer: elaborazione delle sequenze e ricostruzione delle immagini

SEGNALE RM L’AMPIEZZA E LA DURATA DEL SEGNALE RM (FID) SONO FUNZIONE DI DUE DIFFERENTI PROCESSI DI CESSIONE DELL’ENERGIA SOMMINISTRATA (RF), INDICATI COME TEMPI DI RILASSAMENTO T1 E T2 L’AMPIEZZA DEL SEGNALE RM DIPENDE ANCHE DALLA DENSITA’ DI PROTONI H+ PRESENTI NEL VOLUME ECCITATO (DENSITA’ PROTONICA o DP) I TEMPI DI RILASSAMENTO T1 E T2 SONO A LORO VOLTA DIPENDENTI DALLO STATO FISICO, SOLIDO O LIQUIDO, DEL TESSUTO ECCITATO

RISONANZA MAGNETICA NUCLEARE rachide cervicale

Il primo esperimento di “Brain imaging” E = mc2 ??? Angelo Mosso Italian physiologist (1846-1910) “[In Mosso’s experiments] the subject to be observed lay on a delicately balanced table which could tip downward either at the head or at the foot if the weight of either end were increased. The moment emotional or intellectual activity began in the subject, down went the balance at the head-end, in consequence of the redistribution of blood in his system.” -- William James, Principles of Psychology (1890)

Somatotopia di M1ed S1 Stimolazione tibiale sx Movimento piede sx

G.E. 64 y.o. Anaplastic astrocytoma

fMRI data acquisition with MR compatibles fiducials fMRI data analysis (Brain Voyager) to generate functional maps of the cortex coregistration of the fMRI maps and structural MRI anatomical data (MPRAGE) storing with DICOM format

Transferring data to a neuronavigation system