TECNICHE AVANZATE DI IMAGING NMR- IMAGING (3° parte) “Tecniche chimico-fisiche in ambito sanitario” Dott.ssa Isabella Nicotera TECNICHE AVANZATE DI IMAGING

Imaging Volumetrico (3-D Imaging) L'imaging volumetrico è l'acquisizione dei dati di risonanza magnetica da un volume piuttosto che da una fetta, volume che e' possibile immaginare come un insieme di molte fette contigue di una regione dell'oggetto esaminato. Il numero di fette contigue sarà sempre un multiplo di 2. Single Slice                     Contiguous Slices

C’è un impulso RF di selezione del volume Imaging Volumetrico (3-D Imaging) C’è un impulso RF di selezione del volume e un gradiente che ruota i soli spin del volume dell’oggetto da esaminare. Questa combinazione di impulsi è del tutto simile a quella per la selezione di una fetta tranne che per lo spessore della fetta che può essere di 10 o 20 cm.

Imaging Volumetrico (3-D Imaging) Gli impulsi per la selezione del volume sono seguiti da un gradiente di codifica della fase nella dimensione 1 e da un altro nella dimensione 2. Ognuno di questi varia da un valore minimo ad uno massimo con incrementi di uguale misura, proprio come tutti i gradienti di codifica di fase. I due impulsi di gradiente vengono applicati nello stesso istante e sono ripetuti per tutte le possibili combinazioni (cioè per ogni valore di GФ nella dimensione 2 si registrano tutti i passi nella dimensione 1).

Imaging Volumetrico (3-D Imaging) Il gradiente di codifica in frequenza ha il suo lobo di defasamento negativo tale da mettere in fase gli spin al centro della finestra di acquisizione. Applicato il gradiente di codifica in frequenza (positivo), viene registrato un segnale, proprio come visto nelle sequenze precedenti di gradient echo. Il tempo di imaging e' uguale al prodotto di TR volte il numero di incrementi della codifica di fase nella dimensione 1 per il numero di incrementi nella dimensione 2. A causa di questi tempi molto lunghi che per l'imaging volumetrico viene tipicamente utilizzata una sequenza gradient echo.

Imaging Fast Spin-Echo Questa sequenza utilizza la possibilità di ottenere un elevato numero di echi contemporaneamente. E’ una sequenza spin-echo a multiplo echo in cui diverse porzioni dello spazio-k sono registrate da differenti spin-echo. La sequenza è costituita da un primo impulso di 90 seguito da un prescelto numero di impulsi di 180° tra loro ritardati di . Il ritardo del primo impulso di 180° rispetto all’impulso di 90° è /2. In questo modo gli echi risulteranno tra loro distanziati di . Scelto un gruppo di echi, si può applicare un gradiente di codifica di fase diverso per ciascun eco del gruppo e, quindi, avere in una sola eccitazione più linee contemporaneamente.

Imaging Fast Spin-Echo Ad esempio, si voglia utilizzare una sequenza spin echo a 4 echi con un TE di 15 ms. Lo spazio-k verrà diviso in 4 sezioni. Il primo echo è' utilizzato per riempire la parte centrale dello spazio-k, linee 96-160. Il secondo echo è' utilizzato per le linee 64-96 e 160-192. Il terzo echo riempie le linee 32-64 e 192-224. L'ultimo echo riempie le linee 1-32 e 224-256 dello spazio-k. Il beneficio della tecnica sta nel fatto che un'immagine completa, come mostrato nell'esempio, può essere registrata in un quarto del tempo.

ECHO PLANAR IMAGING (EPI) La sequenza EPI è un procedimento di acquisizione delle immagini molto veloce; permette di acquisire contemporaneamente tutte le linee in una sola eccitazione (shot), cioè è in grado di produrre immagini tomografiche a frequenza video. Nell‘MRI, lo spazio-k equivale allo spazio definito dalle direzioni della codifica di frequenza e di fase. Le sequenze convenzionali registrano una linea dello spazio-k ad ogni passo della codifica di fase. Poiché si ha un passo della codifica di fase ogni TR secondi, il tempo richiesto per la produzione dell'immagine è dato dal prodotto di TR per il numero di passi della codifica di fase. L'imaging echo planare registra tutte le linee dello spazio-k in un singolo TR. Diagramma temporale

ECHO PLANAR IMAGING (EPI) C'è un impulso RF a 90o di selezione di una fetta che viene applicato insieme ad un gradiente di selezione della fetta. Vi sono un impulso di gradiente di codifica di fase iniziale e un impulso di gradiente di codifica di frequenza iniziale per posizionare gli spin nell'angolo dello spazio-k. Segue un impulso a 180°. Le direzioni della codifica di fase e di frequenza sono alternate cosi' da scandire l'intero spazio-k. Cio' equivale a mettere 128 o 256 gradienti di codifica di fase e frequenza nel consueto periodo di registrazione dell'echo.

ECHO PLANAR IMAGING (EPI) Se zoomiamo in questa regione del diagramma temporale, apparirà più chiaro: c'e' un gradiente di codifica di fase, seguito da un gradiente di codifica di frequenza, durante il quale viene registrato un segnale. Poi c'e' un altro gradiente di codifica di fase seguito dal gradiente di codifica di frequenza di polarità inversa per la formazione del segnale di eco (Gradient echo) durante il quale viene registrato un segnale.

ECHO PLANAR IMAGING (EPI) Guardando la traiettoria dello spazio-k nello stesso momento in cui zoomiamo nell'area del gradiente di codifica di fase e frequenza, possiamo vedere come i gradienti tracciano lo spazio-k. La velocita' con la quale lo spazio-k viene attraversato e' cosi' rapida che e' possibile, a seconda della dimensione della matrice di acquisizione, ottenere da 15 a 30 immagini al secondo. Questa e' l'acquisizione a frequenza video.

ECHO PLANAR IMAGING (EPI)

ECHO PLANAR IMAGING (EPI) Quando l'imaging echo planare venne sviluppato, si pensò che avrebbe avuto un grande impatto nel produrre immagini di risonanza magnetica in tempo reale. La sua più grande applicazione apparve essere nell'area dell'MRI funzionale del cervello. L'imaging funzionale permette di visualizzare quali zone del cervello stanno “lavorando” durante lo svolgimento di un determinato compito. Durante l'attività cerebrale c'è un rapido momentaneo incremento di flusso sanguigno in specifici centri del cervello deputati al pensiero. L'incremento di circolazione sta a significare che c'è un incremento di ossigeno che, in quanto paramagnetico, ha effetto sul T1 e sul T2 dei tessuti locali del cervello; la differenza in T1 e T2 rispetto ai tessuti circostanti determina un contrasto tra i tessuti.

ECHO PLANAR IMAGING (EPI)

Imaging Chemical Shift (Soppressione del grasso) L'imaging chemical shift e' la produzione di un'immagine con una sola componente di chemical shift in un dato campione. Ad esempio, se l'oggetto da esaminare e' composto da idrogeni dell'acqua e del grasso, ognuno con un diverso chemical shift, un'immagine chemical shift sarebbe un'immagine sia dell'acqua che del grasso dell'oggetto. Dal momento che la maggior parte dell'imaging chemical shift routinario e' fatto per sopprimere il segnale proveniente dal grasso, la tecnica viene spesso definita come imaging a soppressione del grasso. Ci sono molti metodi per eseguire l'imaging chemical shift, due dei quali, il metodo inversion recovery ed il metodo "di saturazione“.

Imaging Chemical Shift (Soppressione del grasso) Inversion recovery Nel metodo inversion recovery viene utilizzata una sequenza di imaging inversion recovery con un tempo TI pari a T1ln2, essendo T1 il tempo di rilassamento spin-reticolo della componente che si desidera sopprimere (per la soppressione del grasso questa componente e' il grasso, per l'acqua la componente e' l'acqua). Questa tecnica e' applicabile solo quando i valori dei T1 delle due componenti sono diversi.

Imaging Chemical Shift (Soppressione del grasso) Inversion recovery l’ impulso di preparazione di 180° predispone la magnetizzazione al valore -Mz per il successivo impulso di eccitazione di 90° Il ritardo TI tra il preimpulso e quello di eccitazione, caratterizza il segnale rilevato e, quindi, l’immagine

Imaging Chemical Shift (Soppressione del grasso) Inversion recovery

Imaging Chemical Shift (Soppressione del grasso) saturazione Nel metodo "di saturazione" viene applicato un impulso di saturazione selettivo di una frequenza prima di far partire gli impulsi di una sequenza standard, ad esempio una sequenza spin-echo. L'impulso di saturazione azzera la magnetizzazione della componente che desideriamo sopprimere. Quando parte la sequenza di imaging standard non vi e' alcun segnale proveniente dalla componente soppressa.

Imaging Chemical Shift (Soppressione del grasso) L'impulso di saturazione consiste in un impulso selettivo di una frequenza che causa l'azzeramento della magnetizzazione Z per uno specifico chemical shift. Nel caso di una sequenza di saturazione per il grasso, questo composto chemical shift è il grasso. Nell'esempio questo impulso di saturazione e' seguito da una sequenza spin-echo. Questo impulso e' seguito da un gradiente di defasamento per forzare a zero la magnetizzazione trasversa di questa componente del chemical shift.

Imaging dei flussi L’imaging dei flussi (Angiografia MR) è l’imaging del sangue che fluisce nelle arterie e nelle vene del corpo. In passato l’angiografia era eseguita solo introducendo un contrasto radiopaco nel corpo e facendo una radiografia. Questa procedura generava una mappa dei vasi sanguigni del corpo. Non veniva però generata un’immagine nella quale si distinguesse un flusso “stazionario” da quello “in movimento”. Era dunque una tecnica poco adeguata per l’imaging dei problemi circolatori. L’angiografia a risonanza magnetica (MRA) invece produce immagini di flussi sanguigni in movimento. L’intensità in queste immagini è proporzionale alla velocità del flusso. Ci sono 3 principali tipi di MRA: time-of-flight angiografia phase contrast angiografia contrast enhanced

Angiografia Time-of-Flight L’angiografia time-of-flight può essere eseguita in diversi modi. Un metodo utilizza una sequenza spin-echo in cui gli impulsi a 90° e 180° di selezione della fetta hanno frequenze diverse. L’impulso a 90° eccita gli spin in un piano; l’impulso a 180° eccita gli spin di un altro piano. In assenza di flusso, non c’è segnale perché nessuno spin subisce entrambi gli impulsi di 90° e 180°. Quando il sangue subisce l’impulso a 90° e non quello a 180°, non viene osservato alcun echo.

Angiografia Time-of-Flight In presenza di flusso e di un corretto TE, il sangue proveniente dal piano di 90° fluisce in quello di 180° e produce un’echo. Se la localizzazione della fetta dell'impulso a 180o viene fatta combaciare con la posizione del sangue che ha subito l'impulso a 90o, soltanto quel sangue contribuira' al segnale di echo.

Angiografia Phase Contrast L’angiografia phase contrast è un po’ più complicata. Il primo nuovo concetto da capire è quello di un impulso bipolare di gradiente di campo magnetico (GBP). Un impulso di gradiente bipolare è quello in cui il gradiente viene acceso in una direzione per un periodo di tempo e poi acceso nella direzione opposta per un tempo equivalente. Un impulso di gradiente bipolare positivo ha prima il lobo positivo e un impulso di gradiente bipolare negativo ha prima il lobo negativo L’area sotto il primo lobo dell’impulso di gradiente deve eguagliare quella del secondo

Angiografia Phase Contrast Un impulso di gradiente bipolare non ha un effetto risultante sugli spin stazionari, mentre avrà effetto su quegli spin che hanno una componente della velocità nella direzione del gradiente. Per esempio, uno spin stazionario esposto al primo lobo dell’impulso di gradiente bipolare acquisterà una fase in radianti data da: e relativamente al secondo lobo: Se vengono eseguite due sequenze di imaging in cui la prima ha un impulso di gradiente bipolare positivo e la seconda un impulso di gradiente bipolare negativo, e i dati grezzi delle due sequenze sottratti, i segnali provenienti dagli spin stazionari saranno cancellati mentre quelli relativi a spin in movimento (flusso) addizionati.

Angiografia Phase Contrast L’effetto risultante sarà un’immagine degli spin in movimento. La direzione del gradiente bipolare produce segnale proveniente solo da quegli spin con una componente lungo quella direzione.

Angiografia Phase Contrast Qui ci sono 2 esempi di immagini MRA. La prima è la proiezione coronale del flusso della testa. La seconda è una proiezione assiale del cervello.

Angiografia Contrast Enhanced L’angiografia contrast enhanced si basa sulla differenza del tempo di rilassamento T1 del sangue e del tessuto circostante quando viene iniettato nel sangue un mezzo di contrasto paramagnetico. Questo contrasto riduce i tempi di rilassamento T1 dei fluidi nei vasi sanguigni rispetto ai tessuti circostanti. Quando vengono raccolti i dati con un valore di TR breve, il segnale proveniente dai tessuti circostanti i vasi sanguigni è molto piccolo a causa del suo lungo T1 e breve TR. Le immagini provenienti dalla regione di interesse vengono registrate con sequenze di imaging volumetrico veloci. L’alta qualità delle immagini dell’angiografia MR contrast enhanced ha reso la MRI la tecnica di scelta per l’angiografia.

QUANTE e QUALI SEQUENZE ANCORA ? NUMEROSE ALTRE SEQUENZE SONO DISPONIBILI PER PARTICOLARI FINI DI IMAGING TUTTE BASATE SUGLI SCHEMI CONCETTUALI FONDAMENTALI ILLUSTRATI I NOMI (ACRONIMI) DI QUESTE SEQUENZE NON SONO UNIFICATI LA STESSA SEQUENZA PUO’ TROVARSI DENOMINATA DIVERSAMENTE DALLE VARIE CASE COSTRUTTRICI DI TOMOGRAFI RM

Basi di MNR: vari testi tra cui Barrow, Corey, Harris….etc. Bibliografia Basi di MNR: vari testi tra cui Barrow, Corey, Harris….etc. NMR-Imaging : 1) “NMR Imaging of Materials” Bernhrad Blumich, Ed. Oxford Science Pubblications 2) http://www.cis.rit.edu/htbooks/mri/contents-i.htm 3) Lezioni in ppt