1.principi fisici

3,873 views
3,570 views

Published on

Corso per esposti in Risonanza Magnetica (2-4) - Domodossola, dicembre 2008

Published in: Health & Medicine
0 Comments
3 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

No Downloads
Views
Total views
3,873
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
435
Actions
Shares
0
Downloads
90
Comments
0
Likes
3
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

1.principi fisici

  1. 1. Risonanza Magnetica Nucleare Principi fisici e apparecchiatureDomodossola, 4 dicembre 2008 Luca Gastaldi – Fisico Medico
  2. 2. La storia in 2 passi… (1°) Si comincia a parlare di RMN nel 1946 quando 2 scienziati americani Felix Bloch (1905-1983) & Edward Purcell (1912-1997)ne scoprono il principio di base :Alcuni nuclei del sistema periodico hanno la caratteristica, se posti in un campomagnetico, di assorbire un’energia attraverso una radiofrequenza e di riemetterladurante il passaggio al loro orientamento originario.Bloch e Purcell otterranno il Nobel per la Fisica nel 1952.
  3. 3. La storia in 2 passi… (2°) Nel 1973 la rivista Nature pubblica un lavoro di un professore di chimica alla State University di New York Paul Lauterbur (1929- )dal titolo :Formazione dell’immagine per interazione locale indotta; impiego della RM.Lauterbur introduce il campo magnetico di gradiente (che si aggiunge al campoprincipale) e pone le basi per la localizzazione spaziale del segnale ossia perl’imaging a Risonanza Magnetica.
  4. 4. RMN = Risonanza Magnetica Nucleare Nucleare …perché sono i nuclei degli atomi a reagire Magnetica …perché ha luogo in un campo magnetico Risonanza …perché i trasferimenti di energia ai nuclei avvengono in condizioni di ‘risonanza’ (stessa frequenza)
  5. 5. DefinizioneLa RMN studia, mediante l’impiego di radiofrequenze, le proprietà magnetiche deinuclei per produrre immagini del corpo umano in grado di fornire informazionimorfologiche e funzionali
  6. 6. Immagini Rx e immagini RM Un’immagine Rx è una‘fotografia’ di una nuvola di elettroni: zone più o meno dense impressionanodiversamente la pellicola Un’immagine RM è la visualizzazione, attraverso campi magnetici, di una configurazione spaziale dei nuclei
  7. 7. Lo Spin (1)Dal punto di vista della meccanica quantistica, lo Spin è una quantità che individuaun particolare stato di un nucleo e può essere intero, negli atomi con numero dimassa pari (bosoni), o semi-intero, nei nuclei con numero di massadispari, (fermioni). Questi ultimi possono fornire segnale RM. In particolare, per applicazioni mediche, viene sfruttato lo Spin dei nuclei di idrogeno presenti in grandissima quantità negli organismi viventi.
  8. 8. Lo Spin (2)Dal punto di vista della meccanica classica, lo Spin può essere visualizzatoimmaginando il nucleo di idrogeno (protone) come una trottola che ruota intorno alproprio asse.Essendo una particella carica, il protone che ruota genera un campo magnetico chelo trasforma in un piccolo magnete.
  9. 9. Il campo magnetico esterno 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)
  10. 10. La distribuzione di BoltzmannIl rapporto tra il numero di nuclei presenti nei 2 stati è dato dalla statistica diBoltzmann: Nsup E exp Ninf kT E B
  11. 11. Il segnale di risonanza magneticaIl principio di formazione del segnale RM è semplice:1. Fornisco al sistema l’energia necessaria al salto E (Impulso RF)2. Nel ritorno al livello inferiore il sistema emette energia attraverso il segnale RM Se riesco a valutare le differenze tra RF assorbita e segnale RM riemesso ho trovato un modo per ‘guardare’ nel nucleo
  12. 12. L’equazione di Larmor Dal punto di vista classico, il nucleo immerso in un campo magnetico B esterno assume un moto di precessione intorno all’asse del campo. Questo moto è regolato dall’equazione di Larmor: B0 : frequenza di Larmor (di precessione) [MHz] : rapporto giromagnetico [MHz/Tesla] B0 : intensità del campo magnetico esterno [Tesla] Si avranno 2 coni di precessione, in direzioni opposte, relativi ai due stati energetici generatisi in presenza del Joseph Larmor campo esterno B0 (1857-1942)
  13. 13. Piccoli magnetiI nuclei ruotanti generano a loro volta campi magnetici e possono essere visticome piccoli magneti immersi nel campo B0. Le polarità possono essere concordio opposte al campo esterno. Dal punto di vista macroscopico avremo un insieme di nuclei che variano continuamente la propria energia, passando da uno stato energetico all’altro.
  14. 14. MagnetizzazioneLa somma vettoriale di tutti i singoli momenti magnetici dei nuclei in moto diprecessione intorno a B0 è equivalente ad un singolo momento magnetico detto Magnetizzazione macroscopica
  15. 15. Il segnale di risonanza magnetica (1)1. Per prima cosa i nuclei vengono eccitati mediante un segnale RF, di frequenza uguale o vicina alla frequenza di Larmor, generando un campo magnetico B1 che va a sommarsi a B0.
  16. 16. Il segnale di risonanza magnetica (2) 2. Il segnale RF (breve e di alta intensità) allinea gli spin nucleari. Il vettore magnetizzazione, che descrive il comportamento globale, subisce una rotazione nello spazio.Viene detto impulso a 90 un segnale RF che fa ruotare il vettore magnetizzazione di 90
  17. 17. Il segnale di risonanza magnetica (3)3. Ha inizio il cosiddetto ‘rilassamento’ : gli spin e, di conseguenza, la magnetizzazione riprendono lo stato iniziale emettendo un segnale RM detto FID (Free Induction Decay) Segnale FID
  18. 18. Tempi di rilassamento (1)Tempo di rilassamento spin-reticolo o longitudinale (T1) Tempo impiegato dal sistema, esposto ad un impulso a 90°, per cambiare il valore della componente longitudinale (Z) della magnetizzazione di un fattore e. t T1 Mz M0 1 eT1 descrive quindi un comportamento macroscopico del sistema: l’andamentodella componente longitudinale (Z) della magnetizzazione
  19. 19. Tempi di rilassamento (2)Note a T11. Dipende dall’intensità del campo B02. È relativo al sistema, non al singolo nucleo3. Dipende da cosa il nucleo ha intorno (riflette le proprietà fisico-chimiche dell’ambiente EM)4. La velocità di rilassamento del nucleo H+ dell’acqua è esaltata dalla presenza di sostanze paramagnetiche come Mn2+, Cu2+, Fe2+, Fe3+, Gd3+, ecc. Sono questi efficaci mezzi di contrasto in RM.
  20. 20. Tempi di rilassamento (3)Tempo di rilassamento spin-spin o trasversale (T2) 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. t T2 M xy M xy0 eT2 descrive un comportamento microscopico del sistema: il progressivo sfasamentodei singoli spin.
  21. 21. Tempi di rilassamento (4)Note a T21. Il defasamento degli spin (T2) è normalmente più veloce del recupero della magnetizzazione lungo la direzione Z (T1).2. T2 risulta molto sensibile alle disomogeneità del campo B0, quindi: i. Possono esserci sensibili variazioni locali di T2 se B0 non è uniforme ii. Si definisce T2* che tiene conto delle disomogeneità (T2*<T2). È possibile minimizzare gli effetti delle disomogeneità di campo utilizzando opportune sequenze quali la Spin Echo.
  22. 22. Riassumendo…1. Segnale RF2. Allineamento spin nucleari e rotazione vettore magnetizzazione3. Defasamento degli spin [T2] (la magnetizzazione trasversale Mxy tende a 0)4. Riallineamento a B0 [T1] del vettore magnetizzazione (Mz tende a M0)5. Emissione del segnale RM durante le fasi 3 e 4
  23. 23. Il procedimento di imaging sequenze e metodi di codifica spaziale
  24. 24. La sequenza Spin Echo (1)Le sequenze sono composte da una successione di impulsi RF e sono progettateopportunamente per la valutazione dei tempi di rilassamento.Un tipico esempio di sequenza che permette di valutare T2 minimizzando glieffetti delle disomogeneità di campo è quello della sequenza Spin Echo (SE).
  25. 25. La sequenza Spin Echo (2)L’impiego di una serie di impulsi a 180 genera una sequenza di echo.Questo permette di rimuovere l’influenza delle disomogeneità di campo e divalutare T2 anziché T2*
  26. 26. La sequenza Spin Echo (3)Il segnale ottenuto da una sequenza Spin Echo avrà la forma : 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, quella in T2 o quella indensità protonica
  27. 27. Codifica spazialeIl segnale giunge ora indifferenziato dalle varie parti del campione (corpo umano).Per discriminarne la posizione si aggiungono dei gradienti magnetici al campoprincipale, variando così linearmente la frequenza di Larmor B0 è uniforme. Non c’è modo di discriminare la posizione Si introduce il gradiente, che va a sommarsi al campo magnetico statico B0 Ogni punto è caratterizzato da un diverso valore di campo che diventa (B0 + B0) e quindi da un diverso valore di frequenza di Larmor
  28. 28. Il procedimento di Imaging (1)1. Selezione dello strato L’applicazione del gradiente contemporaneamente all’impulso RF permette la selezione dello strato. Intensità di gradiente diverse producono spessori di strati differenti. Intensità di gradiente Intensità di gradiente Spessore strato
  29. 29. Il procedimento di imaging (2)2. Codifiche in frequenza e in fase Si impiega una combinazione di codifiche in frequenza e fase per la localizzazione del punto all’interno dello strato. Codifica in frequenza Codifica in fase
  30. 30. Il procedimento di imaging (3) 3. Trasformata di Fourier È una trasformazione matematica che consente di analizzare in frequenza il segnale e di rappresentarne le ampiezze nelle sue diverse frequenze. + + = 1 2 3 3 2 1 F.T.= Freq.
  31. 31. Il procedimento di imaging (4)La trasformata di Fourier permette il passaggio dal cosiddetto spazio Kall’immagine vera e propria k-space Image space ky y IFT kx x FT Acquired Data Final Image
  32. 32. Il procedimento di imaging (5)Eccone una visualizzazione…K Image IFT FT Siamo finalmente giunti alla formazione dell’immagine!!!
  33. 33. Apparecchiature e magneti
  34. 34. Apparecchiature cliniche per RMN Schema di un’apparecchiatura a RM Tipi di magnete
  35. 35. Schema di un’apparecchiatura per RM
  36. 36. Tipi di magnete: caratteristiche (1) MagneteElevata intensità di campo Omogeneità spaziale Stabilità temporale
  37. 37. Tipi di magnete: caratteristiche (2) Vantaggi PERMANENTI •Non richiede alimentazione •Campo di dispersione limitato •Nessun raffreddamento •Limitati costi di gestione B0 Svantaggi •Peso elevato •Sensibile a variazioni termiche •Limitata intensità di campo 0.2 - 0.3 Tesla
  38. 38. Tipi di magnete: caratteristiche (3) Vantaggi RESISTIVI •Non richiede criogeni •È disattivabile Svantaggi •Elevato consumo di energia •Raffreddamento ad acqua •Elevati costi di gestione Fino a 0.6 – 0.7 Tesla
  39. 39. Tipi di magnete: caratteristiche (4) Vantaggi SUPERCONDUTTIVI •Elevata intensità di campo •Elevata omogeneità di campo •Ridotto consumo di energia Svantaggi •Necessità di criogeni •Elevati costi di acquisto Fino a 9 – 10 Tesla (imaging)
  40. 40. Grazie per l’attenzioneIllusion, an Ordered Confusion – Esher M.C (1898-1972)

×