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

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  • 1. Corso di Tecniche di Radiodiagnostica RM, TC e Ecografia Fisica delle apparecchiature a Risonanza MagneticaLuca GastaldiFisico Medico, Esperto Responsabile Sicurezza RMemail: gastaldi.phd@gmail.comblog: 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. RxMano 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 BlochNel 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 oreRaymond Damadian (medico armeno)
  • 10. Sempre nel frattempo…Paul Laterbur, professore di chimica alla State Universitydi New York, segue un percorso analogoNel 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. Pickerdal 1980Ogni produttore diapparecchiature di imagingmedicale ha cominciato a studiare Philipse produrre scanner RM clinici GE Siemens
  • 12. M agneticR esonance I magingImaging 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. MRICon 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 impressionanodiversamente la pellicola Immagine RM visualizzazione, attraverso campi magnetici, di una configurazione spaziale di nuclei
  • 17. Parliamo di FisicaGuardiamoci intorno… cosa vediamo? La TERRA
  • 18. Cos‟è la Terra?1. È una gigantesca palla sospesa nello spazio2. È composta per circa il 70% di acqua3. Ha una luna, che le gira intorno4. Ruota su sé stessa5. Ha una carica elettrica (ricordiamo Bloch…?)
  • 19. La Terra ha quindi un campo magnetico30 T 70 T poli equatore T = Tesla = 100 Gauss
  • 20. E noi?Cosa abbiamo in comune?
  • 21. 80% H2O 70% H2O
  • 22. H2OIdrogeno
  • 23. L‟atomo di idrogeno1. 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 LarmorB0 : 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 17.2Alta frequenza = Alta energia 33S Zolfo 3.3 57FeAlta energia = Alto segnale Ferro 1.4
  • 27. Esempi di relazioni campo-frequenzaPer Risonanze Magnetiche da 1.0 T… …la frequenza di Larmor sarà (1.0 x 42.6) = 42.6 MHzPer Risonanze Magnetiche da 0.5 T… …la frequenza di Larmor sarà (0.5 x 42.6) = 21.3 MHzPer 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 macroscopicaB
  • 30. Come si arriva al segnale RM1. 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 ZImpulso 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 YLa 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 YLa magnetizzazione macroscopica tende a tornare a 0 .Si accompagna un movimento precessorio (Larmor).
  • 34. 5. Il risultato è il segnale F.I.D. Segnale FID F.I.D. = Free Induction Decay
  • 35. Parametri caratteristici: i tempi di rilassamento 3 riflessioni1. Il segnale viene emesso mentre il sistema si „rilassa‟, ossia rilascia l‟energia accumulata con l‟impulso RF2. 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
  • 36. T1 Tempo di rilassamento longitudinale o spin-reticoloTempo impiegato dal sistema, esposto ad impulso a 90°, per cambiare ilvalore della componente longitudinale (Z) della magnetizzazione di unfattore e.Descrive il comportamento macroscopico del sistema
  • 37. T1La curva di rilassamento Z X M0 Y t T1 Mz M0 1 e
  • 38. T1Note1. Dipende dall‟intensità del campo magnetico2. 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)
  • 39. T2 Tempo di rilassamento trasversale o spin-spinTempo impiegato dal sistema, esposto ad un impulso a 90°, per ritornaread un valore della componente trasversale (XY) della magnetizzazionepari a 1/e del valore iniziale.Descrive il comportamento microscopico del sistema
  • 40. T2La curva di rilassamento Z X M0 Y t T2 M xy M xy0 e
  • 41. T2Note1. 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).
  • 42. T2Quindi Disomogeneità Variazioni di T2 di campoPer minimizzare gli effetti delle disomogeneità di camposi impiegano opportune sequenze quali la Spin Echo.
  • 43. Riassunto minimo
  • 44. Spin Echo : analisi di una sequenzaPrologo : 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
  • 45. Spin Echo : analisi di una sequenzaLa serie di impulsi a 180 generano un succedersi di echo.
  • 46. Spin Echo : analisi di una sequenzaSi rimuove l‟influenza delle disomogeneità di campo e si valutaT2 anziché T2*
  • 47. 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 densitàprotonica ( )
  • 48. Localizzazione del segnale: codifica spaziale Problema Da dove proviene il segnale che registro?
  • 49. Localizzazione del segnale: codifica spaziale Campo magnetico di gradiente B0
  • 50. Codifica spazialePer discriminarne la posizione si aggiungono dei gradienti magnetici al campoprincipale, 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
  • 51. Procedimento di imaging1. 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
  • 52. Procedimento di imaging2. 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
  • 53. Procedimento di imaging3. Trasformata di Fourier Trasformazione matematica che lega il segnale in tempo a quello in frequenza + + = 1 2 3 3 2 1 F.T. Freq.
  • 54. Procedimento di imagingSi 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
  • 55. Procedimento di imagingEccone una visualizzazione…K Image IFT FT Ecco finalmente l‟immagine!
  • 56. 1. Dove sono localizzate le bobine che generano i campi magnetici?Q&A
  • 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 Campo statico Gradiente Impulsi RF
  • 59. 2. Quali sono le varie tipologie di magnete?Q&APERMANENTI 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
  • 60. 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 gestioneFino a 0.6 - 0.7 Tesla
  • 61. 2. Quali sono le varie tipologie di magnete?Q&ASUPERCONDUTTIVI 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
  • 62. 3. Pro e contro dei principali tipi di sequenza?Q&ASEQUENZA VANTAGGI SVANTAGGISpin Echo Alto segnale Alto rilascio di energia RF Compensazione effetti T2* Lunghi tempi di scansione “Vere” immagini in T1 e T2 Artefatti di movimentoGradient Echo Basso rilascio di energia RF Basso segnale Brevi tempi di scansione Artefatti T2* correlati Possibilità di scan dinamici Artefatti di movimantoInversion 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
  • 63. Grazie per l’attenzione

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