rm- principi fisici
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PROGRAMMAApparecchiature di Risonanza Magnetica- le onde elettromagnetiche- il fenomeno fisico della risonanza- le sequenze di impulsi in RM.- il contrasto nelle immagini di RM- i componenti di un sistema per imaging a RM- la codifica spaziale del segnale di RM- differenti tipi di apparecchiature a RM
MR è realmente semplice !
Risonanza Magnetica Nucleare
Risonanza Magnetica Nucleare
Il nucleone (protone o neutrone) o l’elettrone di un atomo può essere schematizzato come una trottola che ruota attorno a se stessa e pertanto presenta un momento angolare che viene definito “SPIN” e identificato con l’asse di rotazione. Lo spin può essere di ½ e può essere + o -
Nucleare
Nel modello a guscio, come gli elettroni, anche i nucleoni riempiono degli orbitali. Quando il numero di nucleoni è uguale a 2, 8, 20, 28, 50, 82, and 126, gli orbitali sono pieni. Quando gli orbitali vengono riempiti, gli spin dei nucleoni, come quello degli elettroni, si possono appaiare ed annullare. Quasi tutti gli elementi della tavola periodica hanno un isotopo con uno spin nucleare non nullo. Gli atomi con protoni/neutroni non appaiati hanno uno “SPIN netto”.
Nucleare
Nuclei Protoni Spaiati
Neutroni Spaiati
Spin Risultante
γ (MHz/T)
1H 1 0 1/2 42.58 2H 1 1 1 6.54 31P 1 0 1/2 17.25 23Na 1 2 3/2 11.27 14N 1 1 1 3.08 13C 0 1 1/2 10.71 19F 1 0 1/2 40.08
Nel nucleo è concentrata tutta la carica positiva dell’atomo, la rotazione (quindi il movimento) di una carica elettrica genera un campo magnetico. Si dice quindi che al momento angolare P è associato un momento magnetico µ.Entrambi i momenti sono grandezze vettoriali e sono direttamente proporzionali sulla base di un fattore di proporzionalità γ detto rapporto giramagnetico.µ = γ . P
Nucleare
N
S
Nucleare
1.Imaging dei nuclei RM-ATTIVI1.Imaging dei nuclei RM-ATTIVI
Spinnetto
Nucleare
1.Cosa è un nucleo RM-ATTIVO ?1.Cosa è un nucleo RM-ATTIVO ?
E’ un nucleo dotato di MOMENTO MAGNETICOE’ un nucleo dotato di MOMENTO MAGNETICO
spin
+ -
1.Il MOMENTO MAGNETICO:
- dipende dal numero di protoni
(dispari)
- non è influenzato dai neutroni
1.Il MOMENTO MAGNETICO:
- dipende dal numero di protoni
(dispari)
- non è influenzato dai neutroni
Nucleare
Idrogeno 1Carbonio 13Azoto 15Ossigeno 17Fluoro 19Sodio 23Fosforo 31
Idrogeno 1Carbonio 13Azoto 15Ossigeno 17Fluoro 19Sodio 23Fosforo 31
RMN può essere eseguita solo su isotopi la cui presenza naturale è sufficientemente alta per essere rilevata.
ElementoAbbondanzaBiologica*
Idrogeno (H)
0.63
Carbonio (C)
0.094
Azoto (N) 0.015
Sodio (Na) 0.00041
Fosforo (P) 0.0024
Ossigeno (O)
0.26
Calcio (Ca) 0.0022
Nucleare1. Imaging del NUCLEO DI IDROGENO1. Imaging del NUCLEO DI IDROGENO
- il più abbondante
- momento magnetico elevato
+ =+
-
MagnetizzazioneSe sottoposti ad un campo magnetico esterno iprotoni si ALLINEANO
+
++
+
+
+
++
+
B0
+
Allineamento PARALLELO o ANTI-PARALLELO
+ +
B0
PARALLELO = bassa energia
ANTI-PARALLELO = alta energia
+
++
++
Magnetizzazione netta
Magnetizzazione
Magnetizzazione netta = Magnetizzazione LONGITUDINALE
B0
Magnetizzazione
1.“MAGNETIZZAZIONE” del pz
2.Invio di un impulso di RF
3.Cessazione dell’impulso di RF
4.Rilassamento del sistema
1.“MAGNETIZZAZIONE” del pz
2.Invio di un impulso di RF
3.Cessazione dell’impulso di RF
4.Rilassamento del sistema
Imaging RMImaging RM
Se sottoposti ad un campo magnetico esterno i protoni assumono un moto di PRECESSIONE
B0 = w g B0
Eq. di Larmor
1.“MAGNETIZZAZIONE” del pz
2.Invio di un impulso di RF
3.Cessazione dell’impulso di RF
4.Rilassamento del sistema
1.“MAGNETIZZAZIONE” del pz
2.Invio di un impulso di RF
3.Cessazione dell’impulso di RF
4.Rilassamento del sistema
Imaging RMImaging RM
1. Invio di un impulso di RF1. Invio di un impulso di RF
Imaging RMImaging RM
…l’impulso di RF deve avere la stessa
frequenza della frequenza di
precessione del nucleo di idrogeno
per entrare in RISONANZA con esso
e scambiarvi energia…
…l’impulso di RF deve avere la stessa
frequenza della frequenza di
precessione del nucleo di idrogeno
per entrare in RISONANZA con esso
e scambiarvi energia… = w g B0
RF
Risonanza
1.Invio di un impulso di RF
a) Eccitazione nucleare
b) Sincronizzazione di fase dei
protoni
1.Invio di un impulso di RF
a) Eccitazione nucleare
b) Sincronizzazione di fase dei
protoni
Imaging RMImaging RM
+
++
++
RF
+
+
++
++
+
B0
1.Invio di un impulso di RF
a) Eccitazione nucleare
scomparsa della ML
b) Sincronizzazione di fase dei
protoni
1.Invio di un impulso di RF
a) Eccitazione nucleare
scomparsa della ML
b) Sincronizzazione di fase dei
protoni
Imaging RMImaging RM
RF
Magnetizzazione TRASVERSALE
1.Invio di un impulso di RF
a) Eccitazione nucleare
scomparsa della ML
b) Sincronizzazione di fase dei
protoni
creazione della MT
1.Invio di un impulso di RF
a) Eccitazione nucleare
scomparsa della ML
b) Sincronizzazione di fase dei
protoni
creazione della MT
Imaging RMImaging RM
RF
ML
MT
B0
1.“MAGNETIZZAZIONE” del pz
2.Invio di un impulso di RF
3.Cessazione dell’impulso di RF
e…
4.…rilassamento del sistema
1.“MAGNETIZZAZIONE” del pz
2.Invio di un impulso di RF
3.Cessazione dell’impulso di RF
e…
4.…rilassamento del sistema
Imaging RMImaging RM
RF
ML
MT
ML
MTI
t
FID
“free induction decay”
90°
F ID
M xy
La rotazione del vettore di MT attorno alla direzione di B0 (asse Z) induce una corrente nella bobina posizionata attorno all'asse X.
1.Tempo di rilassamento T1
2.Tempo di rilassamento T2
3.Densità protonica
4.Chemical shift
5.Fenomeni di flusso
1.Tempo di rilassamento T1
2.Tempo di rilassamento T2
3.Densità protonica
4.Chemical shift
5.Fenomeni di flusso
Determinanti del segnaleDeterminanti del segnale
1. Tempo di rilassamento
T1
1. Tempo di rilassamento
T1
Imaging RMImaging RMDeterminanti del segnaleDeterminanti del segnale
ML%
t
63%
0
100
T1
- velocità con cui viene
recuperata
la ML
- tempo necessario a
raggiungere il
63% della ML
- spin-reticolo
- velocità con cui viene
recuperata
la ML
- tempo necessario a
raggiungere il
63% della ML
- spin-reticolo
ML%
t
63%
0
100
T1 T1
Curva del rilassamento T1Curva del rilassamento T1
MT%
t
37%
100
0
T2
63%
2. Tempo di rilassamento
T2- velocità con cui decade la MT
- tempo necessario a perdere il 63% della
MT
- spin-spin
2. Tempo di rilassamento
T2- velocità con cui decade la MT
- tempo necessario a perdere il 63% della
MT
- spin-spin
Imaging RMImaging RMDeterminanti del segnaleDeterminanti del segnale
MT%Curva del rilassamento T2Curva del rilassamento T2
t100
0
T2 T2
3.Densità protonica- numero di nuclei risonanti per unità di
volume
- solo protoni di idrogeno che
costituiscono le
molecole dell’acqua libera
3.Densità protonica- numero di nuclei risonanti per unità di
volume
- solo protoni di idrogeno che
costituiscono le
molecole dell’acqua libera
Imaging RMImaging RMDeterminanti del segnaleDeterminanti del segnale
Dal T1 e dal T2……alla immagine
“T1 pesata” & “T2 pesata”
Dal T1 e dal T2……alla immagine
“T1 pesata” & “T2 pesata”
Imaging RMImaging RM
Sequenza spin-echoSequenza spin-echo
90° 90° 90°
TR
TETR = tempo di ripetizioneTE = tempo di echoTR = tempo di ripetizioneTE = tempo di echo
180° 180°
90° 90° 90°
180° 180°
t0
T1 grasso
acqua63%
TR0
T1 grasso
acqua
lungobreve
TE
TR
Immagine “T1 pesata”
Immagine “T1 pesata”
Per massimizzare la dipendenza T1
si devono usare
TR brevi
Per massimizzare la dipendenza T1
si devono usare
TR brevi
Imaging RMImaging RM
90° 90° 90°
180° 180°
TE
TR
Immagine “T2 pesata”
Immagine “T2 pesata”
t
T2
acqua63%
TElungobreve
grasso
T2
acqua
grasso
Per massimizzare la dipendenza T2
si devono usare
TE lunghi
Per massimizzare la dipendenza T2
si devono usare
TE lunghi
Imaging RMImaging RM
Per massimizzare la dipendenza T1
TR breve…
Per massimizzare la dipendenza T1
TR breve…
Immagine T1 pesataImmagine T1 pesata
…per abbattere la dipendenza T2
TE breve
…per abbattere la dipendenza T2
TE breve
Per abbattere la dipendenza T1
TR lungo…
Per abbattere la dipendenza T1
TR lungo…
Immagine T2 pesataImmagine T2 pesata
…per massimizzare la dipendenza T2
TE lungo
…per massimizzare la dipendenza T2
TE lungo
Per abbattere la dipendenza T1
TR lungo…
Per abbattere la dipendenza T1
TR lungo…
Immagine pesata in DPImmagine pesata in DP
…per abbattere la dipendenza T2
TE breve
…per abbattere la dipendenza T2
TE breve
Imaging RM: pesatura delle immagini
Imaging RM: pesatura delle immagini
TR TE
breve breve T1 pesata
lungo lungo T2 pesata
lungo breve densità protonica
breve lungo NO segnale
4.Chemical shift- frequenza di risonanza influenzata
anche dalla
nube elettronica circostante il nucleo
=w gB0 (1- )s- s (costante di schermo) dipende da
densità e
distribuzione spaziale e-
4.Chemical shift- frequenza di risonanza influenzata
anche dalla
nube elettronica circostante il nucleo
=w gB0 (1- )s- s (costante di schermo) dipende da
densità e
distribuzione spaziale e-
Imaging RMImaging RM
Determinanti del segnaleDeterminanti del segnale
Imaging RMImaging RM
Determinanti del segnaleDeterminanti del segnale4.Chemical shift
- esprime la variazione della frequenze di risonanza di un determinato nucleo in relazione alle differenti nubi elettroniche che lo circondano schermandolo
- CS ha un valore “tipico” per ciascuna molecola
- diff. H acqua – H grasso circa 225Hz a 1,5T- Artefatto a banda (iperintenso o
ipointenso) all’interfaccia acqua-grasso
4.Chemical shift- esprime la variazione della frequenze di
risonanza di un determinato nucleo in relazione alle differenti nubi elettroniche che lo circondano schermandolo
- CS ha un valore “tipico” per ciascuna molecola
- diff. H acqua – H grasso circa 225Hz a 1,5T- Artefatto a banda (iperintenso o
ipointenso) all’interfaccia acqua-grasso
Soppressione del segnale del grasso: “chemical shift”
Soppressione del segnale del grasso: “chemical shift”
t = 0t = 0 TE = 2.26 msTE = 2.26 ms TE = 4.52 msTE = 4.52 ms
inizio seq. GREinizio seq. GRE FUORI FASEFUORI FASE IN FASEIN FASE
A AG G
AG
AG
A G
in fase: TE 5,4 msin fase: TE 5,4 ms
Chemical shift imaging
- Seq. GRE- Perdita di segnale all’interfaccia acqua-grasso- Differenza nella frequenza di risonanza tra protoni dell’acqua e del grasso
fuori fase: TE 2,7 msfuori fase: TE 2,7 ms
TE = 2.26 msTE = 2.26 ms
TE = 4.52 msTE = 4.52 ms
FUORI FASEFUORI FASE IN FASEIN FASE
A AG G
Soppressione del segnale del grasso: “chemical shift”
Soppressione del segnale del grasso: “chemical shift”