spettroscopia nmr (in vivo)spettroscopia nmr (in vivo) magnetic resonance imaging mri un solo...
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Spettroscopia NMR (in vivo)
Magnetic Resonance ImagingMRI
Un solo segnale (1H MRI: generalmente il segnale dell’H2O)
Localizzazione del segnale mediante gradienti di campo magnetico
Gradiente Gz
ωx=ω H+ Gz*x
Localizzazione degli spin nel campione
90° ωx selezione di una fetta del campione
GxFID
ω1 ω2 ω3
Gf
ω1 ω2 ω3
( )∑=n
nn ti2S ϖρ exp
Gradienti di codifica di frequenza (frequency encoding gradient)
ωω0 ω’ ω’’−ω’’ −ω’
Gf
( )∑=n
nn ti2S ϖρ exp
Intensità del segnale nella posizione n
Frequency encoding gradient
ωω0 ω’ ω’’−ω’’ −ω’
Frequenza di risonanza nella
posizione n
ω1 ω2 ω3
Gx
ω1 ω2 ω3
Gy
ϕ3
ϕ2
ϕ1
Gx,y
Costruzione dell’immagine mediante retroproiezione
Back Projection Imaging esperimento base
z
XYGx
Gy
Gz
FID
RF
Gx
Gy
Gz
FID
RF
Gx
Gy
Gz
FID
RF
Selezione di una fetta del campione
Gradienti di codifica in frequenza: ripeto l’acquisizione facendo variare la composizione Gx+ Gy ottengo proiezioni lungo tutte le diverse orientazioni
Field of view (FOV)
∆ω = γH ∗ Gz∗ ∆x∆x
Risoluzione spaziale δx
Dipende dalla risoluzione spettrale δνxN
νδν ∆=Ampiezza spettrale
Punti campionati
πδγ
πγδν
2
Gx
N2
Gx x
x
x =∆=
xG
2x
γπδνδ =
In un campo magnetico di 1.5T (64 MHz per 1H) applico un gradiente di 0.01 T/m; considerando che il segnale dell’H2O è largo 30 Hz, quanto deve essere ampia la ∆ω per avere un FOV di 3 cm?
ciascun segnale (FID) viene codificato nelle due dimensioni del piano x,y
Phase encoding gradientGφ
2D-FT imaging (Spin warp imaging)
BP imaging il segnale è codificato lungo una sola direzione alla volta (quella
perpendicolare alla direzione del gradiente applicato)
φn = γ * y * Gφ * t
Gf
Freq
uenc
y en
codi
ng g
radi
ent
FID = ∑n
Mn f(Gφ,Gf)Gf = gradiente di frequency encoding
Gφ = gradiente di phase encoding
Frequenza ωn = γ * x * Gf
Ogni elemento di volume (voxel) ha una sua caratteristica fase e frequenza
Per avere una risoluzione di n pixels lungo la direzione y (phase encoding) ripeto l’esperimento n volte variando l’intensità del gradiente
fase φn = γ * y * Gφ * t
Esperimento 2D-FT imaging
Selezione della slice
Gradiente di phase encoding
Gradiente di frequency encoding
Gradiente di phase encoding perdita di coerenza del segnale
accensione gradiente
spegnimento gradiente
Tempo(s)
Gx
Durante l’applicazione del Gφ il segnale si
annulla!
Eco di spin
Eco di gradiente
gradiente con segno
invertito
Imaging veloce
Per avere una risoluzione di 256 pixels lungo l’asse y (phase encoding) 256 acquisizioni con diverso Gφ
1 slice 4-20 min sequenza spin-eco (TR = 5T1)
Sequenza RARE (Rapid Acquisition with Relaxation Enhancement)
90° 180° 180° 180°
…..
Acquisisco una serie di echi con diverso Gφ
Immagine di una slice con una sola scansione!
L’intensità degli echi decade nelle successive acquisizioni (… immagine T2 pesata..)
Il contrasto
MRI = ??? contrasto tra tessuti molli
ba
ba
II
IIC
+−=
Differenza di intensità tra i segnali di due regioni adiacenti
RX = differenza di densità tra i tessuti tessuti ossei
1H-MRI
Spettro 1H-NMR di tessuti : H2O (75%) 4.7 ppm + segnale 0.9 ppm (CH3 lipidi)
la maggior parte delle immagini sono ottenute sull’acquisizione del segnale dell’acqua
..il contenuto in acqua non
permetterebbe di ottenere questa
immagine
differenze di T1 (e/o T2) dell’acqua in tessuti differenti
T1 e T2 dell’acqua in diversi tessuti
H2O di bulk
H2O di superficie
macromolecola
Misure a 1.5 T ( 64 MHz)
Tessuto normale T2
(ms)Tessuto malato T2 (ms)
Materia grigia
101 astrocitoma 180
Materia bianca
96 glioblastoma 170
CFS 510 ologodendroglioma 200
Guaina mielinica
160 Sclerosi multipla 190
come utilizzare la differenza in T1 per ottenere contrasto
sequenza saturation recovery90° 90° 90°
…TR TR
T1 minore segnale più intenso (bianco)
I
TR= 2000 ms
I
TR= 1000 ms
I
TR= 500 ms
I
TR= 100 ms
sangue
muscolo
tessuto adiposo
contrasto migliore
TR = repetition time
SI=Kρ(1-exp(TR/T1))ρ = densità protonica
Acquisizione
sequenza invertion recovery180° 90°
Acquisizione immagineTI
TR
SI = KρM0(1-2exp(-TI/T1)+exp(-TR/T1))
Contrasto tra materia bianca e grigia con TI crescenti:
50, 100,200,400,600, 800,1000,1200 ms; per TI molto corti o molto lunghi il contrasto
è scarso
Spin Eco
Acquisizione immagine
Come evidenziare le differenze in T2 nel contrasto
Tempo di eco
TR lungo, TE corto immagini pesate in T2
TR corto immagini pesate in T1
CFS
Materia grigiaMateria bianca
20010050 150ms
TR: 400 ms
TR: 2000 ms
TE 25 ms TE 50 ms TE 75 ms TE 100 ms
T1 pesata T2 pesata
lesione
Patologie o lesioni non visibili con una sequenza T1 pesata lo possono diventare con una T2 pesata
Agenti di contrasto
Ioni paramagnetici diminuzione di T1 e T2
Gd3+ , Fe2+ , Fe3+ , Cu2+ , Mn2+ , O2 , radicali liberi
Non sono di per se stessi visibili, ma cambiano il comportamento dei tessuti circostanti
Agenti di contrasto positivi
T1
Gd-DTPA (Magnevist)Gd-DOTA (Dotarem)Gd-HP-DO3A (ProHance)Albumina-(Gd-DTPA)Polilisina-(Gd-DTPA)
Agenti di contrasto negativi
T2
Dy-DTPASPIO (superparamagnetic iron oxides)USPIO (ultrasmall superparamagnetic iron oxides)
Gd3+ 7 e- spaiati
Gd-DTPA: lo ione metallico è altamente tossico è necessario un chelante sufficientemente forte che lo trattenga finchè lo ione metallico non è eliminato
Complessi paramagnetici di Gd 3+ non oltrepassano la BBB una mancanza della BBB dovuta a una patologia porta a un enhancement della zona
N
NN
CH2
CH2COO-
CH2COO-
-OOCH2CCH2
COOH COOH
Gd3+
f-MRIFunctional MRI
BOLD (Blood Oxigen Level Detection) sequenze di impulsi che permettono di ottenere immagini in tempo reale (4-5 s dopo l’attivazione data dallo stimolo)
Attivazione della corteccia in seguito a uno stimolo visivo: l’immagine è ottenuta per differenza rispetto a un’altra ottenuta in condizioni di riposo
Emoglobina-O2: paramagnetica contrasto tra zone in cui il flusso sanguigno è aumentato rispetto a quelle non attivate.
3He iperpolarizzato: immagine polmonare soggetto di 29 anni non fumatore
MRI con eteronuclei: 3He 129Xe iperpolarizzati
Nuclei esogeni il contrasto è dato dalla densità di spin
Immagine polmonare soggetto di 34 anni fumatore: zone scura = mancanza di ventilazione
Chemical Shift ImagingSpettro 1H segnali di specie molecolari diverse dall’H2O
Mappa metabolica di N-acetilaspartato, colina, creatina e lattato; il n di voxels è 1/1000 quelli usati in MRI
Spettri 1H delle diverse zone: nel tumore è elevato il segnale della colina, mentre è basso quello dell’N-
acetilaspartato N-acetilaspartato
HO
O
O
OH
NH
CH3
ON+CH3
H3C
CH3
CH2CH2OH
Cl-colina
H2N
NH2+
N
CH3 O
O-
creatina