1.Principi Fisici RM_uninovara
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Corso di Tecniche di Radiodiagnostica RM, TC e Ecografia
Fisica delle apparecchiature a Risonanza Magnetica
Novara, novembre - dicembre 2011
Luca GastaldiFisico Medico, Esperto Responsabile Sicurezza RM
email: [email protected]: www.ilfisicomedico.it
PRINCIPI FISICI
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Non c’è bisogno che prendiate appunti.
Se è importante ve lo ricorderete.
Steve Jobs (Inside Steve’s Brain, 2009)
![Page 3: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/3.jpg)
Mano di Anna Berthe Roentgen
1895
Rx
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- Fonte Toshiba
- Fonte Toshiba
TAC
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RM
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RM!!!!!.....
![Page 7: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/7.jpg)
Un nucleo si comporta come un
magnete.
Come tutto è cominciato
194
6Felix Bloch (1905-
1983)
Premio Nobel, 1952
1
.
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2
.
Una particella carica, come un
protone, che ruoti intorno al proprio
asse genera un campo magnetico
(“momento magnetico”)
EQUAZIONI di BLOCH
![Page 9: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/9.jpg)
1960I primi spettrometri confermano le teorie di
Bloch
Raymond Damadian (medico
armeno)
“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 ore
Nel frattempo…
![Page 10: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/10.jpg)
Sempre nel frattempo…
Paul Lauterbur
(1929- )
Paul Laterbur, professore di chimica alla State
University di New York, segue un percorso
analogo
Nel 1973 pubblicherà sulla rivista Nature l’articolo:
Formazione dell’immagine per interazione locale
indotta; impiego della RM
Chi è arrivato prima…? Bho!
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Ogni produttore di
apparecchiature di imaging
medicale ha cominciato a
studiare e produrre scanner
RM clinici
dal
1980
GE
Siemen
s
Picker
Philips
![Page 12: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/12.jpg)
M
R
I maging
Imaging a risonanza magnetica
esonance
agnetic
![Page 13: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/13.jpg)
Why MRI ?
Perché ?
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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
![Page 15: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/15.jpg)
RX vs. MRI
Con una risonanza magnetica…
Alta risoluzione a basso contrasto (tessuti molli)
Variabilità parametrica praticamente infinita
Ricostruzione su infiniti piani
![Page 16: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/16.jpg)
è una ‘fotografia’ di
una nuvola di
elettroni:
zone più o meno
dense impressionano
diversamente la
pellicola
visualizzazione, attraverso
campi magnetici, di una
configurazione spaziale di
nuclei
Immagine
RX
Immagine RM
![Page 17: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/17.jpg)
Parliamo di Fisica
Guardiamoci intorno… cosa vediamo?
La TERRA
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Cos’è la Terra?
1. È una gigantesca palla sospesa nello
spazio
2. È composta per circa il 70% di acqua
3. Ha una luna, che le gira intorno
4. Ruota su sé stessa
5. Ha una carica elettrica (ricordiamo
Bloch…?)
![Page 19: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/19.jpg)
La Terra ha quindi un campo
magnetico
30
mT
70
mTpo
l
i
equato
reT = Tesla = 100 Gauss
![Page 20: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/20.jpg)
E noi?
Cosa
abbiamo
in
comune?
![Page 21: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/21.jpg)
70%
H2O
80%
H2O
![Page 22: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/22.jpg)
H2OIdrogen
o
![Page 23: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/23.jpg)
L’atomo di
idrogeno
1. È formato da un nucleo (protone; +)
e una ‘luna’ (elettrone; -)
2. Il nucleo (positivo) ruota su sé stesso
(spin), quindi è un piccolo magnete
![Page 24: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/24.jpg)
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)
1
.
![Page 25: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/25.jpg)
PRECESSIONE
intorno all’asse del
campo esterno
Equazione di Larmor
0B
: frequenza di Larmor (di precessione) [MHz]
: rapporto giromagnetico [MHz/Tesla]
: intensità del campo magnetico esterno [Tesla]
0BJoseph
Larmor
(1857-
1942)
2
.
![Page 26: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/26.jpg)
0B
Questo spiega anche perché l’idrogeno?
1. Si trova in grandi quantità nel corpo umano (già
detto!)
2. Ha un elevato rapporto giromagnetico gElemento Simbol
og
Idrogeno
1H 42.6
Carbonio 13C 10.7
Ossigeno 17O 5.8
Fluoro 19F 40.0
Sodio 23Na 11.3
Magnesio 25Mg 2.6
Fosforo 31P 17.2
Zolfo 33S 3.3
Ferro 57Fe 1.4
Alta frequenza = Alta
energiaAlta energia = Alto
segnale
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Esempi di relazioni campo-frequenza
Per Risonanze Magnetiche da 1.0 T…
Per Risonanze Magnetiche da
0.5 T…
Per Risonanze Magnetiche da 1.5
T…
…la frequenza di Larmor sarà (1.0 x 42.6) =
42.6 MHz
…la frequenza di Larmor sarà (0.5 x 42.6) =
21.3 MHz
…la frequenza di Larmor sarà (1.5 x 42.6) =
63.9 MHz
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Riassumendo
Campo magnetico
esterno
Precessione
Orientamento (2
stati) +
B0
Nuclei di
idrogeno+
![Page 29: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/29.jpg)
Magnetizzazione macroscopica
B
![Page 30: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/30.jpg)
Come si arriva al segnale RM
X
Y
Z
1. Il campione (nuclei) è posto nel campo
magnetico
Il vettore rosso rappresenta la magnetizzazione
macroscopica
![Page 31: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/31.jpg)
X
Y
Z
2. Viene inviato un impulso RF alla frequenza di
Larmor
La magnetizzazione macroscopica ruota di un certo
angolo (flip angle) da 0 a 180°.
Impulso RFFlip angle =
90°
![Page 32: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/32.jpg)
X
Y
Z
3. L’impulso RF viene interrotto
La magnetizzazione macroscopica si trova a 90°.
Il sistema ha accumulato energia dall’impulso RF
![Page 33: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/33.jpg)
X
Y
Z
4. Il sistema comincia a cedere energia
La magnetizzazione macroscopica tende a tornare a
0°.
Si accompagna un movimento precessorio
(Larmor).
X
Y
Z
![Page 34: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/34.jpg)
![Page 35: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/35.jpg)
5. Il risultato è il segnale F.I.D.
F.I.D. = Free Induction Decay
Segnale FID
![Page 36: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/36.jpg)
Parametri caratteristici: i tempi di
rilassamento
1. Il segnale viene emesso mentre il sistema si
‘rilassa’, ossia rilascia l’energia accumulata con
l’impulso RF
2. 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
3 riflessioni
T1 T2
![Page 37: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/37.jpg)
T1Tempo di rilassamento longitudinale o spin-
reticoloTempo impiegato dal sistema, esposto ad impulso a
90°, per cambiare il valore della componente
longitudinale (Z) della magnetizzazione di un fattore e.
Descrive il comportamento macroscopico del sistema
![Page 38: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/38.jpg)
T1
110Tt
z eMM
X
Y
Z
M0
La curva di rilassamento
![Page 39: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/39.jpg)
1. Dipende dall’intensità del campo magnetico
2. 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)
T1Note
![Page 40: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/40.jpg)
T2Tempo di rilassamento trasversale o spin-spin
Descrive il comportamento microscopico del sistema
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.
![Page 41: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/41.jpg)
T2La curva di rilassamento
2
0
Ttxyxy eMM
X
Y
Z
M0
![Page 42: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/42.jpg)
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).
![Page 43: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/43.jpg)
Per minimizzare gli effetti delle disomogeneità di campo si impiegano opportune sequenze quali la Spin Echo.
Variazioni di T2
Quindi
T2
Disomogeneità di campo
![Page 44: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/44.jpg)
Riassunto minimo
![Page 45: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/45.jpg)
Spin Echo : analisi di una sequenza
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
Prologo : sequenze?
![Page 46: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/46.jpg)
Spin Echo : analisi di una sequenza
La serie di impulsi a 180° generano un succedersi di
echo.
![Page 47: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/47.jpg)
Spin Echo : analisi di una sequenza
Si rimuove l’influenza delle disomogeneità di campo
e si valuta T2 anziché T2*
![Page 48: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/48.jpg)
L’espressione del segnale nella SE
Agendo su TE e TR si può esaltare la componente in T1,
in T2 o in densità protonica (r)
211 TTTT ER eekS
k = fattore di proporzionalità
r = densità protonica
TE = tempo di echo (tempo tra 2 echo successivi)
TR = tempo di ripetizione (tempo tra 2 impulsi a 90° successivi)
![Page 49: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/49.jpg)
Localizzazione del segnale: codifica spaziale
Da dove proviene il segnale che
registro?
Problema
![Page 50: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/50.jpg)
Localizzazione del segnale: codifica spaziale
Campo magnetico di gradiente
0B
![Page 51: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/51.jpg)
Codifica spaziale
Per discriminarne la posizione si aggiungono dei gradienti
magnetici al campo principale, 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
![Page 52: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/52.jpg)
Procedimento di imaging
1. 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
![Page 53: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/53.jpg)
Procedimento di imaging
2. 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
![Page 54: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/54.jpg)
Procedimento di imaging
3. Trasformata di Fourier
Trasformazione matematica che lega il segnale in tempo a
quello in frequenza
+ =+1
Freq.
123
2 3
F.T.
![Page 55: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/55.jpg)
FT
IFT
k-space
kx
ky
Acquired Data
Image space
x
y
Final Image
Si ha il passaggio dal cosiddetto spazio K all’immagine vera e
propria
Procedimento di imaging
![Page 56: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/56.jpg)
ImageK
FT
IFT
Eccone una visualizzazione…
Ecco finalmente l’immagine!
Procedimento di imaging
![Page 57: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/57.jpg)
Q&A1. Dove sono localizzate le bobine che generano i campi
magnetici?
![Page 58: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/58.jpg)
Q&A1. Dove sono localizzate le bobine che generano i campi
magnetici?
![Page 59: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/59.jpg)
Campo
staticoGradiente
Impulsi RF
Q&A1. Dove sono localizzate le bobine che generano i campi
magnetici?
![Page 60: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/60.jpg)
PERMANENTI
B0
Vantaggi
• Non richiedono alimentazione
• Campo di dispersione limitato
• Nessun raffreddamento
• Limitati costi di gestioneSvantaggi• Peso elevato
• Sensibili a variazioni termiche
• Limitata intensità di campo
0.2 - 0.3 Tesla
Q&A2. Quali sono le varie tipologie di
magnete?
![Page 61: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/61.jpg)
RESISTIVI Vantaggi
• Non richiedono criogeni
• Sono disattivabili
Svantaggi• Elevato consumo di
energia
• Raffreddamento ad acqua
• Elevati costi di gestione
Fino a 0.6 - 0.7 Tesla
Q&A2. Quali sono le varie tipologie di
magnete?
![Page 62: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/62.jpg)
SUPERCONDUTTIVI 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
Q&A2. Quali sono le varie tipologie di
magnete?
![Page 63: 1.Principi Fisici RM_uninovara](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022052322/55765ea4d8b42aaa548b52a8/html5/thumbnails/63.jpg)
Q&A3. Pro e contro dei principali tipi di sequenza?
SEQUENZA 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 movimento
Gradient Echo Basso rilascio di energia RF
Basso segnale
Brevi tempi di scansione Artefatti T2* correlati
Possibilità di scan dinamici
Artefatti di movimanto
Inversion 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
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Grazie per l’attenzione