Risonanza Magnetico Nucleare - ge.infn.itsquarcia/DIDATTICA/FM2/13_NMR.pdf · Schema tomografo...
Transcript of Risonanza Magnetico Nucleare - ge.infn.itsquarcia/DIDATTICA/FM2/13_NMR.pdf · Schema tomografo...
![Page 1: Risonanza Magnetico Nucleare - ge.infn.itsquarcia/DIDATTICA/FM2/13_NMR.pdf · Schema tomografo alimentatore magnete sorgente principale radio frequenza ricevitore a radio frequenza](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022022800/5c6e1c8009d3f225408c65af/html5/thumbnails/1.jpg)
Dipartimento di Fisicaa.a. 2004/2005
Fisica Medica 2
Risonanza Magnetico Nucleare
21/3/2005
![Page 2: Risonanza Magnetico Nucleare - ge.infn.itsquarcia/DIDATTICA/FM2/13_NMR.pdf · Schema tomografo alimentatore magnete sorgente principale radio frequenza ricevitore a radio frequenza](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022022800/5c6e1c8009d3f225408c65af/html5/thumbnails/2.jpg)
RMN ovvero NMRSpettroscopia RMN permette di
ottima risoluzione anatomica
- acquisire immagini 2D e 3D di parti del corpo umano
complementare a TAC, PET e SPECT- studiare in situ la struttura chimico-fisica dei tessuti nonché le reazioni metaboliche• tecnica non invasiva• quasi totale assenza di danni da radiazioni
complessa elaborazione del segnale
![Page 3: Risonanza Magnetico Nucleare - ge.infn.itsquarcia/DIDATTICA/FM2/13_NMR.pdf · Schema tomografo alimentatore magnete sorgente principale radio frequenza ricevitore a radio frequenza](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022022800/5c6e1c8009d3f225408c65af/html5/thumbnails/3.jpg)
Principio fisicoSfrutta il processo di assorbimento ed emissione di fotoni con energia hν da parte dei livelli quantizzati esistenti nella materiaLa maggior parte dei nuclei atomici possiedono un momento magnetico µ
µ = γ h lγ momento giromagneticol momento della quantità di moto
infatti il protone possiedecon Sz = ± ħ / 2µ = (2.79 e Sz)/ mp
![Page 4: Risonanza Magnetico Nucleare - ge.infn.itsquarcia/DIDATTICA/FM2/13_NMR.pdf · Schema tomografo alimentatore magnete sorgente principale radio frequenza ricevitore a radio frequenza](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022022800/5c6e1c8009d3f225408c65af/html5/thumbnails/4.jpg)
Proprietà magnetico nucleariUna carica nucleare che ruota su se stessa può avere un momento di dipolo magneticoproporzionale al suo momento angolare di spin
µ ≤ 0, µ ≥ 0S è seminterodisparidispari
µ > 0S è seminteroparidispari
µ = 0S è interodisparipari
Momento di dipolo
magnetico
Momento angolare di
spin
Numero atomico
Z
Numero di massa
A
µ = 0S = 0paripari
![Page 5: Risonanza Magnetico Nucleare - ge.infn.itsquarcia/DIDATTICA/FM2/13_NMR.pdf · Schema tomografo alimentatore magnete sorgente principale radio frequenza ricevitore a radio frequenza](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022022800/5c6e1c8009d3f225408c65af/html5/thumbnails/5.jpg)
Isotopi biochimici16O e 12C hanno momento magnetico nullo
A pari e Z pariisotopi 17O e 13C hanno momento magnetico non nullo
- bassa abbondanza naturale- possono essere sintetizzati in molecole complesse
In un campo magnetico i nuclei atomici si comportano come dipoli magnetici
La RMN utilizza questi atomi sia da soli sia in molecole arricchite
![Page 6: Risonanza Magnetico Nucleare - ge.infn.itsquarcia/DIDATTICA/FM2/13_NMR.pdf · Schema tomografo alimentatore magnete sorgente principale radio frequenza ricevitore a radio frequenza](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022022800/5c6e1c8009d3f225408c65af/html5/thumbnails/6.jpg)
SpettroscopiaIn assenza di campi magnetici esterni l’energia dello stato fondamentale del nucleo non dipendedall’orientamento nello spazio di µ
si crea una differenza di energia tra i nuclei che
hanno diversa orientazione rispetto al
campo indotto B
Quando nuclei o molecole si trovano però in un campo magnetico esterno B
p dell’idrogeno H+ presenta due stati
![Page 7: Risonanza Magnetico Nucleare - ge.infn.itsquarcia/DIDATTICA/FM2/13_NMR.pdf · Schema tomografo alimentatore magnete sorgente principale radio frequenza ricevitore a radio frequenza](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022022800/5c6e1c8009d3f225408c65af/html5/thumbnails/7.jpg)
AssorbimentoSe l’energia del fotone incidente è uguale alla differenza di energia dei livelli energetici
si può avere un assorbimento in risonanza
νL = γ B / 2π
frequenza di precessione di Larmor
![Page 8: Risonanza Magnetico Nucleare - ge.infn.itsquarcia/DIDATTICA/FM2/13_NMR.pdf · Schema tomografo alimentatore magnete sorgente principale radio frequenza ricevitore a radio frequenza](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022022800/5c6e1c8009d3f225408c65af/html5/thumbnails/8.jpg)
PrecessioneUn momento magnetico µprecede intorno alla direzione di B con la frequenza di Larmor
ω = 2πνL = γ B
se il campo magnetico dell’onda a radiofrequenza (10 - 100 MHz)
ha la stessa frequenza νL
si esercita coerentemente una coppia meccanica che varia l’angolo tra µ e B
Per il protone la frequenza di Larmor è42.6 MHz per ogni tesla (T) di campo magnetico
![Page 9: Risonanza Magnetico Nucleare - ge.infn.itsquarcia/DIDATTICA/FM2/13_NMR.pdf · Schema tomografo alimentatore magnete sorgente principale radio frequenza ricevitore a radio frequenza](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022022800/5c6e1c8009d3f225408c65af/html5/thumbnails/9.jpg)
Descrizione RMN
µ
Si crea una così una magnetizzazione macroscopicalongitudinale Mmentre la magnetizzazione trasversale a B è invece nulla
In presenza di B esterno il numero medio di nuclei in direzione di B è poco maggiore di quelli diretti in senso opposto
a causa della fase casuale di precessione di µ
![Page 10: Risonanza Magnetico Nucleare - ge.infn.itsquarcia/DIDATTICA/FM2/13_NMR.pdf · Schema tomografo alimentatore magnete sorgente principale radio frequenza ricevitore a radio frequenza](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022022800/5c6e1c8009d3f225408c65af/html5/thumbnails/10.jpg)
Immagini clinichePonendo il materiale in una regione in cui B varia in modo noto da punto a puntola frequenza di risonanza sarà differente da punto a puntonello spettro NMR èquindi codificata l’informazione della distribuzione dei nuclei risonanti nello spazio Si apprezzano anche le
nervature all’interno della calotta cerebrale
![Page 11: Risonanza Magnetico Nucleare - ge.infn.itsquarcia/DIDATTICA/FM2/13_NMR.pdf · Schema tomografo alimentatore magnete sorgente principale radio frequenza ricevitore a radio frequenza](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022022800/5c6e1c8009d3f225408c65af/html5/thumbnails/11.jpg)
Ricostruzione immagineCampione di liquido, a forma di croce, in campo magnetico B costante
Aggiungendo un gradiente di campo da sinistra a destra nella stessa direzione di B frequenza di risonanza dei
nuclei aumenta!
![Page 12: Risonanza Magnetico Nucleare - ge.infn.itsquarcia/DIDATTICA/FM2/13_NMR.pdf · Schema tomografo alimentatore magnete sorgente principale radio frequenza ricevitore a radio frequenza](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022022800/5c6e1c8009d3f225408c65af/html5/thumbnails/12.jpg)
Schema tomografo
alimentatore magnete
sorgente principale
radio frequenza
ricevitore a radio
frequenza
generatore forme d’onda
alimentatore gradienti
Quadro di comando e video di
controllo
elaboratore elettronico
memoria magnetica
(PACS)
schermo radiazioni elettromagnetiche
Magnete “permanente”
Bobine a radiofrequenza
![Page 13: Risonanza Magnetico Nucleare - ge.infn.itsquarcia/DIDATTICA/FM2/13_NMR.pdf · Schema tomografo alimentatore magnete sorgente principale radio frequenza ricevitore a radio frequenza](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022022800/5c6e1c8009d3f225408c65af/html5/thumbnails/13.jpg)
Richieste tecnichePrincipio semplice ma realizzazione complicata• Magnete permanente, elettromagnete, magnete superconduttore per produrre il campo esterno statico (0.5-1.5 T) uniformità 10-8
• Solenoidi addizionali per generare gradienti di campo di configurazione variabile e nota
• Bobine di scansione a radiofrequenza (60 MHz) per creare il campo trasversale e per ricevere i segnali di ritorno (specifici x differenti materiali)• Elaboratore elettronico che pilota l’acquisizione variando l’irraggiamento RF e la raccolta dati
![Page 14: Risonanza Magnetico Nucleare - ge.infn.itsquarcia/DIDATTICA/FM2/13_NMR.pdf · Schema tomografo alimentatore magnete sorgente principale radio frequenza ricevitore a radio frequenza](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022022800/5c6e1c8009d3f225408c65af/html5/thumbnails/14.jpg)
Risoluzione altissima
Ginocchio
Colonna vertebrale
Differenti livelli di grigio scelti dall’operatore
![Page 15: Risonanza Magnetico Nucleare - ge.infn.itsquarcia/DIDATTICA/FM2/13_NMR.pdf · Schema tomografo alimentatore magnete sorgente principale radio frequenza ricevitore a radio frequenza](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022022800/5c6e1c8009d3f225408c65af/html5/thumbnails/15.jpg)
Caratteristiche della risoluzioneSezione sagittale mediana di un cranio
Le zone più chiare sono quelle dove sono presenti protoni contenuti nell’idrogenodell’acqua o delle molecole che costituiscono i tessutiLe parte ossee o le cavità appaiono invece scure
![Page 16: Risonanza Magnetico Nucleare - ge.infn.itsquarcia/DIDATTICA/FM2/13_NMR.pdf · Schema tomografo alimentatore magnete sorgente principale radio frequenza ricevitore a radio frequenza](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022022800/5c6e1c8009d3f225408c65af/html5/thumbnails/16.jpg)
EfficienzaPossibilità di rappresentare non solo la densità dei protoni nei tessutiMa anche discriminare tra protoni presenti in atomi e molecole aventi diverso grado di mobilitàIl tempo di rilassamento nucleare T1 è il tempo impiegato dal momento magnetico del nucleo per tornare all’equilibrio (termico)
dopo essere stato irraggiato con un campo a radiofrequenza alle condizioni di risonanza
a parità di altri fattori T1 è tanto più lento tanto più lenti sono i moti molecolari
![Page 17: Risonanza Magnetico Nucleare - ge.infn.itsquarcia/DIDATTICA/FM2/13_NMR.pdf · Schema tomografo alimentatore magnete sorgente principale radio frequenza ricevitore a radio frequenza](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022022800/5c6e1c8009d3f225408c65af/html5/thumbnails/17.jpg)
Tempo di rilassamentoT1 per protoni in tessuti biologici è 0.1-3 s
Se l’altezza del segnale RMN è misurata dopo T1intensità del segnale risulta funzione di T1
e risulta quindi diversa per i differenti nuclei che hanno differenti tempi di rilassamento
T1 dei protoni in tessuto cancerogeno è più lungo di quello dei protoni in tessuto sano
si possono dare rappresentazioni della densitàin cui appare la presenza del tessuto malato
![Page 18: Risonanza Magnetico Nucleare - ge.infn.itsquarcia/DIDATTICA/FM2/13_NMR.pdf · Schema tomografo alimentatore magnete sorgente principale radio frequenza ricevitore a radio frequenza](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022022800/5c6e1c8009d3f225408c65af/html5/thumbnails/18.jpg)
Tempo di rilassamento spin-spinUn’altro parametro è il tempo di rilassamento trasversale T2 ovvero di spin-spin che caratterizza l’allargamento intrinseco della riga di risonanzaNei liquidi (H2O) il rapporto T1/T2 è vicino ad 1in strutture più ordinate e meno mobili (tessuti, proteine) il rapporto T1/T2 assume valori >>1si possono così ottenere mappe per i differenti elementi quali 133Cs, 127I, 39K, 31P, 23Na
chiaramente il valore della frequenza di risonanza è diverso per ciascun tipo di nucleo
![Page 19: Risonanza Magnetico Nucleare - ge.infn.itsquarcia/DIDATTICA/FM2/13_NMR.pdf · Schema tomografo alimentatore magnete sorgente principale radio frequenza ricevitore a radio frequenza](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022022800/5c6e1c8009d3f225408c65af/html5/thumbnails/19.jpg)
Risonanza magnetica nucleareSezione trasversale di una gamba umana
protoni appartenenti a H2O e a gruppi CH2 di acidi grassi usando RF diverse ed i differenti T1
![Page 20: Risonanza Magnetico Nucleare - ge.infn.itsquarcia/DIDATTICA/FM2/13_NMR.pdf · Schema tomografo alimentatore magnete sorgente principale radio frequenza ricevitore a radio frequenza](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022022800/5c6e1c8009d3f225408c65af/html5/thumbnails/20.jpg)
RiscaldamentoStimare l’energia assorbita dal paziente in un’analisi RMN della sezione sagittale mediana della testa (10 kg, 60% H2O)Per ν = 42.6 MHz, B = 1 T e 200 spessori di x = 1 mm ciascunoNH = [2 • (10000 /18) • 0.6 • 6 1023] / 200 = 2 1024 H+
= 6.6 10-34 • 42.6 106 = 2.8 10-26 JE = h ν
Etot = 2 1024 • 2.8 10-26 = 5.6 10-2 Jse Etot = m c ∆T ∆T = 1.2 10-6 °C Insignificante!