La risonanza magnetica nella diagnostica medica

1. Milano, Istituto Lombardo, Accademia di Scienze e Lettere, 20 febbraio 2013 Alessandro Lascialfari Dipartimento di Fisica Universitàdeglistudidi Milano La risonanza magnetica nella diagnostica medica

2. Sommario - Breve excursus storico- Alcuni principi fisici alla base della Risonanza Magnetica Nucleare (RMN o NMR) e Risonanza Magnetica per Immagini (RMI o MRI)- Recenti applicazioni alla medicina Tipico Imager MRI per uso clinico, campo magnetico H = 1.5 Tesla, cioè frequenza di risonanza di circa 63 MHz

3. Tipiche immagini RMI – Risonanza Magnetica per immagini cuore Angiografia ginocchio “total body”

4. Breve excursus storico

5. 1937 Esperimento di Rabi All’interno di un tubo, fasci molecolari attraversano un campo magnetico disomogeneo generato da un magnete Fasci molecolari Generalizzazione dell’esperimento di Stern-Gerlach (dei fasci molecolari) allo scopo di misurare il momento magnetico dei nuclei Stern-Gerlach 1944 Premio nobel a I. Rabi Isidor Isaac Rabi The Nobel Prize in Physics 1944 wasawardedto Isidor Isaac Rabi"forhisresonancemethodfor recording the magneticpropertiesofatomic nuclei".

6. 1945/46 Esperimento di Bloch-Purcell Magnete che genera un campo magnetico statico Il primo esperimento di Risonanza Magnetica Nucleare nella materia condensata (nucleo dell’atomo di idrogeno) Campione di H2O Bobine che generano un campo magnetico a radiofrequenza 1948/50 Esperimenti RMN di Luigi Giulotto (Università di Pavia) L.G. “sentiva” l’effetto di RMN in cuffia…… “bisogna avere fede…” Risultati pubblicati sulla rivista italiana “Il Nuovo Cimento”, purtroppo a scarsa diffusione

7. 1952 Premio nobel a F. Bloch e E. M. Purcell Felix Bloch Edward Mills Purcell The Nobel Prize in Physics 1952 was awarded jointly to Bloch and Purcell "for their development of new methods for nuclear magnetic precision measurements and discoveries in connection therewith" 1950-1970 RMN come tecnica analitica/chimica Spettro 1H NMR dell’alcool etilico (etanolo, CH3CH2OH ) Spettro 13C NMR dell’olio di una pianta (borragine) magnete elettronica

8. 1970-oggi La RMI si afferma grazie allosviluppo degli elaboratori elettronici •1972 Tomografia computerizzata •1973 MRI in retroproiezione - Lauterbur •1975 Immagini per Trasformata di Fourier Imaging - Ernst (phase and frequency encoding) •1977 RMI of the whole body – R. Damadian ; EPI technique – P. Mansfield •1980 Spin-warp FT-MRI demonstrated - Edelstein •1986 Gradient Echo Imaging NMR Microscope •1988 Angiography – O’Donnell & Dumoulin •1989 Echo-Planar Imaging (images at video rates = 30 ms / image) •1991 Premio Nobel per la Chimica - Ernst •1992 RMI funzionale (fMRI) •1994 Hyperpolarized 129Xe Imaging •2003 Premio Nobel per la Medicina – Lauterbur & Mansfield

9. Alcuni principi fisici alla base della RMN/RMI • Il campo magnetico • La struttura atomica e nucleare • Il fenomeno della risonanza • (Momento magnetico e magnetizzazione)

10. Il campo magnetico

11. Il campo magnetico • Grandezza fisica riconducibile ad osservazioni sperimentali di fenomeni naturali : campo magnetico terrestre, forze attrattive e repulsive fra rocce, etc. • Esiste sempre UNA“sorgente” di campo magnetico. Tipico esempio : la calamita • Sorgenti di campo magnetico di interesse : elettromagneti , magneti superconduttori, magneti in genere • E’ all’origine della forza magnetica (e/o viceversa) fra due o più oggetti • Ad oggi esistono molti esempi quotidiani di utilizzo del campo magnetico Levitazione diamagnetica della rana in alti campi magnetici (10 Tesla ; il campo terrestre è 0.00005 Tesla) Il “più grande” magnete del mondo (CERN) Treno a levitazione magnetica Levitazione dovuta a superconduttori ad alta temperatura critica

12. Il campo magnetico Origine del campo magnetico : particelleaventi caricaelettrica in moto Carica elettrica : proprietà intrinseca della materia (cosi come lo è la massa) Corrente elettrica : quantità di carica che per unità di tempo attraversa una sezione di un materiale conduttore Imedia = Q / t Iistantanea = dQ / dt Negli atomi correnti elettroniche circolano attorno al nucleo: Atomo di idrogeno

13. Il campo magnetico dovuto a cariche elettriche circolanti Filo elettrico percorso da corrente : legge di Biot-Savart La limatura di ferro fornisce la direzione del campo magnetico generato dalla corrente che percorre il filo (vista dall’alto) Fra due fili percorsi da corrente : forza magnetica

14. Il campo magnetico dovuto a cariche elettriche che ruotano su se stesse Origine del campo magnetico : particelle aventi carica elettrica in moto Altro tipo di moto di carica che genera un campo magnetico : rotazione di una carica elettrica intorno a un asse Rotazione dell’elettrone e del nucleo su se stessi Rotazione (spinning) dell’elettrone su se stesso : piccola calamita !!

15. SPIN NUCLEARE In definitiva cariche elettriche circolanti o ruotanti su se stesse danno luogo a un momento magnetico e conseguentemente a un campo magnetico. Nei nuclei del momento magnetico si tiene conto attraverso un numero quantico. Si parla di SPIN NUCLEAREproprio per effetto della rotazione della carica

16. Struttura atomica e nucleare

17. Struttura atomica e nucleare Organi  tessuti  molecole  Atomi  nuclei Particelle atomiche e subatomiche

18. Struttura atomica e nucleare Quantizzazione dei Livelli energetici Esempio : atomo di idrogeno ATOMI E NUCLEI SONO SISTEMI QUANTISTICI Un sistema quantistico non può assumere (in modo continuo) tutti i valori di energia

19. Struttura atomica e nucleare Livellidi energiaquantizzati del nucleo : EFFETTO “ZEEMAN” DEL CAMPO MAGNETICO  Momento magnetico di spin Energia LIVELLI DI ENERGIA DEL NUCLEO IN CAMPO MAGNETICO  Momento magnetico di spin Ciascun livello energetico corrisponde a un valore del momento magnetico di spin (deriva dalla rotazione del protone intorno al proprio asse)

20. Il fenomeno della risonanza

21. Il fenomeno della risonanza AMPIEZZA DELLA MOLLA (MAX ALLUNGAMENTO) RISONANZA DELLA MOLLA Se la molla viene “forzata” dall’esterno alla sua frequenza, aumenta l’ampiezza della sua oscillazione

22. Il fenomeno della risonanza • Consiste in una risposta “aumentata” dei sistemi • (molla, chitarra/microfono, ponti, nuclei, elettroni, molecole,…) • sollecitati da una azione esterna • agente a frequenze proprie dei sistemi stessi • Quando si ha risonanza • c’è un picco nella risposta del sistema

23. Il fenomeno della risonanza RISONANZA SONORA : effetto Larsen in chitarre amplificate 20 Hz – 500 Hz

24. Il fenomeno della risonanza RISONANZA MECCANICA : Ponte di Tacoma che oscilla e poi crolla causa vento a circa 67 km/h

25. Il fenomeno della risonanza nucleare Nel nucleo i livelli sono quantizzati quindi il sistema può assorbire energia solo se l’energia fornita dall’esterno è pari alla differenza di energia fra livelli B1 fornisce un “quanto” di energia B1 A questo scopo, dopo aver applicato il campo B0 statico si applica un campo B1, a radiofrequenza, tramite un segnale elettrico inviato su una bobina attorno al “campione”

26. Risonanza Magnetica Nucleare • Due modi equivalenti per descriverla utilizzando la : • Fisica classica • Fisica quantistica • Noi introdurremo soltanto (a grandi linee) • il metodo quantistico

27. Risonanza Magnetica Nucleare • Due modi equivalenti per descriverla utilizzando la : • Fisica classica • Fisica quantistica • Noi introdurremo soltanto (a grandi linee) • il metodo quantistico

28. RMN : apparato di misura Magnete che genera un campo magnetico statico Provetta contentente il campione da misurare Bobine che generano un campo magnetico a radiofrequenza

29. Risonanza Magnetica Nucleare Segnale FID (free induction decay) Segnale originario Segnale trattato Risultato : segnale elettrico da TUTTO il campione raccolto sullo schermo del computer

30. Risonanza Magnetica per Immagini Nella RMN semplice si ha segnale elettrico proveniente da TUTTO IL CAMPIONE Nella RMI si aggiungono gradienti di campo magnetico (cioè una variazione di campo lungo le 3 direzioni xyz) per avere segnali diversi da ciascun punto del campione Campo magnetico 1.5 Tesla cioè frequenza di risonanza di circa 63 MHz

31. Confronto RMI con altre tecniche • RMI: • Non-invasiva • Buonarisoluzionespaziale • Buonarisoluzione temporale • Bassa sensibilità • Agenti : nucleiendogeni • Imaging ottico: • Bassa risoluzione spaziale • Bassa risoluzione temporale • Alta sensibilità • Agenti: molecole luminescenti • Raggi-X (CT): • Buona risoluzione spaziale • Buona risoluzione temporale • Bassa sensibilità • Agenti : raggi-X Medicina Nucleare: * Bassa risoluzione spaziale * Bassa risoluzione temporale * Alta sensibilità * Agenti : radionuclidi

32. Risonanza Magnetica per Immagini Nella RMI si ha : 1) Campo magnetico B0 statico (come in RMN) 2) Campo magnetico B1a rf (come in RMN) 3) gradienti di campo magnetico (diverso da RMN) 4) un potente computer per programmare le sequenze di impulsi elettrici a radiofrequenza da inviare alla bobina che avvolge il corpo e per l’elaborazione di immagini

33. Risonanza Magnetica per Immagini Ruolo dei gradienti di campo magnetico : Far “risuonare” i nuclei a frequenze diverse punto per punto nello spazio in modo da differenziare il segnale elettrico proveniente da punti diversi del corpo e quindi creare una immagine in tonalità di grigi

34. Immagini RMI Segnale elettrico ottenuto con uno spettrometro RMN abbinato a gradienti di campo magnetico

35. Immagini RMI • I segnali vengono trasformati in immagini tramite opportune • operazioni matematiche (Trasformata di Fourier, etc.) • - Da punti diversi nello spazio (voxel, elemento di volume) • proviene un segnale diverso • Diverse tonalità di grigio  diverse intensità del segnale elettrico • - Si possono poi colorare artificialmente al computer

36. RMI : metodo “tensore di diffusione” Studio della : (1) Connettività cerebrale ; (2) Influenza della materia bianca Le fibre sono colorate a seconda della direzione : rosso=sx-dx, verde=anteriore-posteriore, blue=attraverso tutto. Cervello di scimmia

37. Immagini “funzionali” con RMI In tempo reale, si possono studiare : • Reazioni a stimoli visivi, acustici, sensoriali in genere • Funzionalità regolari (es. metabolismo) dell’organismo • Funzionalità compromesse

38. Imaging funzionale con MRI Cervello di scimmia in tempo reale Cine-MRI ...malformazioni cardiache Finger tapping

39. Neurochirurgia BOLD fMRI indica ai chirurghi la localizzazione di aree sensorie e motorie ‘critiche’ perché vicine ai tessuti da operare T2; iperintensa lesione paramediana Movimento piede sinistro Movimento mano sinistra

40. RMI per operazioni chirurgiche • Neuro Arm: robot per operazioni chirurgiche con visione RMI in tempo reale

41. Psichiatria Schizofrenia: deficit cognitivi nei domini del lobo frontale Stimolazione di tali domini con la ripetizione a memoria di parole MALATI SANI

42. Farmacologia Attività cerebrale in seguito ad uno stimolo termico applicato alla pelle …. e dopo l’ infusione di reminfetamil, un farmaco che limita il dolore

43. Determinazione dello stato di consapevolezza di pazienti in stato vegetativo … pazienti in stato vegetativo rispondono a stimoli esterni come persone sane … PAZIENTE CONTROLLO

44. The end Any questions ??