Diapositiva 1

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Corso Techine chimico-fisiche in ambito
sanitario Dott.ssa I. Nicotera
NMR- IMAGING (1 parte)
Altisonante
Misterioso
Inquietante

• Nucleare

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Cronologia NMR

• 1945 Prima osservazione di un segnale
  NMR Bloch e coll. Stanford Un. (1H in
  H2O) Purcell e coll. Harvard Un. (1H in
  paraffina) (nobel 1952)
• 1950 Scoperta del Chemical Shift
• 1961 Primo spettrometro commerciale CW
• 1970 Primo spettrometro commerciale FT
• 1976 Primi esperimenti 2D ( Ernst 1991 Nobel)
• 1980 Spettrometri NMR di II generazione

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• Risonanza magnetica imaging (MRI)

la MRI e' una modalità di imaging usata
principalmente per costruire immagini a partire
dal segnale NMR proveniente dagli atomi di
idrogeno presenti nell'oggetto esaminato. Nell'MRI
medica, i radiologi sono per lo più interessati
al segnale NMR proveniente da acqua e grasso,
essendo questi i componenti del corpo umano che
contengono le maggiori quantità di idrogeno.
L energia coinvolta nelle transizioni NMR è
minima rispetto alle energie coinvolte nelle
emissioni di raggi X e gamma (1-100 Kev). In un
campo magnetico di 1 Tesla, il dislivello di
energia tra i protoni paralleli e antiparalleli è
1.759 x 10-7 eV
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Frequenze degli spettrometri NMRusati per alta
risoluzione
? B0 200 MHz 4.7 T 300
MHz 7 T 400 MHz 9.4 T 500 MHz
11.7 T 600 MHz 14 T 900 MHZ 21 T
1 T 43 MHz
In MRI medica normalmente si utilizzano
spettrometri da 1-2 T
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La Risonanza Magnetica Nucleare è emersa come un
nuovo strumento non distruttivo e non invasivo
per lo studio del metabolismo e della struttura
anatomica di sistemi biologici intatti.
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MRS in vivo e MRI (imaging)

• Sono due tecniche molto conosciute per il loro
  utilizzo in campo biomedico ma in realtà possono
  essere usate in moltissimi campi scientifici.
• I principi fisici fondamentali sono gli stessi
  dellNMR in alta risoluzione ma le tecniche, la
  strumentazione e i dati ottenuti da questi
  esperimenti sono molto differenti.

• La prima differenza è la scomparsa del termine
  NUCLEARE dal nome delle tecniche!!!!!
• Le differenze fondamentali derivano dalle
  diversità dei campioni da analizzare
• - omogenei in NMR alta risoluzione -
  assolutamente eterogenei in MRI

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MRS in vivo
Tra le tecnologie emergenti della Medicina di
laboratorio, la spettroscopia di risonanza
magnetica in vivo (MRS) è particolarmente
innovativa perché consente di esplorare
direttamente sul paziente e in modo non invasivo
la concentrazione intracellulare di alcuni
intermedi metabolici e la funzionalità di diverse
vie metaboliche.
Invece di ottenere immagini dettagliate di
tessuti con la MRS possiamo ottenere gli spettri
di composti biochimici presenti allinterno di
questi tessuti!
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(No Transcript)
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• Con la spettroscopia RM del fosforo (31P-MRS)
• ATP
• fosfato inorganico (Pi)
• fosfocreatina (PCr)
• intermedi metabolici fosforilati (PME e PDE)
• concentrazione di Mg2
• pH intracellulare

Si valuta la funzionalità di fosforilazione
ossidativa, glicogenolisi, glicolisi ..

• Con la spettroscopia RM del protone (1H-MRS)
• n-acetilaspartato (NAA)
• colina (Cho)
• creatina fosfocreatina (Cr)
• glutammato e glutammina (Glx)
• mio-inositolo (m-I) e acido lattico (LA)

Si valuta la funzionalità di sistema
glutamminergico, metabolismo energetico, la
osmoregolazione del SNC .
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In vivo 31P NMR di Corynebacterium glutamicum
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• MRI
• il segnale NMR
• I principali parametri che influenzano il segnale
  NMR sono
• densità dei nuclei
• tempi di rilassamento T1 e T2
• diffusione dei nuclei
• chemical shift
• presenza di materiali che modificano il campo
  magnetico locale

Le immagini MR di routine sono ottenute in modo
da rappresentare prevalentemente T1, T2 e
D utilizzando sequenze di impulsi opportune
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Vista della sezione orizzontale e verticale di un
tubo NMR riempito di acqua e con una barretta di
plastica al centro
XY
YZ
ma!!!.come si ottengono queste immagini?
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Per esempio, assumete che una testa umana
contenga solo tre piccole regioni distinte in cui
c'e' densità di spin di idrogeno. (in realtà
l'intera testa genererebbe un segnale
NMR) Quando queste regioni di spin subiscono la
stessa forza del campo magnetico, nello spettro
NMR ritroviamo un solo picco.
Questo solo picco non dà alcuna informazione
sulla posizione delle tre regioni
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Gradienti di campo magnetico Un gradiente di
campo magnetico e' quello che ci permetterà di
differenziare le loro posizioni. Un gradiente di
campo magnetico e' una variazione del campo
rispetto ad una direzione un gradiente di campo
magnetico mono-direzionale lungo l'asse x in un
campo magnetico Bo indica che il campo magnetico
va aumentando lungo la direzione x.
La lunghezza dei vettori rappresenta l'intensità
del campo magnetico. I simboli per un gradiente
di campo magnetico nelle direzioni x, y, z sono
rispettivamente Gx, Gy e Gz
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Gradients
?(x) numero di nuclei localizzati a x dal
centro del gradiente x posizione degli spin
FT (from t to ?(x) domain)
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Frequency Encoding (codifica di frequenza)

• sample 3 water tubes
• no gradient

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Frequency Encoding (codifica di frequenza)

• sample 3 water tubes
• gradient on
• quad detection

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La codifica di frequenza fa sì che la frequenza
di risonanza sia proporzionale alla posizione
dello spin. n g ( Bo x Gx ) no g x Gx
x ( n - no ) / ( g Gx ) Questo principio e'
alla base di tutta l'MRI
Se un gradiente di campo magnetico lineare viene
applicato alla nostra ipotetica testa con sole
tre regioni contenenti spin, le tre regioni
subiranno campi magnetici diversi. Il
risultato e' uno spettro NMR con piu' di un
segnale. L'ampiezza del segnale e' proporzionale
al numero degli spin in un piano perpendicolare
al gradiente.
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Imaging tomografico con retroproiezione
Fu una delle prime tecniche di MRI E' una
estensione della procedura di codifica in
frequenza viene applicato un gradiente di campo
monodimensionale a varie angolazioni e per
ciascuno di questi viene registrato lo spettro
NMR. Una volta registrati tutti i dati nella
memoria del computer, questi possono essere
retroproiettati nello spazioe limmagine risulta
visibile.
L'attuale schema di retroproiezione e' chiamato
trasformata inversa di Radon
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In una sequenza di imaging convenzionale 90-FID
la procedura di retroproiezione può essere
applicata con l'aiuto della seguente sequenza di
impulsi
La variazione dell'angolo ? del gradiente e'
realizzata mediante l'applicazione di
combinazioni lineari di due gradienti. Vengono
applicati dei gradienti lungo Y e X nelle
seguenti proporzioni per ottenere il gradiente Gf
di codifica in frequenza richiesto
Gy GF sen ? Gx GF cos ?
Affinché la tecnica di retroproiezione sia una
tecnica di imaging tomografico attuabile,
dobbiamo avere l'abilita' di selezionare gli spin
in un sottile strato (fetta). Il gradiente Gz
serve a questo scopo. Quindi, come viene
effettuata la selezione di una fetta?
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SLICE SELECTION La selezione della fetta, o
slice, in MRI è la selezione degli spin in un
piano del campione (piano di immagine). Il
principio alla base della selezione della fetta è
spiegato dallequazione di risonanza che tiene
conto delle variazioni di campo in funzione della
posizione. La selezione è realizzata applicando
un gradiente di campo magnetico lineare
mono-direzionale durante il periodo in cui è
applicato limpulso a radiofrequenza. Limpulso a
90 , applicato contemporaneamente con un
gradiente di campo magnetico, ruoterà gli spin
che sono localizzati in una fetta del campione.
La figura mostra schematicamente la procedura di
slide selection, dove in un cubo, formato da
piccoli vettori che danno origine ad una
magnetizzazione netta, solo una parte degli spin
sono eccitati (slide selection).
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SLICE SELECTION
Il gradiente di selezione della fetta è diretto
lungo lo stesso asse z. Gli impulsi RF faranno
ruotare solamente quei pacchetti di spin nel cubo
che soddisfano la condizione di risonanza. Questi
pacchetti di spin sono localizzati, in questo
esempio, in un piano xy. La localizzazione del
piano lungo l'asse z rispetto all'isocentro è
data da
B(z) Gs z B0 ?(z) ? Gs z ? B0 ? Gs z
?0 ?z ?? / ? Gs
Dove ?n e' la differenza di frequenza rispetto a
no ( i.e. n - no ), Gs è l'intensità del
gradiente di selezione della fetta e g il
rapporto giromagnetico
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slice selection impulso a 90 Per capire tale
procedura si deve esaminare il contenuto in
frequenza di un impulso a 90. Infatti, dal
teorema di convoluzione deriva che un impulso a
90 contiene un certo intervallo di frequenze e
inoltre, il contenuto in frequenza dellimpulso
può avere diverse forme. L'applicazione di un
impulso a 90 di forma quadrata, con un gradiente
di campo magnetico nella direzione x, ruoterà di
90 spin in un piano perpendicolare all'asse x.
Tuttavia, questa forma dellimpulso ha lo
svantaggio di non riuscire a ruotare tutti gli
spin selezionati, in altre parole non riesce a
definire perfettamente i contorni della slice.
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slice selection impulso sinc Una soluzione alla
scarsa definizione del profilo della fetta è
modellare l'impulso a 90 con la forma di un
impulso sinc. Un impulso sinc ha una
distribuzione di frequenza ad onda quadra.
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• quindi
• un'immagine tomografica di retroproiezione può
  essere ottenuta con l'applicazione dei seguenti
  impulsi
• un impulso a 90, modellato come impulso sinc,
  e' applicato in congiunzione con
• un gradiente di selezione della fetta
• un gradiente di codifica in frequenza viene
  applicato una volta che il gradiente di selezione
  della fetta viene spento. Il gradiente di
  codifica in frequenza e' composto, in questo
  esempio, da una coppia di gradienti Gx e Gy.
• I FID sono trasformati secondo Fourier per
  produrre lo spettro nel dominio delle frequenze,
  che viene poi retroproiettato per produrre
  l'immagine.

La tecnica di retroproiezione e' altamente
istruttiva ma non viene di fatto mai utilizzata
al giorno d'oggi. Vengono invece usate le
tecniche basate sulla trasformata di Fourier.