NMR- IMAGING
(3° parte)
“Tecniche chimico-fisiche in ambito sanitario”
Dott.ssa Isabella Nicotera
TECNICHE AVANZATE DI IMAGING
Imaging Volumetrico (3-D Imaging)
L'imaging volumetrico è l'acquisizione dei dati di risonanza magnetica da un volume
piuttosto che da una fetta, volume che e' possibile immaginare come un insieme di
molte fette contigue di una regione dell'oggetto esaminato.
Il numero di fette contigue sarà sempre un multiplo di 2.
Single Slice
Contiguous Slices
Imaging Volumetrico (3-D Imaging)
C’è un impulso RF di selezione del volume
e un gradiente che ruota i soli spin del
volume dell’oggetto da esaminare.
Questa combinazione di impulsi è del
tutto simile a quella per la selezione
di una fetta tranne che per lo
spessore della fetta che può essere di
10 o 20 cm.
Imaging Volumetrico (3-D Imaging)
Gli impulsi per la selezione del volume sono
seguiti da un gradiente di codifica della fase
nella dimensione 1
e da un altro nella dimensione 2.
Ognuno di questi varia da un valore minimo ad
uno massimo con incrementi di uguale misura,
proprio come tutti i gradienti di codifica di
fase.
I due impulsi di gradiente vengono applicati nello stesso istante e sono ripetuti per
tutte le possibili combinazioni (cioè per ogni valore di GФ nella dimensione 2 si
registrano tutti i passi nella dimensione 1).
Imaging Volumetrico (3-D Imaging)
Il gradiente di codifica in frequenza
ha il suo lobo di defasamento negativo
tale da mettere in fase gli spin al
centro della finestra di acquisizione.
Applicato il gradiente di codifica in
frequenza (positivo), viene registrato
un segnale, proprio come visto nelle
sequenze precedenti di gradient echo.
Il tempo di imaging e' uguale al
prodotto di TR volte il numero di
incrementi della codifica di fase nella
dimensione 1 per il numero di
incrementi nella dimensione 2.
A causa di questi tempi molto lunghi
che per l'imaging volumetrico viene
tipicamente utilizzata una sequenza
gradient echo.
Imaging Fast Spin-Echo
Questa sequenza utilizza la possibilità
di ottenere un elevato numero di echi
contemporaneamente.
E’ una sequenza spin-echo a multiplo
echo in cui diverse porzioni dello
spazio-k sono registrate da differenti
spin-echo.
La sequenza è costituita da un primo
impulso di 90 seguito da un prescelto
numero di impulsi di 180° tra loro
ritardati di .
Il ritardo del primo impulso di 180°
rispetto all’impulso di 90° è /2.
In questo modo gli echi risulteranno
tra loro distanziati di .
Scelto un gruppo di echi, si può
applicare un gradiente di codifica di
fase diverso per ciascun eco del gruppo
e, quindi, avere in una sola eccitazione
più linee contemporaneamente.
Imaging Fast Spin-Echo
Ad esempio, si voglia utilizzare una
sequenza spin echo a 4 echi con un TE di
15 ms. Lo spazio-k verrà diviso in 4
sezioni.
Il primo echo è' utilizzato per riempire
la parte centrale dello spazio-k, linee 96160.
Il secondo echo è' utilizzato per le linee
64-96 e 160-192.
Il terzo echo riempie le linee 32-64 e
192-224.
L'ultimo echo riempie le linee 1-32 e
224-256 dello spazio-k.
Il beneficio della tecnica sta nel fatto
che
un'immagine
mostrato
completa,
nell'esempio,
può
registrata in un quarto del tempo.
come
essere
ECHO PLANAR IMAGING (EPI)
La sequenza EPI è un procedimento di acquisizione delle immagini molto veloce;
permette di acquisire contemporaneamente tutte le linee in una sola eccitazione
(shot), cioè è in grado di produrre immagini tomografiche a frequenza video.
Nell‘MRI, lo spazio-k equivale allo spazio definito dalle direzioni della codifica di
frequenza e di fase. Le sequenze convenzionali registrano una linea dello spazio-k ad
ogni passo della codifica di fase. Poiché si ha un passo della codifica di fase ogni TR
secondi, il tempo richiesto per la produzione dell'immagine è dato dal prodotto di TR
per il numero di passi della codifica di fase.
L'imaging echo planare registra tutte le linee dello spazio-k in un singolo TR.
Diagramma temporale
ECHO PLANAR IMAGING (EPI)
C'è un impulso RF a 90 di selezione di una
fetta che viene applicato insieme ad un
gradiente di selezione della fetta.
o
Vi sono un impulso di gradiente di codifica di
fase iniziale e un impulso di gradiente di
codifica di frequenza iniziale per posizionare
gli spin nell'angolo dello spazio-k.
Segue un impulso a 180°.
Le direzioni della codifica di fase e di
frequenza sono alternate cosi' da scandire
l'intero spazio-k.
Cio' equivale a mettere 128 o 256 gradienti di
codifica di fase e frequenza nel consueto
periodo di registrazione dell'echo.
ECHO PLANAR IMAGING (EPI)
Se
zoomiamo
in
questa
regione
del
diagramma temporale, apparirà più chiaro:
c'e' un gradiente di codifica di fase,
seguito da un gradiente di codifica di
frequenza,
durante
il
quale
viene
registrato un segnale.
Poi c'e' un altro gradiente di codifica di fase
seguito
dal
frequenza
di
gradiente
polarità
di
codifica
inversa
per
di
la
formazione del segnale di eco (Gradient
echo)
durante il quale viene registrato un segnale.
ECHO PLANAR IMAGING (EPI)
Guardando la traiettoria dello spazio-k nello stesso momento in cui zoomiamo nell'area
del gradiente di codifica di fase e frequenza, possiamo vedere come i gradienti
tracciano lo spazio-k.
La velocita' con la quale lo spazio-k viene attraversato e' cosi' rapida che e' possibile,
a seconda della dimensione della matrice di acquisizione, ottenere da 15 a 30 immagini
al secondo. Questa e' l'acquisizione a frequenza video.
ECHO PLANAR IMAGING (EPI)
ECHO PLANAR IMAGING (EPI)
Quando l'imaging echo planare venne sviluppato, si pensò che avrebbe avuto un grande
impatto nel produrre immagini di risonanza magnetica in tempo reale.
La sua più grande applicazione apparve essere nell'area dell'MRI funzionale del
cervello.
L'imaging funzionale permette di visualizzare quali zone del cervello stanno “lavorando”
durante lo svolgimento di un determinato compito. Durante l'attività cerebrale c'è un
rapido momentaneo incremento di flusso sanguigno in specifici centri del cervello
deputati al pensiero.
L'incremento di circolazione sta a significare che c'è un incremento di ossigeno che, in
quanto paramagnetico, ha effetto sul T1 e sul T2 dei tessuti locali del cervello; la
differenza in T1 e T2 rispetto ai tessuti circostanti determina un contrasto tra i
tessuti.
ECHO PLANAR IMAGING (EPI)
Imaging Chemical Shift (Soppressione del grasso)
L'imaging chemical shift e' la produzione di un'immagine con una sola
componente di chemical shift in un dato campione.
Ad esempio, se l'oggetto da esaminare e' composto da idrogeni dell'acqua e
del grasso, ognuno con un diverso chemical shift, un'immagine chemical shift
sarebbe un'immagine sia dell'acqua che del grasso dell'oggetto.
Dal momento che la maggior parte dell'imaging chemical shift routinario e'
fatto per sopprimere il segnale proveniente dal grasso, la tecnica viene
spesso definita come imaging a soppressione del grasso.
Ci sono molti metodi per eseguire l'imaging chemical shift, due dei quali, il
metodo inversion recovery ed il metodo "di saturazione“.
Imaging Chemical Shift (Soppressione del grasso)
Nel metodo
inversion recovery
Inversion recovery
viene utilizzata una sequenza di imaging inversion
recovery con un tempo TI pari a T1ln2, essendo T1 il tempo di rilassamento spinreticolo della componente che si desidera sopprimere (per la soppressione del grasso
questa componente e' il grasso, per l'acqua la componente e' l'acqua).
Questa tecnica e' applicabile solo quando i valori dei T1 delle due componenti sono
diversi.
Imaging Chemical Shift (Soppressione del grasso)
Inversion recovery
l’ impulso di preparazione di 180° predispone
la magnetizzazione al valore -Mz per il
successivo impulso di eccitazione di 90°
Il ritardo TI tra il preimpulso e quello di
eccitazione, caratterizza il segnale rilevato
e, quindi, l’immagine
Imaging Chemical Shift (Soppressione del grasso)
Inversion recovery
Imaging Chemical Shift (Soppressione del grasso)
Nel
metodo "di saturazione"
saturazione
viene applicato un impulso di saturazione selettivo
di una frequenza prima di far partire gli impulsi di una sequenza standard, ad esempio
una sequenza spin-echo.
L'impulso di saturazione azzera la magnetizzazione della componente che desideriamo
sopprimere. Quando parte la sequenza di imaging standard non vi e' alcun segnale
proveniente dalla componente soppressa.
Imaging Chemical Shift (Soppressione del grasso)
L'impulso di saturazione consiste in un
impulso selettivo di una frequenza che
causa
l'azzeramento
della
magnetizzazione Z per uno specifico
chemical shift.
Nel caso di una sequenza di saturazione
per il grasso, questo composto chemical
shift è il grasso.
Nell'esempio
questo
impulso
di
saturazione e' seguito da una sequenza
spin-echo.
Questo
impulso
e'
seguito
da
un
gradiente di defasamento per forzare a
zero la magnetizzazione trasversa di
questa componente del chemical shift.
Imaging dei flussi
L’imaging dei flussi (Angiografia MR) è l’imaging del sangue che fluisce nelle
arterie e nelle vene del corpo.
In passato l’angiografia era eseguita solo introducendo un contrasto
radiopaco nel corpo e facendo una radiografia. Questa procedura generava
una mappa dei vasi sanguigni del corpo. Non veniva però generata un’immagine
nella quale si distinguesse un flusso “stazionario” da quello “in movimento”.
Era dunque una tecnica poco adeguata per l’imaging dei problemi circolatori.
L’angiografia a risonanza magnetica (MRA) invece produce immagini di
flussi sanguigni in movimento. L’intensità in queste immagini è
proporzionale alla velocità del flusso.
Ci sono 3 principali tipi di MRA:
time-of-flight
angiografia phase contrast
angiografia contrast enhanced
Angiografia Time-of-Flight
L’angiografia time-of-flight può essere eseguita in diversi modi.
Un metodo utilizza una sequenza spin-echo in cui gli impulsi a 90° e 180° di selezione
della fetta hanno frequenze diverse.
L’impulso a 90° eccita gli spin in un piano; l’impulso a 180° eccita gli spin di un altro piano.
In assenza di flusso, non c’è segnale perché nessuno spin subisce entrambi gli impulsi di
90° e 180°.
Quando il sangue subisce l’impulso a 90° e non quello a 180°, non viene osservato alcun echo.
Angiografia Time-of-Flight
In presenza di flusso e di un corretto TE, il sangue proveniente dal piano di 90°
fluisce in quello di 180° e produce un’echo.
Se la localizzazione della fetta dell'impulso a 180o viene fatta combaciare con la posizione
del sangue che ha subito l'impulso a 90o, soltanto quel sangue contribuira' al segnale di
echo.
Angiografia Phase Contrast
L’angiografia phase contrast è un po’ più complicata. Il primo nuovo concetto da capire è
quello di un impulso bipolare di gradiente di campo magnetico (GBP).
Un impulso di gradiente bipolare è quello in cui il gradiente viene acceso in una direzione
per un periodo di tempo e poi acceso nella direzione opposta per un tempo equivalente.
Un impulso di gradiente bipolare positivo ha prima il lobo positivo
e un impulso di gradiente bipolare negativo ha prima il lobo negativo
L’area sotto il primo lobo dell’impulso di gradiente deve eguagliare quella del secondo
Angiografia Phase Contrast
Un impulso di gradiente bipolare non ha un effetto risultante sugli spin stazionari,
mentre avrà effetto su quegli spin che hanno una componente della velocità nella
direzione del gradiente.
Per esempio, uno spin stazionario esposto al primo lobo dell’impulso di gradiente bipolare acquisterà
una fase in radianti data da:
 A  2  xGBP dt
e relativamente al secondo lobo:
B  2  xGBP dt
Se vengono eseguite due sequenze di imaging in cui la prima ha un impulso di gradiente bipolare
positivo e la seconda un impulso di gradiente bipolare negativo, e i dati grezzi delle due
sequenze sottratti, i segnali provenienti dagli spin stazionari saranno cancellati mentre quelli
relativi a spin in movimento (flusso) addizionati.
Angiografia Phase Contrast
L’effetto risultante sarà un’immagine
degli spin in movimento.
La direzione del gradiente bipolare
produce segnale proveniente solo da
quegli spin con una componente lungo
quella direzione.
Angiografia Phase Contrast
Qui ci sono 2 esempi di immagini MRA. La prima è la proiezione coronale del flusso della testa.
La seconda è una proiezione assiale del cervello.
Angiografia Contrast Enhanced
L’angiografia contrast enhanced si basa sulla differenza del tempo di rilassamento T1
del sangue e del tessuto circostante quando viene iniettato nel sangue un mezzo di
contrasto paramagnetico.
Questo contrasto riduce i tempi di rilassamento T1 dei fluidi nei vasi sanguigni rispetto
ai tessuti circostanti.
Quando vengono raccolti i dati con un valore di TR breve, il segnale proveniente dai
tessuti circostanti i vasi sanguigni è molto piccolo a causa del suo lungo T1 e breve TR.
Le immagini provenienti dalla regione di interesse vengono registrate con sequenze di
imaging volumetrico veloci.
L’alta qualità delle immagini dell’angiografia MR contrast enhanced ha reso la MRI
la tecnica di scelta per l’angiografia.
QUANTE e QUALI SEQUENZE ANCORA ?
NUMEROSE ALTRE SEQUENZE SONO DISPONIBILI PER PARTICOLARI
FINI DI IMAGING TUTTE BASATE SUGLI SCHEMI CONCETTUALI
FONDAMENTALI ILLUSTRATI
I NOMI (ACRONIMI) DI QUESTE SEQUENZE NON SONO
UNIFICATI
LA
STESSA
SEQUENZA
PUO’
TROVARSI
DENOMINATA
DIVERSAMENTE DALLE VARIE CASE COSTRUTTRICI DI TOMOGRAFI
RM
Bibliografia
Basi di MNR: vari testi tra cui Barrow, Corey, Harris….etc.
NMR-Imaging :
1) “NMR Imaging of Materials”
Bernhrad Blumich, Ed. Oxford Science
Pubblications
2) http://www.cis.rit.edu/htbooks/mri/contents-i.htm
3) Lezioni in ppt