Rezonanta magnetica nucleara APIM11-1

Rezonanta magnetica nucleara (RMN) Fenomen fizic studiul spectroscopic al proprietatilor magnetice ale nucleului Protonii si neutronii au camp magnetic propriu datorita spinului lor si distributiei sarcinii electrice proprii Valorile numarului de spin sunt discrete: 0, ½, 1, 1½,... Se obtin date spectroscopice referitoare la un material situat in camp magnetic puternic APIM11-2

Rezonanta magnetica nucleara (RMN) Din 1940 detectarea si analiza RMN a fost introdusa ca metoda de cercetare analitica in chimie si biochimie In anii 1970 s-a constatat ca utilizarea gradientului de camp magnetic permite localizarea semnalului dat de RMN si pot fi captate proprietatile magnetice ale protonilor Pe la jumatatea anilor 1980 a devenit o ramura a imagisticii medicale APIM11-3

Magnetism O proprietate fundamentala a materiei Generat de purtatorii de sarcina electrica in miscare Atomii cu numar par de orbite electronice nu au camp magnetic propriu Atomii cu numar impar de orbite electronice au camp magnetic propriu APIM11-4

Magnetism (2) Susceptibilitatea magnetica = gradul in care un material se magnetizeaza Materiale diamagnetice sensul campului magnetic indus este opus campului magnetic extern (Ca, apa, majoritatea subst. organice (C si H)) paramagnetice - sensul campului magnetic indus are acelasi sens cu campul magnetic extern; nu prezinta magnetism propriu (O 2, unii produsi ai sangelui, subst. de contrast pe baza de gadoliniu) feromagnetice intensifica campul extern; de multe ori au magnetism propriu (Fe, Co, Ni) APIM11-5

Magnetism (3) Dipoli Inductia magnetica B Tesla (T) Gauss (G): 1 T=10 000 G Campul terestru 1/20000 T APIM11-6

Caracteristicile magnetice ale nucleului atomic Caracteristici Neutron Proton Masa (kg) 1,674 10-27 1,672 10-27 Sarcina (Coulomb) 0 +1,602 10-19 Moment magnetic (Joule/Tesla) -9,66 10-27 1,41 10-26 Numărul de spin 1/2 1/2 daca numarul de neutroni si protoni este par -> moment mag. nul daca numarul de neutroni este par si si cel de protoni este impar, sau invers -> moment mag. diferit de zero (insuficient de puternic pentru masurare) APIM11-7

Nucleu Caracteristicile magnetice ale Număr de spin diferitelor elemente Abundenţă izotopică % Moment magnetic Concentraţie fiziologică relativă Sensibilitate relativă 1 H 1/2 99,98 2,79 100 1 16 O 0 99,0 0 50 0 17 O 5/2 0,04 1,89 50 9 10-8 19 F 1/2 100 2,63 4 10-6 3 10-8 23 Na 3/2 100 2,22 8 10-2 1 10-4 31 P 1/2 100 1,13 7,5 10-2 6 10-5 APIM11-8

Momentul magnetic Campul magnetic al protonului Momentul magnetic (M) APIM11-9

Momentul magnetic (2) Orientarea aleatoare Orientarea in camp magnetic extern (paralel- nivel energetic scazut; antiparalel nivel energetic mai ridicat) APIM11-10

Momentul magnetic (3) La 0 K toti protonii se orienteaza paralel cu campul magnetic exterior) Cresterea campului magnetic -> cresterea numarului de protoni aliniati paralel cu acesta, creste diferenta dintre cele doua niveluri energetice La temp. fiziologica, in camp de 1 T, numarul de protoni de energie scazuta in exces este de 2 spini la 1 milion (2 10-6 ) -> intr-un voxel, 10 21 protoni, sunt cu 2 10-6 10 21 =2 10 15 mai multi protoni aliniati paralel cu campul -> camp detectabil APIM11-11

Momentul magnetic (4) APIM11-12

Miscarea de precesie (1) Pe langa orientarea paralela cu liniile de camp apare si o miscarea de precesie a momentului magnetic APIM11-13

Miscarea de precesie (2) APIM11-14

Miscarea de precesie (3) frecventa miscarii de precesie este proportionala cu inductia campului magnetic: 0 B 0 de unde frecventa (de ordinul MHz) (frecventa Larmor): f 0 B0 2 - unde γ este raportul giromagnetic, specific fiecarui element APIM11-15

Raportul giromagnetic Nucleu γ/2π (MHz/T) 1 H 42,58 13 C 10,7 17 O 5,8 19 F 40,0 23 Na 11,3 31 P 17,2 APIM11-16

Campul magnetic utilizat Inductia 1 H 31 P 0,15T f=42,58mhz/t 0,15T = 6,39MHz f=17,2mhz/t 0,15T =2,58MHz 0,5T f=42,58mhz/t 0,5T =21,29MHz f=17,2mhz/t 0,5T =8,6MHz 1,5T f=42,58mhz/t 1,5T =63,87MHz f=17,2mhz/t 1,5T =25,8MHz 3,0T f=42,58mhz/t 3,0T =127,74MHz f=17,2mhz/t 3,0T =51,6MHz efectuarea unei excitari selective a diferitelor elemente -> precizie ridicata a masurarii inductiei magnetice si a frecventei in zona de interes, precizia de masurare a frecventei de spin este de 10-12 MHz APIM11-17

Campul magnetic perpendicular Este nul Un impuls de radiofrecventa cu frecventa egala cu frecventa de precesie (camp magnetic B 1 de-a lungul axei Ox)-> aport de energie -> protonii cu energie joasa (paraleli cu campul) trec in starea cu energie ridicata (antiparaleli cu campul) La incetarea impulsului sistemul revine la starea initiala -> genereaza camp electromagnetic -> semnal RMN Valorile campului magnetic extern sunt cuprinse intre 0,5 si 7 T APIM11-18

Rezonanta si excitatie (1) APIM11-19

Rezonanta si excitatie (2) Semnal de inductie libera (free induction decay FID) APIM11-20

Rezonanta si excitatie (4) Impuls de 90 Impuls de 180 APIM11-22

Rezonanta si excitatie (5) + APIM11-23

Rezonanta si excitatie (7) Efectul impulsului RF asupra vectorului de magnetizatie APIM11-25

Constante de relaxare (1) Constanta de relaxare longitudinala T 1 timpul necesar ca magnetizarea longitudinala M z sa revina la valoarea de 63% din valoarea initiala, dupa ce s-a aplicat un implus de 90 Constanta de relaxare transversala T 2 atenuarea oscilatiei libere datorata interactiunii spin-spin; este exponentiala si este tipica fiecarui element T 1 > T 2 APIM11-27

Constante de relaxare (2) APIM11-28

Relaxarea longitudinala T 1 magnetizarea longitudinala M z paralela cu B 0 - tranzitia protonilor intre nivelurile energetice de la E 1 la E 2 (paraleli->antiparaleli) si revenirea de la E 2 la E 1 excitarea prin impuls de RF de 90 -> absorbtie de energie, disparitia M z - stare instabila incetarea impulsului = revenirea la starea stabila, M z creste progresiv, are loc relaxarea longitudinala (relaxare spin-retea, relaxare T 1 ) APIM11-29

Relaxarea longitudinala T 1 - relaxarea longitudinala creste cu cresterea lui B 0 APIM11-30

Relaxarea longitudinala T 1 variaza cu structura moleculara: este mai lung pentru lichide comparativ cu solidele (500 1000 ms) relaxarea spin retea este cu atat mai eficace cu cat frecventa coliziunilor este mai apropiata de frecventa de rezonanta Larmor este mai scurt in tesuturile grasoase - molecule mari, lente este mai lung in apa molecule mici, rapide cu cat lichidul este mai pur cu atat T 1 creste; prezenta proteinelor in lichid scurteaza T 1 infiltratia hidrica in tesut (tumoare, edem, infarct) prelungeste T 1 Secvente ponderate in T 1 APIM11-31

Relaxarea transversala T 2 magnetizarea transversala M xy perpendiculara pe B 0 - sincronizarea si defazarea spinilor excitarea prin impuls de RF de 90 -> aparitia M xy prin sincronizarea spinilor incetarea impulsului -> defazarea rapida a protonilor (pierderea coerentei de faza a protonilor), M xy descreste rapid, are loc relaxarea transversala (relaxare spin-spin, relaxare T 2 ) APIM11-32

Relaxarea transversala T 2 - relaxarea transversala nu depinde de cresterea lui B 0 APIM11-33

Relaxarea transversala T 2 relaxarea spin spin este consecinta interactiunii protonilor intre ei datorita neomogenitatii campului magnetic de origine moleculara APIM11-34

Relaxarea transversala T 2 fenomenul de relaxare transversala nu implica schimburi de energie variaza cu structura moleculara: este mai lung pentru lichide comparativ cu solidele sau tesuturile formate din molecule mari (50-100 ms) este mai lung in apa molecule mici, rapide produc o anulare a campurilor locale -> absenta relativa a micilor campuri magnetice locale care favorizeaza rel. trans. este mai scurt in solide sau in cazul moleculelor mari infiltratia hidrica in tesut (tumoare, edem, infarct) prelungeste T 2 Secvente ponderate in T 2 APIM11-35

Valori constante de relaxare Ţesut T1; 0,5T(ms) T1; 1,5T(ms) T2 (ms) Ţesut adipos 210 260 80 Ficat 350 500 40 Muşchi 550 870 45 Materia albă 500 780 90 Materia cenuşie 650 900 100 Lichid cefalorahidian 1800 2400 160 APIM11-36

Semnalul de inductie libera (FID) APIM11-37

Notiunea de T 2 * la nivel macroscopic B 0 este omogen -> descrestere FID dupa o curba descrescatoare in T 2 la nivel microscopic insa exista o serie de neomogenitati de camp B 0 de origine instrumentala sau proprie care accentueaza defazarea spinilor -> descrestere FID dupa o curba descrescatoare in T 2 * APIM11-38

Secventa ecou de spin este secventa de baza in 1955 Hahn a propus aceasta metoda care ne ajuta sa scapam de neomogenitatile proprii campului magnetic principal extern B 0 si permite masurarea lui T 2 neomogenitatile campului magnetic B 0 sunt constante -> aplicarea unui impuls de RF de 180 duce la anularea defajazelor induse de B 0 dupa o perioada TE/2 de la aplicarea impulsului de RF de 90 se aplica un impuls de RF de 180 ->inversarea defazajelor fara modif. sensului de rotatie APIM11-39

Secventa ecou de spin APIM11-40

Secventa ecou de spin APIM11-41

Fenomenul de ecou de spin APIM11-42

Cronologia evenimentelor -citirea unei singure linii APIM11-43

Cronologia imp. RF pentru obtinerea tuturor liniilor dn imagine APIM11-44

Ecoul de spin secventa cea mai folosita in imagistica calitate excelenta a imaginii (prin ponderare in T 1 si T 2 si alegerea corespunzatoare a lui TR si TE) dezavantaj dureaza mult De ex. daca se aplica impulsul de RF 180 dupa 10 ms, atunci TE = 15-20 ms, ceea ce e mult pentru o secventa ponderata in daca T 1 APIM11-45

Contrast in T 1, T 2 si densitatea protonica contrastul= traducerea semnalului RMN in tonuri de gri diferentele in timpi de relaxare (chiar pana la 500%) si diferentele in densitatea de protoni (intr-o masura mica 0-15%) T 1, T 2 si densitatea de protoni intervin intotdeauna in grade diferite alegerea parametrilor secventei favorizeaza unul dintre acesti factori APIM11-46

Variatia magnetizarii transv. si long. APIM11-47

Relatia dintre magnetizarea transv. si long. - TE determina momentul masurarii - TR determina nivelul de crestere al mag. long (semnalul diponibil) APIM11-48

Influenta TR TR lung (daca TR=4T 1 -> (98% din crestere ) TR scurt (daca TR<T 1 -> (crestere de maxim 63%) TR conditioneaza contrastul in T 1, adica ponderarea in T 1 a unei secvente APIM11-49

Influenta TR fie doua tesuturi R, L cu valori ale lui T 1 diferite TR lung (2 s) diferenta mica a magnetizarii TR scurt (0,5s) -> semnalul pentru R este mai puternic (mai alb) decat al tesutului L avem contrast in T 1 APIM11-50

Influenta TE fie doua tesuturi R, L cu valori ale lui T 2 diferite TE scurt (mai mic de 20-30ms) > diferenta mica, nu pot fi diferentiate TE lung (>80-100ms) -> semnalul pentru L este mai puternic (mai alb) decat al tesutului R avem contrast in T 2 APIM11-51

Secventa scurta ponderata in T 1 TR scurt (400-600ms) TE scurt (20ms) APIM11-52

Secventa lunga ponderata in T 2 TR lung (2000ms) TE lung (120ms) APIM11-53

Secventa ponderata in densitatea de prot. TR lung (2000ms) TE scurt (30-40ms) Contrast slab, 10-15% APIM11-54

Ponderarea in T 1 Substanta alba - timpi de relaxare scurti LCR timpi de relaxare lungi Substanta cenusie timpi de relaxare de valori interm. APIM11-55

Ponderarea in dens.prot si in T 2 Ponderare in densitate TE=40ms Ponderare in T 2, TE=120ms APIM11-56

Fenomene patologice Ponderare in T 1 Ponderare in T 2, TE=120ms APIM11-57

Secventa de inversare-recuperare APIM11-58

Produsi de contrast reduc timpii de relaxare agenti T 1 si agenti T 2 agenti T 1 : subst. paramagnetice, Gd (dotarem, magnevist, omniscan) agenti T 2 : subst. super-paramagnetice (magnetita) sau feromagn. (de ex. pentru ficat se util. Magnetita se depune pe parenchimul sanatos - negru) APIM11-59

Exemplu: meningiom al calotei Fara agent de contrast Cu agent de contrast: Gd Dota APIM11-60

Codaj spatial APIM11-61

Codajul spatial al imaginii - Gradient de selectie Gss plan - Gradient de codaj de faza G -linii - Gradient de frecventa G - coloane APIM11-62

Selectia planului de sectiune APIM11-63

Codajul de faza APIM11-64

Codajul de faza si de frecventa APIM11-65

Codajul spatial al imaginii APIM11-66

Secventa IRM APIM11-67

Generarea imaginii APIM11-68

Impulsul de radiofrecventa Masurarea selectiva a T 2, T 1 si a densitatii de spin a tesuturilor -> obtinerea de imagini RMN cu contrast diferentiat Alegerea formei, duratei, numarului, polaritatii frecventei de repetitie a impulsurilor si a gradientilor de camp magnetic aplicat -> masurarea selectiva Trei tipuri de secvente ale impulsurilor: Spin echo Inversion recovery Gradient recalled echo APIM11-69

Structura unui echipament cu RMN APIM11-70

Magnetul Inductia magnetica: 0,2-2T Magneti: Permanenti: 0,1-0,3 T Electromagneti: < 0,15 T (bobine racite cu apa) Electromagneti supraconductori: < 7 T APIM11-71

Electromagneti supraconductori (1) Fenomenul de supraconductibilitate ( la temp de -273 K) Conductoarele din aliaje de titan si niobiu Temp de 4,7 K in heliu lichid Unifomitatea campului APIM11-72

Electromagneti supraconductori (2) Dezavantaje: costuri initiale ridicate costurile materialelor criogenice dificultatea de a intrerupe campul magnetig in urgente APIM11-73

Bobine de uniformizare a campului pt omogenizarea campului principal in interiorul tunelului magnetic de gradient realizeaza variatia liniara, controlata a campului de-a lungul celor trei directii; zgomot ritmic in timpul functionarii de radiofrecventa emit impulsuri de radiofrecventa si receptioneaza semnalul de rezonanta magnetica APIM11-74

Uniformitatea campului magnetic Unifomitatea campului <-> constanta gradientului; Variatia inductiei magnetice dupa fiecare directie trebuie sa fie strict liniara Reglarea gradientilor = problema principala in dispoz. RMN Forma magnetilor: geometrii inchise si deschise APIM11-75

Generarea gradientilor Permit determinarea coordonatelor fiecarui punct din zona examinata sunt produsi de bobine, prin suprapunere de campuri magnetice Valori tipice ale gradientilor utilizati: 1-50 mt/m Timpul de crestere: 5-250 mt/m/ms Limitarile apar datorita curentilor turbionari APIM11-76

Generarea gradientilor (2) APIM11-77

Generarea gradientilor (3) APIM11-78

Variatia frecventei de precesie APIM11-79

Variatia frecventei de precesie (2) APIM11-80

Diferenta de frecventa un gradient de 10 mt/m -> determina o variatie de frecventa de 10 mt/m 42,58 MHz/T 1 T/1000 mt = 0,4258 MHz/m sau 425,8 khz/m. ca urmare diferenţa de frecvenţă între două felii adiacente de grosime de 1 mm este de 425,8/1000 khz = 425,8 Hz localizarea unui proton in 3D necesita aplicarea a trei gradienti diferiti pe durata unui impuls de radiofrecventa APIM11-81

Sistemul de radiofrecventa bobine de emisie bobine de receptie bobinele trebuie sa rezoneze la frecventa Larmour bobinele sunt acordate inaintea fiecarei achizitii in functie de inductanta pacientului forma bobinelor de receptie apropiata de forma structurii anatomice studiate ecranarea echipamentelor in custi Faraday APIM11-82

Controlul calitatii Verificari periodice: inductia campului magnetic, omogenitatea campului magnetic liniaritatea gradientilor acordul sistemului de radiofracventa optimizarea bobinelor de receptie sursele externe de zgomot sursele de alimentare echipamente periferice sisteme de control APIM11-83

Aparat RMN produs de General Electric APIM11-84

Aparat RMN produs de Philips (1T) APIM11-85

Aparat RMN de tip G-Scan, Esaote Biomedica (0,38T) APIM11-86