• Principi fisici e strumentazione
• In assenza di campo magnetico
• In presenza di campo magnetico
• Il Fenomeno di Risonanza Magnetica
• I fenomeni di rilassamento T1 e T2
• Sequenza di acquisizione
• Risonanza Magnetica Funzionale
• Descrizione strumentale
• Il locale del magnete

Principi fisici e strumentazione

Il fenomeno della Risonanza Magnetica (RM) può essere indotto su una varietà di nuclei diversi. La formazione delle immagini RM si basa tuttavia sull’induzione del fenomeno RM sui nuclei dell’idrogeno e, nel testo che segue, ci si riferirà pertanto a questo specifico elemento.

In assenza di campo magnetico

Il nucleo dell’idrogeno (¹H) è costituito da un singolo protone. Ciascun protone possiede una carica elettrica e inoltre ha la caratteristica particolare di ruotare attorno al proprio asse, cioè possiede un momento angolare intrinseco o "spin". Come conseguenza, poichè il protone ha una carica elettrica, il moto di rotazione produce un momento magnetico con orientamento parallelo al momento angolare (momento di dipolo magnetico). Si può immaginare il protone come una particella che ruota intorno al proprio asse e che, ruotando, produce un campo magnetico rendendolo simile ad un piccolissimo magnete. In assenza di campo magnetico esterno, i momenti magnetici sono disposti casualmente nello spazio.

Figura 1
In assenza di campo magnetico

In presenza di campo magnetico

Quando il paziente viene immerso nel campo magnetico del tomografo RM, i momenti magnetici associati ai nuclei di idrogeno nel corpo del paziente tendono ad orientarsi lungo la direzione del campo magnetico (come l’ago di una bussola si orienta verso una calamita).
Più precisamente, mentre i nuclei di idrogeno ruotano intorno al proprio asse, quest’ultimo ruota a sua volta attorno alla direzione del campo magnetico esterno, mantenendo con esso un angolo costante. Questo moto complesso è detto moto di precessione, ed è simile al moto di una trottola attorno al campo gravitazionale terrestre, Figura 2).

La frequenza di precessione (ovvero il numero di rotazioni compiute in 1 secondo) è caratteristica del nucleo atomico, è proporzionale alla forza del campo magnetico applicato ed è chiamata frequenza di Larmor (ad esempio per il protone, nucleo dell’idrogeno, in presenza di un campo magnetico di 1 Tesla, la frequenza di Larmor è di 43 milioni di Hertz e raddoppia in presenza di un campo magnetico di 2 Tesla).

Si noti che (Figura 3):

• il moto di precessione può avvenire in direzione parallela o anti-parallela a B₀. Alla configurazione parallela corrisponde uno stato energetico inferiore, più stabile e quindi più probabile,
• il moto di precessione avviene con fasi di rotazione diverse (se i momenti magnetici fossero le lancette di tanti orologi, queste segnerebbero ore diverse).

Figura 3
In presenza di campo magnetico esterno

Come risultato delle caratteristiche del moto di precessione:

• asse di precessione parallelo o anti-parallelo a B₀ per tutti i nuclei, con prevalenza della configurazione parallela,
• sfasamento di precessione,

i momenti magnetici dei singoli nuclei di idrogeno si sommano generando un campo magnetico rilevabile anche a livello macroscopico, orientato con la stessa direzione e lo stesso verso del campo magnetico B₀ applicato all’esterno (Magnetizzazione). Globalmente quindi quando si immerge il paziente nel campo magnetico del tomografo, il corpo del paziente risulta “magnetizzato”.

Il fenomeno di Risonanza Magnetica

Un’onda elettromagnetica può essere descritta come un campo elettrico e un campo magnetico oscillanti perpendicolarmente tra di loro. La frequenza di oscillazione caratterizza l’onda elettromagnetica, differenziando per esempio la luce visibile dalle onde radio e dai raggi x. In Risonanza Magnetica si utilizzano onde elettromagnetiche a radiofrequenza RF (come le onde impiegate per le trasmissioni radiofoniche e con i telefoni cellulari).
Un’onda elettromagnetica di durata limitata è un impulso elettromagnetico.
Inviando al paziente immerso nel campo magnetico del tomografo RM un impulso elettromagnetico con:

• frequenza di oscillazione esattamente pari alla frequenza di Larmor (nell’intervallo delle radiofrequenze),
• campo magnetico oscillante B₁ perpendicolare al campo magnetico esterno e di intensità molto minore di B₀

si induce il fenomeno di Risonanza Magnetica. Il fenomeno di Risonanza Magnetica si manifesta con due effetti:

1. fornisce energia che viene assorbita dal corpo del paziente, portando alcuni nuclei di idrogeno ad uno stato energetico superiore. Questo fenomeno corrisponde alla transizione del moto di precessione da configurazione parallela a B₀ a configurazione anti-parallela. Questo effetto ha come conseguenza una diminuzione della componente della Magnetizzazione in direzione z (Magnetizzazione longitudinale M_z), fino al suo azzeramento
2. riallinea le fasi di oscillazione di precessione dei singoli nuclei di idrogeno (se i momenti magnetici fossero le lancette di tanti orologi, l’impulso avrebbe l’effetto di sincronizzare gli orologi portandoli a segnare la stessa ora). Questo secondo effetto ha come conseguenza la comparsa di una componente della magnetizzazione sul piano xy (Magnetizzazione trasversale M_xy).

Se l’impulso ha durata sufficiente, si può creare la situazione in cui M_z=0 e Mxy è massima: la magnetizzazione che era diretta come z, dopo l’impulso RF, si è piegata di un angolo 90^° sul piano xy.

Questo fenomeno di interazione tra il campo magnetico B₀ e il campo magnetico B₁ dell’impulso RF con frequenza uguale alla frequenza di Larmor, con assorbimento di energia da parte dei nuclei, rappresenta il fenomeno di Risonanza Magnetica.

I fenomeni di rilassamento T1 e T2

Quando l’impulso RF viene interrotto, i nuclei, interagendo con la materia circostante, tendono a ripristinare il loro stato originale (come l’ago di una bussola torna ad indicare il polo nord terrestre, allontanando la bussola da una calamita).
Durante questa fase il sistema restituisce l’energia assorbita, sotto forma di onde elettromagnetiche della stessa frequenza dell’impulso RF (segnale RM).
Il ritorno alle condizioni originali avviene con due fenomeni distinti, noti come:

• Fenomeno di rilassamento T1 (spin-reticolo): il sistema restituisce all’ambiente l’energia assorbita e la Magnetizzazione torna ad orientarsi in direzione z, con una graduale crescita della Magnetizzazione longitudinale Mz. Questo fenomeno avviene con una legge temporale di tipo esponenziale, caratterizzata da una costante di tempo di T1. T1 dipende dalla rapidità di cessione di energia, quindi dalle modalità di interazione dei nuclei di idrogeno con l’ambiente circostante (reticolo).
• Fenomeno di rilassamento T2 (spin-spin):i momenti di dipolo magnetico perdono gradualmente il sincronismo di fase indotto dell’impulso RF nel loro moto di precessione intorno a z. Il fenomeno di rilassamento T2 è motivato da micro-variazioni del campo magnetico in cui i nuclei di idrogeno sono immersi, prodotte dalle interazioni molecolari nel campione. Queste variazioni di campo magnetico comportano differenze nella frequenza di precessione dei singoli momenti magnetici, che, dopo il sincronismo indotto dall’impulso RF, tornano a sfasarsi. Il rilassamento T2 avviene con una legge temporale caratterizzata da una costante di tempo T2. T2 dipende dai moti molecolari e dai legami chimico fisici nel campione. In pratica, T2 dipende dallo stato di legame dell’acqua nel sistema in esame.

• dal numero di nuclei risonanti (su cui è stato indotto il fenomeno RM) e quindi dalla concentrazione di nuclei di idrogeno nel campione in esame (densità protonica, DP).
• dalle costanti di tempo T1 e T2 dei fenomeni di rilassamento e quindi dall’ambiente chimico e fisico in cui i nuclei di idrogeno sono immersi nei tessuti corporei. Tessuti diversi caratterizzati da diversa densità protonica e diverse costanti di tempo T1 e T2 producono quindi segnali RM di diversa intensità.

In Risonanza Magnetica si parla di immagini “pesate in DP, in T1 e in T2", per intendere immagini in cui il contrasto tra i tessuti è prevalentemente associato a differenze in DP, T1 e T2, rispettivamente (figura 4). L'acquisizione delle immagini pesate in DP, T1 e T2, dipende dalla sequenza di acquisizione utilizzata. La scelta della "pesatura" da usare dipende dalla patologia e dal distretto corporeo in esame.

Figura 4
Immagine RM di una stessa sezione tomografica del cranio, pesata in DP (sinistra), T2 (centro) e T1 (destra)

Sequenza di acquisizione

L’esecuzione di un esame RM si basa sull’impiego di una sequenza di acquisizione, che è l’insieme delle operazioni che riguardano l’invio degli impulsi RF, la rivelazione del segnale e la sua codifica spaziale, ai fini della formazione delle immagini RM. Durante l’esame, tali operazioni devono essere ripetute molteplici volte. Una sequenza di acquisizione è pertanto caratterizzata da alcuni parametri strumentali caratteristici:

• TR tempo di ripetizione: è il tempo che intercorre tra due impulsi RF successivi,
• TE tempo di eco: è il tempo che intercorre tra un impulso RF e la rivelazione del segnale,
• Flip angle: angolo di cui si piega la magnetizzazione.

Questi parametri influenzano la durata temporale di una sequenza e quindi dell’esame RM.

La codifica spaziale rappresenta l’insieme delle operazioni necessarie per localizzare spazialmente la posizione da cui un segnale è originato, cioè per associare un segnale RM ad un ben determinato volumetto di tessuto nel corpo del paziente.
In tomografia comupterizzata TC, questa operazione è risolta mediante la geometria del sistema di rivelazione e l'impiego di algoritmi di ricostruzione tomografica. In Risonanza Magnetica è necessaria l’introduzione di gradienti di campo magnetico, ovvero variazioni spaziali del campo magnetico rispetto ad una direzione selezionata. L’applicazione di gradienti di campo magnetico nelle tre direzioni ortogonali durante l’invio degli impulsi RF (gradiente di selezione della sezione tomografica), durante l’intervallo di tempo tra l’impulso RF e la rilevazione del segnale (gradiente di codifica di fase) e durante la rivelazione del segnale RM (gradiente di codifica in frequenza), insieme a complessi metodi matematici, permette la codifica spaziale dei segnali per la formazione delle immagini.
Contrariamente alla TC, che in fase di acquisizione può generare solo immagini di sezioni trasversali del corpo umano, in Risonanza Magnetica l’orientamento della sezione tomografica dipende dalla direzione dei gradienti e può pertanto essere scelto liberamente durante l’esecuzione dell’esame.

Risonanza Magnetica Funzionale

La Risonanza Magnetica Funzionale (fMRI), basata sull’effetto BOLD (Blood Oxygenation Level Dependent), sfrutta le variazioni delle proprietà magnetiche del sangue dovute al cambiamento del suo stato di ossigenazione. Questo principio è utilizzato per studi detti “di attivazione”, scopo dei quali è la definizione delle regioni cerebrali coinvolte nell’esecuzione di un compito, o l’elaborazione di uno stimolo esterno. Quando un soggetto esegue un compito (per esempio, di tipo cognitivo o motorio), oppure se è stimolato esternamente (da uno stimolo acustico o visivo), nelle regioni cerebrali coinvolte, avviene un cambiamento dello stato di ossigenazione del sangue rispetto alla condizione di riposo. Si osserva, in particolare, un aumento di flusso cerebrale regionale considerevolmente superiore all’aumento di estrazione di ossigeno, con una conseguente diminuzione della concentrazione di deossi-emoglobina. Poichè la deossi-emoglobina è più paramagnetica della ossi-emoglobina e si comporta come un mezzo di contrasto endogeno, questa diminuzione risulta in un aumento del segnale fMRI nelle vicinanze dei vasi ematici. Per visualizzare le regioni cerebrali attivate vengono eseguite acquisizioni dinamiche molto rapide, alternando periodi di stimolazione a periodi di risposo e, in fase di post-processing, vengono confrontati “pixel a pixel” i valori del segnale RM. La tecnica fMRI BOLD è utilizzata attualmente per lo studio di circuiti neurali attivati durante particolari stimolazioni. La Figura 5 mostra il risultato di uno studio fMRI BOLD durante compiti di lettura. Le aree rosse indicano le regioni cerebrali attivate, sovrapposte ad una rappresentazione tridimensionale dello stuio RM del soggetto.

Figura 5
Studio fMRI BOLD durante compiti di lettura

Descrizione strumentale

Le principali componenti di un tomografo a Risonanza Magnetica sono descritte brevemente nel seguito:

1. Il magnete
   Il magnete ha la funzione di creare il campo magnetico esterno. I magneti usati nei tomografi RM di attuale generazione generano campi magnetici con una intensità di decine di migliaia di volte superiore a quella del campo magnetico terrestre (il campo magnetico terrestre ha una intensità di circa 0,5 Gauss, mantre i magneti RM fino 1.5 - 3 Tesla).
   Quanto maggiore è il campo magnetico, tanto più intenso è il segnale RM rivelato.
   I principali tipi di magnete impiegati sono: permanenti, resistivi o superconduttivi, ma i più diffusi sono attualmente quelli superconduttivi. La superconduttività è un fenomeno che si verifica in alcune sostanze quando si trovano a temperatura prossima allo zero assoluto (-273o C) e consiste nell’annullamento della loro resistività.
   I magneti superconduttivi si basano sulla circolazione di corrente in bobine poste in regime di superconduttività, ottenedo una circolazione permanente di corrente e riducendo notevolmente la necessità di alimentazione e la dissipazione di calore. Per mantenere le bobine in regime di superconduttività, il magnete viene mantenuto alla temperatura prossima allo zero assoluto, con immersione nell'elio liquido.
   I magneti superconduttivi generano un campo magnetico che presenta elevate intensità, omogeneità e stabilità, sebbene a scapito dei costi di realizzazione e manutenzione.
2. Trasmettitore e ricevitore a radiofrequenza
   Il trasmettitore di radiofrequenza ha la funzione di generare gli impulsi a radiofrequenza per la produzione del fenomeno della risonanza magnetica. Il ricevitore ha la funzione di rilevare il segnale generato dai nuclei risonanti e di trasformarlo in un segnale elettrico. Le due operazioni di trasmissione e ricezione sono effettuate da apposite bobine o antenne. Esistono molteplici bobine di trasmissione e ricezione, ottimizzate per lo studio dei diversi distretti corporei.
3. Generatori di gradiente
   Oltre al campo magnetico esterno, durante un'indagine RM, vengono applicati altri campi magnetici variabili (molto più deboli) che modulano nello spazio e nel tempo l'intensità del campo magnetico principale (gradienti di campo magnetico). La generazione di questi gradienti è affidata a tre sistemi di bobine, alimentate separatamente, e realizzate in maniera tale da generare campi magnetici orientati lungo tre diversi assi ortogonali che si sommano al campo magnetico principale. L'applicazione di gradienti è necessaria per la codifica spaziale del segnale RM e la formazione delle immagini. Un sistema elettronico di controllo della corrente circolante nelle bobine consente di generare gradienti lungo qualsiasi direzione.
4. Il computer
   Il computer svolge molteplici funzioni di controllo di tutti i componenti di un tomografo RM e di programmazione nell'esecuzione di una indagine RM.
   Attraverso il computer si preparano le sequenze di acquisizione, si definisce l'ampiezza dell'impulso RF, si controllano i gradienti di campo magnetico, si registrano i segnali RM, si ricostruiscono e si elaborano le immagini.
   L'operatore interagisce con il computer attraverso una consolle che permette di gestire tutte le fasi dell’esame RM. L'operatore può, inoltre, visualizzare le immagini su video e successivamente stamparne copia su pellicola o su carta.
   Le immagini possono, infine, essere archiviate in formato analogico (carta o pellicola) o digitale.

Il locale del magnete

Il locale dove si trova il tomografo RM e' circondato da uno schermo per RF (gabbia di Faraday o schermature attive). Lo schermo impedisce che gli impulsi RF ad alta potenza possano irradiare altri spazi dell'ospedale, contigui al locale del tomografo. Inoltre impedisce ai vari segnali RF provenienti da stazioni televisive e postazioni radio nei pressi del locale RM di essere captati dall'apparecchio creando interferenze. Alcuni locali RM sono circondati anche da un schermo che impedisce al campo magnetico del tomografo di estendersi oltre un certo limite spaziale. Spesso lo schermo del magnete e' parte integrante del magnete stesso.