Spettroscopia NMR (in vivo)

Magnetic Resonance ImagingMRI

Un solo segnale (1H MRI: generalmente il segnale dell’H2O)

Localizzazione del segnale mediante gradienti di campo magnetico

Gradiente Gz

ωx=ω H+ Gz*x

Localizzazione degli spin nel campione

90° ωx selezione di una fetta del campione

GxFID

ω1 ω2 ω3

Gf

ω1 ω2 ω3

( )∑=n

nn ti2S ϖρ exp

Gradienti di codifica di frequenza (frequency encoding gradient)

ωω0 ω’ ω’’−ω’’ −ω’

Gf

( )∑=n

nn ti2S ϖρ exp

Intensità del segnale nella posizione n

Frequency encoding gradient

ωω0 ω’ ω’’−ω’’ −ω’

Frequenza di risonanza nella

posizione n

ω1 ω2 ω3

Gx

ω1 ω2 ω3

Gy

ϕ3

ϕ2

ϕ1

Gx,y

Costruzione dell’immagine mediante retroproiezione

Back Projection Imaging esperimento base

z

XYGx

Gy

Gz

FID

RF

Gx

Gy

Gz

FID

RF

Gx

Gy

Gz

FID

RF

Selezione di una fetta del campione

Gradienti di codifica in frequenza: ripeto l’acquisizione facendo variare la composizione Gx+ Gy ottengo proiezioni lungo tutte le diverse orientazioni

Field of view (FOV)

∆ω = γH ∗ Gz∗ ∆x∆x

Risoluzione spaziale δx

Dipende dalla risoluzione spettrale δνxN

νδν ∆=Ampiezza spettrale

Punti campionati

πδγ

πγδν

2

Gx

N2

Gx x

x

x =∆=

xG

2x

γπδνδ =

In un campo magnetico di 1.5T (64 MHz per 1H) applico un gradiente di 0.01 T/m; considerando che il segnale dell’H2O è largo 30 Hz, quanto deve essere ampia la ∆ω per avere un FOV di 3 cm?

ciascun segnale (FID) viene codificato nelle due dimensioni del piano x,y

Phase encoding gradientGφ

2D-FT imaging (Spin warp imaging)

BP imaging il segnale è codificato lungo una sola direzione alla volta (quella

perpendicolare alla direzione del gradiente applicato)

φn = γ * y * Gφ * t

Gf

Freq

uenc

y en

codi

ng g

radi

ent

FID = ∑n

Mn f(Gφ,Gf)Gf = gradiente di frequency encoding

Gφ = gradiente di phase encoding

Frequenza ωn = γ * x * Gf

Ogni elemento di volume (voxel) ha una sua caratteristica fase e frequenza

Per avere una risoluzione di n pixels lungo la direzione y (phase encoding) ripeto l’esperimento n volte variando l’intensità del gradiente

fase φn = γ * y * Gφ * t

Esperimento 2D-FT imaging

Selezione della slice

Gradiente di phase encoding

Gradiente di frequency encoding

Gradiente di phase encoding perdita di coerenza del segnale

accensione gradiente

spegnimento gradiente

Tempo(s)

Gx

Durante l’applicazione del Gφ il segnale si

annulla!

Eco di spin

Eco di gradiente

gradiente con segno

invertito

Imaging veloce

Per avere una risoluzione di 256 pixels lungo l’asse y (phase encoding) 256 acquisizioni con diverso Gφ

1 slice 4-20 min sequenza spin-eco (TR = 5T1)

Sequenza RARE (Rapid Acquisition with Relaxation Enhancement)

90° 180° 180° 180°

…..

Acquisisco una serie di echi con diverso Gφ

Immagine di una slice con una sola scansione!

L’intensità degli echi decade nelle successive acquisizioni (… immagine T2 pesata..)

Il contrasto

MRI = ??? contrasto tra tessuti molli

ba

ba

II

IIC

+−=

Differenza di intensità tra i segnali di due regioni adiacenti

RX = differenza di densità tra i tessuti tessuti ossei

1H-MRI

Spettro 1H-NMR di tessuti : H2O (75%) 4.7 ppm + segnale 0.9 ppm (CH3 lipidi)

la maggior parte delle immagini sono ottenute sull’acquisizione del segnale dell’acqua

..il contenuto in acqua non

permetterebbe di ottenere questa

immagine

differenze di T1 (e/o T2) dell’acqua in tessuti differenti

T1 e T2 dell’acqua in diversi tessuti

H2O di bulk

H2O di superficie

macromolecola

Misure a 1.5 T ( 64 MHz)

Tessuto normale T2

(ms)Tessuto malato T2 (ms)

Materia grigia

101 astrocitoma 180

Materia bianca

96 glioblastoma 170

CFS 510 ologodendroglioma 200

Guaina mielinica

160 Sclerosi multipla 190

come utilizzare la differenza in T1 per ottenere contrasto

sequenza saturation recovery90° 90° 90°

…TR TR

T1 minore segnale più intenso (bianco)

I

TR= 2000 ms

I

TR= 1000 ms

I

TR= 500 ms

I

TR= 100 ms

sangue

muscolo

tessuto adiposo

contrasto migliore

TR = repetition time

SI=Kρ(1-exp(TR/T1))ρ = densità protonica

Acquisizione

sequenza invertion recovery180° 90°

Acquisizione immagineTI

TR

SI = KρM0(1-2exp(-TI/T1)+exp(-TR/T1))

Contrasto tra materia bianca e grigia con TI crescenti:

50, 100,200,400,600, 800,1000,1200 ms; per TI molto corti o molto lunghi il contrasto

è scarso

Spin Eco

Acquisizione immagine

Come evidenziare le differenze in T2 nel contrasto

Tempo di eco

TR lungo, TE corto immagini pesate in T2

TR corto immagini pesate in T1

CFS

Materia grigiaMateria bianca

20010050 150ms

TR: 400 ms

TR: 2000 ms

TE 25 ms TE 50 ms TE 75 ms TE 100 ms

T1 pesata T2 pesata

lesione

Patologie o lesioni non visibili con una sequenza T1 pesata lo possono diventare con una T2 pesata

Agenti di contrasto

Ioni paramagnetici diminuzione di T1 e T2

Gd3+ , Fe2+ , Fe3+ , Cu2+ , Mn2+ , O2 , radicali liberi

Non sono di per se stessi visibili, ma cambiano il comportamento dei tessuti circostanti

Agenti di contrasto positivi

T1

Gd-DTPA (Magnevist)Gd-DOTA (Dotarem)Gd-HP-DO3A (ProHance)Albumina-(Gd-DTPA)Polilisina-(Gd-DTPA)

Agenti di contrasto negativi

T2

Dy-DTPASPIO (superparamagnetic iron oxides)USPIO (ultrasmall superparamagnetic iron oxides)

Gd3+ 7 e- spaiati

Gd-DTPA: lo ione metallico è altamente tossico è necessario un chelante sufficientemente forte che lo trattenga finchè lo ione metallico non è eliminato

Complessi paramagnetici di Gd 3+ non oltrepassano la BBB una mancanza della BBB dovuta a una patologia porta a un enhancement della zona

N

NN

CH2

CH2COO-

CH2COO-

-OOCH2CCH2

COOH COOH

Gd3+

f-MRIFunctional MRI

BOLD (Blood Oxigen Level Detection) sequenze di impulsi che permettono di ottenere immagini in tempo reale (4-5 s dopo l’attivazione data dallo stimolo)

Attivazione della corteccia in seguito a uno stimolo visivo: l’immagine è ottenuta per differenza rispetto a un’altra ottenuta in condizioni di riposo

Emoglobina-O2: paramagnetica contrasto tra zone in cui il flusso sanguigno è aumentato rispetto a quelle non attivate.

3He iperpolarizzato: immagine polmonare soggetto di 29 anni non fumatore

MRI con eteronuclei: 3He 129Xe iperpolarizzati

Nuclei esogeni il contrasto è dato dalla densità di spin

Immagine polmonare soggetto di 34 anni fumatore: zone scura = mancanza di ventilazione

Chemical Shift ImagingSpettro 1H segnali di specie molecolari diverse dall’H2O

Mappa metabolica di N-acetilaspartato, colina, creatina e lattato; il n di voxels è 1/1000 quelli usati in MRI

Spettri 1H delle diverse zone: nel tumore è elevato il segnale della colina, mentre è basso quello dell’N-

acetilaspartato N-acetilaspartato

HO

O

O

OH

NH

CH3

ON+CH3

H3C

CH3

CH2CH2OH

Cl-colina

H2N

NH2+

N

CH3 O

O-

creatina