Spettroscopia NMR (in vivo) Spettroscopia NMR (in vivo) Magnetic Resonance Imaging MRI Un solo...

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    31-Oct-2020
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  • Spettroscopia NMR (in vivo)

    Magnetic Resonance Imaging MRI

    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

    Gx FID

  • 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

    X YGx

    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 δν xN νδν ∆=

    Ampiezza spettrale

    Punti campionati

    π δγ

    π γδν

    2 Gx

    N2 Gx x x

    x =∆=

    xG 2x γ πδνδ =

    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 gradient Gφ

    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 Fr

    eq ue

    nc y

    en co

    di ng

    g ra

    di en

    t

    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 recovery 90° 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 recovery 180° 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 grigia Materia bianca

    20010050 150 ms

  • 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-DTPA SPIO (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-

    -OOCH2C CH2 COOH COOH

    Gd3+

  • f-MRI Functional 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 Imaging Spettro 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 O

    N+ CH3

    H3C

    CH3

    CH2CH2OH

    Cl- colina

    H2N

    NH2+

    N

    CH3 O

    O-

    creatina

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