Fizica imagisticii prin rezonanță magnetică (IRM) se referă la considerațiile fizice fundamentale ale tehnicilor IRM și la aspectele tehnologice ale dispozitivelor IRM. IRM este o tehnică de imagistică medicală utilizată în principal în radiologie și medicină nucleară pentru a investiga anatomia și fiziologia corpului și pentru a detecta patologii, inclusiv tumori, inflamații, afecțiuni neurologice precum accidentele vasculare cerebrale, afecțiuni ale mușchilor și articulațiilor, precum și anomalii ale inimii și ale vaselor de sânge, printre altele. Agenții de contrast pot fi injectați intravenos sau într-o articulație pentru a îmbunătăți imaginea și a facilita diagnosticul. Spre deosebire de CT și de razele X, IRM nu utilizează radiații ionizante și este, prin urmare, o procedură sigură, potrivită pentru diagnosticarea la copii și la alergări repetate. Pacienții cu implanturi metalice specifice neferomagnetice, implanturi cohleare și stimulatoare cardiace din zilele noastre pot, de asemenea, să efectueze un RMN în ciuda efectelor câmpurilor magnetice puternice. Acest lucru nu se aplică în cazul dispozitivelor mai vechi, detaliile pentru cadrele medicale sunt furnizate de către producătorul dispozitivului.
Anumite nuclee atomice sunt capabile să absoarbă și să emită energie de radiofrecvență atunci când sunt plasate într-un câmp magnetic extern. În IRM clinic și de cercetare, atomii de hidrogen sunt cel mai adesea utilizați pentru a genera un semnal de radiofrecvență detectabil care este recepționat de antene aflate în imediata apropiere a anatomiei examinate. Atomii de hidrogen sunt în mod natural abundenți în oameni și în alte organisme biologice, în special în apă și grăsimi. Din acest motiv, cele mai multe scanări RMN cartografiază în esență locația apei și a grăsimii în organism. Impulsurile de unde radio excită tranziția energetică a spinului nuclear, iar gradienții de câmp magnetic localizează semnalul în spațiu. Prin variația parametrilor secvenței de impulsuri, pot fi generate contraste diferite între țesuturi, pe baza proprietăților de relaxare ale atomilor de hidrogen din acestea.
Atunci când se află în interiorul câmpului magnetic (B0) al scanerului, momentele magnetice ale protonilor se aliniază pentru a fi fie paralele, fie antiparalele cu direcția câmpului. În timp ce fiecare proton individual poate avea doar una dintre cele două alinieri, colecția de protoni pare să se comporte ca și cum ar putea avea orice aliniere. Majoritatea protonilor se aliniază paralel cu B0, deoarece aceasta este o stare de energie mai mică. Se aplică apoi un impuls de radiofrecvență, care poate excita protonii de la alinierea paralelă la cea antiparalelă, doar aceasta din urmă fiind relevantă pentru restul discuției. Ca răspuns la forța care îi readuce la orientarea lor de echilibru, protonii suferă o mișcare de precesie, la fel ca un titirez aflat sub efectul gravitației. Protonii vor reveni la starea de joasă energie prin procesul de relaxare a rețelei de spin. Aceasta apare ca un flux magnetic, care produce o tensiune variabilă în bobinele receptorului pentru a da semnalul. Frecvența la care rezonează un proton sau un grup de protoni dintr-un voxel depinde de intensitatea câmpului magnetic local din jurul protonului sau grupului de protoni, un câmp mai puternic corespunde unei diferențe de energie mai mari și unor fotoni de frecvență mai mare. Prin aplicarea unor câmpuri magnetice suplimentare (gradienți) care variază liniar în spațiu, se pot selecta felii specifice care urmează să fie imaginate, iar o imagine se obține prin transformarea Fourier 2-D a frecvențelor spațiale ale semnalului (spațiu k). Din cauza forței magnetice Lorentz de la B0 asupra curentului care circulă în bobinele de gradient, bobinele de gradient vor încerca să se miște producând sunete puternice de ciocnire, pentru care pacienții au nevoie de protecție auditivă.
Istoric
Aparatul RMN a fost dezvoltat între 1975 și 1977 la Universitatea din Nottingham de către profesorul Raymond Andrew FRS FRSE, în urma cercetărilor sale în domeniul rezonanței magnetice nucleare. Scanerul pentru tot corpul a fost creat în 1978.Independent (newspaper) obituary of R Edward 20 July 2001
Magnetismul nuclear
Particulele subatomice au proprietatea mecanică cuantică a spinului. Anumite nuclee, cum ar fi 1H (protoni), 2H, 3He, 23Na sau 31P, au un spin diferit de zero și, prin urmare, un moment magnetic. În cazul așa-numitelor nuclee cu spin-1⁄2, cum ar fi 1H, există două stări de spin, denumite uneori "sus" și "jos". Nuclee precum 12C nu au neutroni sau protoni neperecheați și nici un spin net; cu toate acestea, izotopul 13C are.
Atunci când acești spini sunt plasați într-un câmp magnetic extern puternic, ei precesează în jurul unei axe în direcția câmpului. Protonii se aliniază în două stări energetice (efectul Zeeman): una de energie joasă și una de energie înaltă, care sunt separate de o energie de divizare foarte mică.
Rezonanță și relaxare
Mecanica cuantică este necesară pentru a modela cu exactitate comportamentul unui singur proton, însă mecanica clasică poate fi utilizată pentru a descrie în mod adecvat comportamentul ansamblului de protoni. Ca și în cazul altor particule de spin , ori de câte ori este măsurat spinul unui singur proton, acesta poate avea doar unul dintre cele două rezultate numite în mod obișnuit paralel și antiparalel. Atunci când discutăm despre starea unui proton sau a protonilor, ne referim la funcția de undă a acelui proton, care este o combinație liniară a stărilor paralelă și antiparalelă.
În prezența câmpului magnetic, B0, protonii vor părea să preceseze la frecvența Larmor determinată de raportul giroscopic al particulei și de intensitatea câmpului. Câmpurile statice utilizate cel mai frecvent în IRM provoacă precesie care corespunde unui foton de radiofrecvență (RF).
Magnetizarea longitudinală netă în echilibru termodinamic se datorează unui mic exces de protoni în starea de energie inferioară. Acest lucru dă o polarizare netă care este paralelă cu câmpul extern. Aplicarea unui impuls de RF poate înclina acest vector de polarizare netă în lateral (cu, de exemplu, un așa-numit impuls de 90°), sau chiar îl poate inversa (cu un așa-numit impuls de 180°). Protonii vor intra în fază cu impulsul RF și, prin urmare, unul cu celălalt.
Recuperarea magnetizării longitudinale se numește relaxare longitudinală sau T1 și are loc exponențial cu o constantă de timp T1. Pierderea coerenței de fază în plan transversal se numește relaxare transversală sau T2. T1 este astfel asociat cu entalpia sistemului de spin sau cu numărul de nuclee cu spin paralel față de cel antiparalel. T2, pe de altă parte, este asociat cu entropia sistemului sau cu numărul de nuclee în fază.
Atunci când impulsul de radiofrecvență este oprit, componenta vectorială transversală produce un câmp magnetic oscilant care induce un mic curent în bobina receptorului. Acest semnal se numește dezintegrare prin inducție liberă (FID). Într-un experiment idealizat de rezonanță magnetică nucleară, FID se dezintegrează aproximativ exponențial cu o constantă de timp T2. Cu toate acestea, în RMN-ul practic, există mici diferențe în câmpul magnetic static în diferite locații spațiale ("neomogenități") care fac ca frecvența Larmor să varieze pe tot corpul. Acest lucru creează interferențe distructive, care scurtează FID. Constanta de timp pentru descreșterea observată a FID se numește T* 2 timpul de relaxare, și este întotdeauna mai scurtă decât T2. În același timp, magnetizarea longitudinală începe să se recupereze exponențial cu o constantă de timp T1 care este mult mai mare decât T2 (a se vedea mai jos).
În IRM, câmpul magnetic static este mărit de o bobină cu gradient de câmp pentru a varia în întreaga regiune scanată, astfel încât diferite locații spațiale devin asociate cu frecvențe de precesie diferite. Numai acele regiuni în care câmpul este astfel încât frecvențele de precesie să corespundă frecvenței RF vor experimenta excitație. De obicei, aceste gradiente de câmp sunt modulate pentru a baleia regiunea care urmează să fie scanată, iar varietatea aproape infinită de secvențe de impulsuri RF și de gradient este cea care conferă RMN-ului versatilitatea sa. Schimbarea gradientului de câmp împrăștie semnalul FID care răspunde în domeniul frecvenței, dar acesta poate fi recuperat și măsurat printr-un gradient de refocalizare (pentru a crea un așa-numit "ecou de gradient"), sau printr-un impuls de radiofrecvență (pentru a crea un așa-numit "ecou de spin"), sau în postprocesarea digitală a semnalului împrăștiat. Întregul proces poate fi repetat atunci când a avut loc o anumită relaxare T1 și echilibrul termic al spinilor a fost mai mult sau mai puțin restabilit. Timpul de repetiție (TR) este timpul dintre două excitații succesive ale aceleiași felii.Page 26 in:
În mod obișnuit, în țesuturile moi, T1 este de aproximativ o secundă, în timp ce T2 și T* 2 sunt de câteva zeci de milisecunde. Cu toate acestea, aceste valori pot varia foarte mult de la un țesut la altul, precum și de la un câmp magnetic extern la altul. Acest comportament este unul dintre factorii care conferă RMN-ului contrastul extraordinar al țesuturilor moi.
Agenții de contrast IRM, cum ar fi cei care conțin Gadolinium(III), acționează prin modificarea (scurtarea) parametrilor de relaxare, în special T1.
Imagistică
Scheme de imagistică
Au fost concepute mai multe scheme pentru combinarea gradienților de câmp și a excitației de radiofrecvență pentru a crea o imagine:
Reconstrucția 2D sau 3D din proiecții, ca în cazul tomografiei computerizate. Construirea imaginii punct cu punct sau linie cu linie. Gradiente în câmpul de radiofrecvență mai degrabă decât în câmpul static. Deși fiecare dintre aceste scheme este ocazional utilizată în aplicații specializate, majoritatea imaginilor RM de astăzi sunt create fie prin tehnica transformării Fourier bidimensionale (2DFT) cu selectarea feliei, fie prin tehnica transformării Fourier tridimensionale (3DFT). O altă denumire pentru 2DFT este spin-warp. Ceea ce urmează este o descriere a tehnicii 2DFT cu selecție de felii.
Tehnica 3DFT este destul de asemănătoare, cu excepția faptului că nu există selecție de felii și codificarea de fază se realizează în două direcții separate.
Imagistică eco-planară
O altă schemă utilizată uneori, în special în scanarea creierului sau atunci când este nevoie de imagini foarte rapide, se numește imagistică eco-planară (EPI): În acest caz, fiecare excitație RF este urmată de un tren de ecouri de gradient cu codificare spațială diferită. EPI multiplexată este chiar mai rapidă, de exemplu, pentru fMRI pe întreg creierul sau RMN de difuzie.
Contrastul imaginii și ameliorarea contrastului
Contrastul imaginii este creat de diferențele de intensitate a semnalului RMN recuperat din diferite locații din cadrul probei. Acest lucru depinde de densitatea relativă a nucleelor excitate (de obicei protoni de apă), de diferențele în timpii de relaxare (T1, T2 și T* 2) ale acestor nuclee după secvența de impulsuri și, adesea, de alți parametri discutați în cadrul scanărilor RMN specializate. Contrastul în majoritatea imaginilor RM este, de fapt, un amestec al tuturor acestor efecte, dar proiectarea atentă a secvenței de impulsuri de imagistică permite ca un mecanism de contrast să fie accentuat în timp ce celelalte sunt minimizate. Capacitatea de a alege diferite mecanisme de contrast conferă RMN o flexibilitate extraordinară. În creier, ponderarea T1 face ca conexiunile nervoase din materia albă să apară albe, iar congregațiile de neuroni din materia cenușie să apară gri, în timp ce lichidul cefalorahidian (LCR) apare închis. Contrastul materiei albe, al materiei cenușii și al lichidului cefalorahidian este inversat folosind T2 sau T*