La Risonanza Magnetica per Imaging (MRI) e' una tecnica utilizzata principalmente in campo medico per produrre immagini ad alta definizione dell'interno del corpo umano. L'MRI e' basata sui principi della Risonanza Magnetica Nucleare (NMR), una tecnica spettroscopica usata dai ricercatori per ottenere informazioni di tipo microscopico, chimico e fisico, sulle molecole. La tecnica e' stata chiamata "imaging mediante risonanza magnetica" piuttosto che "imaging mediante risonanza magnetica nucleare" a causa delle connotazioni negative associate alla parola "nucleare" negli ultimi anni '70. L'MRI e' nata inizialmente come tecnica di imaging tomografico, in grado cioe' di produrre un'immagine di una sottile fetta del corpo umano dal segnale NMR. Da normale tecnica di produzione di immagini tomografiche si e' evoluta fino a divenire una tecnica di imaging volumetrico. Questo manuale offre un quadro completo dei principi di base della MRI.
Prima di iniziare lo studio dell'MRI, e' utile ripercorrere la sua breve storia.
Felix Bloch e Eduard Purcell, entrambi vincitori del premio Nobel nel 1952, scoprirono il principio di risonanza magnetica, indipendentemente l'uno dall'altro, nel 1946.
Nel periodo tra il 1950 e il 1970 l'NMR fu sviluppata e usata per analisi molecolari chimiche e fisiche.
Nel 1971 Raymond Damadian dimostro' che i tempi di rilassamento magnetici nucleari dei tessuti sani erano differenti da quelli dei tumori, stimolando cosi' i ricercatori a prendere in considerazione la risonanza magnetica per la rivelazione delle malattie.
Nel 1973 fu introdotta da Hounsfield la tomografia computerizzata a raggi X (TAC).
Questa data e' importante come punto di partenza per l'MRI perche' dimostro' che gli ospedali erano disposti a forti investimenti per innovativi strumenti di imaging in campo medico. Nello stesso anno, la possibilita' di fare imaging con risonanza magnetica fu sperimentata con successo per la prima volta da Paul Lauterbur utilizzando un oggetto test costituito da piccoli tubi contenenti acqua.
Per la ricostruzione dell'immagine egli uso' una tecnica di retroproiezione simile a quella usata in TAC.
Fu Richard Ernst nel 1975 a proporre l'utilizzo nell'MRI di un processo di codifica di fase e di codifica in frequenza e l'impiego della trasformata di Fourier.
Questa tecnica e' alla base delle attuali tecniche di MRI.
Un paio di anni dopo, nel 1977, Raymond Damadian sperimento' l'MRI sull'intero corpo.
Nello stesso anno, Peter Mansfield sviluppo' la tecnica di imaging eco-planare (EPI). Questa tecnica sara' poi sviluppata negli anni successivi per produrre immagini a frequenza video (30 ms/immagine).
Nel 1980 Edelstein ed i suoi collaboratori sperimentarono l'imaging del corpo usando la tecnica di Ernst. Una singola immagine poteva essere cosi' acquisita in circa cinque minuti.
A partire dal 1986, il tempo richiesto per produrre immagini e' stato ridotto a circa cinque secondi, senza sacrificare troppo la qualita' dell'immagine.
Nello stesso anno alcuni studiosi stavano sviluppando il microscopio a NMR, in grado di raggiungere una risoluzione prossima ai 10 μm su campioni di circa un centimetro.
Nel 1987 l'EPI fu utilizzata per effettuare l'acquisizione di immagini in tempo reale di un singolo ciclo cardiaco.
Nello stesso anno Charles Dumoulin stava perfezionando l'angiografia a risonanza magnetica (MRA), che permetteva di avere immagini di risonanza magnetica del flusso sanguigno senza l'uso di un mezzo di contrasto.
Nel 1991 Richard Ernst riceve il premio Nobel per la Chimica per i suoi risultati sulla trasformata di Fourier pulsata in NMR e MRI.
Nel 1992 inizia lo sviluppo dell'MRI funzionale (fMRI), una tecnica che permette di costruire una mappa delle funzioni delle varie regioni del cervello umano.
Cinque anni prima molti clinici pensarono che le applicazioni primarie dell'imaging eco-planare dovessero essere per l'imaging cardiaco in tempo reale.
Lo sviluppo della fMRI rivelo' una nuova applicazione per l'EPI nel costruire una mappa delle regioni del cervello responsabili del controllo del pensiero e del movimento.
Nel 1994 i ricercatori delle Universita' di Stony Brook e Princeton nello stato di New York (USA) sperimentarono con successo l'imaging del gas 129Xe iperpolarizzato per studi respiratori.
Nel 2003 Paul C. Lauterbur dell'Universita' dell'Illinois e Sir Peter Mansfield dell'Universita' di Nottingham hanno ricevuto il premio Nobel per la Medicina per le loro scoperte nel campo dell'imaging con risonanza magnetica. L'MRI e' chiaramente una scienza giovane ma in rapida evoluzione.
Nel 2003 e' stato stimato che le unita' MRI presenti nel mondo sono circa 10000 e che si effettuano in un anno circa 75 milioni di esami. La crescita del settore MRI aumenta le possibilita' di impiego in questo campo.
La figura del radiologo specializzato nella lettura di immagini MRI e' indispensabile. Ci si aspetta per il futuro una crescita della domanda di medici radiologi maggiore di quella attuale, con conseguente crescita della domanda anche per le figure dei tecnici di radiologia e degli assistenti.
Il tecnico di radiologia e' la persona che lavora alla consolle dell'apparecchio per ottenere le immagini prescritte dal radiologo. Uno studio basato sul numero di apparecchi attualmente installati indica che vi sara' un costante bisogno di piu' di 1000 tecnici MRI per anno (stima per gli USA). Una buona risorsa di informazioni per tecnici MRI e' la Federazione Nazionale Collegi TSRM.
Nel campo dell'MRI si sono recentemente sviluppate altre due figure professionali (almeno in America): il tecnico esperto in post-processing e lo specialista della sicurezza. Il tecnico esperto in post-processing si occupa dell'applicazione dei vari algoritmi di elaborazione delle immagini al fine di estrarre maggiori informazioni o permetterne una migliore visualizzazione. Lo specialista della sicurezza fornisce la sua assistenza al fine di assicurare un corretto e sicuro utilizzo del sistema MRI.
La complessita' di un sistema MRI rende indispensabile un'altra figura professionale: il tecnico addetto alla manutenzione. Questi tecnici, in genere dipendenti delle case costruttrici ed in possesso di un diploma o una laurea in elettrotecnica/elettronica, possono entrare a far parte dello staff per i siti di maggiori dimensioni al fine di permettere il buon funzionamento degli impianti MRI.
In tutti i campi inoltre, per fare ricerche di base e spingere la scienza verso nuove frontiere, vi e' sempre bisogno di ricercatori in discipline quali chimica, biologia e fisica. Alcune delle linee di ricerca includono: i mezzi di contrasto, l'imaging molecolare e la progettazione di sequenze di impulsi avanzate. Queste persone hanno tipicamente una laurea specialistica nel rispettivo campo, un significativo training in MRI e una forte motivazione. Una buona risorsa di informazioni per i ricercatori e' l'International Society for Magnetic Resonance in Medicine (ISMRM).
Gli ingegneri ad indirizzo biomedico e i ricercatori in scienza dei materiali sono richiesti per lo sviluppo di sottosistemi per MRI. Uno dei sottosistemi maggiormente richiesto e' quello delle bobine. Altra area di grande interesse attuale e' quella dello sviluppo di dispositivi compatibili con l'MRI (pacemakers, defribillatori, clips chirurgiche e cateteri).
Ricercatori nel campo dell'imaging sono necessari per lo sviluppo di algoritmi per il post processing delle immagini di risonanza magnetica e per lo sviluppo di software mirato a identificare e diagnosticare patologie. Esperti di computer sono invece richiesti per progettare interfacce grafiche (GUI) efficienti e di facile utilizzo.
Per finire, citiamo la categoria degli architetti indispensabili per la progettazione di centri MRI efficienti e sicuri. The Basics of MRI e' un buon punto di partenza per tutte le persone interessate ad un prima introduzione al mondo dell'MRI e per tutte le figure professionali sopra citate che vogliano iniziare un percorso formativo in vista di una carriera nel campo dell'MRI o di un campo ad esso correlato.
Per chi fosse interessato ad una di queste figure professionali, consigliamo un approfondimento sulla professione e sull'MRI, ed una ricerca sui possibili percorsi formativi al fine di conseguire il titolo di studio necessario.
Nel mondo, sono attualmente sei i principali costruttori di apparecchiature MRI per uso clinico. In aggiunta a questi, ve ne sono due che producono apparecchi MRI per impieghi sperimentali. Altri costruttori producono sottosistemi per MRI, quali bobine RF, mezzi di contrasto, dispositivi compatibili, amplificatori RF e magneti. La tabella seguente contiene i nomi di alcuni dei maggiori costruttori divisi per settore; cliccando sul link viene visualizzato il sito del costruttore. Poiche' questi link sono esterni a The Basics of MRI, essi potrebbero essere soggetti a modifiche.
| Costruttori di MRI per uso clinico |
|---|
| Fonar |
| General Electric Medical Systems |
| Hitachi Medical Systems |
| Philips Medical Systems |
| Siemens Medical Solutions |
| Toshiba Medical Systems |
| Costruttori di MRI ad alto campo per impieghi sperimentali |
|---|
| Bruker Biospin MRI |
| Varian |
| Produttori di mezzi di contrasto MRI |
|---|
| Amersham Health |
| Bracco |
| Berlex |
| EPIX Medical |
| Isotec |
| Costruttori di accessori per sistemi MRI |
|---|
| Biophan Technologies |
| Magmedix |
| Medrad |
| MR Resources |
| Resonance Technology |
| Schiller |
| SA Instruments |
| Costruttori di magneti |
|---|
| Oxford Magnet Technology |
| Resonance Research / Stern Magnetics |
| Magnex Scientific |
| Bobine per gradienti |
|---|
| Tesla Engineering |
| Amplificatori RF |
|---|
| Communication Power Corporation |
| Coply Controls |
| Dressler USA |
| Herley Medical Products |
Questo manuale didattico vi fornira' una comprensione dei principi di MRI sia micro che macroscopica e una descrizione del sistema di imaging.
Cominciamo con l'introdurre i fondamenti dell'MRI. La Risonanza Magnetica ha esordito come modalita' di imaging tomografico per produrre immagini NMR di una fetta del corpo umano. Ciascuna fetta, in cui possiamo pensare suddiviso il distretto anatomico in esame, ha un determinato spessore (Thk dall'inglese Thickness). Con il termine imaging tomografico si intende una modalita' di imaging in grado di produrre un risultato, in un certo senso, equivalente all'eliminazione dell'anatomia sopra e sotto la fetta. Una fetta e' composta di vari elementi tridimensionali o voxel; 
il volume di un voxel e' di circa 3 mm3. L'immagine RM di una fetta e' composta da molti elementi bidimensionali chiamati pixel; l'intensita' di un pixel e' proporzionale all'intensita' del segnale NMR del voxel corrispondente.
L'imaging a risonanza magnetica e' basato sull'assorbimento e l'emissione di energia nel range delle frequenze radio dello spettro elettromagnetico.
Dallo spettro di attenuazione del corpo umano
e' chiaro il perche' vengano usati raggi X, ma ci chiediamo: perche' c'e' voluto tanto tempo per sviluppare l'imaging con onde radio, tenuto conto anche dei rischi per la salute connessi all'uso di radiazioni ionizzanti quali i raggi X?
A molti ricercatori era stato insegnato che non era possibile produrre immagini di oggetti piu' piccoli della lunghezza d'onda corrispondente all'energia usata dal sistema di imaging. L'MRI ha superato questa limitazione producendo immagini sulla base di variazioni spaziali in fase e frequenza dell'energia assorbita ed emessa dall'oggetto esaminato.
Il corpo umano e' principalmente costituito da grasso e acqua. Grasso e acqua contengono molti atomi di idrogeno, che fanno si che il corpo umano sia costituito per il 63% da atomi di idrogeno. I nuclei di idrogeno sono in grado di produrre un segnale NMR. Per queste ragioni l'MRI rappresenta principalmente il segnale NMR proveniente dai nuclei di idrogeno. Ciascun voxel di una immagine del corpo umano contiene uno o piu' tessuti. Per esempio qui c'e' un voxel con un solo tipo di tessuto.
Zoomando sul voxel e' possibile vedere le cellule. In ogni cellula ci sono molecole di acqua. Qui ci sono alcune molecole di acqua. Ogni molecola di acqua ha un atomo di ossigeno e due di idrogeno. Se noi zoomiamo su uno degli atomi di idrogeno oltre la nuvola degli elettroni vediamo un nucleo costituito da un singolo protone. Il protone possiede una proprieta' chiamata spin che:
Non tutti i nuclei possiedono la proprieta' chiamata spin. Una lista dei nuclei che possono essere studiati con l'MRI sara' presentata nel Capitolo 3, che esamina la fisica degli spin.
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