The Basics of MRI

Capitolo 1

INTRODUZIONE



NMRI o MRI?

La Risonanza Magnetica per Imaging (MRI) è una tecnica utilizzata principalmente in campo medico per produrre immagini ad alta definizione dell'interno del corpo umano. L'MRI è 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 è stata chiamata "imaging mediante risonanza magnetica" piuttosto che "imaging mediante risonanza magnetica nucleare" a causa delle connotazioni negative associate negli ultimi anni '70 al termine "nucleare". L'MRI è nata inizialmente come tecnica di imaging tomografico in grado cioè di produrre l'immagine di un sottile strato del corpo umano a partire dal segnale NMR. Successivamente, la tecnica ha trovato applicazione anche nell'imaging volumetrico. Questo manuale offre un quadro completo dei principi di base dell'imaging a risonanza magnetica.

Prima di iniziare lo studio dell'MRI, è utile ripercorrere la sua breve storia. La scoperta del principio di risonanza magnetica si deve a Felix Bloch ed Edward Purcell, che, nel 1946, scoprirono questo fenomeno indipendentemente l'uno dall'altro. Ad entrambi è stato assegnato il premio Nobel per la Fisica nel 1952.
Nel periodo tra il 1950 e il 1970 l'NMR fu sviluppata e usata principalmente per analisi molecolari chimiche e fisiche. Fu Raymond Damadian nel 1971 a dimostrare, con esperimenti su cavie da laboratorio, che i tempi di rilassamento magnetico-nucleari dei tessuti sani erano differenti da quelli dei tessuti tumorali, stimolando così 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 è importante nella storia dell'MRI perché rivelò che gli ospedali erano disposti ad affrontare forti investimenti per dotarsi di innovativi strumenti di imaging. Nello stesso anno, Paul Lauterbur sperimentò per primo, e con successo, la possibilità di fare imaging con risonanza magnetica utilizzando come "oggetto test" dei piccoli tubi contenenti acqua. Per la ricostruzione dell'immagine egli usò una tecnica di retroproiezione simile a quella usata nella TAC. Fu Richard Ernst nel 1975 a proporre l'utilizzo nell'MRI di un processo di codifica di fase e frequenza e l'impiego della trasformata di Fourier, elementi, questi, ancora oggi alla base delle moderne tecniche di MRI. Un paio di anni dopo, nel 1977, Raymond Damadian sperimentò l'MRI sull'intero corpo umano. Nello stesso anno, Peter Mansfield ideò la tecnica di imaging eco-planare (EPI) che, negli anni successivi, fu ulteriormente sviluppata per produrre immagini a frequenza video (30 ms/immagine).

Tre anni dopo, nel 1980 Edelstein ed i suoi collaboratori sperimentarono l'imaging del corpo usando la tecnica di Ernst. Una singola immagine poteva essere così acquisita in circa cinque minuti. A partire dal 1986, il tempo richiesto per produrre immagini è stato ridotto a circa cinque secondi, senza significativi cambiamenti della qualità dell'immagine. Nello stesso anno, alcuni studiosi svilupparono 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 di un singolo ciclo cardiaco in tempo reale. Nello stesso anno Charles Dumoulin perfezionava l'angiografia a risonanza magnetica (MRA), grazie alla quale diventava possibile ottenere immagini del flusso sanguigno senza l'utilizzo di un mezzo di contrasto.

Nel 1991 Richard Ernst riceveva il premio Nobel per la Chimica per i suoi risultati sulla spettroscopia NMR con l'uso della trasformata di Fourier. Il 1992 segnò l'inizio dello sviluppo dell'MRI funzionale (fMRI), una tecnica che permette di costruire una mappa delle funzioni delle varie regioni del cervello umano. Solo cinque anni prima molti clinici ritennero che le applicazioni primarie dell'imaging eco-planare dovessero riguardare l'imaging cardiaco in tempo reale. Lo sviluppo della fMRI rivelò invece una nuova applicazione per l'EPI nel costruire una mappa delle regioni del cervello responsabili del controllo del pensiero e del movimento.
Nel 1994, alcuni ricercatori delle Università 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'Università dell'Illinois e Sir Peter Mansfield dell'Università di Nottingham hanno ricevuto il premio Nobel per la Medicina per le loro scoperte nel campo dell'imaging con risonanza magnetica. Questa rapida cronologia evidenzia che l'MRI è una scienza giovane, ma in rapida evoluzione.

Le figure professionali del settore MRI

Una statistica del 2003 ha stimato che nel mondo vi sono circa 10000 unità MRI e che si effettuano circa 75 milioni di esami in un anno. La costante crescita del settore MRI aumenta le possibilità di impiego in questo campo.

Visto il ruolo ricoperto in questo ambito dalla figura del radiologo specializzato nella lettura di immagini MRI, ci si aspetta, per il futuro, un ulteriore incremento della domanda di medici radiologi, con conseguente crescita della domanda anche per le figure dei tecnici di radiologia (persone che lavorano alla consolle dell'apparecchio per acquisire le immagini secondo le direttive del radiologo) e degli assistenti.

Uno studio USA, basato sul numero di apparecchi attualmente installati sul territorio americano, ha stimato che vi sarà una richiesta annua di più di 1000 tecnici. La Federazione Nazionale Collegi TSRM è una buona fonte di informazioni per i tecnici MRI.

Altre due figure professionali hanno recentemente fatto il loro ingresso nel campo dell'MRI (almeno in USA): il tecnico esperto in post-processing e lo specialista della sicurezza. Il primo 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, invece, la sua assistenza per assicurare un corretto utilizzo del sistema MRI in sicurezza.

La complessità di un sistema MRI rende inoltre 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 di una laurea in elettrotecnica/elettronica, possono entrare a far parte dello staff nei siti di maggiori dimensioni.

In qualsiasi campo si voglia fare ricerca di base e spingere la scienza verso nuove frontiere, vi è sempre bisogno di ricercatori in discipline quali chimica, biologia e fisica. Alcune delle linee di ricerca nell'imaging a risonanza magnetica includono: i mezzi di contrasto, l'imaging molecolare e la progettazione di sequenze di impulsi avanzate. I ricercatori impegnati in queste linee di ricerca hanno tipicamente una laurea specialistica, ognuno nel rispettivo campo, un significativo training in MRI ed una forte motivazione. L'International Society for Magnetic Resonance in Medicine (ISMRM) è una buona risorsa di informazioni per i ricercatori.

Altre figure professionali coinvolte nello sviluppo di sistemi MRI sono: ingegneri ad indirizzo biomedico e ricercatori in scienza dei materiali per lo sviluppo di sottosistemi per MRI, quali ad esempio quello delle bobine o quello dei dispositivi compatibili con i campi magnetici (pacemakers, defribillatori, clips chirurgiche e cateteri); ricercatori nel campo dell'imaging sono necessari per lo sviluppo di algoritmi di 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 è 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.

I principali costruttori di apparecchiature MRI per uso clinico sono attualmente sei. 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. Poiché 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

Costruttori di bobine RF
Advanced Imaging Research
Doty Scientific
IGC Medical Advances
Lammers Medical Technology
Scanmed
Machnet B.V.
MR Instruments
MRI Devices
Nova Medical
RAPID Biomedical
Supertron Technologies
USA Instruments
XL Resonance

Bobine per gradienti
Tesla Engineering

Amplificatori RF
Communication Power Corporation
Coply Controls
Dressler USA
Herley Medical Products

L'imaging tomografico

Questo manuale didattico vi fornirà una comprensione dei principi di MRI sia microscopica che macroscopica e una descrizione del sistema di imaging. Cominciamo con l'introdurre i fondamenti dell'MRI.
La Risonanza Magnetica ha esordito come modalità di imaging tomografico per produrre immagini NMR di una sezione del corpo umano. Ciascuna delle sezioni in cui possiamo immaginare sia stato suddiviso il distretto anatomico in esame avrà un determinato spessore (Thk dall'inglese Thickness). Con il termine imaging tomografico si intende una tecnica in grado di produrre un risultato, in un certo senso, equivalente all'eliminazione dell'anatomia localizzata al di sopra e al di sotto della sezione in esame. Una sezione è composta di vari elementi tridimensionali o voxel; il volume di un voxel è di circa 3 mm3. L'immagine di risonanza magnetica di una sezione è composta da molti elementi bidimensionali chiamati pixel; l'intensità di un pixel è proporzionale all'intensità del segnale NMR del voxel corrispondente.

L'imaging a risonanza magnetica è basato sull'assorbimento e l'emissione di energia nel range delle frequenze radio dello spettro elettromagnetico.
Dall'analisi dello spettro di attenuazione del corpo umano risulta evidente il perché vengano usati i raggi X, ma ci chiediamo: visti i rischi per la salute connessi all'uso di radiazioni ionizzanti quali i raggi X, perché c'è voluto tanto tempo per sviluppare l'imaging con le onde radio? Per rispondere a questa domanda occorre ricordare che a molti ricercatori era stato insegnato che non era possibile produrre immagini di oggetti più 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, in fase e frequenza, dell'energia assorbita ed emessa dall'oggetto esaminato.

Fenomeni microscopici responsabili dell'MRI

Il corpo umano è principalmente costituito da acqua e grasso. L'elevata presenza di atomi di idrogeno in questi due elementi fa sì 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 questo elemento chimico. Ciascun voxel di un'immagine del corpo umano può contenere uno o più tessuti. Per esempio, qui c'è un voxel con un solo tipo di tessuto. Zoomando sul voxel è possibile vedere le cellule. Come mostrato in quest'immagine, in ogni cellula ci sono molecole di acqua. Ogni molecola di acqua ha un atomo di ossigeno e due di idrogeno. Se ora zoomiamo su uno degli atomi di idrogeno è possibile vedere, oltre la nuvola degli elettroni, un nucleo costituito da un singolo protone. Il protone possiede una proprietà chiamata spin che:

  1. può essere immaginata come un piccolo campo magnetico
  2. è la causa della produzione del segnale NMR da parte del nucleo.

Non tutti i nuclei possiedono lo spin. Una lista dei nuclei che possono essere studiati con l'MRI sarà presentata nel Capitolo 3, nel quale esamineremo la fisica degli spin.


Esercizi

  1. Qual è il più piccolo elemento di informazione in un'immagine? 
  2. L'immagine di una sezione tomografica contiene molti piccoli elementi tridimensionali chiamati? 
  3. In quali regioni dello spettro si trovano le due finestre di trasmissione per l'energia elettromagnetica attraverso il corpo umano? 
  4. L'MRI usa segnali NMR provenienti principalmente da quali nuclei?  
  5. Chi per primo dimostrò l'utilizzo della tecnica di retroproiezione per l'MRI?  
  6. Chi per primo dimostrò l'utilizzo della tecnica di Fourier per l'MRI?  
  7. Chi mostrò che i tempi di rilassamento dei tessuti sani erano differenti da quelli dei tumori e più tardi produsse una MRI di un corpo intero?  
  8. Quali due tipi di molecole sono responsabili del segnale in MRI?  
  9. Cosa si intende per immagine tomografica?  

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