Bazele Fizice Si Biofizice Ale Imagisticii Prin RMN [PDF]

Zitiervorschau

Bazele fizice si biofizice ale imagisticii prin REZONANTA MAGNETICA NUCLEARA

1.Imagistica prin rezonanta magnetica nucleara Rezonanta Magnetica Nucleara este o tehnica spectroscopica folosita frecvent in domenii precum chimie,chimie fizica,medicina biofizica si inginerie nucleara. Este folosita pentru determinarea structurii diversilor ompusi chimici iar in biochimie pentru determinarea structurii proteinelor fiind singura tehnica destinata determinarii structurii proteinelor in solutie deoarece conditiile sunt mult mai apropiate de cele existente in mod normal. Cu ajutorul RMN se obtin imagini in medicina ce sunt extreme de folositoare in punerea unui diagnostic oferind informatii despre caracteristicile fizico-anatomice ale organelor sau tesuturilor ce se doresc investigate. Imagistica RMN are ca scop realizarea unei imagini bidimensionale dintr-o anumita sectiune a corpului din care e posibila obtinerea unei imagini tridimensionale,pornind de la un numar mare de sectiuni ori chiar a unei inregistrari tridimensionale,a raspunsului tesuturilor la un semnal magnetic ce induce RMN a protonilor,oferind asrfel informatii despre starea fiziologica sau patologica a unor tesuturi. Parametrii masurabili care fac posibila obtinerea acetor informatii sunt densitatea de protoni si timpii de relaxare.densitatea de protoni este legata de hidratarea tesuturilor iar timpii de trelaxare depend de starea apei dein tesuturi,deci de interactiune ei cu moleculele bologice.spre deosebire de alte metode imagistice in care se inregistreaza un singur parametru (radiatia reflectata-ecografie;radiatia transmisa-razele X;gradul de fixare in tesuturi-scintigrafia) , imaginile RMN pot inregistra 3 parametrii ceea ce inseamna ca are o mai mare flexibilitate si o cantitate mai mare de informatie,dar si ca aparatura utilizata si protocoalele de lucru sunt mult mai complexe si astfel necesita o reglare cat mai fina a parametrilor in functie de scop. Chiar si prelucrarea raspunsului in vederea obtinerii imaginii este mai complexa. Dar cu toate ca aceasta metoda este mult mai complexa prezinta marele avantaj de a nu utiliza radiatii ionizante,deci nocivitatea ei este cu mult mai mica.

2.Principii fizice si biofizice ale imagisticii prin RMN In cazul RMN experimentele se realizeaza pe nuclei atomilor si nu pe eletronii acestora,asa ca informatia ce va fi furnizata se va referi la model de pozitionare spatiala a acestor nuclei in compusul chimic ce est studiat. Nuclei prezinta o proprietate intrinseca numita spin. Acest fenomen are la baza anumite considerente fizice. Unul dintre acestea ar fi ca orice sarcina electrica care este in miscare genereaza in jurul sau un camp magnetic. Acelasi lucru se intampla si in cazul nucleilor,care sunt sarcini electrice positive,atunci cand,datorita rotatiei pe care o efectueaza in jurul propriilor axe,se genereaza un camp magnetic caracterizat printr-un moment magnetic μ, proportional se de sens opus cu spinul nucleului l. in cazul RMN nuclei de interes sunt acei nuclei care au valoarea l=1/2.

Ar mai fi si faptul ca daca asezam un nucleu atomic intr-un camp magnetic extern Bo,atunci vectorul moment magnetic va putea fi paralel (l=+1/2) sau antiparalel (l= -1/2) cu directia acestui camp. De speciicat ca energia sistemului antiparalel este mai mare decat energia sistemului paralel,aceasta diferenta fiind direct proportionala cu valoarea campului Bo(∆ E=μB/l). Daca iradiem nucleul cu un camp de radiofrecvente RF pe o directie transversala a campului constant Bo,acest camp transportand o energei egala cu ∆E,atunci nucleul (spinul) se va excita trecand de la starea de energie +1/2 la starea de energie -1/2 ce este caracterizata prin energie mai mare. Dar cum in conditii naturale orice system fizic tinde catre o stare cu energie cat mai mica acest nucleu se va relaxa,trecand din nou la starea de energie +1/2 si emitand un alt camp de radiofrecvente din a carui parametrii se obtin informatii despre natura nucleului cum ar fi pozitia sa in molecula respeciv tipul nucleului. Principiile imagisticii de rezonanta magnetica nucleara sunt ca: O particula care se afla in miscare de rotatie e caracterizata de un moment cinetic(L),care este vector perpendicular pe planul traiectoriei,dependent de masa si viteza particulei si raza traiectoriei,deci descrie caracteristicile miscarii: L ~mvr O sarcina electrica ce se afla in miscare este influentata de un camp magnetic,deci se comporta ca un mic magnet,caracterizat printr-un moment magnetic. Momentul magnetic este,la fel ca si cel cinetic,un vector perpendicular pe planul traiectoriei ,sensul depinzand de semnul sarcinii. Electronul are un moment cinetic si,respectiv,un moment magnetic orbital, corespunzator rotatiei in jurul nucleului,dar si un moment cinetic si,respectiv un moment magnetic de spin. Acestea din urma ar putea fi interpretate intuitiv ca fiind corespunzatoare unei miscari de rotatie in jurul propriei axe. In mecanica cuantica,momentul cinetic de spin sau spinul(S) e cuantificat,depinzand de numarul cuantic de spin(s). In mecanica cuantica se demonstreaza faptul ca neutronul ,desi neutru,are totusi un moment magnetic de spin,egal cu al protonului. Ca si in cazul electronului nucleoli se asociaza in perechi de spin opus,astfel incat pentru un numar par spinul total este nul. Pentru un nucleu care are un numar Z de protoni si A-Z de neutroni, momentul magnetic de spin total se obtine prin insumarea momentelor corespunzatoare protonilor si, respective neutronilor. Avem deci trei posibilitati: Ca protpnii si neutronii sa fie in numar par rezultand spin nul; Ca numarl de masa sa fie impar deci fie protonii,fie neutronii sunt impair rezultand spin semiintreg(+1/2 sau -1/2); Ca A sa fie par si Z sa fie impar,ceea ce inseamna ca atat protonii cat si neutronii sunt in numar impar;spinul este intreg deoarece spinul semiintreg rezultat pentru fiecare tip in parte se aduna si da 1. Daca o particula,avand un moment magnetic nenul,e plasata in camp magnetic (B),asupra ei se exercita o serie de forte ,ceea ce imprima o miscare de precesie,precesie Larmour,avand ca ax directia campului magnetic,in urma careia se va orient ape directia lui B. miscarea este asemanatoare cu miscarea unui titirez. O populatie de nuclee cu spin nenul ,plasata intr-un camp magnetic uniform si constant se repartizeaza intre cele doua nivele energetice conform legii lui Boltzman. Daca peste acest camp se suprapune un camp electromagnetic cu frecventa Larmour,spinii absorb energia si pot trece rapid pe nivelul energetic superior;ei intra in rezonanta cu campul electromagnetic. Reorientarea spinilor induce o tensiune electromotoare intr-o infasurare ce inconjoara proba. Aplicandu-se un camp electromagnetic de frecventa variabila continuu(in domeniul de rediofrecventa) ,fiecare

specie nucleara cuprinsa in esantion va intra in rezonanta la propria frecventa Larmour ; s-a realizat astfel un baleiaj de frecventa. Inregistrandu-se semnalul se obtine spectrul RMN ,A(v);frecventa liniilor spectrale corespunde frecventei Larmour a nucleelor, iar amplitudinea numarului de nuclee care absorb la frecventa respective. Aceasta operatie se poate realiza si astfel:campul electromagnetic aplicat are o frecventa constanta,dar peste campul B se aplica un al doilea camp,de intensitate mult mai mica(∆B) si reglabil. Se face astfel baleiaj de camp. In present spectrele RMN se obtin prin aplicarea unui semnal de radiofrecventa sub forma unor impulsuri scurte,de frecventa fixa. Acestea induc o perturbare a spinilor. Dupa incetarea impulsului,ei revin in situatia de echilibru,printr-o precesie Larmour libera,corespunzand unui semnal sinusoidal amortizat,specific pentu fiecare specie nucleara prezenta. Se inregistreaza raspunsul sistemului ca o functie de timp f(t). Printr-o transformare Fourier se obtine spectrul A(v) al sistemului. Frecventa Larmour,depinzand de inductia campului magnetic in imediata vecinatate a nucleului,e influentata de campurile magnetice ale altor nuclee prezente si de norul electronic ce inconjoara nucleul. Acesta realizeaza o ecranare,ce se manifesta prin fapul ca nucleul “simte” un camp magnetic mai mic decat cel aplicat(B). Consecinta va fi o deplasare a frecventei de rezonanta fata de cea a nucleului izolat. Deplasarea e de odinul micro din frecventa de rezonanta si se exprima in parti pe million. Deplasarea poate da indicatii asupra mediului ambiant. La excitarea cu un camp de radiofrecventa a moleculelor,interactiunile dintre protoni sunt multiple,deci spectrele ce se obtin sunt extrem de complexe,multe linii spectrale suprapunandu-se,asa ca devine destul de dificil de extras informatia . acest lucru este inlaturat prin spectroscopia bidimensionala. Excitarea se face in secvente. Intr-o prima etapa proba este iradiata cu un semnal de radiofrecventa care va excita toate nucleele. Fiecare insa va avea o precesie cu o frecventa ce depinde de campul local,deci de interactiunile la care ia parte . dupa un timp t1 variabil in trepte,cand spinii vor fi defazati in functie de propria frecventa Larmour,se aplica un al doilea semnal de radiofrecventa ,care va avea,in mod evident,efecte diferite asupra fiecarui spin. Dupa un timp t2,timpul de achizitie,se inregistreaza raspunsul. Operatia se repeat pentru diferite valori ale lui t1,dupa ce se asteapta,de fiecare data,revenirea la starea de repaus. Prin analiza Fourier a raspunsurilor inregistrate se obtine spectrul bidimensional,in functie de doua variabile de frecventa corespunzatoare t1 si t2. Spectrul va cuprinde o serie de varfuri aflate pe diagonala,reprezentand spectrul unidimensional,dar si alte varfuri asezate simetric fata de diagonala. Acestea indica interactiunile dintre protoni. Spectroscopia RMN bidimensionala e foarte utila pentru determinarea structurii proteinelor si a altor macromolecule biologice.

3.Obtinerea de imagini RMN la pacienti Pentru obtinerea de imagini RMN ale unor structuri biologice,organe,tesuturi, corpul pacientului este introdus in interiorul unui magnet care genereaza un camp magnetic uniform . Se folosesc magneti permanenti,electromagneti ori magneti supraconductori. Cei permanenti sunt mai accesibili deoarece nu consunma energie,astfel fiinf mai usor de exploatat dar au ca principal dezavantaj greutatea care uneori poate ajunge la 100 de tone. Electromagnetii au un consum mare de energie si dagaja o mare cantitate de caldura necesitand un sistem de racier. Pot genera campuri magnetice de pana la 0,15 tesla. Magnetii supraconductori sunt electromagneti raciti pana la -269°C, printrun dublu circuit cu azot si heliu lichid. La aceasta temperatura rezistenta infasurarii

devine nula(fenomenul de supraconductivitate), deci consumul de energie e foarte mic. Ei por genera campuri magnetice de pana la 2 tesla. Pentru stabilirea sectiunii si a elementelor de volum de pe care se face inregistrarea se aplica,pe anumite directii,campuri magnetice neuniforme liniar variabile in spatiu,suprapuse peste campul magnetic principal,asa-numitii gradienti de camp. Acestia se obtin cu ajutorul unor infasurari cu geometri si orientare adecvate Semnalele de radiofrecventa excitatoare se aplica prin intermediul unor bobine prin care circula cu current alternativ cu frecventa de rezonanta(dependenta de inductia campului magnetic) . Uneori,aceleasi bobine se folosesc si pentru inregistrarea raspunsului. Prelucrarea semnalelor inregistrate si obtinerea imaginii se face pe computer. Dat fiind ca se lucreaza cu camp magnetic si cu semnale electromagnetice de radiofrecventa, pot aparea interactiuni cu mediul inconjurator,in ambele sensuri. Omogenitatea campului magnetic poate fi afectata de obiecte feromagnetice in special daca acestea sunt in miscare iar campul magnetic poate afecta functionarea unor aparate electrice cum ar fi stimulatoare cardiace,monitoare video,suporturi pentru inregistrate magnetica (discuri,benzi),tuburi de radiatii X etc. Semnalele de radiofrecventa inregistrate fiind slabe pot fi perturbate de semnale captate din exterior. Pentru evitarea acestor interactiuni se face o ecranare a incaperii si se evita introducerea de surse de radiatii.

4.Utilizarea RMN in medicina Rezonanta magnetica nucleara a fost folosita cu success in medicina pentru obtinerea de imagini cu organe sau tesuturi afectate. Fiind mai sensibil decat tomografia computerizata ,se pot obtine imagini ale un or situatii patologice care in cazul CT nu sunt detectate. In 1985 a aparut un articol in American Journal of Roentgenology privind studiul afectiunilor orbitelor. Studiul a fost efectuat pe 100 de pacienti cu orbite normale care erau evaluati pentru patologia creierului si 21 de pacienti cu leziuni variate ale orbitelor. Imaginile RMN au fost comparate cu imaginile CT. Si imaginile RMN si cele CT au demonstrat anormalitatile tesutului moale in toate cazurile mai putin doua in care RMN nu a detectat anormalitatile. In mai multe alte cazuri RMN a oferit mai multe informatii decat CT. RMN are avantajul de a oferi detalii anatomice in imagini multiplanare,si este mai sensibil decat CT in detectarea hemoragiilor cronice subcutanate,de mici dimensiuni si in detectarea ischemiilor. CT este superior RMN in portretizarea detaliilor osoase fine. RMN a fost utilizat in studiul traumatismelor spinale acute si s-a dovedit a fi o metoda imagistica eficienta pentru demonstrarea traumatismelor oaselor si ligamentelor la pacienti care au suferit vatamari ale sirei spinarii. A fost eficient chiar si in descoperirea traumatismelor fine. Acesta metoda imagistica este folosita in toate domeniile medicinei,chiar si in biochimie. Este folosita pentru studii biochimice variate cum ar fi sinteza de L-lizina la bacteria Brevibacterium flavum ,mecanismul rezistentei insulinei in obezitate,transportul glucozei in muschiul sheletic,studiul ionizarilor si legarii de hidrogem in complexul inhibitor chimotripsina-glioxal,in stusiul interactiunilor lizinei 41 cu liganzii la centrul active.

5.Rezonanta magnetica nucleara-scurt istoric In spatele Rezonantei Magnetice Nucleare se afla anumite principii ce stau la baza,principii care pornesc din cercetarea timpurie in fizica particulelor. Dupa cincizeci de ani de fizica particulelor joaca un rol major in transpunerea aparatelor de rezonanta magnetica nuclear ape piata comerciala. In 1937,Isidor Isaac Rabi a observat ca atomii de hydrogen raspund unui camp magnetic puternic,prin indicarea aceleiasi directii,ca acele unei busole. Mai tarziu oamenii de stiinta au descoperit ca acel camp actiona asupra nucleilor atomilor ,care sunt incarcati pozitiv. Cand un al doilea camp magnetic,osciland la frecventa potrivita,loveste atomii,unii nuclei de hydrogen primesc un impuls de energie si fac o rotatie de 90 de grade. Cand cel de-al doilea camp magnetic este inlaturat,nuclei se intorc la pozitia initiala. Aceasta realiniere are loc diferit in functie de material,oferind oamenilor de stiinta o cale de a le deosebi. In 1946,Edward Purcell si Felix Bloch au determinat faptul ca intensitatea primului camp magnetic si frecventa celui de-al doilea sunt legate de un fenomen numit de ei rezonanta magnetica nucleara sau RMN. Curand RMN-ul era folosit pentru a analiza natura chimica a lichidelor so solidelor. Datorita faptului ca 55-60% din corpul uman este apa ,iar fiecare molecula de apa contine doi atomi de hydrogen,tehnica ar fi ideala pentru studierea tesutului viu. In 1973,Paul Lauterbur descoperit faptul ca adaugand variatie campului magnetic mare,se putea identifica locatia exacta a unor atomi de hidrogen individuali, dintr-o mostra. Paul Lauterbur a folosit aceasta informatie suplimentara pentru a realize prima imagine de rezonanta magnetica nucleara. Cuvantul nuclear a fost abandonat,pentru a nu sugera ca tehnica ar fi periculoasa datorita unor radiatii nucleare ,iar tehnica a luat numele de imagistica cu rezonanta magnetica. Rabi , Purcell,Block si Lauterbur au primit Premii Nobel in fizica pentru contributia lor la aceasta. In 1974,exact cand tehnica lui Lauterbur devenea cunoscuta, Fermi National Accelerator Laboratory a inceput sa construiasca ceea ce a devenit cel mai mare accelerator de particule din lume, Tevatron-ul. In mod accidental,atat Tevatron-ul cat si tehnologia RMI,erau la puncte majore de cotitura,amandoua avand nevoie de campuri magnetice foarte puternice. Pentru a alinia atomii de hidrogen din corpul uman in tinpul unei scanari RMN este nevoie de un magnet de 3000 de ori mai puternic decat magnetii permanenti de pe frigider. Dar magnetii permanenti mari nu sunt practice pentru ca nu pot fi opriti ,sunt foarte grei si genereaza campuri magnetice care genereaza campuri magnetice care devin oricand instabile. In acelasi timp Tevatron-ul avea nevoie de magneti de 4000 de ori mai puternici pentru a accelera particule de-a lungul traseului sau cu lungime de 6 kilometrii. Acceleratoarele precedente foloseau magneti facuti din sarma electrica infasurata in colace cilindrice, dar acesti electromagneti pierd o cantitate semnificativa de energie prin caldura,crescand astfel costul elctricitatii la cote extreme. Solutia pentru ambele probleme era superconductivitatea. Cand sunt racite la temperature apropiate de 0 absolut,sarmele facute din alaje de metale ,permit fluxului de curent electric sa treaca liber fara sa piarda caldura. Stranse intr-un colac au devenit magneti superconductori ,o tehnologie efiecienta pe plan energetic,care deja era familiara fizicienilor.

Bibliografie: 1. www.wikipedia.org

2.Tom K. Lewellen,David L. Williams,Dana O. Olson. Image Quality with Nuclear Magnetic Resonance Imaging Systems. AJR 1981;137: 1092-1093 3.Juan M. Taveras . Nuclear Magnetic Resonance Imaging. AJR 1982;139:406-407 4.Jon H. Edwards, Roger A. Hyman, S. J. Vacirca, Michael A. Boxer,Samuel Packer,Ira H. Kaufman, Harry L. Stein. 0,6 T Magnetic Resonance Imaging of the Orbit. AJR 1985;144:1015-1020 5.Madan V. Kulkarni, Fonda J. Bondurant, Stephen L. Rose, Ponnada A. Narayana. 1,5 tesla magnetic resonance imaging of acute spinal trauma . Radiographics,November,1988;Volume 8,Number 6 6.A. Everette James,Jr.,C. Leon Partain,G. Neil Holland,John C. Gore, F. David Rollo, Steven E. Harms,Ronald Rhoads Price.Nuclear Magnetic Resonance Imaging:The Current State. AJR 1982;138:201210 7.Symmtry Magazine deconstruction:MRI. Particle physics’ key role in producing breathtaking images of the human body by Calla Cofield