1

APIM11 - 1

Rezonanta magnetica nucleara

APIM11 - 2

Rezonanta magnetica nucleara (RMN)

• Fenomen fizic – studiul spectroscopic al proprietatilor

magnetice ale nucleului

• Protonii si neutronii au camp magnetic propriu datorita

spinului lor si distributiei sarcinii electrice proprii

• Valorile numarului de spin sunt discrete: 0, ½, 1, 1½,...

• Se obtin date spectroscopice referitoare la un material

situat in camp magnetic puternic

APIM11 - 3

Rezonanta magnetica nucleara (RMN) • Din 1940 detectarea si analiza RMN a fost

introdusa ca metoda de cercetare analitica in chimie si biochimie

• In anii 1970 s-a constatat ca utilizarea gradientului de camp magnetic permite localizarea semnalului dat de RMN si pot fi captate proprietatile magnetice ale protonilor

• Pe la jumatatea anilor 1980 a devenit o ramura a imagisticii medicale

APIM11 - 4

Magnetism

• O proprietate fundamentala a materiei

• Generat de purtatorii de sarcina electrica in

miscare

• Atomii cu numar par de orbite electronice nu au

camp magnetic propriu

• Atomii cu numar impar de orbite electronice au

camp magnetic propriu

2

APIM11 - 5

Magnetism (2) • Susceptibilitatea magnetica = gradul in care un material se

magnetizeaza

• Materiale – diamagnetice – sensul campului magnetic indus este opus

campului magnetic extern (Ca, apa, majoritatea subst. organice (C si H))

– paramagnetice - sensul campului magnetic indus are acelasi sens cu campul magnetic extern; nu prezinta

magnetism propriu (O2, unii produsi ai sangelui, subst. de contrast pe baza de gadoliniu)

– feromagnetice – intensifica campul extern; de multe ori au magnetism propriu (Fe, Co, Ni)

APIM11 - 6

Magnetism (3) • Dipoli

• Inductia magnetica B

– Tesla (T)

– Gauss (G): 1 T=10 000 G

• Campul terestru 1/20000 T

APIM11 - 7

Caracteristicile magnetice ale

nucleului atomic Caracteristici Neutron Proton

Masa (kg) 1,674·10-27 1,672·10-27

Sarcina (Coulomb) 0 +1,602·10-19

Moment magnetic (Joule/Tesla) -9,66·10-27 1,41·10-26

Numărul de spin 1/2 1/2

• daca numarul de neutroni si protoni este par -> moment mag. nul

• daca numarul de neutroni este par si si cel de protoni este impar,

sau invers -> moment mag. diferit de zero (insuficient de puternic

pentru masurare) APIM11 - 8

Caracteristicile magnetice ale

diferitelor elemente

Nucleu Număr de

spin

Abundenţă

izotopică %

Moment

magnetic

Concentraţie

fiziologică

relativă

Sensibilitate

relativă

1H 1/2 99,98 2,79 100 1

16O 0 99,0 0 50 0

17O 5/2 0,04 1,89 50 9·10-8

19F 1/2 100 2,63 4·10-6 3·10-8

23Na 3/2 100 2,22 8·10-2 1·10-4

31P 1/2 100 1,13 7,5·10-2 6·10-5

3

APIM11 - 9

Momentul magnetic

Campul magnetic al protonului Momentul magnetic (M)

APIM11 - 10

Momentul magnetic (2)

Orientarea aleatoare Orientarea in camp magnetic extern

(paralel- nivel energetic scazut; antiparalel – nivel energetic mai ridicat)

APIM11 - 11

Momentul magnetic (3) • La 0° K toti protonii se orienteaza paralel cu

campul magnetic exterior)

• Cresterea campului magnetic -> cresterea numarului de protoni aliniati paralel cu acesta, creste diferenta dintre cele doua niveluri energetice

• La temp. fiziologica, in camp de 1 T, numarul de protoni de energie scazuta in exces este de 2 spini la 1 milion (210-6) -> intr-un voxel, 1021 protoni, sunt cu 210-61021 =21015 mai multi protoni aliniati paralel cu campul -> camp detectabil

APIM11 - 12

Momentul magnetic (4)

4

APIM11 - 13

Miscarea de precesie (1) • Pe langa orientarea paralela cu liniile de camp

apare si o miscarea de precesie a momentului magnetic

APIM11 - 14

Miscarea de precesie (2)

APIM11 - 15

Miscarea de precesie (3) • frecventa miscarii de precesie este proportionala

cu inductia campului magnetic:

00 B

200 Bf

de unde frecventa (de ordinul MHz) (frecventa

Larmor):

- unde γ este raportul giromagnetic, specific fiecarui

element

APIM11 - 16

Raportul giromagnetic

Nucleu γ/2π (MHz/T)

1H 42,58

13C 10,7

17O 5,8

19F 40,0

23Na 11,3

31P 17,2

5

APIM11 - 17

Campul magnetic utilizat

Inductia 1H 31P

0,15T f=42,58MHz/T·0,15T = 6,39MHz f=17,2MHz/T·0,15T =2,58MHz

0,5T f=42,58MHz/T·0,5T =21,29MHz f=17,2MHz/T·0,5T =8,6MHz

1,5T f=42,58MHz/T·1,5T =63,87MHz f=17,2MHz/T·1,5T =25,8MHz

3,0T f=42,58MHz/T·3,0T =127,74MHz f=17,2MHz/T·3,0T =51,6MHz

• efectuarea unei excitari selective a diferitelor elemente -> precizie ridicata a masurarii inductiei magnetice si a frecventei in zona de interes,

• precizia de masurare a frecventei de spin este de 10-12 MHz

APIM11 - 18

Campul magnetic perpendicular • Este nul

• Un impuls de radiofrecventa cu frecventa egala cu frecventa de precesie (camp magnetic B1 de-a lungul axei Ox)-> aport de energie -> protonii cu energie joasa (paraleli cu campul) trec in starea cu energie ridicata (antiparaleli cu campul)

• La incetarea impulsului sistemul revine la starea initiala -> genereaza camp electromagnetic -> semnal RMN

• Valorile campului magnetic extern sunt cuprinse intre 0,5 si 7 T

APIM11 - 19

Rezonanta si excitatie (1)

APIM11 - 20

Rezonanta si excitatie (2)

Semnal de inductie libera (free induction decay – FID)

6

APIM11 - 21

Rezonanta si excitatie (3)

APIM11 - 22

Rezonanta si excitatie (4)

Impuls de 90 Impuls de 180

APIM11 - 23

Rezonanta si excitatie (5)

+

APIM11 - 24

Rezonanta si excitatie (6)

7

APIM11 - 25

Rezonanta si excitatie (7)

Efectul impulsului RF asupra vectorului de magnetizatie

APIM11 - 26

Rezonanta si excitatie (8)

APIM11 - 27

Constante de relaxare (1)

• Constanta de relaxare longitudinala T1 – timpul necesar ca magnetizarea longitudinala Mz sa revina la valoarea de 63% din valoarea initiala, dupa ce s-a aplicat un implus de 90°

• Constanta de relaxare transversala T2 – atenuarea oscilatiei libere datorata interactiunii spin-spin; este exponentiala si este tipica fiecarui element

• T1 > T2

APIM11 - 28

Constante de relaxare (2)

8

APIM11 - 29

Relaxarea longitudinala T1

• magnetizarea longitudinala Mz paralela cu B0 -

tranzitia protonilor intre nivelurile energetice de la E1

la E2 (paraleli->antiparaleli) si revenirea de la E2 la E1

• excitarea prin impuls de RF de 90 -> absorbtie de

energie, disparitia Mz - stare instabila

• incetarea impulsului = revenirea la starea stabila, Mz

creste progresiv, are loc relaxarea longitudinala

(relaxare spin-retea, relaxare T1)

APIM11 - 30

Relaxarea longitudinala T1

- relaxarea longitudinala creste cu cresterea lui B0

APIM11 - 31

Relaxarea longitudinala T1 • variaza cu structura moleculara: este mai lung pentru

lichide comparativ cu solidele (500 – 1000 ms)

• relaxarea spin–retea este cu atat mai eficace cu cat

frecventa coliziunilor este mai apropiata de frecventa de

rezonanta Larmor

• este mai scurt in tesuturile grasoase - molecule mari, lente

• este mai lung in apa – molecule mici, rapide

• cu cat lichidul este mai pur cu atat T1 creste; prezenta

proteinelor in lichid scurteaza T1

• infiltratia hidrica in tesut (tumoare, edem, infarct)

prelungeste T1

• Secvente ponderate in T1

APIM11 - 32

Relaxarea transversala T2

• magnetizarea transversala Mxy perpendiculara pe B0 -

sincronizarea si defazarea spinilor

• excitarea prin impuls de RF de 90 -> aparitia Mxy

prin sincronizarea spinilor

• incetarea impulsului -> defazarea rapida a protonilor

(pierderea coerentei de faza a protonilor), Mxy

descreste rapid, are loc relaxarea transversala

(relaxare spin-spin, relaxare T2)

9

APIM11 - 33

Relaxarea transversala T2

- relaxarea transversala nu depinde de cresterea lui B0

APIM11 - 34

Relaxarea transversala T2 • relaxarea spin–spin este consecinta interactiunii

protonilor intre ei datorita neomogenitatii campului

magnetic de origine moleculara

APIM11 - 35

Relaxarea transversala T2 • fenomenul de relaxare transversala nu implica schimburi

de energie

• variaza cu structura moleculara: este mai lung pentru

lichide comparativ cu solidele sau tesuturile formate din

molecule mari (50 - 100 ms)

• este mai lung in apa – molecule mici, rapide produc o

anulare a campurilor locale -> absenta “relativa” a micilor

campuri magnetice locale care favorizeaza rel. trans.

• este mai scurt in solide sau in cazul moleculelor mari

• infiltratia hidrica in tesut (tumoare, edem, infarct)

prelungeste T2

• Secvente ponderate in T2

APIM11 - 36

Valori constante de relaxare

Ţesut T1; 0,5T(ms) T1; 1,5T(ms) T2 (ms)

Ţesut adipos 210 260 80

Ficat 350 500 40

Muşchi 550 870 45

Materia albă 500 780 90

Materia cenuşie 650 900 100

Lichid cefalo-

rahidian

1800 2400 160

10

APIM11 - 37

Semnalul de inductie libera (FID)

APIM11 - 38

Notiunea de T2*

• la nivel macroscopic B0 este

omogen -> descrestere FID dupa

o curba descrescatoare in T2

• la nivel microscopic insa exista o

serie de neomogenitati de camp

B0 de origine instrumentala sau

proprie care accentueaza

defazarea spinilor -> descrestere

FID dupa o curba descrescatoare

in T2*

APIM11 - 39

Secventa ecou de spin • este secventa de baza

• in 1955 Hahn a propus aceasta metoda care ne ajuta sa

scapam de neomogenitatile proprii campului magnetic

principal extern B0 si permite masurarea lui T2

• neomogenitatile campului magnetic B0 sunt constante

-> aplicarea unui impuls de RF de 180 duce la

anularea defajazelor induse de B0

• dupa o perioada TE/2 de la aplicarea impulsului de RF

de 90 se aplica un impuls de RF de 180 ->inversarea

defazajelor fara modif. sensului de rotatie

APIM11 - 40

Secventa ecou

de spin

11

APIM11 - 41

Secventa ecou de spin

APIM11 - 42

Fenomenul de ecou de spin

APIM11 - 43

Cronologia evenimentelor

-citirea unei

singure linii

APIM11 - 44

Cronologia imp. RF pentru obtinerea

tuturor liniilor dn imagine

12

APIM11 - 45

Ecoul de spin

• secventa cea mai folosita in imagistica

• calitate excelenta a imaginii (prin ponderare in T1 si

T2 si alegerea corespunzatoare a lui TR si TE)

• dezavantaj – dureaza mult

• De ex. daca se aplica impulsul de RF 180 dupa 10

ms, atunci TE = 15-20 ms, ceea ce e mult pentru o

secventa ponderata in daca T1

APIM11 - 46

Contrast in T1, T2 si densitatea protonica

• contrastul= traducerea semnalului RMN in tonuri de

gri

• diferentele in timpi de relaxare (chiar pana la 500%)

si diferentele in densitatea de protoni (intr-o masura

mica 0-15%)

• T1, T2 si densitatea de protoni intervin intotdeauna in

grade diferite

• alegerea parametrilor secventei favorizeaza unul

dintre acesti factori

APIM11 - 47

Variatia magnetizarii transv. si long.

APIM11 - 48

Relatia dintre magnetizarea transv. si long.

- TE determina momentul

masurarii

- TR determina nivelul de

crestere al mag. long

(semnalul diponibil)

13

APIM11 - 49

Influenta TR

• TR lung (daca TR=4T1 ->

(98% din crestere )

• TR scurt (daca TR<T1 ->

(crestere de maxim 63%)

TR conditioneaza contrastul in T1,

adica ponderarea in T1 a unei

secvente

APIM11 - 50

Influenta TR

• fie doua tesuturi R, L cu

valori ale lui T1 diferite

• TR lung (2 s) – diferenta

mica a magnetizarii

• TR scurt (0,5s) ->

semnalul pentru R este

mai puternic (mai alb)

decat al tesutului L –

avem contrast in T1

APIM11 - 51

Influenta TE • fie doua tesuturi R, L cu

valori ale lui T2 diferite

• TE scurt (mai mic de 20-

30ms) –> diferenta mica,

nu pot fi diferentiate

• TE lung (>80-100ms) ->

semnalul pentru L este

mai puternic (mai alb)

decat al tesutului R –

avem contrast in T2

APIM11 - 52

Secventa scurta ponderata in T1 • TR scurt (400-600ms)

• TE scurt (20ms)

14

APIM11 - 53

Secventa lunga ponderata in T2 • TR lung (2000ms)

• TE lung (120ms)

APIM11 - 54

Secventa ponderata in densitatea de prot. • TR lung (2000ms)

• TE scurt (30-40ms)

• Contrast slab, 10-15%

APIM11 - 55

Ponderarea in T1

• Substanta alba - timpi de relaxare scurti

• LCR – timpi de relaxare lungi

• Substanta cenusie – timpi de relaxare de valori interm.

APIM11 - 56

Ponderarea in dens.prot si in T2

Ponderare in densitate TE=40ms Ponderare in T2, TE=120ms

15

APIM11 - 57

Fenomene patologice

Ponderare in T1 Ponderare in T2, TE=120ms

APIM11 - 58

Secventa de

inversare-recuperare

APIM11 - 59

Produsi de contrast

• reduc timpii de relaxare

• agenti T1 si agenti T2

• agenti T1: subst. paramagnetice, Gd (dotarem,

magnevist, omniscan)

• agenti T2: subst. super-paramagnetice (magnetita)

sau feromagn. (de ex. pentru ficat se util. Magnetita –

se depune pe parenchimul sanatos - negru)

APIM11 - 60

Exemplu: meningiom al calotei

Fara agent de contrast Cu agent de contrast: Gd Dota

16

APIM11 - 61

Codaj spatial

APIM11 - 62

Codajul spatial al imaginii

- Gradient de selectie Gss –plan

- Gradient de codaj de faza G-linii

- Gradient de frecventa G - coloane

APIM11 - 63

Selectia planului de sectiune

APIM11 - 64

Codajul de faza

17

APIM11 - 65

Codajul de faza si de frecventa

APIM11 - 66

Codajul spatial al imaginii

APIM11 - 67

Secventa IRM

APIM11 - 68

Generarea imaginii

18

APIM11 - 69

Impulsul de radiofrecventa • Masurarea selectiva a T2, T1 si a densitatii de spin a

tesuturilor -> obtinerea de imagini RMN cu contrast diferentiat

• Alegerea formei, duratei, numarului, polaritatii frecventei de repetitie a impulsurilor si a gradientilor de camp magnetic aplicat -> masurarea selectiva

• Trei tipuri de secvente ale impulsurilor: – Spin echo

– Inversion recovery

– Gradient recalled echo

APIM11 - 70

Structura unui echipament cu RMN

APIM11 - 71

Magnetul

• Inductia magnetica: 0,2-2T

• Magneti:

–Permanenti: 0,1-0,3 T

–Electromagneti: < 0,15 T (bobine racite cu

apa)

–Electromagneti supraconductori: < 7 T

APIM11 - 72

Electromagneti supraconductori (1)

• Fenomenul de supraconductibilitate ( la temp

de -273° K)

• Conductoarele din aliaje de titan si niobiu

• Temp de 4,7° K in heliu lichid

• Unifomitatea campului

19

APIM11 - 73

Electromagneti supraconductori (2)

Dezavantaje: • costuri initiale ridicate • costurile materialelor criogenice • dificultatea de a intrerupe campul magnetig in urgente

APIM11 - 74

Bobine

• de uniformizare a campului – pt omogenizarea campului principal in interiorul tunelului magnetic

• de gradient – realizeaza variatia liniara, controlata a campului de-a lungul celor trei directii; zgomot ritmic in timpul functionarii

• de radiofrecventa – emit impulsuri de radiofrecventa si receptioneaza semnalul de rezonanta magnetica

APIM11 - 75

Uniformitatea campului magnetic

• Unifomitatea campului <-> constanta

gradientului;

• Variatia inductiei magnetice dupa fiecare directie

trebuie sa fie strict liniara

• Reglarea gradientilor = problema principala in

dispoz. RMN

• Forma magnetilor: geometrii inchise si deschise

APIM11 - 76

Generarea gradientilor

• Permit determinarea coordonatelor fiecarui punct

din zona examinata

• sunt produsi de bobine, prin suprapunere de

campuri magnetice

• Valori tipice ale gradientilor utilizati: 1-50 mT/m

• Timpul de crestere: 5-250 mT/m/ms

• Limitarile apar datorita curentilor turbionari

20

APIM11 - 77

Generarea gradientilor (2)

APIM11 - 78

Generarea gradientilor (3)

APIM11 - 79

Variatia frecventei de precesie

APIM11 - 80

Variatia frecventei de precesie (2)

21

APIM11 - 81

Diferenta de frecventa

• un gradient de 10 mT/m -> determina o variatie de

frecventa de 10 mT/m · 42,58 MHz/T · 1 T/1000 mT

= 0,4258 MHz/m sau 425,8 kHz/m.

• ca urmare diferenţa de frecvenţă între două felii

adiacente de grosime de 1 mm este de 425,8/1000

kHz = 425,8 Hz

• localizarea unui proton in 3D necesita aplicarea a trei

gradienti diferiti pe durata unui impuls de

radiofrecventa

APIM11 - 82

Sistemul de radiofrecventa

• bobine de emisie

• bobine de receptie

• bobinele trebuie sa rezoneze la frecventa Larmour

• bobinele sunt acordate inaintea fiecarei achizitii in

functie de inductanta pacientului

• forma bobinelor de receptie apropiata de forma

structurii anatomice studiate

• ecranarea echipamentelor in custi Faraday

APIM11 - 83

Controlul calitatii

• Verificari periodice:

– inductia campului magnetic,

– omogenitatea campului magnetic

– liniaritatea gradientilor

– acordul sistemului de radiofracventa

– optimizarea bobinelor de receptie

– sursele externe de zgomot

– sursele de alimentare

– echipamente periferice

– sisteme de control

APIM11 - 84

Aparat RMN produs de General Electric

22

APIM11 - 85

Aparat RMN produs de Philips (1T)

APIM11 - 86

Aparat RMN de tip G-Scan, Esaote

Biomedica (0,38T)