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La Risonanza Magnetica Nucleare (NMR) sfrutta le proprietà magnetiche dello spin dei nuclei (principalmente protoni di idrogeno) immersi in un campo magnetico statico B0. Un impulso a radiofrequenza (B1) a frequenza di Larmor ribalta la magnetizzazione netta nel piano trasverso, generando un segnale di decadimento (FID). Il recupero della magnetizzazione avviene tramite rilassamento spin-reticolo (T1) e spin-spin (T2), che determinano il contrasto dell'immagine. Per la localizzazione spaziale, si applicano gradienti magnetici (Gz, Gy, Gx) che codificano la posizione in frequenza e fase. I dati grezzi vengono campionati e inseriti nello spazio K, poi trasformati con Fourier per ricostruire l'immagine, la cui qualità dipende da SNR e risoluzione. L'apparecchiatura include magneti superconduttivi che richiedono criogenia e sistemi di compensazione delle correnti parassite.
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- Principi Fondamentali dell'NMR:
- L'NMR si basa sulla risonanza magnetica dei nuclei atomici, in particolare i protoni di idrogeno.
- I protoni possiedono uno "spin" (momento angolare e magnetico intrinseco) che, immersi in un campo magnetico statico (B0), si allineano in due stati energetici discreti (parallelo o antiparallelo).
- Un campo a radiofrequenza (B1) alla "frequenza di Larmor" (proporzionale a γB0) può perturbare questo equilibrio, ribaltando la magnetizzazione netta nel piano trasverso.
- Questa magnetizzazione trasversa genera un segnale elettrico (Free Induction Decay - FID) nella bobina ricevente, che decade nel tempo.
- Rilassamento e Contrasto:
- Il ritorno all'equilibrio della magnetizzazione è descritto da due tempi di rilassamento:
- T1 (spin-reticolo): tempo di recupero della magnetizzazione longitudinale (lungo B0). Dipende dall'interazione tra gli spin e l'ambiente circostante.
- T2 (spin-spin): tempo di decadimento della magnetizzazione trasversa. Dipende dall'interazione tra gli spin vicini e dalle disomogeneità locali del campo.
- I valori di T1 e T2 variano tra i tessuti biologici, permettendo di generare immagini con contrasto differente (pesate in T1, T2 o densità protonica).
- I parametri di sequenza come il Tempo di Ripetizione (TR) e il Tempo di Echo (TE) controllano il tipo di contrasto.
- Il ritorno all'equilibrio della magnetizzazione è descritto da due tempi di rilassamento:
- Localizzazione Spaziale (Imaging):
- Per creare un'immagine, la posizione del segnale deve essere codificata.
- Gradianti Magnetici (Gx, Gy, Gz): campi magnetici aggiuntivi che variano linearmente B0 lungo direzioni specifiche.
- Selezione dello strato (Gz): un gradiente lungo z, combinato con un impulso RF a banda stretta, eccita selettivamente una fetta di tessuto.
- Codifica di fase (Gy): un gradiente lungo y applicato per un breve periodo induce uno sfasamento dipendente dalla posizione lungo y.
- Codifica di frequenza (Gx): un gradiente lungo x applicato durante l'acquisizione del segnale fa sì che la frequenza di Larmor dipenda dalla posizione lungo x.
- Il segnale acquisito viene posizionato nello "Spazio K" (dominio delle frequenze spaziali) e una Trasformata di Fourier inversa 2D converte i dati dello spazio K nell'immagine finale.
- Apparecchiatura e Sfide Tecnologiche:
- Magneti Principali: per alti campi (0.5T-6T) si usano magneti superconduttivi, raffreddati con elio liquido (4.2 K) in criostati.
- Stabilità e Omogeneità: requisiti stringenti per stabilità del campo B0 e omogeneità (pochi ppm su una sfera di 40-50 cm).
- Gradianti: richiedono amplificatori di potenza elevata (decine di kW) per cambi rapidi (slew rate elevato). La rapida variazione dei gradienti (alto dB/dt) può indurre correnti parassite (eddy currents) e causare stimolazione neuromuscolare nel paziente. Sistemi di compensazione attivi e passivi sono utilizzati.
- Quench: transizione catastrofica del superconduttore allo stato normale a causa di disturbi termici o meccanici, con conseguente evaporazione dell'elio. Le forze di Lorentz esercitate sulle spire sono immense (decine di tonnellate), richiedendo un robusto supporto meccanico e l'impregnazione delle bobine in resina epossidica.
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STRUMENTAZIONE BIOMEDICA II · 2° anno · 1° semestre · 12 CFU · IBIO-01/A
In un primo modulo da 9 CFU, il Corso si propone di fornire gli elementi fondamentali relativi ai principi di funzionamento e di progettazione di TAC, NMR e tomografi ad ultrasuoni. Il corso fornisce anche una panoramica delle passate e presenti tecnologie utilizzate per la realizzazione delle apparecchiature trattate.…