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RM ab2000
Risonanza MagneticaArturo Brunetti
RM ab2000
Nuclear Magnetic Resonance (NMR)
Magnetic Resonance Imaging (MRI)
Il fenomeno
La tecnica
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RM ab2000
Nuclear Magnetic ResonanceThe Nobel Prize in Physics
• 1952 "for their development of new methods fornuclear magnetic precision measurements anddiscoveries in connection therewith"
Edward Mills Purcell1912 -1987
Felix Bloch 1905 - 1983
Historical remarks
RM ab2000
La Risonanza Magnetica Nucleare èemersa come un nuovo strumento nondistruttivo e non invasivo per lo studiodel metabolismo e della strutturaanatomica di sistemi biologici intatti.
(D. Gadian, 1986)
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La Risonanza Magnetica Nucleare(RMN) è un fenomeno che si origina innuclei atomici con numero disparidi protoni e/o neutroni.
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Il nucleo atomico utilizzato per la formazione delleimmagini di Risonanza Magnetica è quello degliatomi di idrogeno (“protone”).
Vantaggi:elevata concentrazione nei tessuti (H2O)elevato abbondanza isotopicabuon segnale RM
+-
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LO “SPIN” NUCLEARE
I nuclei degli atomi diidrogeno, essendodotati di uno “spin” edi una caricaelettrica, sicomportano comepiccoli dipolimagnetici
RM ab2000
Gli spin nucleari, sotto l’ azione di un campomagnetico di intensità adeguata, si orientano lungole linee di forza del campo
H0
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EQUILIBRIO DI BOLTZMAN
ΔE = hν (= h γ Bo / 2π)
Δn = N ΔE
2KT(1- e )-t/T1
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ω = γ Ηο
Frequenza di precessione (= f. di risonanza)
ν = γ Ηο/2π
Equazione di Larmor
Ηο
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Le frequenze di risonanza dipendono dal tipo dinucleo e sono direttamente proporzionali all’intensità del campo magnetico (H).
Le frequenze RMN si trovano nella regione delleradiofrequenze dello spettro elettromagnetico (1-500 MHz) e sono associate a transizionienergetiche tra livelli vicini, che corrispondono adiversi stati magnetici dei nuclei.
RM ab2000
E’ minima rispetto alle energie coinvolte nelleemissioni di raggi X e gamma.
L’ energia coinvolta nelle transizioni RMN
In un campo magnetico di 1 Tesla, il dislivello dienergia tra i protoni paralleli e antiparalleli è =
1.759 x 10 eV-7
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Gli assi di rotazione dei nuclei (“spin”) si orientano in parteappena superiore al 50%(1/1000000) con verso parallelo alcampo magnetico e in parte appena inferiore al 50% converso antiparallelo
Ho
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La somma dei vettori prevalenti con verso parallelo alcampo magnetico principale costituisce il vettore dimagnetizzazione macroscopica “M” (longitudinale),utilizzato per spiegare il fenomeno RM secondo i principidella fisica classica.
Ho
+ + = M
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L’ impulsoCon l’impulso dato dalla bobina (campomagnetico oscillante a “RF”) alcuni nucleiassumono energia modificando il loro spin daparallelo a antiparallelo.Ciò modifica il valore del vettore M(magnetizzazione longitudinale) lungo l’ asse z.La durata dell’ impulso RF determina l’angolodi deflessione del vettore M.
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H1
z
Ho
yx
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MM
Equilibrio Impulso di 45 °
Ho
H1
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ROTATING FRAME
GiradischiVettore M
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Il vettore M ha un movimento diprecessione attorno alla direzione delcampo magnetico principale Ho.Per descrivere il fenomeno RMN piùsemplicemente, è stato introdotto ilconcetto di “rotating frame” che cipermette di studiarlo come se ruotassimoanche noi insieme a M. In detto sistema ilvettore M è apparentemente fermo.
ROTATING FRAME
RM ab2000
Il segnale RMSi determina con il ritorno del vettore M allaposizione di equilibrio.Prende il nome di FID (Free Induction Decay)
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T1
T2
Componenti di M dopo un impulso a 90°
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Tempo di rilassamento T1(rilassamento longitudinale - spin -reticolo“spin-lattice”) Tempo di rilassamento T2(rilassamento trasversale - spin -spin“spin-spin”)
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Il segnale RM
L’ ampiezza iniziale del segnaledipende dalla quantità di protonipresenti nel campione (DensitàProtonica, DP, N[H])
La velocità di ritorno all’ equlibrio èinfluenzata dai “tempi di rilassamento”T1 e T2.
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IL SEGNALE RM
densità dei nucleitempi di rilassamento T1 e T2movimenti dei nuclei
“chemical shift”presenza di materiali che modificanoil campo magnetico locale
I principali parametri che influenzano la formazione del segnale RM sono:
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Il misuramento del rilassamento T1
La componente del vettore M lungo l’ asse z non èvista dalla bobina, per cui le modifiche dei rapportitra spin paralleli e antiparalleli non produconosegnale di per sè.
Il processo di rilassamento longitudinale pertantopuò essere misurato solo con delle sequenze diimpulsi disegnate in modo da essere sensibili alrecupero della magnetizzazione longitudinale.
RM ab2000
Il rilassamento T1, spin-lattice, longitudinale(recupero della magnetizzazione lungo l’ asse z )
Terminato l’ impulso, il ristabilimento dellecondizioni di partenza (con minima prevalenza deglispin paralleli alla direzione del campo magneticoprincipale) avviene con andamento esponenziale concostante di tempo T1.
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Il rilassamento T2, spin-spin, trasversale
Al termine dell’ impulso RF gli spin sono in fase;subito dopo cominciano a sfasarsi.Quando lo sfasamento è completo la somma degli spinsul piano xy è = 0, e la bobina non riceve più segnale.
Lo sfasamento ha un andamento esponenziale, concostante = T2 ed è espressione di interazione deglispin tra loro.
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Il rilassamento T2
Le disomogeneità locali del campo magneticopossono accelerare il processo di sfasamentodegli spin che avviene con una costante reale T2*(“T2 star”, o “T2 asteriscato”, in italiano).
La presenza di materiali magnetici (ferro etc)può accelerare notevolmente il rilassamentospecie con campi magnetici di intensità superiorea 1T.
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T1
MagnetizzazioneLongitudinale
Tempo
1 - e t
T1
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Il misuramento del rilassamento T1
La componente del vettore M lungo l’ asse z non è vistadalla bobina, per cui le modifiche dei rapporti tra spinparalleli e antiparalleli non producono segnale di per sè.
Il processo di rilassamento longitudinale pertanto puòessere misurato solo con delle sequenze di impulsi disegnatein modo da essere sensibili al recupero dellamagnetizzazione longitudinale.
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Il rilassamento T2, spin-spin, trasversale Al termine dell’ impulso RF gli spin sonoin fase; subito dopo cominciano asfasarsi.Quando lo sfasamento è completo lasomma degli spin sul piano xy è = 0, e labobina non riceve più segnale.
Lo sfasamento ha un andamentoesponenziale, concostante = T2 ed è espressione diinterazione degli spin tra loro.
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T2
MagnetizzazioneTrasversale
Tempo
e tT2
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Il rilassamento T2
Le disomogeneità locali del campo magneticopossono accelerare il processo di sfasamento deglispin che avviene con una costante T2*.
La presenza di materiali magnetici (ferro etc) puòaccelerare notevolmente il rilassamento speciecon campi magnetici > 1T.
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Il T1 è più lungo del T2 , poichè quando nonesiste più il vettore di magnetizzazionetrasversale, il vettore di magnetizzazionelongitudinale non ha ancora raggiunto lalunghezza che possedeva prima dell’impulso diRF
T1 > T2
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Le immagini RM di routine
Sono ottenute in modo da rappresentareprevalentemente:T1, T2 e DPutilizzando la sequenza spin-echo
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Image Contrast
Densità protonicaT1 pesata T2 pesata
T1 T2 ρ
GM 950 100 0.8
WM 600 80 0.65
CSF 4500 2200 1.0
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La localizzazione spaziale del segnale
Bo = 1 T
0.99 T 1.01 T
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Nuclear Magnetic ResonanceThe Nobel Prize in Physiology or Medicine
• 2003 for their discoveries concerning"magnetic resonance imaging"
Sir Peter Mansfield1933 -
Paul C. Lauterbur1929 -
Historical remarks
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Especially valuable for examination of the brain and thespinal cord
Important preoperative tool
Improved diagnostics in cancer
Reduced suffering for patients
Nuclear Magnetic ResonanceThe Nobel Prize in Physiology or Medicine
• 2003 discoveries concerning "magnetic resonance imaging"
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La localizzazione spaziale del segnaleavviene creando dei gradienti di campo sugliassi x, y e z.
In questo modo ogni elemento del corpo inesame è sottoposto ad un campo diverso erisuona ad una frequenza leggermente diversadagli altri.
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Attraverso l’ analisi delle componenti delsegnale acquisito in presenza di“gradienti di campo” è possibile ottenerel’ informazione “spaziale” necessaria aricostruire le immagini tomografiche.
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Selezione dello stratocon un gradiente lungol’ asse z.Tutti i voxel dello stratohanno uguale frequenzadi risonanza e sono infase.
CODIFICA SPAZIALE IN RM 1
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CODIFICA SPAZIALE IN RM 2
Codifica di fase con ilgradiente y.Tutti i voxel dello stratohanno uguale frequenzadi risonanza maciascuna fila ha una fasediversa.
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Codifica di frequenzalungo l’ asse x durantela lettura .Ciascun voxel dellostrato ha una diversacombinazione di fase efrequenza.
CODIFICA SPAZIALE IN RM 3
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For further information
http://www.cis.rit.edu/htbooks/mri/inside.htm
J, Hornak, PhD, University of Rochester , NY
Traduzione italiana a cura del Dott.Larobina
RM ab2000
Le sequenze RM
La maggior parte delle immagini RM sono stateottenute fino a poco fa con sequenze spin-echo,che consentono di ottenere immagini pesate suitre principali parametri RM (T1, T2 e DP).
(Si sono poi diffuse sequenze più rapide chepermettono di ottenere informazioni simili).
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La sequenza SPIN-ECHO
E’ stata sviluppata per ovviare agli effetti determinatidalle disomogeneità del campo magnetico.Si basa sull’ applicazione di una coppia di impulsi (90°+ 180°) dei quali il primo ruota il vettore M sul pianoxy, il secondo rimette in fase gli spin permettendo lalettura di un segnale che viene definito “echo”.La bobina ricevente “legge” meglio l’ echo rispetto alFID prodotto dall’ impulso di 90°.
TR
τ τTE
Gx Codifica di lettura
GzSelezione dello strato
180°90° 90°RF Impulsi RF (“ a radiofrequenze)
Gy1 Gy2GyCodifica di fase
FID Echo
SEQUENZA SPIN ECHO
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La sequenza spin-echo
E’ definita da:
TR : Tempo di ripetizione (intervallo tradue impulsi successivi a 90°)
TE = tempo di echo (intervallo fra l’impulso a 90° e il massimo dell’ echo)
RM ab2000
La sequenza spin-echo
Sequenze con TR corto (< 600 msec) e TE corto(<30 msec) danno immagini T1
Sequenze con TR lungo (> 2000 msec) e TE corto(<30 msec) danno immagini DP
Sequenze con TR lungo (> 2000 msec) e TE lungo(>80 msec) danno immagini T2
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Le immagini RM
In un esame RM si ottengono dallestesse strutture multiple serie diimmagini influenzate ( “pesate”) suparametri fisici diversi
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I TRE SEGNALI FONDAMENTALI
FID
SPIN ECHO
STIMULATED ECHO
UN IMPULSO RF
DUE IMPULSI RF
TRE IMPULSI RF
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RM ab2000
SEQUENZA RMTEMPO DI ACQUISIZIONE
T = TR x N. codifiche di fase x N. “medie”
Sequenza SE T1 T = 500 msec x 256 x 3 = 6,4 min
Sequenza SE T2 T = 2000 msec x 256 x 1 = 8,5 min
RM ab2000
MISURAZIONE DI R2 (1/T2)
90° 180°
FID 1° echo 2° echo 3° echo
R2R2*
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RM ab2000
MISURAZIONE DI R1 (1/T1)
RM ab2000
L’ acquisizione delle immagini
Le sequenze spin-echo sono in genere“multislice”. Più strati sono acquisiti in un’ unicotempo.Il tempo complessivo per il completamento di unasequenza spin-echo dipende dal campionamentospaziale (256, 128 passi), dal tempo di ripetizione(TR) e dal numero di misurazioni (medie,averaging)
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RM ab2000
La ricostruzione delle immagini
Avviene utilizzandola trasformata di Fourier(2D-FT)
RM ab2000
La trasformata di Fourier
Permette di trasformare i dati temporali(FID, echi etc) acquisiti dalle bobine inlinee di frequenza che indicano laconcentrazione di spin alle varie frequenze(protoni/voxel).
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RM ab2000
Magnete con campo ... (0.3 - 3Tesla)
Il tomografo RM
RM ab2000
Tipi di magnete per MRI
RESISTIVO
PERMANENTE
SUPERCONDUTTORE
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RM ab2000
I componenti del tomografo RM
Gantry
Computer
Consolle di comando
RM ab2000
I componenti del gantry RM
Magnete principale
Bobine di shimming
Circuiti per i gradienti di campo
Bobina body per la eccitazione e
la raccolta del segnale
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RM ab2000
BOBINE RM
Bobina “body” generale
Bobine dedicate (cranio, collo, arti ....)
RM ab2000
AMPLIFICATOREDEI GRADIENTI
COMPUTER
DIGITALIZZATOREARCHIVIAZIONE
STAMPANTELASER
RICEVITORE
TRASMETTITORE
BOBINE RF
BOBINE RF
CONSOLLE DICOMANDO
BOBINE DI
GRADIENTE
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RM ab2000
REFERTAZIONE DELLE IMMAGINI RM
Descrizione delle sequenze di impulsiutilizzate e/o del tipo di immagini acquisite
Descrizione del reperto “morfologico” e dellemodificazioni patologiche del segnale
RM ab2000
REFERTAZIONE DELLE IMMAGINI RM
Riferimento alla “intensità di segnale”nelle varie sequenze (T1, T2, DP)
Iperintensità, isointensità, ipointensità ...
Segnale elevato, intermedio, basso,......assenza di segnale
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RM ab2000
ESAME RM
Scelta della bobina e posizionamento del paziente
Sequenze “localizer”
Sequenze di scansione(tipo, orientamento spaziale, spessore e intervallotra gli strati, FOV, ....)
RM ab2000
SEQUENZE RM “TRADIZIONALI”
SPIN ECHO
PARTIAL SATURATION
INVERSION RECOVERY
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RM ab2000
SEQUENZA RMTEMPO DI ACQUISIZIONE
T = TR x N. codifiche di fase x N. “medie”
Sequenza SE T1 T = 500 msec x 256 x 3 = 6,4 min
Sequenza SE T2 T = 2000 msec x 256 x 1 = 8,5 min
RM ab2000
RIDUZIONE DEL TEMPO DI ACQUISIZIONE
RIDUZIONE DI TR
DIMINUZIONE DELLE CODIFICHE DI FASE
DIMINUZIONE DELLE “MEDIE”
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RIDUZIONE DEL TEMPO DI ACQUISIZIONE
RIDUZIONE DI TR
DIMINUZIONE DELLE CODIFICHE DI FASE
DIMINUZIONE DELLE “MEDIE”
AUMENTO DELLA VELOCITA’ DICAMPIONAMENTO SPAZIALE
RM ab2000
DIMINUZIONE DELLE CODIFICHE DI FASE=
RIDUZIONE DELLA RISOLUZIONE SPAZIALE
DIMINUZIONE DELLE “MEDIE”=
RIDUZIONE DEL RAPPORTO SEGNALE / RUMORE
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RM ab2000
SEQUENZE RM “VELOCI”
GRADIENT ECHO
TURBO SPIN ECHO
ECHO PLANAR
SEQUENZE VELOCI A ECO DI GRADIENTE
FLASH
FISP
GRASS
FFE
Siemens
GE
Philips
Fast Low Angle Shot
Fast Imaging with SteadyPrecession
Gradient Recalled Acquisition inthe Steady State
Fast Field Echo
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RM ab2000
RIDUZIONE DEL TEMPO DI RIPETIZIONE
Le sequenze “veloci” a echo di gradiente permettonodi ridurre significativamente il tempo di acquisizioneattraverso la riduzione del TR associata a unariduzione dell’ angolo di ribaltamento (“flip angle”)della magnetizzazione longitudinale M.
TR = 100 msec
30° 30°RF
Sequenza veloce con inversione di gradiente
SEQUENZA GRASS
Gy1 Gy2
Gz
Gy
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TR = 100 msec
30° 30°RF
Gy1 Gy2
Echo “di gradiente”
Gz
Gy
Gx
RM ab2000
SEQUENZE VELOCI CONAUMENTO DEL CAMPIONAMENTO SPAZIALE
DURANTE OGNI IMPULSO
TURBO - SPIN ECHO(riduzione tempo di acquisizione ≥ 50%)
ECHO - PLANAR(riduzione tempo di acquisizione ≥ 90%)
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RM ab2000
SEQUENZE VELOCI CONAUMENTO DEL CAMPIONAMENTO SPAZIALE
DURANTE OGNI IMPULSO
TURBO SPIN-ECHO
RM ab2000
SEQUENZE VELOCI CONAUMENTO DEL CAMPIONAMENTO SPAZIALE
DURANTE OGNI IMPULSO
ECHO - PLANAR
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RM ab2000
RF
Gz
Gy
Gx
Signal
Velocità di acquisizione dei dati fMRI
Echo Planar imaging (Mansfield – Nobel 2003)
Echo
90°
K phase
K frequency
RM ab2000
ANGIOGRAFIA RM(MRA)
TIME-OF-FLIGHT
PHASE CONTRAST
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RM ab2000
ANGIOGRAFIA RM(MRA)
Imaging delle strutture vascolariutilizzando il segnale provenientedai protoni in movimento nel sanguesenza somministrare mezzi di contrasto
IL RAPPORTO SEGNALE-RUMORE
DIMENSIONE DEL VOXEL
NUMERO DI “MEDIE”
TR & TE
LARGHEZZA DI BANDA
TIPO DI BOBINA
CAMPO MAGNETICO
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RM ab2000
RISCHI DELLA RM
CAMPO MAGNETICO STATICO
CAMPI MAGNETICI OSCILLANTI (IMPULSI “RF”)
ATTIVAZIONE / DISATTIVAZIONE DEI GRADIENTI DI CAMPO
RISCHI DELLA RM
SEGNALETICA SPECIFICA
CONTROLLO ACCURATO DELL’ ACCESSOALLA DIAGNOSTICA
ANAMNESI
UTILIZZO DI “METAL DETECTORS”
CONTROLLI RADIOGRAFICI
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RM ab2000
SOGGETTI CHE NON POSSONOESSERE SOTTOPOSTI A RM
portatori di pace-makers
operati su strutture vascolari con clips ferromagnetiche
portatori di neurostimolatori o pompe di infusione
portatori di corpi estranei metallici (scheggie, proiettili)
RM ab2000
POSSONO (!)ESSERE SOTTOPOSTI A RM
portatori di impianti metallici non ferromagnetici
portatori di protesi “ortopediche” (anca, ginocchio ...)
donne gravideper avere dati non ottenibili con ecografia eper evitare indagini con radiazioni ionizzantiin caso di indifferibile esigenza clinica
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RM ab2000
POSSONO ESSERE DANNEGGIATIDAL CAMPO MAGNETICO
CARTE MAGNETICHE (di credito, telefoniche....)
OROLOGI ANALOGICI
DISCHI - NASTRI MAGNETICI
CALCOLATRICI - MACCHINE FOTOGRAFICHE
RM ab2000
DOSIMETRIA RM
CAMPO OSCILLANTE (“RF”)
ESPOSIZIONE
ASSORBIMENTO
Watt/m2
Watt/Kg
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RM ab2000
LINEE GUIDA DELLA FDA
CAMPO MAGNETICO STATICO ≤ 2 TESLA
VELOCITA’ DI VARIAZIONE DEL CAMPO MAGNETICO ≤ 3 TESLA/SEC
RM ab2000
LINEE GUIDA DELLA FDA
LIMITI DI SAR(Specific Absorption Rate)
CORPO INTERO : 0.4 Watt/Kg
SINGOLO TESSUTO: 0.02 Watt/g
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RM ab2000
SVILUPPI DELLA RM
SISTEMI APERTI SISTEMI DEDICATI
IMAGING FUNZIONALESPETTROSCOPIA
RM ab2000
Progress in NMR is so rapid and the future is so brightthat one of the great problems will be to develop a newbreed of radiologists who are versatile in biochemistry,mathematics and computers as well as in morphologicanatomy and patholgic physiology. As times goes on,advances in NMR will be achieved by teams of clinicaland basic scientists encompassing multiple disciplines.
C.B. Higgins, 1983
