MAGNETIC RESONANCE imaging and spectroscopy · 0= 9,4 Tesla (da Ross 2001) 13 ... - bobina unica per l' acquisizione convenzionale e per la spettroscopia sequenze tipo CSI - immagini

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AB062003CORSO RM AUP2003

Applicazioni della NMR

Struttura e funzioni di macromolecole Metabolismo

Identificazione di molecolepresenza/assenza di molecole

Imaging MRI Magnetic Resonance Imaging


MAGNETIC RESONANCEimaging and spectroscopy

MRI MRS

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Spettroscopia Metodi che misurano le interazioni delle

radiazioni elettromagnetiche con lamateria.

La radiazione assorbita o emessa da uncorpo viene rivelata/misurata e la suarappresentazione grafica é definitaspettro.


Spettroscopia Tipo di Radiazione

Raggi X UV/Visibile Microonde Infrarossi Spettroscopia a

Risonanza Magnetica

Energia di Transizione Elettroni interni degli atomi Elettroni esterni Rotazionale Vibrazionale Stati Magnetici

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Un esempio di spettro non NMR

Spettro beta

Energia

Num

ero


31P MRS [spettroscopia del fosforo]

TESSUTO CEREBRALE NORMALE

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TESSUTO CEREBRALE NORMALE TESSUTO CEREBRALE ISCHEMICO

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ω = γ Ηο

Frequenza di precessione (= f. di risonanza)

ν = γ Ηο/2π

Equazione di Larmor

Ηο

La frequenza di precessione o di Larmor (ω0)e dipende da due fattori:

1. la costante giromagnetica (γ ) , valorenumerico caratteristico di ogni specienucleare e

2. la forza del campo magnetico principale B0.

ω0 = γ B0

Relazione di Larmor

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Il segnale NMR : FID

FIDTrasformata di Fourier

del FID


Permette di trasformare i datitemporali (FID, echi etc) acquisitidalle bobine in linee di frequenza cheindicano la concentrazione di spinalle varie frequenze (es.protoni/voxel).

La trasformata di Fourier

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Il segnale NMR : FID


MRS = Magnetic Resonance Spectroscopy

Chemical shift

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Chemical shift

Potrebbe essere espresso in Hz, ma in questo casoi valori aumenterebbero al crescere del campomagnetico principale (B0)

Viene quindi espresso in ppm, parti per milioni(cioè in unità relativa, analoga a un valorefrazionario) in modo da restare invariato anche semisurato a campi di diversa intensità


INFORMAZIONI OTTENIBILICON SPETTROSCOPIA RM

- identificazione di specie chimiche

- misurazione della concentrazione di metaboliti

- valutazione di processi metabolici

-determinazione del pH-…..

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MRS "IN VIVO"

- selezione del nucleo oggetto di studio

- posizionamento nel campo magnetico

- imaging preliminare della regione di interesse

- acquisizione dei dati spettroscopici

- elaborazione dei dati


IDROGENO (H-1)

FOSFORO - 31

CARBONIO - 13

FLUORO - 19

SODIO - 23

Nuclei di possibile interesse perMRS “in vivo”

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Nuclei di possibile interesse perMRS “in vivo”

NUCLIDE

Idrogeno (H-1)

Fosforo-31

Fluoro-19

Carbonio-13

Sodio-23

Azoto-15

n (2T, MHz)

85.2

34.4

80.0

21.4

22.6

8.6

ABB. NATUR.(%)

99.9

100

100

1

100

0.3

SENSIBILITA'

1

0.066

0.830

0.016

0.093

0.001


Il segnale 1H-MRS in vivo•Con concentrazioni di acqua > 50M quasi tutto il segnaletessutale viene dagli atomi di idrogeno delle molecole di acqua.

•Tuttavia una piccola quota di segnale viene dai protoni degliatomi di idrogeno delle altre molecole presenti nei tessuti.

•In campi magnetici di intensità elevata il segnale ottenibileaumenta proporzionalmente.

•Oltre 1T (circa 20000 volte l’intensità del campo terrestre) èpossibile ottenere spettri MRS in vivo in tempi ragionevoli

•La concentrazioni di protoni necessari per produrre un segnaleindividuabile devono essere nell’ordine del millimolare, ma pervedere questi segnali si deve sopprimere il segnale dell’acqua

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Il segnale in spettroscopia protonica

E’ dominato dal picco dell’acquache “nasconde” i picchi di vari metaboliti


H-1 MRS

NAA 2.02 ppmColina 3.25 ppm

Creatina 3.05 ppm

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Si vedono più picchi e c’è più segnalecon sequenze a echi corti

PRESS TE=270B0=1.5T

STEAM TE=25B0=1.5T


Più picchi e segnale con campi diintensità elevata

Encefalo di cane B0= 9,4 Tesla (da Ross 2001)

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NAA = N-acetilaspartato [5-15mM]

Marker neuronale La riduzione dei NAA indicata perdita o

danno neuronale ↓ NAA si osserva nell’ictus, nei gliomi, e in

varie malattie neurodegenerative, nellaepilessia

Aumenta solo in una malattia rara la m.diCanavan


Colina [1.5 mM]

Colina etc = marker dimetabolismo/membrane cellulari L’aumento del picco della colina indica un

aumento del turnover delle membrane si osserva nei tumori e in varie malattie

neurodegenerative

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Creatina +Fosfocreatina [8mM]

Creatina = marker di riserva energetica La riduzione del picco di creatina può

indicare un consumo delle riserveenergetiche (ipossia, ictus, tumori)

Aumenta con l’età; nel trauma e incondizioni di iperosmolarità;


Glutammato-Glutammina [10 e 5 mM?]

Glx = marker di metabolismo Aumenta nella sindrome di Reye e nelle

encefalopatie epatica e ipossica Diminuirebbe nella AD

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Mioinositolo [5mM]

Mioinositolo = marker astrocitario Alto nel neonato e nell’ipernatremia, ma

anche nelle lesioni di SM, HIV e LDM, AD Ridotto nell’encefalopatia epatica e

ipossica, nell’ictus, nei tumori


Lattato

Lattato (ac.lattico) = marker di attivitàmetabolica L’aumento del picco del lattato indica un

incremento della glicolisi anaerobia si osserva in corso di ischemia e

aspecificamente in alcuni tumori

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H1-MRS

NAA Colina

Creatina


H1-MRS

NAA

Colina

Creatina

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H1-MRS

Lactate

Choline


Spettri protonici

Da Ross 2001

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Meningioma

Medicina Nucleare -RadiologiaUniversità "Federico II"CNR CMN - Napoli

QMCIH1-MRSPET-FDG


PET-FDG e spettroscopia protonica a volume singolo nella caratterizzazione funzionale

di neoplasie cerebrali.

tumore normale

Medicina Nucleare -RadiologiaUniversità "Federico II"CNR CMN - Napoli

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Spettroscopia single voxel automatizzata 2003


A volte si vedono solo schifezze

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H1-MRS

NAX Choline 3.25 ppm

Creatine 3.05 ppm

Lipids


1H Spettroscopia del protone

Metabolismo encefalico Misura di metaboliti come:

N-acetylaspartato (NAA) creatina + fosfocreatina (Cr + PCr) Composti contenenti colina (Cho) Lattato (inositolo, glutammato)

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SPECTROSCOPIC IMAGING PROTONICO

- bobina unica per l' acquisizione convenzionale e per la spettroscopia sequenze tipo CSI

- immagini di: N-acetil-aspartato

creatina

colina

lattato


Imaging spettroscopico

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MRI

QM930426: Slice 3 NIH-NINDS-NB

NAA Cho Cre Lac



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Imaging spettroscopico Immagini diverse per ciascun metabolita

studiato



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FOSFORO - 31- abbondanza isotopica naturale prossima al 100%

- sensibilità relativamente elevata

- presenza di numerosi composti del fosforo in concentrazioni elevate nelle strutture biologiche

- spettri di interpretazione agevole

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31P- metabolismo energetico e misura del pH


31P Spettroscopia del fosforo

Misurazione del pHintracellulare

Metabolismo energetico ATP, fosfocreatina, e

fosfato inorganico Modificazioni associate a

sforzi o tests diversi,ipossia, ischemia.

Ipossia lieve ischemia

Normale normale

Alger et al 1989

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SPETTROSCOPIA DEL CARBONIO -13

- ampia utilizzazione per applicazioni in vitro

- scarsa possibilità di applicazione in vivo, per la bassa concentrazione naturale del Carbonio-13


SPETTROSCOPIA DEL FLUORO -19

- elevata abbondanza naturale del F-19

- possibilità di sintesi di "traccianti" marcati con F-19

Brunetti et al , Stroke 1990

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METODOLOGIA OPERATIVADELLA MRS "IN VIVO"

- omogeneizzazione del campo magnetico nel volume di interesse (shimming)

- acquisizione dei dati spettroscopici

- data processing e analisi degli spettri


LOCALIZER

SHIM GLOBALE (FWHM < 20 Hz)

POSIZIONAMENTO VOXEL SHIM LOCALE (FWHM ≤ 7 Hz) SOPPRESSIONE ACQUA (2-3%)

ACQUISIZIONE DATI

(DURATA COMPLESSIVA DELL'ESAME ? min)

SCHEMA ESECUZIONE MRS 1H

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SINGLE VOXEL 1H-MRS

ACQUISIZIONE DA 2 VOXEL: Lesione + Tessuto Normale Controlaterale

SEQUENZA PRESS TR = 2 sec, TE = 135 msec, 256 campionamenti

ELABORAZIONE Correzione Eddy Currents, Baseline

VALUTAZIONE DEI METABOLITI: calcolo dei rapporti COL/CREA, NAA/CREA, NAA/COL

2 cm

CMN, 1993


- SPECIFICITA' CHIMICA

- SENSIBILITA' LIMITATA

- NON INVASIVITA'

- NECESSITA' DI CAMPI MAGNETICI DI INTENSITA' ELEVATA

- POSSIBILITA' DI IMAGING SPETTROSCOPICO

CARATTERISTICHE DELLA SPETTROSCOPIAA RISONANZA MAGNETICA

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SETTORI DI INTERESSE DELLA MRS

- ONCOLOGIA

- NEUROLOGIA

- CARDIOLOGIA

- NEFROLOGIA


MRS IN ONCOLOGIApossibili applicazioni

- valutazione della aggressività biologica

markers metabolici

- definizione della ipossia tumorale

- monitoraggio della terapia

-differenziazione recidiva / fibrosi

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SPETTROSCOPIA DEL P-31NELLE NEOPLASIE

- caratterizzazione bioenergetica (ATP, fosfocreatina, colina)

- misura del pH tessutale

- monitoraggio della terapia


MRS 1H in oncologia

- neurooncologia

- e ca. della prostata

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MRS NELLO STUDIO DELSISTEMA NERVOSO CENTRALE

- ischemia

- malattie degenerative

- neoplasie


MRS IN NEFROLOGIA

cardiopatia ischemica

MRS IN CARDIOLOGIA

trapianto renale

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PROSPETTIVE

- CHEMICAL SHIFT IMAGING (acquisizione di dati da volumi piccoli per limitare

gli effetti di volume parziale)

- misurazione di concentrazioni assolute di metaboliti

- valutazione integrata con altre tecniche di imagingmorfologico e funzionale

- monitoraggio e prognosi


IL RUOLO CLINICO DELLA MRSE' ANCORA IN VIA DI DEFINIZIONE

L' IMPIEGO CLINICO DELLA MRSE' LEGATO ALLAAUTOMATIZZAZIONE DELLEPROCEDUREALLO SVILUPPO DELLE TECNICHEDI IMAGING SPETTROSCOPICO

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MRS E PET POSSONO OFFRIREINFORMAZIONI COMPLEMENTARINELLA CARATTERIZZAZIONEBIOLOGICA DELLE NEOPLASIE

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