I tipi di segnale in Risonanza Magnetica

Essenzialmente si parla di 4 tipi di segnale, FID (Free induction Decay), echo di spin (o spin echo), echo di gradiente (o gradient echo) ed echo stimolato (stimulated echo). In questo capitolo spiegheremo lo schema di funzionamento di questi tipi di segnale, le loro caratteristiche e andremo a perfezionare e capire il concetto di tempo di echo TE e tempo di ripetizione TR. Inseriremo il concetto di gradiente e del funzionamento del campo magnetico statico rispetto a quello variabile.

Tipo di Segnale Come viene ottenuto ?
FID 1 impulso di radiofrequenza
Gradient Echo 1 impulso di radiofrequenza + inversione del gradiente

Spin Echo

2 impulsi di radiofrequenza
Stimulated Echo 3 o più impulsi di radiofrequenza

Free Induction Decay o Decadimento a induzione Libera (FID)

Come già spiegato nelle lezioni precedenti, inserendo un protone in un campo magnetico, questo si allinea con le linee di campo generando un vettore longitudinale ( magnetizzazione netta ) che precede intorno all’asse Z (direzione di B0). Le componenti trasversali ( vettore trasversale ) sono le responsabili della creazione del segnale in quanto in grado di indurre nella bobina una corrente elettrica che secondo la legge di Faraday-Lenz dell’elettromagnetismo è un’onda sinusoidale che oscilla alla frequenza di Larmor.

Il segnale MR tuttavia non è infinito, e decresce in relazione a un processo che chiameremo T2* (T2 Star) secondo la formula

sin ω o t ] -t / T2 *

E come mostrato dall’immagine sottostante :

simplestpsd

Esempio di FID, un echo generato da una RF senza ulteriori elaborazioni

Anche se nella realtà il segnale potrebbe apparire in maniera nettamente diversa, rispetto all’immagine teorica appena mostrata:

Segnale FID Reale acquisito su uno scanner da 1,5 Tesla , le singole oscillazioni non si possono distinguere data la loro altissima frequenza (64Mhz) in questa scala, si nota però il decadimento del segnale in relazione al tempo T2*

Per quanto abbiamo imparato fin’ora, possiamo immaginare che l’impulso che ha creato il segnale FID sia stato un impulso a 90°, ma la realtà è che qualsiasi angolo di nutazione applicato (flip angle), poiché crea una magnetizzazione trasversale, è in grado di generare segnale FID. L’unica eccezione a quanto appena detto potrebbe valere per flip angle di 180° in quanto non genererebbe alcuna magnetizzazione trasversale ma otterrebbe solo il ribaltamento in negativo della magnetizzazione longitudinale.

Gradient Echo, o echo di gradiente (GE)

Un echo di gradiente a differenza del Segnale FID è una manipolazione del segnale ulteriore che ne raffina le caratteristiche. La manipolazione del segnale avviene attraverso particolari bobine (bobine di gradiente) che sono in grado di applicare una variazione locale dei campi magnetici e quindi di alterare leggermente le frequenze di risonanza delle singole regioni di spazio (voxel).

Questa operazione di manipolazione del segnale da parti di gradient echo si può definire come “squelching / scrambling ” del segnale FID, ovvero in un defasamento transitorio accelerato.

Classico esempio dello schema di una sequenza gradient echo

Gradient echo agisce su due passaggi, nel primo step un gradiente viene applicato con conseguente defasamento accelerato (squelching del FID), nel secondo step viene applicato un gradiente di rifasamento (opposto per polarità al gradiente di sfasamento). Ciò inverte gli sfasamenti indotti dal gradiente di sfasamento e ricompone il segnale FID come Echo di Gradiente.

Da notare che la legge di decadimento del segnale T2* continua a valere.

In un famoso libro “di Bertlex Imaging” dal nome “Risonanza magnetica Semplice”, viene mostrata questa famosa immagine, che rende molto bene l’idea di quanto appena illustrato.

segnali di risonanza magnetica berlex imaging illustrazione

Segnali di risonanza magnetica tratta da manuale Berlex

Come appunto descritto dal testo appena citato, il rifasamento degli spin per inversione del gradiente è spesso illustrato per analogia ai corridori su una pista, come la tartaruga e la lepre mostrate nell’ immagine qui in alto. La lepre è veloce e rappresenta gli spin che vanno rapidamente in precessione (accumulando la fase) in virtù della loro posizione dove il gradiente è più efficace. La tartaruga al contrario rappresenta gli spin che essendo in zone meno intense del gradiente aumenteranno la loro velocità di precessione più lentamente.

La Lepre col passare del tempo, percorrerà più strada, andando più lontano (corrispondente a una fase maggiore). L’inversione della direzione della corsa corrisponde ai gradienti applicati con polarità invertite. La lepre corre sempre più velocemente , ma questa volta con una direzione opposta a quella della tartaruga, avendo più distanza da recuperare, ma giungendo al punto di partenza contemporaneamente alla tartaruga.

Gli echi di gradiente possono essere anche comunemente chiamati con i nomi : richiamo di gradiente o echo di campo.

Spin Echo, o echo di spin (SE)

Un singolo impulso di Radiofrequenza genera un decadimento a induzione libera (FID), ma due impulsi RF successivi producono un Echo di Spin (SE). Il tempo che intercorre tra la metà del primo impulso e il picco dell’Echo è definito Tempo di Echo (TE).

Questa fu una notevole scoperta da parte di Erwin Hahn (1921-2016) per la quale gli studiosi di oggi chiamano gli echi generati da una qualsiasi coppia di RF echo di Hahn.

Sostanzialmente Spin echo rappresenta la rigenerazione delle informazioni di fase degli spin apparentemente perse durante il decadimento del FID. La “Rinascita” del segnale FID in Echo di Spin risiede nella reversibilità dei processi T2* che originariamente producevano il decadimento del FID. In effetti la maggior parte del segnale FID (che ricordiamo essere un vettore trasversale rispetto alla direzione di B0) non è stato distrutto, bensi è solo disorganizzato perché i singoli vettori hanno perso la loro coerenza di fase. Si dice che il sistema possieda un “Ordine nascosto” o “Memoria Atomica” che, applicando un secondo impulso RF trasforma il segnale FID in segnale SPIN ECHO.

 

Classico esempio dello schema di una sequenza gradient echo

 

Stimulated Echo, o echo stimolato (STE)

Se Spin echo si ottiene con 2 impulsi RF, Stimulated Echo sono sequenze di almeno 3 impulsi RF. Come mostrato nell’immagine successiva un impulso RF preliminare allo schema di Spin Echo ottiene il risultato di preparare la magnetizzazione. Una sequenza con Echi stimolati può ottenere diversi Echi, anche piu di uno. Oppure potrebbe essere utilizzata per ottenere particolari pesature o una sequenza selettiva di un determinato tessuto. Potrebbe inoltre essere utilizzata per la saturazione del grasso. Un esempio di sequenza con Echo Stimolato è la STIR, che possiede un impulso a 180° antecedente all’impulso di eccitazione con lo scopo di saturare il segnale del grasso e di raddoppiare il range dinamico del recupero della magnetizzazione longitudinale.

 

 

stimulated echo

Classico esempio dello schema di una sequenza con echo stimolato, ovvero con un impulso di preparazione antecedente a quello di 90° chiamato impulso di eccitazione