NMR Laboratory Dalla fisica della Risonanza Magnetica Nucleare

NMR Laboratory Dalla fisica della Risonanza Magnetica Nucleare alle immagini diagnostiche Silvia Capuani *CNR-ISC UOS Roma Dipartimento di Fisica Sapienza Università di Roma Laboratorio di Risonanza Magnetica Nucleare Edificio Fermi stanza 319, Edificio Segre’ Laboratorio 5 silvia. capuani@roma 1. infn. it

NMR Laboratory NMR laboratory staff Biomedicine: Edificio Fermi stanza 319, Edificio Segre’ Laboratorio 5 Silvia. Capuani@roma 1. infn. it Maria Giovanna Di Trani (Ph. D student) Cultural heritage Sveva Longo (Ph. D student 50%) Michele Guerreri (Ph. D student) Alessandra Caporale Penn University (USA) Marco Palombo UCL (UK) Riccardo De Feo Clinical collaborators: Neuroimaging Laboratory, Fondazione Santa Lucia IRCCS, Rome, Italy. Radiology Dpt. , Policlinico Umberto I Sapienza Rome, Italy Department of Diagnostic and Interventional Radiology, Molecular Imaging and Radiotherapy & Orthopedic and Traumatology Dip. PTV Foundation, ”Tor Vergata” University of Rome,

1. Risonanza Magnetica Nucleare: il segnale NMR Principali tecniche diagnostiche Computer Tomography, CT, TAC Positron Emission Tomography, PET Imaging MRI, RM Nuclear Magnetic Resonance, NMR, Magnetic Resonance Mappa funzionale-metabolica I livelli di grigio in un’immagine CT, RF sequences Ĥ 1 Ĥ 2 Ĥn τ1 τ2 τn rappresentano l’attenuazione µ in ogni pixel e si misurano in HU Acqua Ossa ATOMO 0 HU 1000 -3000 HU richiede un Ciclotrone per la produzione degli elementi Indagine multi-parametrica radioattivi da utilizzare Nucleo SPIN di protoni F-18 informazioni Sovrappostafascio all’informazione morfologica, elementi b+ chimico-fisiche, dinamiche metaboliche, funzionali…C-11 emettenti O-15

1. Risonanza Magnetica Nucleare: il segnale NMR Premi Nobel nel campo dell’NMR La scoperta del principio di risonanza magnetica si deve a Felix Bloch ed Edward Purcell, che, nel 1946, scoprirono questo fenomeno indipendentemente l'uno dall'altro. Ad entrambi è stato assegnato il premio Nobel per la Fisica nel 1952. Nel 1991 Richard Ernst riceveva il premio Nobel per la Chimica per i suoi risultati sulla spettroscopia NMR con l'uso della trasformata di Fourier. Nel 2002 Kurt Wüthrich riceveva il premio Nobel per la Chimica per lo sviluppo della spettroscopia NMR che ha portato alla determinazione della struttura tridimensionale delle macromolecole e proteine in soluzione Nel 2003 Paul C. Lauterbur dell'Università dell'Illinois e Sir Peter Mansfield dell'Università di Nottingham hanno ricevuto il premio Nobel per la Medicina per le loro scoperte nel campo dell'imaging con risonanza magnetica.

1. Risonanza Magnetica Nucleare: il segnale NMR Spettroscopia a radiofrequenza NO Ionizzazione Es Es=13. 6 e. V Energia media di soglia per radiazionizzanti Dalla spettroscopia atomica alla spettroscopia a rf z

1. Risonanza Magnetica Nucleare: il segnale NMR SI Inversione delle popolazioni Probabilità di emissione spontanea: Wfi Visibile ω ≈ 1014 Hz Onde radio ω ≈ 107 Hz ω³ Quindi: -Trascuro l’emissione spontanea; posso invertire le popolazioni dei livelli -Maggior numero di fotoni a disposizione: Nfot=(Energia)/(energia 1 fotone) ATOMO Ci riferiamo a nuclei atomici stato fondamentale (energie < 0. 001 e. V) NO stati eccitati (energie ≈ Me. V) NO fisica nucleare paramagnetismo nucleare Alta selettività verso sottoinsiemi di sistemi complessi nucleo Dalla spettroscopia atomica alla spettroscopia a rf Nube elettronica

1. Risonanza Magnetica Nucleare: il segnale NMR Risonanza Magnetica, SPIN nucleari lo spin nucleare è una proprietà misurabile, caratteristica intrinseca di alcuni nuclei. Ad esso è sempre possibile associare un momento magnetico intrinseco. Ne risulta che i nuclei possono essere «assimilati» a spire percorse da corrente o a dei dipoli magnetici Quantizzazione: 2 I+1 stati spin γ=rapporto giromagnetico nucleare Schema semplificativo NO TROTTOLE!!!! Principi Nuclei con spin ½ rappresentati come sfere rigide in rotazione attorno ad un proprio asse.

1. Risonanza Magnetica Nucleare: il segnale NMR Classicamente… Ma il momento magnetico è quantizzato Principi

1. Risonanza Magnetica Nucleare Principi

1. Risonanza Magnetica Nucleare: descrizione classica Paramagnetismo nucleare Consideriamo I=1/2 (nuclei atomi di idrogeno) Principi

1. Risonanza Magnetica Nucleare Condizione iniziale di equilibrio Z’ Sommati B 0 Y’ X’ Principi

1. Risonanza Magnetica Nucleare Condizione iniziale di equilibrio Z’ Sommati B 0 MAGNETIZZAZIONE NETTA Y’ X’ Principi

1. Risonanza Magnetica Nucleare Condizione iniziale di equilibrio termodinamico MAGNETIZZAZIONE Macroscopica M 0 Z’ Sommati H 0 Y’ X’ MAGNETIZZAZIONE di CURIE INDIETRO Principi

1. Risonanza Magnetica Nucleare spin Principi

1. Risonanza Magnetica Nucleare B 0 spin Principi

1. Risonanza Magnetica Nucleare B 0 Principi

1. Risonanza Magnetica Nucleare Relazione fondamentale dell’NMR ω0 = x B 0 ν 0 = (1/2 ) x B 0 Principi

1. Risonanza Magnetica Nucleare Frequenza di Larmor 2πν 0= ω0= γ B 0 Principi

1. Risonanza Magnetica Nucleare: descrizione quantistica Effetto Zeeman b (-1/2) Bo > 0 DE = h n a (1/2) Bo = 0 Principi Low energy gap

1. Risonanza Magnetica Nucleare Principi

1. Risonanza Magnetica Nucleare La distribuzione degli spin nucleari nei vari livelli energetici e’ decisa in base alla statistica di Boltzmann: Pm exp(-Em/k. BT) con: Em=-m h/2 B 0 Nb/Na = e – DE/k. BT 1 - DE/k. BT = 1 – ( h. Bo/2 k. BT) Per il protone la differenza di energia è piccola rispetto all’energia media dei moti termici, e di conseguenza le popolazioni sono circa eguali, con un leggero eccesso a favore del livello piu’ basso. Per un campo di 1. 41 T (60 MHz), si ha un DE ≈ 0. 6 x 10 -2 cal mol-1, e usando il corretto valore di per il protone si ha per una temperatura di 300 K, un rapporto tra le popolazioni Nb/Na ≈ 0. 9999904 Per un campo di 7. 05 T (300 MHz) la differenza e’ piu’ grande: Nb/Na ≈ 0. 99995 Increase energy gap -> Increase population difference -> Increase NMR signal Principi

1. Risonanza Magnetica Nucleare La differenza di popolazione risultante dalla competizione dell’agitazione termica con l’energia di interazione con il campo magnetico statico, anche se piccola, genera un momento magnetico macroscopico risultante M 0 detto: MAGNETIZZAZIONE MACROSCOPICA M 0, che e’ la risultante di tutte le componenti z dei momenti magnetici nucleari. Principi

1. Risonanza Magnetica Nucleare Condizione iniziale di equilibrio termodinamico MAGNETIZZAZIONE di CURIE Differenza fra le popolazioni dei livelli E=m(h/2π)ω ΔE=γ(h/2π)B Transizioni fra i livelli: Principi

1. Risonanza Magnetica Nucleare z z Mo x y y Bo Bo ω0 = x B 0 Principi x

1. Risonanza Magnetica Nucleare: descrizione classica Generazione del segnale NMR Eccitazione Bo Bobina Trasmettitore Radio Frequenza Principi

1. Risonanza Magnetica Nucleare Generazione del segnale NMR Eccitazione Bo Bobina Trasmettitore Radio Frequenza Principi

1. Risonanza Magnetica Nucleare Generazione del segnale NMR Eccitazione Bo Bobina Trasmettitore Radio Frequenza INDIETRO Principi

1. Risonanza Magnetica Nucleare Generazione del segnale NMR Eccitazione Magnetizzazione netta ed impulso a 90° B 0 Z M Y X Principi

1. Risonanza Magnetica Nucleare Generazione del segnale NMR Eccitazione Magnetizzazione netta ed impulso a 90° Z B 0 Y X Principi

1. Risonanza Magnetica Nucleare Generazione del segnale NMR Eccitazione Magnetizzazione netta ed impulso a 90° Z B 0 Y M X INDIETRO Principi

1. Risonanza Magnetica Nucleare Rilevamento del segnale NMR Rilassamento Bo Bobina Trasmettitore Radio Frequenza Ricevitore Principi

1. Risonanza Magnetica Nucleare Rilevamento del segnale NMR Rilassamento Bo Bobina Trasmettitore Radio Frequenza Ricevitore INDUZIONE ELETTROMAGNETICA Principi

1. Risonanza Magnetica Nucleare Rilevamento del segnale NMR Rilassamento Bo Bobina Trasmettitore Radio Frequenza Ricevitore INDUZIONE ELETTROMAGNETICA INDIETRO Principi

1. Risonanza Magnetica Nucleare: il segnale NMR Il segnale NMR è un segnale elettrico

1. Risonanza Magnetica Nucleare Rilevamento del segnale NMR Rilassamento Z Bo Mo X Principi Y

1. Risonanza Magnetica Nucleare Rilevamento del segnale NMR Rilassamento Z Bo Y X Principi

1. Risonanza Magnetica Nucleare Rilevamento del segnale NMR Rilassamento Z Rilassamento T 1 o longitudinale o spin-reticolo Bo M 0 Y X INDIETRO Principi

1. Risonanza Magnetica Nucleare Caratteristiche del segnale NMR Rilassamento Trasversale Z Bo Mo Y Mxy X time Principi

1. Risonanza Magnetica Nucleare Caratteristiche del segnale NMR Rilassamento Trasversale Z Bo Mxy INDUZIONE ELETTROMAGNETICA Principi time

1. Risonanza Magnetica Nucleare Caratteristiche del segnale NMR Rilassamento Trasversale Z B 0 Mxy INDUZIONE ELETTROMAGNETICA Principi time

Caratteristiche del segnale NMR Rilassamento Trasversale Z Rilassamento T 2 o spin-spin o perdita di coerenza degli spin fra di loro B 0 Mxy INDUZIONE ELETTROMAGNETICA INDIETRO T 2 time

1. Risonanza Magnetica Nucleare Caratteristiche del segnale NMR Rilassamento Longitudinale T 1 Z Bo Mz Mo X Principi Y time

1. Risonanza Magnetica Nucleare Caratteristiche del segnale NMR Rilassamento Longitudinale Z Bo Mz Y X Principi time

Caratteristiche del segnale NMR Rilassamento Longitudinale Z Bo Mz Y X time

Caratteristiche del segnale NMR Rilassamento Longitudinale Z Bo Mz Y X INDIETRO time

Caratteristiche del segnale NMR Rilassamento Longitudinale T 1 Z Bo Mz Mo M 0 T 1 Y X time

1. Bloch Equations

1. Risonanza Magnetica Nucleare: il segnale NMR Il segnale NMR è un segnale elettrico S(t)= A*[cos( -ω0 )*t]*exp(-t/T 2*)*[1 -exp(TR/T 1)] M 0 Spettroscopia Rilassometria Principi

1. Risonanza Magnetica Nucleare: il segnale NMR SPIN ECHO S(TE) = M 0 exp(-TE/T 2) Elimina le disomogeneità di campo strumentali Principi

1. Risonanza Magnetica Nucleare: il segnale NMR Inversion recovery S(t) = M 0(1 -exp(-t/T 1)) Principi

1. Risonanza Magnetica Nucleare: il segnale NMR T 1 -weighted image T 2 -weighted image Contrasto in T 1 e T 2

1. Risonanza Magnetica Nucleare: il segnale NMR One more way to look at T 1 and T 2 i. Relaxation of 13 C occurs through two distinct interactions ii. Magnetic fields produced by the 1 H magnetic dipoles are felt by the 13 C spin • These magnetic fields are modulated by random Brownian motions (rotational, translational) iii. Relaxation between 13 C and 1 H in same molecule - intramolecular relaxation (T 2) iv. Relaxation between 13 C and 1 H from solvent- intermolecular relaxation (T 1)