Semeiotica del segnale in Risonanza Magnetica (con video)

Concetti di base sul Segnale RM

Per riuscire a assimilare al meglio i concetti relativi alla semeiotica del segnale RM è necessario conoscere almeno i concetti di base dell’interpretazione del segnale RM.

Gli atomi di idrogeno sono presenti in notevole quantità nella maggior parte dei tessuti dell’organismo umano, e sono caratterizzati da un movimento angolare che in natura assume direzioni casuali. Se questi atomi vengono introdotti in un CMS si dispongono nella stessa direzione del campo magnetico esterno, parte in senso parallelo (quindi nella stessa direzione) e parte in senso antiparallelo (direzione opposta). La popolazione di atomi in senso parallelo è leggermente maggiore rispetto a quella in senso antiparallelo, in entità proporzionale all’intensità del CMS.

E’ possibile andare ad agire proprio su questo gruppo di atomi in sovrannumero, inviando un impulso di radiofrequenza che va ad alterare il loro stato di equilibrio portandoli dalla condizione parallela (bassa energia) a quella antiparallela (alta energia). Inizialmente il vettore risultante di tutti gli spin giace sul piano longitudinale ma l’impulso RF lo ribalta in modo più o meno importante verso il piano trasversale e allo stesso tempo mette in fase la rotazione di tutti gli spin. La condizione antiparallela è una condizione di instabilità, che tende a tornare nello stato di equilibrio appena dopo l’interruzione dell’impulso di radiofrequenza: la progressiva diminuzione del segnale generato dal ritorno crea un segnale analogico in una bobina ricevente posta in posizione esterna e perpendicolare al CMS.

Figura 1: Schema riassuntivo sulla formazione del segnale I vari passaggi sono descritti nel capitolo introduttivo, dall’orientazione del momento magnetico degli spin degli atomi di idrogeno alla rilevazione della componente trasversale (vedi Fig. 1).

Recupero T1 e Rilassamento T2

Esistono due tipi di fenomeni che spiegano la perdita della componente trasversale e il recupero di quella longitudinale, entrambi dovuti alla cessione di energia degli atomi precedentemente eccitati. L’interazione tra atomi e ambiente circostante (spin-lattice) tende a ripristinare progressivamente la magnetizzazione nel senso longitudinale, chiamato recupero T1. Il T1 è definito come il tempo impiegato per recuperare il 63% della magnetizzazione longitudinale iniziale.

L’interazione tra atomi e atomi circostanti porta ad una perdita di fase tra le rotazioni degli spin, spiegando quello che viene chiamatorilassamento T2, tempo per perdere il 63% della magnetizzazione trasversale.

Le sequenze e il segnale

Le sequenze , oltre dai diversi gradienti di decodifica, sono composte da una serie di impulsi che si ripetono dopo un determinato tempo e che vanno a leggere il segnale di ritorno in un determinato istante. Le curve di recupero dei differenti tessuti sono differenti, quindi le tempistiche delle sequenze andranno proprio a sfruttare queste differenze per fornire dei segnali distinguibili e discrivimare quindi i tessuti da quelli circostanti o dalle patologie

Caratteristiche delle ponderazioni

Concetti generici

Anche chi non ha molta esperienza con questa metodica ha sicuramente sentito parlare di pesatura T1 o T2. Effettuare una sequenza con pesatura T1, per esempio, significa impostare i parametri in modo tale che vadano a dare molto “peso” alle differenze nel recupero della magnetizzazione longitudinale dei differenti tessuti, e viceversa per la T2 che vadano ad essere maggiormente dipendenti dalle differenze della perdita della magnetizzazione trasversale. Le due ponderazioni hanno caratteristiche generiche relativamente differenti, che verranno elencate di seguito suddivise tra risoluzione, contrasto e tempo, e che portano inevitabilmente a renderle adatte a scopi clinici completamente differenti, talvolta opposti. Bisogna comunque segnalare che non tutti i dettagli descritti saranno rapportabili a tutti i tipi di esami per tutti gli organi e per tutte le apparecchiature, ma si tratta comunque di nozioni che aiutano ad avere un quadro su quello che è il loro utilizzo più comune.

Caratteristiche ed applicazioni cliniche delle ponderazioni T1

Le Ponderazioni T1 hanno generalmente queste caratteristiche:

Risoluzione

• Elevato dettaglio anatomico

Contrasto

• Basso contrasto tissutale
• Elevato contrasto per i tessuti con T1 corto: Tessuto adiposo, Meta-Hb, Chelati del Gadolinio, Glicogeno, melanina, Contenuto proteinaceo
• Alto contrasto lesioni/grasso
• Possibilità di ottenre informazioni In-Out phase

Tempo

• Sequenze relativamente brevi
• Fast Imaging e sequenze in apnea
• Imaging Dinamico e Fluoro RM
• 3D
• Imaging Vascolare

Le applicazioni cliniche più diffuse sono quindi:

• Studio complementare alla pesatura T2 per tutti i distretti anatomici
• Studio delle strutture contenenti tessuto adiposo
• Sequenze dopo mezzo di contrasto
• Studi dinamici dell’enhancement
• Sequenze Angio-RM CE
• Artro-RM

Figura 2: Ponderazione T1Immagine ponderata T1 acquisita a livello del parenchima cerebrale (vedi Fig. 2).

Caratteristiche ed applicazioni cliniche delle ponderazioni T2

Le Ponderazioni T2 hanno generalmente queste caratteristiche:

Risoluzione

• Dettaglio anatomico di livello medio (ma varia in relazione alla sequenza)

Contrasto

• Elevato contrasto tissutale
• Problemi in presenza di tessuto adiposo
• Idro-RM

Tempo

• Sequenze standard tempi lunghi
• Sequenze in apnea
• Imaging Vascolare Balanced
• Diffusione
• Perfusione
• Idro-RM in apnea

Le applicazioni cliniche più diffuse sono quindi:

• Studio complementare alla pesatura T1 per tutti i distretti anatomici
• Sequenze di Diffusione
• Sequenze di Perfusione
• Colangio-RM, Mielo-RM, Uro-RM
• Angio addominale (anche venosa) senza mdc
• Studi con mezzi di contrasto superparamagnetici

Figura 3: Ponderazione T1Immagine ponderata T2 acquisita a livello del parenchima cerebrale

4 Regole

Regole fondamentali di base

Prima di andare ad analizzare quelli che sono i differenti aspetti del segnale, è bene ricordare 4 regole fondamentali che bisognerà tenere in considerazione durante l’interpretazione delle immagini:

• Ciascuna famiglia di sequenza fornisce set di segnali differenti: quindi una ponderazione T2 in Spin Eco non avrà le stesse caratteristiche di una GRE.
• Non tutte le pesature ottenute, anche nello stesso tipo di sequenza, hanno immagini con segnali costanti: quindi per una Turbo Spin Eco, variando anche di poco i parametri TE e Turbo Factor per esempio, i parametri si otterranno intensità dei vari tessuti anche molto differenti.
• I parametri aggiuntivi (inversione, saturazione o eccitazione selettiva) possono modificare in modo importante l’aspetto di un immagine: per esempio aggiungendo la saturazione del grasso il segnale del grasso viene stravolto.
• La presenza di mezzo di contrasto può variare la percezione relativa dei segnali dei tessuti.

Terminologia e Semeiotica del Segnale

La terminologia classica che viene utilizzata per descrivere il segnale è:

• IPERintenso: bianco, bianco saturo
• Discretamente IPERintenso: grigio molto chiaro
• Lievemente IPERintenso: grigio chiaro
• ISOintenso/Intensità Media: grigio medio
• Lievemente IPOintenso: grigio
• IPOintenso: grigio scuro
• Marcatamente IPOintenso: grigio molto scuro
• Assenza di segnale: nero

Un piccolo accenno va fatto al termine isointenso, che viene utilizzato per descrivere la un tessuto con segnale molto simile ad un altro di riferimento, oppure a volte anche per definire sostanzialmente un intensità media.

La NON risonanza

Tessuti che non restituiscono Segnale RM

Partendo dall’ultimo tipo di dicitura descritta, “Assenza di segnale”, è possibile definire i tessuti che restituiscono sempre e in tutte le sequenze un segnale nero (proprio perchè non è presente alcun tipo di segnale).

I seguenti materiali danno segnale vuoto:

• ARIA
• OSSO CORTICALE
• METALLI
• PLASTICA/CARTA/TESSUTI

Schema Grafico

Lo schema grafico proposto servirà per poter descrivere in seguito, e in tutte le sequenze, il segnale dei vari tessuti normali nelle ponderazioni T1 (rettangolo superiore) nelle T2 (settangolo inferiore), rispetto anche al segnale di eventuali lesioni di tipo edematoso/infiammatorio rappresentate con un cerchio sempre in T1 superioremente e T2 inferiormente. Passando quindi alla schematizzazione dei segnali sulle varie sequenze, ecco l’assenza di segnale appena descritta per tutte le sequenze.

SPIN ECO e TURBO/FAST SPIN ECO

Le sequenze SE e TSE sono tra le sequenze più utilizzate in risonanza magnetica, per la maggiorparte dei distretti anatomici, ad esclusione di quelli che richiedono brevi apnee o acquisizioni dinamiche o ancora sincronizzazioni con organi in movimento.

Le SE hanno una sequenza di impulsi caratteristica, con un impulso a 90°, seguito da iun mpulso di rifocalizzazione a 180°: dal primo impulso, dopo un determinato TE viene rilevato il segnale di ritorno e dopo un TR viene ripetuta la stessa sequenza.

Le differenti tempistiche che possono essere scelte andranno a determinare un maggior peso degli effetti del recupero T1 oppure dagli effetti del rilassamento T2.

Nella tecnica TSE la sequenza di impulsi rimane invariata ma dopo il primo impulso a 180° ne seguono altri due o più che vanno a rifocalizzare ripetutamente la magnetizzazione trasfersale, generando quindi echi multipli che verranno ovviamente utilizzati per riempire il k-spazio, accelerando il tempo totale.

Semeiotica specifica del segnale delle sequenze SPIN ECO E TURBO SPIN ECO

La semeiotica di base T1 delle sequenze Spin eco e Turbo Spin Eco è la seguente:

• Liquidi: ipointensi
• Grasso: iperintenso
• Osso spongioso adulto: discretamente iperintenso
• Osso corticale: segnale vuoto
• Muscoli: intensità media
• Parenchimi addominali e cerebrale: intensità media
• Sostanza Bianca > Sostanza Grigia
• Tendini Legamenti Menischi: marcatamente ipointensi
• Cartilagini: intensità media
• Aria: segnale vuoto

Le due tecniche principali, Spin Eco e Turbo Spin Eco forniscono dei segnali dei vari tessuti sostanzialmente sovrapponibili, anche se è necessario considerare che più aumenta il fattore Turbo (per le TSE) e più si potrà riscontrare un allungamento del TE minimo e quindi con un possibile moggior influsso della componente T2.

In TSE T1 le lesioni di tipo edematoso hanno segnale ISO/IPOintenso

Le lesioni di tipo ipercellulare/carnoso hanno segnale ISOintenso

Caratteristiche qualitative della ponderazione T1 in Spin eco e TSE:

Vantaggi:

• Risoluzione elevata
• Alta sensibilità alle lesioni ossee e a quelle nel tessuto adiposo
• Adatte a rilevare depositi di emosiderina (sanguinamenti)

Svantaggi:

• Poco sensibile alle lesioni parenchimali

La semeiotica di base T2 delle sequenze Spin eco e Turbo Spin Eco è la seguente:

• Liquidi: iperintensi
• Grasso: mediamente iperintenso
• Osso spongioso adulto: mediamente iperintenso
• Osso corticale: segnale vuoto
• Muscoli: lieve ipointensità
• Parenchimi addominali e cerebrale: intensità media
• Sostanza Bianca < Sostanza Grigia
• Tendini Legamenti Menischi: marcatamente ipointensi
• Cartilagini: ipointense
• Aria: segnale vuoto

In TSE T2 le lesioni di tipo edematoso hanno segnale IPERintenso Le lesioni di tipo ipercellulare/carnoso hanno segnale ISO/IPOintenso

Vantaggi delle TSE T2

• Immagini ponderate in T2 con buona risoluzione e tempi accettabili
• Ottima anatomia zonale in organi specifici (utero, prostata, parenchima cerebrale)
• Pochi artefatti da pulsazione vascolare

Svantaggi

• Difficili da valutare le lesioni periventricolari o corticali a livello cerebrale
• Grasso iperintenso, molto/troppo simile ai liquidi

Dallo schema completato con le relative intensità dei tessuti nelle SE e TSE si possono notare 4 principali problematiche.

• Le lesioni edematose, in T1, hanno poco contrasto con i parenchimi: una soluzione efficace è quella di somministrare il mdc
• L’intensità dell’acqua e dei liquidi in TSE T2 potrebbero essere molto simili: una soluzione efficace è quella di utilizzare parametri ottimizzati (TR lungo, TE corretto, FA non troppo elevato) per fare in modo che l’acqua abbia maggior intensità del grasso
• In T2, sempre per lo stesso motivo citato nel punto precedente, le lesioni edematose limitrofe a zone contenenti liquidi puri potrebbero non essere chiaramente visibili
• Sempre in T2, il segnale del grasso e delle lesioni edematose potrebbe creare difficoltà di visualizzazione di due componenti limitrofe di questo tipo

Nelle pagine successive si prenderà in analisi le soluzioni più utilizzate per il terzo e il quarto problema qui sopra elencati.

INVERSION RECOVERY e TURBO/FAST INVERSION RECOVERY

La struttura delle sequenze Inversion recovery è composta da quello già esposto per la Spin Eco (quindi 90°+180° ed eventuali 180° multipli nelle Turbo), ma con un impulso di 180° iniziale che è il fulcro del funzionamento di queste sequenze.

L’impulso iniziale di 180° va a creare un inversione della magnetizzazione longitudinale, che andrà poi incontro ad un progressivo recupero dai valori negativi a quelli positivi, per poi essere sottoposto agli effetti degli impulsi successivi.

Se un tessuto, dopo il primo impulso a 180° e mentre è in recupero, assume un valore uguale a zero, dopo l’eccitazione di 90° che dovrebbe andare a creare la magnetizzazione trasversale, avrà un segnale sempre uguale a zero.

Il recupero dopo l’inversione è dipendente dal T1, ciò significa che il segnale dell’immagine è dipendente dal T1, ma l’effetto finale è un effetto T2 quindi con lesioni edematose iperintense come vedremo in seguito.

L’inversione applicata viene utilizzata prevalentemente per 2 scopi principali:

• sopprimere il segnale del grasso (STIR)
• sopprimere il segnale dell’acqua (FLAIR)

La sequenza STIR utilizza un impulso di inversione che precede il primo impulso a 90° di un tempo TI breve, dipendente dall’intensità del magnete: 150ms a 1,5T, 135ms a 1T ecc…

Il tempo di inversione corto è tale da annullare il segnale del grasso.

La semeiotica di base delle sequenze STIR è la seguente:

• Liquidi: iperintensi
• Grasso: nettamente ipointenso
• Osso spongioso adulto: nettamente ipointenso
• Osso corticale: segnale vuoto
• Muscoli: intensità media
• Parenchimi addominali e cerebrale: intensità media
• Sostanza Bianca < Sostanza Grigia
• Tendini Legamenti Menischi: marcatamente ipointensi
• Cartilagini: isointense
• Aria: segnale vuoto

Da notare che la ponderazione ha caratteristiche sostanzialmente T2, ad eccezione del fatto che il grasso ha segnale molto basso. Per le sue caratteristiche è usa sequenza utilizzata con frequenza elevata negli studi articolari, del rachide e del cranio/encefalo.

Vantaggi delle STIR:

• Soppressione del grasso omogenea indipendentemente dalle disomogeneità locali e di campo
• Alta sensibilità alle lesioni muscolari, ossee, parenchimali, midollari

Svantaggi:

• Tempi di acquisizione relativamente lunghi
• Risoluzione spaziale limitata
• Non eseguibili in modo classico dopo mdc*

La sequenza FLAIR utilizza un impulso di inversione che precede il primo impulso a 90° di un tempo TI lungo (2000-2500 ms) che va a creare un annullamente del segnale dei liquidi puri. La FLAIR è utilizzata prevalentemente negli studi dell’encefalo e del midollo, perchè permette di avere un elevato contrasto tra i liquidi (nettamente ipointensi) e le lesioni edematose (iperintense).

La semeiotica di base T2 delle sequenze FLAIR è la seguente:

• Liquidi: nettamente ipointensi
• Grasso: iperintenso
• Osso spongioso adulto: iperintenso
• Osso corticale: segnale vuoto
• Muscoli: intensità media
• Parenchima midollare e cerebrale: intensità media
• Sostanza Bianca < Sostanza Grigia
• Tendini Legamenti Menischi: marcatamente ipointensi
• Cartilagini: ipointense
• Aria: segnale vuoto

Vantaggi della FLAIR:

• Annulla il segnale dei liquidi ma non delle lesioni edematose
• Molto sensibile alle lesioni edematose o emorragiche del parenchima

Svantaggi:

• Praticamente nessuno
• Qualche artefatto da pulsazione del liquor nelle cisterne sottotentoriali

GRADIENT ECO

Le Gradient eco sono una famiglia di sequenze molto ampia, con molteplici varianti e estensioni della funzionalità degli impulsi utilizzati. Lo schema di base è estremamente semplice, perchè consiste in un unico impulso ad angolo variabile (detto alpha).

Purtroppo, a causa dell’estrema variabilità di questo tipo di sequenze non è possibile definire una semeiotica di segnale universale, l’argomento verrà quindi trattato in un capitolo specifico.

CONCLUSIONI

La comprensione della semeiologia del segnale di base e dei tessuti normali è il tassello principale di tutta la fase di interpretazione delle immagini di risonanza magnetica, ma è anche una componente importante in tutti i ragionamenti sui quali si basa la programmazione delle sequenze di un qualsiasi studio RM. Le intensità con cui vengono visualizzati i vari tessuti sono frutto del connubio tra le caratteristiche fisico-chimiche degli stessi e la scelta dei parametri di acquisizione. Il Medico Radiologo e il Tecnico di radiologia devono avere estrema famigliarità con questi concetti, per poter affinare la sensibilità al riconoscimento delle patologie.

Video presentazione sulla semeiotica del segnale in RM