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Tecniche di saturazione selettina con Inversion Recovery. SPIR Vs SPAIR

Luca Bartalini

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UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI FIRENZE

Anno Accademico 2012 -2013

SCUOLA DI SCIENZE DELLA SALUTE UMANA

DIPARTIMENTO DI SCIENZE BIOMEDICHE SPERIMENTALI E CLINICHE

MASTER di PRIMO LIVELLO in

“SPECIALISTA NELL’OTTIMIZZAZIONE E NELLO

SVILUPPO DI APPARECCHIATURE DI RISONANZA MAGNETICA

ED ELABORAZIONE DI IMMAGINI IN AMBITO CLINICO E DI RICERCA”

Tecniche di saturazione selettina con Inversion Recovery

SPIR Vs SPAIR

Alessandro Tagliavini

Riassunto

Le tecniche di soppressione del grasso con pre impulso d’ inversione selettivo in frequenza, chiamate genericamente CHESS-IR (CHEmical Shift Saturation Inversion Recovery), si basano sulle differenze delle frequenze di precessione dei protoni dell’ acqua e del grasso.

Due esempi di sequenze CHESS-IR sono la SPIR (Spectral Presaturation Inversion Recovery) e la SPAIR (SPectral Adiabatic Inversion Recovery), maggiormente indicata per lo studio di regioni anatomiche che determinano la disomogeneità di B1.

Nelle sequenze CHESS-IR quando il segnale del grasso attraversa lo zero, la slice viene eccitata e misurata, cosi che il grasso apparirà nero, in quanto non darà contributo all’ immagine.

Se B1 non è uniforme, l’ angolo di abbattimento (flip angle) varierà sulla slice eccitata e in alcuni punti la curva di rilassamento non attraverserà lo zero al momento dell’ eccitazione, cosi che il segnale del grasso non sarà nullo e localmente visibile nell’ immagine. Questo fenomeno risulta particolarmente evidente nella pelvi, nel ginocchio e nel seno.

La tecnica SPAIR riesce a ridurre questo problema grazie all’ utilizzo di un vero impulso d’ inversione a 180°, selettivo in frequenza e adiabatico, cioè insensibile alle disomogeneità del campo magnetico B1.

La caratteristica che rende l’ impulso adiabatico migliore di un normale impulso di radiofrequenza è la doppia modulazione di ampiezza e di frequenza (solitamente sono modulati solo in ampiezza).

Parole chiave

Saturazione selettiva, SPIR, SPAIR

1. Introduzione

Durante l’ esecuzione di un esame di risonanza magnetica è all’ ordine del giorno il fatto di dover studiare regioni anatomiche che contengono grasso, sia esso posto in superficie e quindi in prossimità della bobina di ricezione (come nel caso del seno o del ginocchio), oppure localizzato più in profondità come nel caso dell’ addome.

Nella maggior parte delle immagini di risonanza magnetica il segnale derivante dal tessuto adiposo appare iperintenso rispetto alle altre strutture e risulta quindi di fondamentale importanza riuscire ad eliminare, o quanto meno diminuire, il segnale prodotto da quel tipo di tessuto, perché la capacità di discriminare e sopprimere selettivamente il segnale del grasso può aiutare a distinguere una lesione o altri tessuti da strutture contenenti tessuto adiposo.

Le tecniche di saturazione del grasso si dividono in due grandi categorie, a seconda che esse siano basate sull’ utilizzo del fenomeno del Chemical Shift.

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Tabella 1: tecniche di saturazione del grasso

Lo scopo di questa tesi è quello di analizzare le tecniche di soppressione basate sul Chemical Shift, e più precisamente quelle che utilizzano un pre impulso d’ inversione selettivo in frequenza, chiamate genericamente CHESS – IR (CHEmical Shift Inversion Recovery).

2. Tecnica e Metodologia

L’ uniformità del campo magnetico statico è uno dei requisiti imprescindibili in un’ apparecchiatura di risonanza magnetica e pur partendo da questo presupposto localmente si avranno delle variazioni del campo a livello molecolare.

I protoni delle molecole d’ acqua (contenenti H2O) vedranno un campo effettivo differente da quello presente nei tessuti adiposi (contenenti legami chimici CH2 e CH3) e per questo motivo il segnale dell’ acqua avrà caratteristiche diverse dal segnale del grasso.

Rispetto all’ acqua il segnale del tessuto adiposo è spostato a una più bassa frequenza di precessione esprimibile secondo la formula:

Δƒ = ƒf - ƒw = σ f,w * γ * B0

Tale spostamento nelle frequenze di risonanza prende il nome di “Chemical Shift” e la costante σ esprime tale spostamento in termini di variazione relativa di frequenza; il Chemical Shift tra acqua e grasso è equivalente a 3,5 ppm (σ f,w = 3,5/106) che, considerando un campo magnetico da 1,5 T, corrisponde a uno shift in frequenza di circa 220 – 225 Hz.

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Figura 1: Chemical Shift acqua – grasso

Le tecniche di soppressione del grasso con pre impulso d’ inversione selettivo in frequenza (CHESS – IR) si basano sulle differenze delle frequenze di precessione dei protoni dell’ acqua e del grasso.

La tecnica SPIR (Spectral Presaturation Inversion Recovery) utilizza un impulso d’ inversione spettralmente selettivo per eccitare solo gli spin del grasso.

Considerando che la frequenza di Larmor è proporzionale a B0 0 = γ * B0), le sequenze CHESS – IR richiedono un campo magnetico B0 il più omogeneo possibile, in modo che le frequenze di acqua e grasso siano costanti su tutta la superficie del campo di vista.

Una disomogeneità del campo magnetico B0 porterà ad una disomogenea soppressione del grasso sull’ immagine acquisita. L’ omogeneità del campo magnetico B0 viene raggiunta grazie ad un buon magnete e ad un’ adatta procedura di shimming.

Tuttavia, anche in un campo magnetico idealmente perfettamente omogeneo, introducendo il paziente si generano delle disomogeneità che potrebbero indurre delle imperfezioni nella soppressione del tessuto adiposo.

Tali disomogeneità possono ad esempio provocare uno slittamento dello spettro del segnale, di modo che l’ impulso SPIR non riesca a saturare il grasso (vedi colonna di sinistra in Fig.2) oppure causi una soppressione dell’ acqua anziché del grasso (vedi colonna di destra in Fig.2).

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Figura 2: immagine con B0 non omogeneo – Philips Field Strenght, Issue 24 – 2004

Per cercare di contrastare questo fenomeno è necessario utilizzare una procedura di shimming che avrà il compito di ricreare il più possibile l’ omogeneità del campo magnetico B0, riducendo cosi al minimo gli slittamenti locali delle frequenze spettrali di acqua e grasso.

Con l’ abbassamento della frequenza offset l’ impulso SPIR è più distanziato dal picco dell’ acqua; in questo modo la soppressione dell’ acqua stessa è evitata, ma potrebbe presentarsi un’ ampia area con un’ incompleta soppressione del grasso (vedi situazione di sinistra in Fig.3).

Utilizzando invece frequenze offset innalzate la soppressione del tessuto adiposo è ottenuta in ogni punto, ma cosi facendo l’ impulso SPIR risulta essere molto vicino al picco dell’ acqua, provocando una riduzione del segnale in una vasta area (vedi situazione di destra in Fig.3).

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Figura 3: utilizzo delle frequenze offset in SPIR - Philips Field Strenght, Issue 24 – 2004

3. Discussione

Come è già stato detto in precedenza, la tecnica SPIR utilizza un impulso d’ inversione spettralmente selettivo per eccitare solo gli spin del grasso. È fondamentale che il tempo d’ inversione Tnull sia tale che a questo tempo la magnetizzazione longitudinale (MML) del grasso sia zero, cosi che gli spin del tessuto adiposo non contribuiscano alla formazione dell’ immagine.

L’ angolo d’ inversione della SPIR è molto minore di 180°, solitamente 100 – 110°, e per questo motivo il “null time” del grasso viene raggiunto poco dopo l’ invio dell’ impulso selettivo, riducendo cosi i tempi d’ acquisizione.

Nelle sequenze CHESS – IR, come la SPIR, quando il segnale del grasso attraversa lo zero, la slice viene eccitata e misurata in modo che il tessuto adiposo apparirà nero nell’ immagine in quanto non darà contributo al segnale.

Se B1 non è uniforme, l’ angolo di abbattimento (flip angle) varierà sulla slice eccitata e in alcuni punti la curva di rilassamento non attraverserà lo zero al momento dell’ eccitazione, in modo che il segnale del grasso non sarà nullo e localmente sarà ancora visibile nell’ immagine. Questo fenomeno risulta particolarmente evidente, ad esempio, nel seno, nel ginocchio, nell’ addome e nella pelvi.

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Figura 4: variazione del flip angle con B1 non uniforme - Philips Field Strenght, Issue 24 – 2004

Come abbiamo già più volte ripetuto l’ omogeneità della soppressione del grasso è intrinsecamente connessa all’ uniformità del campo magnetico B1 e, anche se a livello del sistema possiamo agire sulla bobina regolandola in modo da ottimizzare il più possibile l’ uniformità di B1, anche solo il corpo stesso del paziente influirà negativamente sull’ uniformità dell’ intensità dell’ impulso di radiofrequenza per l’ abbattimento del segnale, provocando una variazione del flip angle all’ interno della superficie della fetta in esame.

Con l’ utilizzo della tecnica SPAIR (SPectral Adiabatic Inversion Recovery), invece, questo problema viene drasticamente ridotto grazie all’ utilizzo di un vero e proprio impulso d’ inversione a 180° selettivo in frequenza e adiabatico, quindi insensibile alle possibili disomogeneità del campo magnetico B1.

Solitamente gli impulsi vengono modulati solo in ampiezza e la caratteristica che rende l’ impulso adiabatico migliore di un normale impulso di radiofrequenza è la sua doppia modulazione, in frequenza oltre che in ampiezza.

Inoltre, in aggiunta a questo tipo d’ impulso, vengono utilizzati anche dei gradienti di spoiler che fanno si che ogni residuo di magnetizzazione trasversa venga distrutto.

Oltre all’ impulso a 180° è necessario, come per la tecnica SPIR, che il tempo d’ inversione TInull sia tale che a questo tempo la magnetizzazione longitudinale (MML) del grasso sia zero, in modo che gli spin del tessuto adiposo non contribuiscano alla formazione dell’ immagine.

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Figura 5: SPectrally Adiabatic Inversion Recovery (SPAIR) – Siemens Magnetom Flash – 3/2007

Altri vantaggi di questa tecnica includono la possibilità di poter utilizzare una parziale soppressione del tessuto adiposo, come avviene a volte in alcune applicazioni ortopediche, oppure la possibilità di modificare il delay time, come si può vedere dal grafico sottostante.

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Figura 6: aggiustamento del delay time nella tecnica SPAIR - Philips Field Strenght, Issue 24 – 2004

4. Conclusioni

Dal confronto tra queste due tecniche di soppressione del tessuto adiposo con pre impulso d’ inversione selettivo in frequenza si evince che entrambe dipendono dall’ omogeneità del campo magnetico statico B0, ma che solo una delle due dipende anche dall’ omogeneità del campo magnetico B1.

Oltre al fatto che è possibile una parziale soppressione del grasso, ed essendo insensibile a quest’ ultimo tipo di disomogeneità, la tecnica SPAIR può essere considerata la migliore delle due tecniche di saturazione basate sul Chemical Shift, soprattutto per la caratterizzazione di certi tipi di lesioni.

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Figura 7: immagini T2W TSE con soppressione SPIR (a sinistra) e SPAIR (a destra) - Philips Field Strenght, Issue 24 – 2004

Ovviamente però la tecnica SPAIR avrà anche un rovescio della medaglia, rappresentato dall’ aumento del tempo totale d’ acquisizione e dal maggior deposito di energia (SAR) nei confronti del paziente dovuto all’ impulso d’ inversione a 180°.

5. Bibliografia

[1] W. Horger “Fat suppression in the abdomen”, Siemens – Magnetom Flash, 114 – 119, (3/2007).

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[3] T. C. Launstein “Spectral Adiabatic Inversion Recovery (SPAIR) MR imaging of the abdomen”, Siemens – Magnetom Flash, 16 – 20, (2/2008).

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