Scopri Come Funziona la Risonanza Magnetica e le Sue Sorprendenti Applicazioni

La risonanza magnetica (RM) è una tecnica di screening diagnostico non invasiva che utilizza i campi magnetici e le onde radio per ottenere immagini dettagliate e ad alta definizione degli organi e dei tessuti interni del corpo.

Come Funziona la Risonanza Magnetica

La risonanza magnetica si effettua con l'ausilio di una grossa apparecchiatura a forma di tunnel, che funge da magnete. Durante l'esame, il campo magnetico così generato "riorienta" temporaneamente gli atomi di idrogeno del paziente, mentre le onde radio inducono questi atomi a inviare deboli segnali che vengono utilizzati per creare delle immagini in sezione degli organi o dei tessuti analizzati, proprio come fossero delle "fette".

La Procedura

Al paziente viene fatta indossare una cuffia che attutisce il suono del macchinario in funzione. Una volta sdraiato, il paziente viene introdotto nel “tunnel” ed esposto al campo magnetico mentre le onde radio vengono orientate verso il corpo. Un operatore in una stanza attigua potrà visionare le immagini del cervello e del tronco encefalico mentre vengono trasmesse sul monitor di un pc e interagire con il paziente stesso per tramite di un microfono.

L'esame ha una durata variabile tra i 15 e i 45 minuti, ed è del tutto indolore, perché chi vi si sottopone non percepisce né il campo magnetico, né le onde radio.

RM al Cervello e al Tronco Encefalico

Si tratta di un esame utilissimo per diagnosticare condizioni patologiche come quelle che possono colpire il cervello, il cervelletto e il tronco encefalico/midollo spinale. La RM al cervello e tronco encefalico e la RM funzionale sono esami prescritti per la diagnosi o il monitoraggio di malattie neurodegenerative, tumori e metastasi, lesioni del nervo acustico o ottico, traumi cerebrali e loro conseguenze, demenze e Alzheimer, patologie vascolari, ictus e ischemie.

A sé stante è la tecnica di RM funzionale (FMRI). Si tratta di un esame che serve a monitorare gli scambi metabolici all’interno del cervello e per tale ragione è utile ad isolare le aree cerebrali in cui funzionalità importanti come il linguaggio, o il movimento volontario, vengono gestite, in vista di interventi chirurgici al cervello.

Preparazione all'Esame

Ci si presenta a questo esame digiuni, in caso di uso del mezzo di contrasto almeno da 4 ore, ma non è necessario sospendere l'eventuale assunzione di farmaci.

Controindicazioni

Questo perché i potenti effetti del campo magnetico potrebbero interferire con il funzionamento di questi dispositivi. Attenzione anche in caso di protesi articolari metalliche.

La Fisica Medica: Dalle Scoperte di Röntgen e Curie alla Diagnostica Moderna

La fisica medica applica i concetti e le metodologie della fisica alla medicina. La nascita di questa disciplina risale alla fine dell’Ottocento con due fondamentali scoperte fatte da fisici dell’epoca: i raggi X da parte di Wilhelm Conrad Röntgen e la radioattività per merito di Marie Curie e Pierre Curie. Successivamente, nel 1912 esce il volume “Fisica Medica” di Carlo Paolo Goggia, il primo testo in Italia dedicato alla disciplina. Il fisico medico opera nei settori della prevenzione, della diagnosi e della cura del paziente.

La Scoperta dei Raggi X

Tutto era iniziato la sera dell’8 novembre del 1895, quando Röntgen stava conducendo alcuni esperimenti con i cosiddetti raggi catodici, presso il suo laboratorio di Würzburg. Si trattava di raggi che venivano emessi quando una scarica elettrica attraversava il tubo di Crookes (inventato da William Crookes), un tubo di vetro all’interno del quale veniva fatto il vuoto, con due elettrodi all’estremità a cui vengono applicate correnti ad alta tensione.

“Semplificando, i raggi catodici avevano la caratteristica di viaggiare solo in rettilineo, dal catodo all’anodo” racconta Luca Borghi, Direttore dell’Istituto di Filosofia dell’Agire scientifico e tecnologico (Fast), dell’Università Campus Bio-Medico di Roma. “Röntgen invece, a un certo punto, nel suo laboratorio ormai buio, si accorge che uno schermo a fluorescenza, posizionato nelle vicinanze, si illumina quando le scariche elettriche passano all’interno del tubo, in qualunque posizione lo mettesse rispetto a esso. Si accorge dunque che dal tubo veniva emesso un altro tipo di radiazione, che chiama ‘X’ perché non ne conosceva la natura”.

Da quel momento Röntgen inizia a effettuare una serie di esperimenti su questi raggi ignoti. Usa lastre di diversi materiali e si rende conto che il loro comportamento è diverso a seconda del materiale che interponeva tra il tubo di vetro - che poi diventerà il tubo radiogeno, elemento fondamentale della strumentazione radiologica - e lo schermo a fluorescenza. Per esempio capisce che con il legno i raggi passano senza problemi, mentre altri materiali li assorbono in parte e il piombo li blocca totalmente.

“Il che fu una scoperta importante, perché in seguito, quando si inizia a capire che i raggi X hanno anche effetti collaterali, la radioprotezione si farà proprio piombando ciò che non si voleva che fosse colpito dai raggi” commenta Borghi.

Durante queste prove, lo scienziato per caso si accorge anche che la mano con cui teneva le lastre viene proiettata sullo schermo, con le ossa che in parte schermano i raggi e formano una proiezione sullo schermo. Röntgen era anche un appassionato di fotografia come ricorda Borghi, e proprio grazie a questo hobby, inizia a fare esperimenti con le sue lastre fotografiche. Non solo quindi con le scariche elettriche riesce a ottenere immagini, ma riesce anche a fissarle su questo supporto.

In seguito a questi esperimenti, il fisico, il 28 dicembre 1895, consegna il resoconto della sua scoperta alla Società di fisica medica di Würzburg, con un manoscritto intitolato “Su un nuovo tipo di raggi” (l’originale era in tedesco), chiedendo che venga pubblicato in fretta.

“Lo stesso giorno a Parigi, i fratelli Auguste e Louis Lumière proiettavano il primo spettacolo a pagamento con il cinematografo, presso il Grand Café sul Boulevard des Capucines” sottolinea Borghi.

Diffusione e Prime Applicazioni dei Raggi X

La scoperta dei raggi X fa il giro del mondo in men che non si dica. Röntgen si fa pubblicare gli estratti del suo lavoro e il primo gennaio del 1896 li spedisce a una sessantina di fisici con cui era in contatto in Europa e Nord America. Inoltre la stampa internazionale dà grandissimo risalto alla scoperta, che arriva nelle case dei non addetti ai lavori, tra gli studenti e persino nelle fiere e nei circhi.

“A metà gennaio ne parlano i giornali di mezzo mondo - afferma Borghi - ha una diffusione rapidissima. È una delle scoperte scientifiche della storia così chiara e indubitabile e lo stesso Röntgen lo aveva spiegato in un modo così semplice che in una ventina di giorni stanno usando i raggi X in mezzo mondo”.

“Fotografare l’invisibile” è il titolo che una rivista popolare e divulgativa statunitense usa per raccontare la scoperta, appena quattro mesi dopo. Lo speciale contiene diversi articoli divulgativi e persino la radiografia di un volatile con la zampa spezzata, che era stata fatta dagli studenti di un piccolo liceo di provincia, a testimonianza che persino i ragazzi facevano esperimenti con i raggi X.

Il grande entusiasmo con cui viene accolta la scoperta in realtà non fu particolarmente gradito da Röntgen, sia per l’eccessivo tono sensazionalistico sia per la marcata attenzione posta nei riguardi delle fotografie, piuttosto che sull’utilità dei raggi in sé. In effetti come conferma Borghi, la scoperta nei primi anni diventa quasi un fenomeno da baraccone, con persone che nei circhi, fiere e luna park, si fanno radiografare per far divertire il pubblico. Inoltre, come riporta un articolo del 1996 di Scientific American, vi furono anche ciarlatani che pubblicizzarono la vendita di “biancheria a prova di raggi X” e religiosi che sostenevano di poter “fotografare l’anima”. I raggi X inoltre furono usati per molto tempo anche per scopi non medici.

Utilizzo dei Raggi X in Medicina

Al di là dell’enorme diffusione popolare, la scoperta fu subito riconosciuta anche per il grande valore diagnostico e l’applicabilità in clinica. I primi a utilizzarla furono gli ortopedici per rilevare le fratture e i chirurghi per osservare la presenza di corpi estranei, come i proiettili di metallo, ma anche i dentisti. Inoltre si sviluppano filoni importanti per l’utilizzo dei raggi X in oncologia e dermatologia.

Ben presto infatti, gli scienziati si accorgono che i nuovi raggi hanno anche un effetto biologico sui tessuti viventi e li usano per curare il tumore della pelle, con esperimenti più o meno riusciti di radioterapia.

“Fino alla prima guerra mondiale siamo nella Belle Époque - evidenzia Borghi - c’è grande entusiasmo per la scienza e la tecnica che sembrava potessero risolvere tutti i problemi dell’umanità. Ma c’è anche tanta imprudenza. I raggi X vengono usati per qualsiasi cosa senza razionale, non solo in campo diagnostico, ma anche terapeutico. Li impiegano anche per curare le malattie psichiatriche e infettive. In quegli anni inoltre non esistevano i radiologi, ma medici di diverse discipline attenti alle innovazioni che sperimentano l’uso di queste apparecchiature senza essere specialisti.

I Danni dei Raggi X e la Radioprotezione

Ma il conto non tarda ad arrivare e alla fine degli anni ’20, emergono prove sui danni provocati da dosi elevate dei raggi X, come radiodermatiti e anche tumori. Nel 1914 su “La Radiologia Medica” vengono pubblicati i risultati dell’autopsia effettuata sul radiologo Eugenio Tiraboschi, in base ai quali i clinici del tempo capirono che il suo corpo era stato devastato da questa continua esposizione ai raggi X, da cui non si era mai protetto. In seguito a casi come questo inizia a svilupparsi il concetto della radioprotezione, per tutelare pazienti e professionisti dalla sovraesposizione.

Le macchine iniziano a essere schermate, i radiologi indossano indumenti protettivi e l’esposizione non essenziale ai raggi X, come le macchine per calzare le scarpe, viene eliminata.

Nonostante la portata della scoperta Röntgen non volle mai brevettarla, perché era convinto che le scoperte scientifiche dovessero essere messe subito a disposizione di tutti. Né tantomeno volle che ai raggi fosse dato il suo nome (anche se in Germania vengono chiamati anche raggi Röntgen).

I Raggi X Durante la Prima Guerra Mondiale

Con la prima guerra mondiale si smorzano gli entusiasmi in tutti i campi. I raggi X però in quel periodo sono particolarmente importanti per rilevare fratture e frammenti di proiettile rimasti nel corpo. Vengono anche fatti esperimenti di radiologia tridimensionale, come spiega Borghi, con una serie di strumenti un po’ complicati, perché il problema era capire dove si trovasse, esattamente, il frammento nel corpo. C’è qualche sviluppo di tipo diagnostico dunque, ma più che altro le radiografie vengono usate per salvare milioni di feriti moribondi che ogni giorno arrivano dal campo di battaglia.

“Una cosa curiosa e nota di questo periodo è che Marie Curie, già famosissima per aver vinto due premi Nobel (premio Nobel per la fisica nel 1903 e premio Nobel per la chimica nel 1911 ndr) con la figlia maggiore Irene (allora adolescente e anche lei in seguito Premio Nobel per la chimica nel 1935 ndr) guida le ambulanze radiologiche. Piccoli camioncini prodotti dalla Renault, con sopra tutta l’attrezzatura radiologica per arrivare alle immediate retrovie nei campi di battaglia e poter fare subito la radiografia a chi ne aveva bisogno. Marie Curie fa una sorta di volontariato e insegna a guidare i camion e usare l’attrezzatura anche ad altre donne.

Sviluppi tra le Due Guerre

È solo tra le due guerre che nasce e comincia a consolidarsi una disciplina vera e propria. Le apparecchiature vengono perfezionate per ridurre i tempi di esposizione e vengono apportate migliorie sia dal punto di vista del tubo radiogeno (l’apparecchiatura che emette raggi X), sia delle lastre fotografiche che vengono rese più sensibili. Si passa dalle lastre di vetro alle pellicole, che avevano il vantaggio di registrare il materiale fotosensibile su entrambi i lati.

“Quando vengono introdotte dalla Kodak le pellicole fotografiche, molto più sottili, si riesce a dimezzare i tempi di esposizione” riferisce Borghi. “Le prime pellicole però sono di celluloide, un materiale molto infiammabile, il che porta anche a diversi incendi devastanti negli ospedali, che partono proprio dai depositi delle lastre radiologiche.

Intanto anche in Italia si consolida una disciplina radiologica indipendente. Si lavora anche e soprattutto per ridurre gli effetti collaterali e ridurre i tempi di esposizione che nei primi del ‘900 erano folli: per una radiografia della testa occorrevano anche quaranta minuti. Inoltre si riprende il problema della tridimensionalità. Per un radiologo infatti era complesso interpretare un’immagine tridimensionale in bidimensione. Un primo passo in questo senso viene compiuto dal medico italiano Alessandro Vallebona, che nel 1930 inventa la cosiddetta stratigrafia radiologica, una metodica che riusciva a rappresentare un solo strato del corpo sulla pellicola radiografica, mentre tutti i piani al di sopra ed al di sotto dello strato d’interesse venivano eliminati.

Come la definì lo storico della medicina Giorgio Cosmacini: “Paragonando il nostro corpo ad un libro, la radiografia dà un’immagine completa di esso, unitaria, data dalla sovrapposizione delle parti che invece, la stratigrafia, permette di sfogliare, pagina dopo pagina e leggerne le parti più interessanti”.

La Tomografia Assiale Computerizzata (TAC)

La storia che portò alla nascita della Tomografia assiale computerizzata (Tac) si intreccia con quella del gruppo musicale probabilmente più famoso al mondo, i Beatles, e con un altro premio Nobel, l’ingegnere Godfrey Hounsfield. Con lo scoppio della seconda guerra mondiale Hounsfield è costretto a lasciare il college e si arruola come riservista nella Raf (Royal Air Force) - l’aeronautica inglese che al tempo aveva appena sviluppato il radar - a cui Hounsfield darà un sostanziale contributo con diverse invenzioni. Ma la svolta per Hounsfield arrivò dopo la laurea in ingegneria, quando fu assunto dalla Emi (Electric and Musical Industries), azienda di fama mondiale che si occupava sia di incisione di dischi, sia di ricerca e sviluppo delle strumentazioni elettroniche usate nell’ambito della registrazione.

Nei primi anni il futuro Nobel lavora ai computer e visti gli importanti traguardi ottenuti, la Emi negli anni ’60 gli lascia carta bianca, a patto che le sue ricerche abbiano ricadute anche pratiche. “Inizia a lavorare sull’analisi al computer delle immagini, i progenitori dei nostri scanner - afferma Borghi - e ha l’intuizione di analizzare con il computer le immagini radiografiche degli strati del corpo umano, che già si potevano fare. L’idea era che fosse possibile elaborarle per riprodurre immagini tridimensionali”. Siamo negli anni ’64-65, il progetto di ricerca è lungo, costoso e rischioso, ma la Emi, forte dei grossi incassi ottenuti in quel periodo grazie ai successi dei Beatles decide di finanziare il progetto.

“In più lo stesso Paul McCartney decide di investire parte dei suoi guadagni nella ricerca” conclude Borghi. Così nel 1971 viene effettuata la prima Tac, che diventerà la tecnologia di punta per ottenere immagini radiografiche tridimensionali.

L'Evoluzione della Diagnostica per Immagini

Gli anni ’70 sono un vero e proprio spartiacque per la diagnostica. Se fino a quel momento infatti si era basata principalmente sui raggi X ed era in pratica sinonimo di radiologia, nei decenni a seguire cambia completamente aspetto. Entrano in uso clinico infatti altre tre diverse energie fisiche, tanto che non si parlerà più solo di radiologia in senso stretto, ma di immagini diagnostiche.

“Negli anni ’70 fa il suo ingresso in clinica l’ecografia che sfrutta gli ultrasuoni e cambia la base fisica per costruire un’immagine” spiega Sergio Papa, direttore della Diagnostica per Immagini del Centro diagnostico italiano (Cdi) di Milano. “A seguire, sempre tra gli anni ’70 e i primissimi anni ’80 arriva anche la risonanza magnetica, che a sua volta usa un’altra energia completamente diversa, basata sui campi magnetici. Infine negli anni ‘90 è la volta della medicina nucleare, che sfrutta invece le sostanze radioattive, i radionuclidi, e si divide nei due grossi campi della scintigrafia e della Pet (Tomografia a emissione di positroni). Due principi un po’ diversi, ma che sfruttano entrambi le sostanze radioattive”.

La scintigrafia, infatti, usa isotopi marcati, cioè radioattivi che hanno una particolare tropismo per determinati organi. Una volta iniettati nell’organismo consentono di vedere forma e funzionalità di organi specifici, indicando anche eventuali anomalie di forma e funzionamento.

La Pet invece, sfrutta in prevalenza un’unica sostanza, uno zucchero marcato, il fluorodesossiglucosio ([18F]-Fdg), che si localizza dove c’è un maggiore metabolismo e un consumo di zucchero superiore alla media (come i tumori che crescono a velocità maggiore rispetto al tessuto circostante).

“Oggi la Pet e usata insieme alla Tac (la Tac-Pet) - precisa Papa - proprio per vedere se c’è un tumore e dove è localizzato.

L'Importanza Attuale dei Raggi X

I raggi X ovviamente nel tempo non sono stati abbandonati e tutt’oggi rappresentano la base della diagnostica. Lo dimostra anche la recente pandemia di Covid-19, dove radiografie toraciche e Tac sono state utili sia per la conferma di casi di Covid-19 sia, in alcuni casi, per diagnosi stessa dell’infezione. Dall’inizio della scoperta nel lontano 1895, ai tempi attuali, però, sono state fatte continue migliorie.