Scopri Come Funziona la Risonanza Magnetica e le Sue Sorprendenti Applicazioni

La risonanza magnetica (RM) è una tecnica di imaging avanzata utilizzata in medicina e radiologia per fornire immagini dettagliate dell'anatomia e dei processi fisiologici del corpo. Questo strumento non invasivo ha rivoluzionato il modo in cui i medici diagnosticano e monitorano numerose condizioni, offrendo una visione precisa e dettagliata che aiuta a individuare anomalie che potrebbero non essere visibili con altre tecniche di imaging. La RM è utilizzata per una vasta gamma di scopi diagnostici, grazie alla sua capacità di fornire immagini ad alta risoluzione dei tessuti molli, degli organi e delle strutture interne del corpo.

Cos'è la Risonanza Magnetica?

La risonanza magnetica (RM), o più correttamente risonanza magnetica nucleare (RMN), è una tecnica di imaging basata sull’utilizzo di un campo magnetico e di onde radio generate al computer, con l’obiettivo di acquisire immagini dettagliate e mostrare organi, ossa, muscoli e vasi sanguigni.

Come accennato, la RM non utilizza radiazioni ma campi di induzione magnetica e onde a radiofrequenza, rendendo l’esame sicuro e non invasivo.

Breve Storia della Risonanza Magnetica

1950: Erwin Hahn e Herman Carr riportano un'immagine di risonanza unidimensionale nelle tesi di dottorato.
1960: Vladislav Ivanov deposita un documento per la creazione di un dispositivo a risonanza magnetica.
1971: Raymond Damadian inventa la prima risonanza magnetica e deposita il primo brevetto.

Principi di Funzionamento

Gli scanner di risonanza magnetica funzionano grazie alla presenza di campi magnetici che permettono di generare immagini degli organi del corpo. Il segnale della risonanza magnetica dipende dai protoni dell’acqua contenuti nei tessuti, mentre l’intensità dell’immagine deriva dalla densità dei protoni ed è influenzata dall’ambiente locale delle molecole d’acqua. Ciascun protone possiede una carica e ruota attorno al proprio asse, ovvero ha uno spin. Quando il tessuto è disposto in un campo magnetico statico, i protoni in pochi secondi si ordineranno assumendo un verso parallelo (up) o antiparallelo (down).

I due orientamenti rappresentano situazioni di livello energetico diverse. Per far verificare il fenomeno della risonanza magnetica è necessario si invii un’onda a radiofrequenza specifica, cioè a frequenza uguale a quella di precessione dei protoni di Idrogeno. In questo modo si produce un’eccitazione sul sistema protonico: l’energia fornita al tessuto dall’impulso di eccitazione a radiofrequenza sarà tanto maggiore quanto più lunga sarà la durata dell’impulso stesso.

I nuclei risentono della transizione energetica, e quindi perdono la loro situazione di equilibrio. Alla fine dell’impulso di radiofrequenza, il sistema protonico si trova in una situazione di non equilibrio, dovuta alla quantità di energia assorbita e ad un conseguente aumento dell’energia potenziale che genera instabilità e tendenza al ripristino delle condizioni iniziali. All’eccitazione protonica segue quindi una fase durante la quale gli spin tenderanno a liberarsi dell’energia in sovrappiù fino a tornare nella condizione iniziale che è assai più stabile e più probabile.

In particolare, nella RM il sistema che eroga energia è rappresentato dalle onde elettromagnetiche a RF, che disturbano l’equilibrio dei nuclei di idrogeno (H), presenti in abbondanza nei tessuti del corpo umano e che sono ordinati lungo una stessa direzione per effetto del campo magnetico esterno. Gli atomi di H rappresentano quindi il sistema accettore: lo scambio di energia avviene però solo se la frequenza delle onde RF è uguale alla frequenza caratteristica dei nuclei di H.

I nuclei di idrogeno hanno numero quantico di spin diverso da 0 e quindi possiedono un momento angolare, cioè un movimento di rotazione: all’interno dei tessuti biologici essi sono orientati casualmente ma se vengono immersi in un campo magnetico essi si orientano lungo la sua direzione (in verso concorde o discorde); inoltre acquistano una ulteriore rotazione.

Il movimento che ne risulta è detto di “precessione” e può essere paragonato a quello di una trottola che venga toccata mentre ruota attorno al proprio asse. L’insieme dei nuclei allineati lungo la direzione del campo magnetico statico può essere considerato come un unico vettore avente direzione e verso pari a quelli di B0, detto “magnetizzazione macroscopica” M.

Quando i nuclei acquistano energia da un’onda di eccitazione RF perdono la loro condizione di equilibrio: a seconda della durata dell’impulso, un certo numero di protoni allineati al campo con verso concorde (livello energetico più basso) si porteranno ad un livello energetico più alto, quindi a disporsi in verso discorde a B0 fino al bilanciamento numerico delle due popolazioni e al raggiungimento di una sincronizzazione di fase.

L’impulso RF responsabile di questo fenomeno è detto “impulso RF a 90°” e fa si che la magnetizzazione M compia un moto a spirale fino a porsi sul piano trasversale alla direzione di B0 (se la direzione di B0 è Z, il piano trasversale è ovviamente il piano XY). Un impulso RF a 180° causa invece l’inversione del vettore ML che continua il suo movimento a spirale fino a disporsi nuovamente sull’asse Z ma con verso contrario a quello iniziale.

Un altro parametro importante è il tempo di rilassamento T2* (T2 star): esso è legato alla perdita di coerenza di fase della MT determinata sia da scambi energetici tra spin e spin che dalle disomogeneità del campo magnetico incontrate dalla MT durante il moto sul piano trasversale XY.

Al fine di ottenere il risultato finale occorre un ulteriore passo e cioè quello della localizzazione: per ottenere un’immagine dell’organo sotto indagine è infatti indispensabile localizzarlo spazialmente. A questo scopo i gradienti di campo, ovvero dei campi magnetici variabili nello spazio e nel tempo, vengono sovrapposti al campo magnetico statico; essi hanno proprio la funzione di dare una collocazione spaziale alle sorgenti dei vari segnali ricevuti dal sistema.

Dall’equazione di Larmor sappiamo che ad ogni intensità di campo magnetico corrisponde una frequenza di precessione protonica quindi, variando di quantità note il campo magnetico su volumi specifici, è possibile selezionare le regioni dalle quali proviene il segnale basandosi sulla frequenza di quest’ultimo.

I gradienti di campo vengono applicati durante il periodo in cui viene inviato l’impulso di RF e permettono di selezionare una particolare fetta (slice) nel volume sotto indagine.

Risonanza Magnetica Funzionale (fMRI)

La risonanza magnetica funzionale (fMRI) è una tecnica intordotta di recente per studiare nel dettaglio l’attività cerebrale. Essa nasce negli anni novanta ad opera di Thulborn e Ogawa, che intuirono l’importanza dell’ossigenazione sanguigna nel tempo (segnale BOLD, Blood Oxygenation Level Dependent), per acquisire immagini relative a una determinata area cerebrale. L’effetto BOLD era stato studiato da L.Pauling, che l’aveva legato a delle immagini strutturali cerebrali per renderle più informative da un punto di vista funzionale.

Questo metodo di indagine si basa sul cambiamento del segnale MRI, al quale si associa la risposta emodinamica e metabolica in una regione in cui si ha un’attivazione neuronale indotta da stimoli interni o esterni. L’fMRI, è legata strettamente a contesti sperimentali e di ricerca per individuare, sia in soggetti normali che in soggetti patologici, le aree del cervello attivate durante compiti di stimolazione.

In questo modo si ottengono mappe di attivazione (funzionali) che consentono di illustrare quali aree cerebrali sottendono funzioni cognitive specifiche. Chiaramente i compiti fatti svolgere da un soggetto in fMRI sono specifici rispetto a una funzione svolta da una determinata area. Quando si genera un incremento di attività cerebrale in un’area si determina un maggiore afflusso sanguigno in quell’area con conseguente aumento locale della quantità di ossigeno.

Di conseguenza anche il flusso sanguigno aumenterà perché è necessaria una quantità maggiore di emoglobina ossigenata. La fMRI non produce immagini dirette di quello che avviene nel cervello, poiché queste immagini sono un effetto indiretto, derivante dalla risposta emodinamica, dell’attività neuronale.

Durante una sessione di un esperimento in fMRI, quindi, sono acquisite immagini funzionali quando il cervello è in una condizione di riposo (assenza di stimoli) e durante l’esecuzione di un task sensoriale, motorio o task cognitivo. Lo stesso task è ripetuto periodicamente in modo da fare una media statistica di tutti i valori delle immagini relativi all’attivazione.

L’immagine finale si ottiene facendo una sottrazione mediata tra l’immagine acquisita durante l’assenza di stimoli e l’immagine acquisita durante la presentazione dello stimolo.

Tipi di Risonanza Magnetica

La risonanza magnetica (RM) può essere eseguita utilizzando due tipi principali di apparecchiature: la risonanza magnetica chiusa e la risonanza magnetica aperta. Entrambe hanno lo stesso principio di funzionamento, ma differiscono in alcune caratteristiche strutturali e funzionali.

Risonanza Magnetica Chiusa

Struttura: La RM chiusa è caratterizzata da un tunnel cilindrico stretto e lungo in cui il paziente viene inserito.
Qualità delle immagini: Generalmente, le macchine di RM chiusa producono immagini di qualità superiore e con una risoluzione più alta rispetto alle macchine aperte.
Disagio per i pazienti: Alcuni pazienti possono sentirsi a disagio o soffrire di claustrofobia all'interno del tunnel stretto della RM chiusa.

Risonanza Magnetica Aperta

Struttura: La RM aperta ha un design più spazioso, con un magnete che non avvolge completamente il corpo del paziente.
Accessibilità: La RM aperta è più adatta per pazienti che soffrono di claustrofobia, pazienti pediatrici o persone con obesità.
Qualità delle immagini: Le immagini ottenute con una RM aperta possono avere una risoluzione leggermente inferiore rispetto a quelle della RM chiusa, poiché il campo magnetico è spesso meno potente.

La scelta tra RM chiusa e aperta dipende dalle esigenze specifiche del paziente e dal tipo di esame richiesto. La RM chiusa offre immagini di qualità superiore ed è più rapida, ma può essere scomoda per chi soffre di claustrofobia. La RM aperta, pur offrendo un ambiente più confortevole, potrebbe non sempre fornire immagini di pari qualità.

A Cosa Serve Fare una Risonanza Magnetica?

Come spiegato, la risonanza magnetica è un esame di imaging molto versatile, con applicazioni pratiche in svariati campi della medicina, che il medico potrebbe prescrivere al paziente per numerosi scopi. In genere, viene utilizzata per diagnosticare o valutare le seguenti condizioni patologiche, danni subiti dal paziente, tumori e problemi ossei, tra cui i seguenti:

aneurismi dei vasi cerebrali
disturbi dell’occhio e dell’orecchio interno
sclerosi multipla
disturbi del midollo spinale
ictus
tumori
lesione cerebrale da trauma
dimensione e funzione delle camere cardiache
spessore e movimento delle pareti del cuore
entità del danno causato da attacchi di cuore o malattie cardiache
problemi strutturali nell’aorta, come aneurismi o dissezioni
infiammazione o blocchi nei vasi sanguigni
tumore a: fegato e vie biliari, reni, milza, pancreas, utero, ovaie, prostata, ossa e tessuti molli, seno (insieme a una mammografia)
anomalie articolari causate da lesioni traumatiche o ripetitive, come lacerazione della cartilagine o dei legamenti
anomalie del disco nella colonna vertebrale
infezioni ossee

Insomma, le applicazioni diagnostiche della RM sono davvero numerose, il che rende questo esame davvero prezioso nell’ambito della medicina nucleare.

Preparazione del Paziente

Prima dell’esame, il paziente riceverà istruzioni specifiche dal personale medico o tecnico sulla preparazione necessaria. Queste istruzioni possono includere il digiuno per alcune ore, la rimozione di oggetti metallici (come gioielli e apparecchi acustici) e la vestizione con indumenti ospedalieri. Il paziente viene quindi posizionato sulla lettiga della RM. La lettiga del paziente viene quindi spinta all’interno del tunnel o dell’anello della macchina, dove avverrà l’acquisizione delle immagini.

Durante l’esame, il paziente rimarrà in comunicazione costante con il personale medico o tecnico attraverso un microfono o un sistema di interfono. Durante l’esame, vengono inviati impulsi radio e campi magnetici per creare i segnali utilizzati per generare le immagini. Il paziente deve rimanere il più immobile possibile durante questo processo per evitare artefatti nelle immagini.

Una volta completata l’acquisizione delle immagini, la lettiga del paziente viene gradualmente estratta dalla macchina RM. Solitamente, un medico valuterà la necessità dell’esame RM con contrasto e discuterà la procedura con il paziente. In alcuni casi, potrebbe essere richiesto un esame del sangue per verificare la funzionalità renale e l’ematocrito (il rapporto tra cellule del sangue e plasma).

Passaggi della Preparazione

Preparazione: Il paziente viene istruito a rimuovere tutti gli oggetti metallici, come gioielli, orologi, occhiali, e indumenti con cerniere o bottoni metallici, poiché il campo magnetico può interferire con questi materiali.
Questionario e consenso informato: Prima dell'esame, il paziente compila un questionario per identificare eventuali controindicazioni, come la presenza di pacemaker, impianti metallici o altre condizioni che potrebbero interferire con la RM.
Posizionamento: Il paziente viene fatto sdraiare su un lettino mobile che scorre all'interno del magnete della macchina RM. La posizione dipende dall'area del corpo da esaminare.
Contrasto: In alcuni esami, può essere iniettato un mezzo di contrasto a base di gadolinio per migliorare la visibilità di determinate strutture o anomalie.
Scansione: Una volta posizionato correttamente, il lettino scorre all'interno del magnete. Durante la scansione, il paziente deve rimanere il più immobile possibile per evitare immagini sfocate.
Rumore: Durante la scansione, la macchina produce rumori forti e ritmici. Al paziente vengono forniti tappi per le orecchie o cuffie per ridurre il disagio acustico.
Fine dell'esame: Al termine della scansione, il lettino esce dal magnete e il paziente può alzarsi.
Analisi delle immagini: Le immagini ottenute vengono analizzate da un radiologo, che redige un referto dettagliato per il medico curante.

RM con Mezzo di Contrasto

La risonanza magnetica può essere eseguita con o senza la somministrazione di un mezzo di contrasto per via endovenosa al paziente, con lo scopo di opacizzare i tessuti da visualizzare in modo più dettagliato. Il mezzo di contrasto impiegato in questi casi è chiamato gadolinio, un metallo che funge, appunto, da agente di contrasto all’interno del campo magnetico, consentendo di ottenere immagini molto dettagliate delle eventuali differenze di vascolarizzazione o fra un tessuto e l’altro.

Però, sottoporsi a una RM con mezzo di contrasto prevede una procedura un po’ più complessa anche in termini di preparazione all’esame. Infatti, nei giorni che precedono l’esame è richiesto una analisi della creatininemia, per evitare problemi renali, e un elettrocardiogramma. L’esame dura di più rispetto a quello senza mezzo di contrasto.

Nelle ore successive all’esame si raccomanda l’assunzione di molti liquidi per favorire l’espulsione del liquido di contrasto tramite le urine.

Controindicazioni

Non tutti i soggetti possono sottoporsi a una risonanza magnetica, proprio a causa dell’utilizzo del campo magnetico alla base del suo funzionamento. In genere la presenza di metallo nel corpo può rappresentare un pericolo per la sicurezza se attratto dal magnete, ma anche se non viene attratto può comunque influenzare la qualità delle immagini acquisite.

A meno che il dispositivo in possesso del paziente non sia certificato come sicuro per la risonanza magnetica, non possono sottoporsi a una risonanza magnetica i soggetti con:

protesi articolari metalliche
valvole cardiache artificiali
defibrillatore cardiaco impiantabile
pompe impiantate per l’infusione di farmaci
stimolatori nervosi impiantati
pacemaker
clip in metallo, perni metallici, viti, placche, stent o graffette chirurgiche
impianti cocleari
un proiettile, una scheggia o qualsiasi altro tipo di frammento metallico
dispositivo intrauterino

Anche i tatuaggi potrebbero creare problemi, a causa dell’impiego di alcuni inchiostri contenenti metalli. Inoltre, le persone con claustrofobia anche lieve possono avere difficoltà a tollerare lunghi tempi di scansione all’interno della macchina. In seguito a incidenti gravi, capita di dover inserire delle protesi metalliche (viti, placche, ecc…), che rendono impossibile eseguire l’esame.

Sicurezza e Rischi

La Risonanza Magnetica (RM) per immagini è una tecnica diagnostica largamente utilizzata in diversi campi della medicina (neurologico, cardiovascolare, ortopedico,…). Non utilizzando radiazioni ionizzanti, la RM è ritenuta intrinsecamente più sicura rispetto alle tecniche di radio-diagnostica (es. tomografia a raggi X) o di medicina nucleare (es.

D’altra parte, il personale sanitario che lavora in ambienti di RM è esposto, durante il tempo di permanenza nella sala magnete, al campo magnetico statico che è costantemente presente. L’esposizione ai campi di gradiente ed alla RF, che sono presenti solo durante l’esecuzione dell’esame diagnostico, avviene solo in particolari situazioni che richiedono la presenza dell’operatore in sala durante l’esame (es. procedure interventistiche, pazienti che richiedono particolare assistenza…).

Inoltre, il campo magnetico statico è caratterizzato da un forte gradiente spaziale, con valori che decrescono proporzionalmente con la distanza dal magnete.