Scopri la Risonanza Magnetica Nucleare: Principi Rivoluzionari e Applicazioni Sorprendenti!

La Risonanza Magnetica Nucleare (NMR) è una tecnica spettroscopica diventata ormai fondamentale per un vasto campo di studi che spazia dalla Chimica, alla Biologia Molecolare, alla Medicina col progressivo diffondersi della MRI (Risonanza Magnetica per Immagini). Si basa sull’analisi del comportamento degli spin dei nuclei in presenza di un forte campo magnetico.

Principi di Funzionamento dell'NMR

Nella spettroscopia NMR, in presenza di un campo magnetico esterno stazionario e di un campo magnetico variabile, si determina nel campione un assorbimento di radiofrequenze da parte di alcuni specifici nuclei. Da qui l'esigenza di scrivere un testo che introduca i principi di funzionamento dell'NMR, dando spazio a una descrizione sia qualitativa che quantitativa dei fenomeni alla base di questa spettroscopia, ponendo specialmente l'accento sulla natura fisica e molecolare dei parametri estraibili dall'analisi spettrale.

Applicazioni della Spettroscopia NMR

La spettroscopia NMR è una tecnica non distruttiva e non invasiva usata per determinare strutture e dinamiche molecolari.

In Chimica

In chimica, la tecnica è ampiamente usata in analisi qualitative e quantitative per monitorare reazioni, identificare strutture molecolari e valutare la purezza di un campione.

In Biologia

In biologia, la spettroscopia NMR viene utilizzata nello studio di macromolecole come proteine, lipidi e acidi nucleici.

Nei Polimeri

Nel campo dei polimeri, serve ad analizzare i rapporti tra monomeri, il peso molecolare, la tatticità, la sequenza, la lunghezza e le ramificazioni delle catene e a determinare i gruppi terminali.

Nell'Industria Farmaceutica

Nell’industria farmaceutica è utilizzata per determinare la purezza e la quantità dei principi attivi, degli eccipienti e delle impurezze nei prodotti farmaceutici.

Nell'Industria Petrolifera

Nell’industria petrolifera è impiegata per caratterizzare gli idrocarburi nel petrolio grezzo e nei suoi prodotti.

Risonanza Magnetica per Immagini (MRI)

Le prime immagini RMN, ottenute tramite l’uso di gradienti di campo magnetico, furono pubblicate nel 1973 da Paul Lauterbur, che denominò la tecnica zeugmatography (dal greco zeũgma: legame, unione). Tale pubblicazione è riconosciuta come la nascita della risonanza magnetica per immagini (Magnetic resonance imaging, MRI), e fruttò al suo autore nel 2003 il premio Nobel per la medicina in condivisione con Peter Mansfield (che ne introdusse il formalismo matematico).

Una delle caratteristiche della RMN è la possibilità di manipolare i parametri di acquisizione per ottenere uno spettro quasi infinito di diversi contrasti d’immagine, che riflettono caratteristiche fisiche e chimiche del tessuto in esame. Proprio grazie a questa proprietà, oltre alle applicazioni più squisitamente diagnostiche, la RMN è usata oggi anche come strumento di ricerca nello studio della fisiologia e della fisiopatologia di svariate condizioni cliniche.

Tramite tecniche RMN è cioè possibile misurare la concentrazione di acqua e di altre molecole di interesse biologico, le caratteristiche di diffusione dei tessuti, la permeabilità delle membrane, il flusso sanguigno, e altri parametri rilevanti. Alterazioni di queste grandezze possono accompagnarsi ad alterazioni biologiche causate da uno stato patologico, e per questo la RMN è uno strumento di indagine fisiopatologica dal potenziale enorme.

RMN Quantitativa

Spesso si utilizza l’espressione RMN quantitativa per distinguere tali applicazioni avanzate, per la maggior parte ancora confinate alla ricerca clinica, dalla diagnostica per immagini, dove la RMN viene usata per produrre immagini qualitative, ovvero ‘fotografie’ dettagliate degli organi in esame, che richiedono l’interpretazione da parte di un radiologo. Tipicamente, la RMN quantitativa si basa sullo sviluppo di un modello che spieghi la dipendenza del segnale RMN da un processo fisico.

Tale modello può quindi essere usato per estrarre delle grandezze fisiche da una serie di misure ottenute variando i parametri di acquisizione. Le tecniche quantitative non sono completamente validate come strumenti clinici, e di conseguenza la loro utilità nel singolo soggetto è limitata.

Relaxometry

Si indica con il termine relaxometry la quantificazione dei tempi di rilassamento (T1, T2). I tempi di rilassamento caratterizzano il tempo richiesto dagli spin in un particolare tessuto per ritornare all’equilibrio dopo una perturbazione del campo magnetico e dipendono dalle caratteristiche microscopiche del tessuto in esame.

Il rilassamento longitudinale (cessione dell’energia accumulata dagli spin nucleari durante l’irradiazione a radiofrequenza) è principalmente causato dai campi magnetici generati dalle molecole attorno a ogni spin.

È opportuno chiarire la differenza fra le immagini pesate in T1 (o in T2) e le ‘mappe’ quantitative dei tempi di rilassamento. In un’immagine pesata in T1, il segnale e il contrasto sono influenzati dalla costante di rilassamento T1, ma dipendono anche da altri fattori come la densità protonica e il rilassamento T2.

Il contributo relativo di ogni fattore è controllato dai parametri di acquisizione, scelti dall’operatore: di conseguenza l’intensità di ogni pixel non è una misura riproducibile e quantitativa di una proprietà intrinseca del tessuto, ma semplicemente un numero che rappresenta l’intensità di segnale in un scala arbitraria.

Al contrario, con il termine mappa si intende un’immagine ottenuta come il risultato di un’elaborazione di più immagini di partenza, in cui ogni pixel rappresenta una grandezza con un preciso significato fisico o biologico, espressa in un’uni-tà di misura definita (nel caso delle mappe T1, in ms).

Il valore della constante T1 è influenzato dalla concentrazione di macromolecole e dal contenuto d’acqua nei tessuti. Per questa ragione la sua misura è utile per la caratterizzazione di alcuni stati patologici. Esistono diversi metodi per misurare questa grandezza: i più diffusi si basano su sequenze inversion recovery o gradient echo.

In presenza di alterazioni patologiche tissutali, sono osservabili variazioni dei tempi di rilassamento longitudinali. Tra gli esempi più noti, vi sono diverse patologie di interesse neurologico, dove un allungamento del tempo di rilassamento longitudinale può riflettere fenomeni di demielinizzazione, sofferenza ischemica, presenza di tessuto neoplastico.

Il concetto di rilassamento trasversale è meno intuitivo del concetto di rilassamento longitudinale. Entrambi costituiscono meccanismi di dispersione dell’energia accumulata dagli spin. Mentre il rilassamento longitudinale è esclusivamente legato alla ridistribuzione energetica verso il lattice molecolare, cioè la riserva energetica costituita dagli stati energetici associati con le vibrazioni e rotazioni molecolari, al rilassamento trasversale contribuisce anche la cessione di energia degli altri momenti magnetici elettronici e nucleari.

L’interazione con questi dipoli magnetici tende a distruggere la coerenza di fase fra spin, causa cioè l’accumulo di ritardi casuali nel moto di precessione che risultano nell’annullamento della componente trasversale della magnetizzazione M. La costante T2 governa questo processo, ed è più breve di T1.

Oltre ai momenti magnetici microscopici, il decadimento della componente trasversale della magnetizzazione è accelerato dalla presenza di disomogeneità e perturbazioni del campo magnetico statico B0, facendo sì che gli spin perdano coerenza di fase con una costante di tempo T2*, più breve di T2. Immediatamente dopo l’avvento di un impulso a 90°, tutti gli spin si trovano in fase, e la componente trasversale della magnetizzazione è massima.

La costante di rilassamento trasversale riflette principalmente il contenuto di acqua nei tessuti. Le applicazioni cliniche più note, nuovamente in campo neurologico, includono patologie caratterizzate da processi ischemici acuti e cronici e patologie demielinizzanti. Un’ulteriore applicazione riguarda il monitoraggio dello sviluppo cerebrale (processi di mielinizzazione delle fibre cerebrali) durante l’età evolutiva.

In tessuti complessi come quelli biologici, il de-cadimento della magnetizzazione trasversale ha spesso un andamento più complesso rispetto al modello monoesponenziale tradizionalemte adottato: è frequente osservare infatti un andamento di tipo biesponenziale, caratterizzato cioè dalla sovrapposizione di almeno due componenti che decadono con velocità diverse.

La componente più breve è ritenuta essere associata all’acqua intrappolata in proteine come la mielina (la guaina che riveste i fasci di sostanza bianca, permettendo una trasmissione veloce dei segnali neuronali).

Diffusione

Le molecole d’acqua, come ogni particella contenuta in un fluido, sono sottoposte a un moto browniano, in virtù dell’energia termica molecolare di cui sono dotate. A ogni urto, la singola particella cambia in modo accidentale la propria direzione di spostamento, cosicché nel tempo compie una traiettoria casuale.

Il moto casuale dei protoni si manifesta come un’attenuazione del segnale RMN misurato in presenza di forti gradienti di campo magnetico. Questo fenomeno può essere sfruttato per rilevare spostamenti molecolari che avvengono nella scala temporale dell’ordine dei millisecondi. Poiché la mobilità molecolare è influenzata dalla struttura e dalle proprietà dei tessuti, come la presenza di strutture subcellulari, la misura della diffusione fornisce indici circa la configurazione tissutale a livello microscopico.

Il succes-so della tecnica dell’RMN pesata in diffusione fu inizialmente dovuto all’osservazione (effettuata prima in modelli animali, e poi in vivo) che il coefficiente di diffusione decresce rapidamente nel tessuto cerebrale interessato da un evento ischemico.

L’interpretazione di questo fenomeno, generalmente accettata anche se non completamente verificata, è legata all’interruzione della respirazione cellulare (processo metabolico che produce la maggior parte dell’energia per il fabbisogno cellulare) e al conseguente blocco della pompa membranale che estromette dallo spazio intracellulare molecole di sodio per intromettere quelle di potassio.

In seguito si osservò che il fenomeno della diffusione è anisotropo (varia con la direzione di misura) in molti tessuti, come per esempio la sostanza bianca cerebrale e il muscolo.

L’introduzione del tensore permette non solo di derivare quantità scalari invarianti per rotazione (cioè indipendenti dal sistema di riferimento), ma anche di estrarre informazioni addizionali, come la quantificazione dell’anisotropia, e la determinazione della direzione principale della diffusione. Questo ha portato allo sviluppo delle tecniche di trattografia, principalmente applicate allo studio della sostanza bianca cerebrale.

Infatti, in virtù della sua peculiare struttura anatomica, il sistema nervoso centrale è costituito da neuroni, i cui assoni sono organizzati in fasci relativamente ben orientati, lungo il cui asse maggiore gli ostacoli alla diffusione dell’acqua sono estremamente inferiori rispetto a quelli (citoscheletro, mielina) dell’asse ortogonale.

Fino a ora l’applicazione clinica più promettente della trattografia è risultata essere la pianificazione neurochirurgica, al fine di valutare se l’asportazione di una massa tumorale rischia di compromettere importanti fasci di sostanza bianca.

Tutte le grandezze derivate dal tensore di diffusione misurano qualche proprietà microscopica dei tessuti, legata alla cellularità, all’organizzazione e all’integrità tissutale, e sono pertanto utili a caratterizzare il tessuto sano e patologico.

Oltre all’ischemia cerebrale, le tecniche di diffusione sono ampiamente usate nello studio di diverse patologie neurologiche (sclerosi multipla, epilessia, tumore, demenza) e psichiatriche (schizofrenia, disturbo bipolare).

Trasferimento di Magnetizzazione (MT)

Il fenomeno del trasferimento di magnetizzazione (MT) fu scoperto in seguito alle osservazioni sperimentali di Wolff e Balaban. Si notò un’attenuazione del segnale RMN qualora la misura fosse preceduta o associata con irradiazione a frequenze diverse dalla frequenza di Larmor (saturazione off resonance). Il fenomeno, osservabile solo in alcuni tessuti, fu interpretato come un effetto dell’interazione fra i protoni contenuti nelle molecole d’acqua e quelli legati a macromolecole lipidiche e proteiche.

Per questa ragione, l’effetto è pressoché nullo nel liquido cefalo-rachidiano, che è costituito per la quasi totalità da molecole d’acqua.

Il fenomeno del trasferimento di magnetizzazione può essere quantificato tramite il cosiddetto magnetization transfer ratio (rapporto del trasferimento di magnetizzazione), o MTR, quantificato come la differenza percentuale fra il segnale RMN misurato in presenza e in assenza di saturazione off resonance.

Nei tessuti biologici, l’MTR è sensibile principalmente alla presenza di lipidi e proteine, quindi è un indice indiretto della densità di tali molecole. Nell’encefalo, queste sono costituite in gran parte da mielina (la guaina che riveste i fasci di sostanza bianca, permettendo una veloce trasmissione dei segnali neuronali), la cui misura riveste interesse in numerosissime patologie, tra cui la sclerosi multipla.

Perfusione

L’obiettivo della perfusione è la misura locale del flusso sanguigno a livello del microcircolo. Tale flusso è associato al metabolismo energetico ed è dunque di interesse nella fisiopatologia. La perfusione si differenzia dall’angiografia RMN, che consente la visualizzazione dei principali rami venosi e arteriosi, con lo scopo di rilevarne eventuali anomalie.

La misura della perfusione richiede l’utilizzo di un tracciante, che può essere esogeno, cioè un mezzo di contrasto paramagnetico che viene iniettato al paziente (dynamic contrast enhancement perfusion), o endogeno, come avviene nella tecnica chiamata arterial spin labelling (ASL). La prima soluzione è chiaramente più invasiva rispetto ad altre tecniche quantitative RMN, e il mezzo di contrasto più diffuso è il gadolinio, comunemente usato per la routine clinica.

La Risonanza Magnetica in Ambito Clinico: Cosa Sapere

La risonanza magnetica è una tecnica di indagine diagnostica molto diffusa, utilizzata per lo studio di numerose condizioni patologiche, grazie alla sua capacità di fornire un’immagine tridimensionale dettagliata di organi, tessuti, ossa e articolazioni.

Per questo motivo viene sfruttata in moltissimi campi della medicina, dall’oncologia (ad esempio per verificare la stadiazione dei tumori) alla neurologia, passando per l’urologia, la cardiologia, l’ortopedia e così via. A differenza di altre tecniche di imaging, come la radiografia o la TAC, non prevede l’utilizzo di radiazioni ionizzanti, perché si basa sui campi magnetici.

Tipi di Risonanza Magnetica

Esistono diverse tipologie di risonanza magnetica che possono essere eseguite, che variano in base al tipo di indagine da effettuare. Le principali sono le seguenti:

RMI funzionale: rileva i cambiamenti metabolici che si verificano quando il cervello è attivo, utile in vari contesti, ad esempio quando si deve pianificare un intervento chirurgico cerebrale per l’epilessia.
RMI a perfusione: questo esame consente di eseguire una stima del flusso sanguigno in una determinata area, molto utile ad esempio in caso di ictus.
RMI con tensore di diffusione: consente di rilevare le variazioni del movimento dell’acqua nelle cellule che non funzionano in modo adeguato. Questa tecnica è spesso impiegata principalmente per la diagnosi precoce dell’ictus, ma anche per individuare disturbi cerebrali, compresa la presenza di metastasi tumorali nel cervello.
Spettroscopia mediante risonanza magnetica: tramite l’emissione continua e non intermittente di onde radio, questo esame viene utilizzato per rilevare disturbi cerebrali, come il morbo di Alzheimer, tumori e ascessi cerebrali.
Angio risonanza magnetica (angio-RM): simile all’Angio TC e all’angiografia tradizionale, consente di acquisire immagini dettagliate dei vasi sanguigni, spesso tramite l’iniezione di un mezzo di contrasto, e di individuare la presenza di aneurismi, dissezioni aortiche, trombi, tumori.
Venografia mediante risonanza magnetica: è l’equivalente della Angio-RM ma dedicata all’analisi delle vene, eseguita per valutare la presenza di una trombosi venosa cerebrale.

Il medico indicherà il tipo di risonanza a cui sottoporsi a seconda della condizione patologica da indagare.

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.

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

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.

Risonanza Magnetica Aperta

Uno dei limiti della RM consiste nella modalità stessa di esecuzione dell’esame, che prevede l’inserimento del paziente in un “tubo” chiuso per diversi minuti. Nei soggetti che soffrono di claustrofobia, nei bambini, negli anziani e nelle persone obese, questo può effettivamente rappresentare un problema, che in molti casi rende impossibile eseguire correttamente il test.

Per questo motivo, già da qualche anno si sta diffondendo l’impiego di un macchinario chiamato risonanza magnetica aperta, che invece di essere strutturata come un cilindro chiuso è aperto su uno dei due lati (a forma di C, per intenderci). Questo macchinario consente di acquisire le immagini necessarie bypassando il problema, ma presenta un minor potere di risoluzione. Può essere utilizzato anche in sala operatoria durante un intervento chirurgico.

Come Funziona la RM?

La macchina per risonanza magnetica è una grande macchina cilindrica a forma di tubo, che crea un forte campo magnetico attorno al paziente e invia impulsi di onde radio da uno scanner.

Quando il paziente si trova all’interno del macchinario, il campo magnetico riallinea temporaneamente le molecole d’acqua nel suo corpo; le onde radio fanno sì che questi atomi allineati producano segnali deboli, che vengono utilizzati per creare immagini in sezione trasversale.

La macchina per risonanza magnetica può anche produrre immagini 3D che possono essere visualizzate da diverse angolazioni.

Poiché non vengono utilizzate radiazioni ionizzanti, non vi è alcun rischio di esposizione alle radiazioni durante una procedura di risonanza magnetica.

Chi Non Può Sottoporsi a una RM?

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 oqualsiasi altro tipo di frammento metallico;
dispositivo intrauterino.

Anche i tatuaggi potrebbero creare problemi, a causa dell’impiego di alcuni inchiostri contenenti metalli.