Risonanza Magnetica: La Storia Segreta e l’Invenzione della Tecnica Che Ha Cambiato la Medicina

Attualmente vengono utilizzate diverse tecniche e svariati approcci fisici per ottenere immagini di strutture anatomiche degli esseri viventi per scopi diagnostici. La tecnologia informatica ha consentito sia lo sviluppo di nuove tecniche di imaging sia il miglioramento di quelle precedenti. I computer hanno assunto in questo campo un ruolo fondamentale, al punto che la disciplina dipende ormai quasi completamente dalla tecnologia informatica per l'acquisizione e l'elaborazione dei dati, nonché per la gestione, l'archiviazione, il recupero e la trasmissione dei dati relativi ai pazienti.

La storia dell'imaging diagnostico ebbe inizio nel 1895, con la scoperta dei raggi X a opera dello scienziato tedesco Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923). La radiografia, vale a dire la tecnica di imaging diagnostico che utilizza i raggi X, ha rappresentato l'inizio di una serie di scoperte e invenzioni che negli anni Settanta del XX sec. raggiunge il culmine con l'introduzione della prima tecnica di ricostruzione di immagini diagnostiche realizzata con l'ausilio del computer. Questa tecnica, inventata da Godfrey N. Hounsfield è stata definita tomografia assiale computerizzata (TAC, in seguito TC, tomografia computerizzata).

Il ruolo dei computer nell'imaging diagnostico inizia con l'uso delle funzioni dei dispositivi di imaging: attualmente anche i generatori di raggi X per la radiografia convenzionale vengono controllati da microprocessori, così pure l'acquisizione dei dati di medicina nucleare e la produzione e il rilevamento degli ultrasuoni. In pratica, non esiste un settore della medicina clinica in cui l'imaging diagnostico non fornisca informazioni utili. Le immagini diagnostiche sono utilizzate con due diversi scopi principali, ossia la diagnosi delle malattie e il monitoraggio della risposta al trattamento.

La tecnologia informatica ha consentito sia lo sviluppo di nuove tecniche di imaging sia il miglioramento di quelle precedenti. La risonanza magnetica (MRI) è una tecnica che permette di acquisire immagini anatomiche o funzionali relative a una serie di regioni corporee. La risonanza magnetica è utilizzata in medicina e in particolare in radiologia per fornire immagini dell’anatomia e dei processi fisiologici di parti del corpo. Gli scanner di risonanza magnetica funzionano grazie alla presenza di campi magnetici che permettono di generare immagini degli organi del corpo.

Pietre Miliari nello Sviluppo 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 in cui si chiedeva la disponibilità allo stato di poter creare un Dispositivo Risonanza Magnetica.
1971: Raymond Damadian inventa la prima risonanza magnetica e deposita il primo brevetto.

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.

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.

Spettroscopia e Risonanza Magnetica Nucleare (RMN)

In generale in fisica si chiamano ‛spettroscopie' quelle tecniche mediante le quali si invia una sonda (onde elettromagnetiche, neutroni, elettroni, ecc.) con proprietà fisiche note in un sistema da indagare e si rivela poi la risposta del sistema alla perturbazione, ricavando in questo modo informazioni sulle sue proprietà fisiche. Storicamente il primo esperimento di RMN è stato quello dell'americano Rabi (v., 1937), effettuato su fasci atomici per la misura dei momenti magnetici di vari nuclei atomici.

I primi esperimenti su materia condensata furono realizzati, con successo e indipendentemente, da Purcell, Torrey e Pound (v., 1946) alla Harvard University e da Bloch, Hansen e Packard (v., 1946) alla Stanford University. Tutti i sistemi costituiti da elettroni o da nuclei di atomi che possiedono un momento angolare di spin possono essere studiati con la risonanza magnetica. In particolare un nucleo, formato normalmente da molte particelle, nello stato fondamentale può avere un momento magnetico totale μ e un momento angolare totale J. Prendendo un sistema di riferimento cartesiano x, y, z, i cui versori indicheremo rispettivamente con i, j e k, con l'asse z coincidente con la direzione del campo magnetico, che assumiamo statico e omogeneo, abbiamo H = H0 = H0k.

La radiazione a radiofrequenza viene trasmessa con una bobina al cui interno è posto il sistema. La bobina è normalmente perpendicolare alla direzione del campo magnetico statico H0. Il motivo di questa configurazione sarà chiarito più avanti. C'è quindi da aspettarsi che un'analisi fondata sulla meccanica classica, anziché su quella quantistica, porti anch'essa al risultato (7). D'altra parte si può dimostrare in modo rigoroso che l'equazione quantistica che regola la dinamica di un sistema di spins non interagenti (o debolmente interagenti, come quelli dei protoni dell'acqua liquida), cioè l'equazione di Heisenberg, si riconduce a quella classica, cioè alla seconda equazione cardinale.

Moto di uno Spin Isolato

Un magnete che possieda un momento angolare, se immerso in un campo magnetico H, gli precede intorno. In pratica si comporta come una trottola che, oltre a ruotare intorno al proprio asse, ruota intorno al campo gravitazionale mantenendo con questo un angolo costante, se si trascurano gli effetti degli attriti. Pensiamo ora di azionare un campo a radiofrequenza di ampiezza A generato da una bobina solenoidale con asse solidale con l'asse x del sistema di riferimento del laboratorio. Questa radiazione, che è polarizzata linearmente lungo l'asse x, può essere scomposta nella somma di due componenti di eguale ampiezza polarizzate circolarmente, una in senso orario e l'altra in senso antiorario.

Se inizialmente μ è orientato lungo la direzione z del campo magnetico statico H0, se ne allontana ritornandovi periodicamente a causa del suo moto di precessione. Se l'azione della radiazione si interrompe dopo un tempo τ, il momento magnetico che precede alla frequenza angolare γH1 avrà percorso un angolo θ = γΗ1τ. Un impulso tale che, scegliendo opportunamente H1 e τ, dia θ= π/2 è detto di 90°; se θ = π, l'impulso è detto di 180° in quanto il suo effetto è quello di ruotare il momento magnetico di 180°, cioè di invertirne il verso. La bobina, coassiale con x, viene normalmente utilizzata, dopo l'interruzione di H1, per rivelare la forza elettromotrice che il moto del momento magnetico genera ai suoi capi. Questo segnale in funzione del tempo è generalmente chiamato FID (Free Induction Decay).

Sequenza Spin-Eco

Una sequenza semplice ma di grande importanza per le applicazioni biomediche è la cosiddetta sequenza spin-eco (v. Hahn, 1950). La sua importanza attuale è legata al fatto che essa costituisce la base di gran parte delle procedure tomografiche oggi applicate in campo biomedico. La sequenza spin-eco è costituita da due impulsi, il primo, di 180°, che inverte la direzione della magnetizzazione, e il secondo, applicato dopo un tempo t0, di 90°. La disomogeneità in H0 fa sì che, dopo l'impulso di 90° (v. fig. 4A), nel piano (x′, y′) del sistema rotante gli spins sottoposti a campo magnetico leggermente inferiore ad H0 restino più indietro e quelli sottoposti a campo maggiore di H0 vadano più avanti (v. fig. 4B) di quanto farebbero nel campo omogeneo H0. L'applicazione di un impulso a 180° dopo un tempo t0 〈 T2 ribalta solo la componente y′ delle componenti sparpagliate, per cui i due vettori m e n verranno ruotati in m′ e n′ (v. fig. 4C); m′ e n′ formano gli stessi angoli θ e θ′ con l'asse y′ per cui, precedendo alla stessa velocità angolare di prima, ma, in C, avvicinandosi a y′, invece di allontanarsene come in B, finiscono per ricomporsi dopo un tempo 2t0 = TE e generare quindi un segnale di massima intensità (v. fig.

Tomografia a Risonanza Magnetica Nucleare

In ogni tecnica di indagine basata sull'invio di una sonda nel sistema da studiare si deve cercare di minimizzare l'effetto della perturbazione prodotta dalla sonda sul sistema. Per questo motivo, fra le molte sonde spettroscopiche, sono preferibili quelle che implicano minori energie e intensità. I corpi viventi sono eterogenei sia su scala macroscopica, per la struttura a organi, sia a livello cellulare e tessutale. Di conseguenza anche la distribuzione dei nuclei con momento magnetico, come ad esempio il protone degli atomi di idrogeno dell'acqua, ha una ripartizione spaziale che, se rivelata, deve mostrare le strutture morfologiche. Inoltre, l'informazione spettroscopica dei nuclei contenuti in un piccolo elemento di volume dovrebbe fornire informazioni biochimiche sui processi che avvengono su scala molecolare. Questo elemento di volume dovrebbe essere più piccolo possibile in modo da minimizzare gli effetti dell'eterogeneità e ottimizzare la risoluzione.

Normalmente i metodi di indagine capaci di fornire dati fisici in funzione della posizione, cioè delle coordinate spaziali, all'interno di un corpo vivente vengono denominati ‛tomografie'. Una tomografia fornisce una mappa in due (o in tre) dimensioni di un parametro fisico o di una funzione di più parametri appartenenti a uno strato di un corpo vivente. La mappa bidimensionale, o meglio la matrice, in quanto e costituita da un numero finito di elementi, è quanto noi normalmente chiamiamo ‛immagine' di uno strato di un corpo. Deve essere ben chiaro quindi che tomografia o imaging significano di fatto spettroscopia di un sistema eterogeneo. L'applicazione della RMN a tessuti di organismi viventi, cioè in vitro, è vecchia quasi quanto la RMN stessa, mentre l'origine delle sue applicazioni biomediche risale all'inizio degli anni settanta. Infatti nel 1971 R. Damadian (v., 1971 ) trovò che uno dei classici parametri RMN, cioè il tempo di rilassamento spin-reticolo, T1, era più lungo nel tessuto canceroso che in quello sano dello stesso organo.