La risonanza magnetico nucleare (RMN)

(Natale Caronia)

Un bravo ufficiale fa rompere il passo alla sua truppa nell’attraversare un ponte. Infatti, se la somma di tutti i passi dei militari entra in risonanza col periodo di oscillazione del ponte, questo crolla.I fisici Felix Bloch ed Edward Purcell scoprirono la risonanza magnetica nucleare nel 1942, scoperta che valse loro il premio Nobel per la fisica nel 1952. La prima applicazione pratica della risonanza fu nello studio della struttura molecolare. Nel 1971 Raymond Damadian sostenne che tessuti sani e tessuti tumorali danno differente segnale alla risonanza magnetica per cui la metodica poteva essere utilizzata per la diagnosi del cancro. Studi successivi hanno dimostrato che questo assunto non è corretto perché, purtroppo, non sempre vero. Fisica della risonanza magnetica. Ogni nucleo atomico ha un movimento rotatorio lungo il suo asse, che si chiama “spin”; a tale movimento è associato un campo magnetico. Sottoponendo il nucleo ad un campo magnetico esterno, esso si orienterà lungo la forza di questo campo ed avrà un ulteriore movimento di rotazione angolare (ossia di oscillazione) detta di “precessione”, la cui frequenza (frequenza di Larmor) dipende dall’intensità del campo magnetico esterno e dal tipo di nucleo.

In campo medico è utilizzato prevalentemente il nucleo di idrogeno per la sua abbondanza, tenuto conto che il 75% del corpo umano è formato di acqua. E’ possibile l’utilizzo di altri nuclei, quali il potassio, fosforo, sodio, fluoro, utilizzando la frequenza di Larmor tipica del nucleo da studiare. Per chiarire il concetto di precessione basti pensare che la nostra terra, oltre al movimento di rotazione attorno al sole ed attorno a se stessa, ha un terzo movimento di oscillazione conica lungo il suo proprio asse, di precessione, il cui periodo è di 25.000 anni, che comporta cambiamenti climatici (i poli cambiano posizione) sebbene molto lenti.Sotto l’azione del campo magnetico esterno, parte dei nuclei si allinea parallelamente al campo magnetico, mentre altri, ad energia maggiore, in verso antiparallelo. Dalla somma algebrica del magnetismo parallelo ed antiparallelo risulta un vettore di magnetizzazione dovuto agli “spin” dei nuclei della materia in esame, che può essere misurato. Indubbiamente i singoli momenti magnetici sono infinitesimali, ma bisogna ricordare che una goccia d’acqua contiene 10 elevato a 21 atomi di idrogeno. Per rilevare il vettore di magnetizzazione è necessario perturbare lo stato di equilibrio applicando un secondo campo perpendicolare al primo, in pratica un segnale radio (elettromagnetico), che farà variare l’orientamento dei nuclei perché avranno assorbito energia dall’esterno. Quando si interrompe il segnale radio i nuclei cedono il surplus di energia assorbita che viene captata dalla stessa bobina che ha trasmesso il segnale (che funziona da antenna ricevente e trasmittente). Il tempo con cui l’energia in surplus viene rilasciata si chiama “tempo di rilassamento”, ed avviene secondo gli assi x y, di rilassamento longitudinale T1 (o di riallineamento secondo l’asse magnetico esterno) o secondo l’asse trasversale T2 (di cessione dell’energia all’ambiente circostante) con spaiamento dei nuclei. Sono i segnali di tempo di rilassamento ad essere utilizzati per la creazione delle immagini. Sostanzialmente, il momento magnetico del vettore nucleare è il segnale utilizzato per la formazione delle immagini. E’ necessario, tuttavia, localizzare spazialmente i nuclei; per ottenere ciò si utilizzano dei campi magnetici supplementari, a bassa intensità, disposti lungo il corpo, chiamati gradienti, i quali vengono eccitati in successione. Conoscendo la loro posizione è possibile risalire alla localizzazione dei nuclei e misurare la densità protonica. La rappresentazione del segnale tramite la trasformata di Fourier visualizza le immagini in risonanza medica. Apparecchiatura medica. L’apparecchiatura consiste in un “gantry”, simile nella forma a quello della TC, ma più profondo, contenente l’elettromagnete comunemente della potenza di 0,5 o di 1,5 Tesla, corredato da un lettino con tavola a sbalzo che introduce il paziente all’interno della macchina. Bobine elettro-magnetiche di varia foggia, a secondo degli studi su testa-collo o corpo, sistemi di infusione per il contrasto e di rianimazione con metallo amagnetico corredano la stanza. Al di fuori, separata da gabbia di Faraday per isolare il campo magnetico, il tavolo di comando, monitors, sistemi di elaborazione, di registrazione e stampa immagini. Esistono in commercio apparecchi di risonanza a magnete permanente (calamita) di piccole dimensioni, utilizzati prevalentemente per lo studio delle articolazioni: ginocchio, polso, gomito, spalla. Impiego in campo medico. Caratteristica delle immagini di RM è l’altissima risoluzione di contrasto; sin dalla sua introduzione in diagnostica negli anni 80, si è sperato nella precisa tipizzazione della patologia, in particolare dei tessuti neoplastici, cosa che l’esperienza successiva ha ridimensionato. Sono le parti molli ad essere meglio visualizzate ed i campi di studio sono principalmente il sistema nervoso (encefalo e midollo – malattie demielinizzanti, compressioni da ernie del disco), organi parenchimatosi (fegato, reni, milza, apparato urogenitale), cuore (ricorrendo all’acquisizione sincronizzata col battito cardiaco), angioRM , diagnostica neoplastica.Un importante campo di sviluppo è rappresentato dalla risonanza magnetica funzionale, che permette di individuare aree encefaliche attivate durante stimolazioni sensoriali, con possibilità di creare mappe di attivazione cerebrale. Indicazioni cliniche. Poiché ogni soggetto è un caso a sé, non è possibile, a priori, indicare quale strategia diagnostica impiegare, tranne che per le malattie demielinizzanti in cui la RM è l’indagine d’elezione. Dialogo ed esperienza clinica indicano quale percorso usare a vantaggio del paziente, privilegiando le tecniche disponibili meno invasive. Evoluzioni future. Su due direttive principali: lo sviluppo delle indagini funzionali, specie cerebrali e, ancora, la caratterizzazione tissutale della spettroscopia in vivo. Conclusioni. Un radiologo, che ha cominciato a lavorare in camera oscura, ed ha dovuto riciclarsi più volte nella sua attività professionale per le nuove tecnologie, guardandosi alle spalle, ha l’impressione di essere uscito dalle buie caverne ed essersi avventurato verso un cammino stellare in cui immensamente piccolo ed infinitamente grande hanno punti di contatto. E nuovi quesiti sorgono sul destino dell’uomo e sulle risposte attese.