SpettroRM- Brain MRS

Introduzione

Sebbene l'imaging sia la modalità più conosciuta dell'applicazione dei principi di risonanza magnetica, esso è una derivazione della spettroscopia. Tuttavia l'applicazione in vivo della spettroscopia a risonanza magnetica ha trovato solo negli ultimi anni l'implementazione nella pratica clinica, specialmente nella diagnosi differenziale dei tumori primari dell'encefalo, ciò è dovuto al fatto che la MRS è in grado di fornire uno spettro che riflette la concentrazione di precisi metaboliti in un volume e trarre conclusioni sullo stato metabolico/ biochimico del pattern cellulare senza eseguire prelievi bioptici.

Presentazione del segnale

I principi in gioco sono gli stessi della MRI, a cui si rimanda.

La rappresentazione di uno spettro è molto intuitiva,sebbene sia possibile descrivere i dati registrati nel dominio temporale in spettroscopia normalmente si considera il dominio delle frequenze: l'area sottesa alla curva (AUC,area under curve) è proporzionale alla quantità di protoni che risuonano a quella frequenza.

Prima dell'introduzione della Trasformata di Fourier Veloce(FFT,Fast Fourier Transform) nel 1965, quasi tutti gli spettrometri utilizzavano una emissione a onda continua che copriva totalmente sia il campo magnetico magnetico applicato (con un elettromagnete) sia la frequenza del trasmettitore. Quindi nel grafico che veniva creato l'ascissa partiva dalle basse frequenze andando verso le alte, acquisendo prima i protoni che precedono alle frequenze alte (sinistra).

Parti per milione

Utilizzando unicamente l'asse delle frequenze per rappresentare lo spettro si incorre in due problematiche: la prima è che l'asse è proporzionale al campo magnetico esterno Bo , il che significa che la localizzazione del picco sull'asse dipenderà dall'intensità di Bo usato per la misura. La seconda difficoltà è che in natura non esiste una sostanza che rappresenta la frequenza zero. Per superare questo problema si ricorre a sostanze di riferimento da mischiare al misurando ed esprimere la differenza di frequenza tra queste come una qualità adimensionale δes(in parti per milione) data dalla formula:

dove fs è la frequenza della sostanza da misurare, fref  è la frequenza della sostanza di riferimento. In spettroscopia è usato come sostanza di riferimento il tetrametilsilano [(CH3)4Si] o TMS, al suo picco singolo si applica un valore di chemical shift di 0.0 ppm, oppure il 2,2-dimetil-2-silapentano-5-solfato o DSS. Siccome entrambe le sostanze sono tossiche non vengono utilizzate per gli studi in vivo, è necessario quindi impiegare la seguente formula:

dove fs è la frequenza del campione,ftransmitter  è la frequenza del trasmettitore, offset è una costante che rappresenta il valore in ppm di uno standard in vivo, che per 1H spettroscopia dell'encefalo è il gruppo metile (CH3) del N-Acetil-Aspartato (NAA) con un valore di chemical shift di 2.01 ppm. Conoscendo quindi il valore di chemical shift di un picco, il valore di offset può essere determinato misurando: frequenza del picco(fs) ,il valore di chemical shift del picco(δes) e la frequenza di trasmissione. Una volta misurato questo valore di offset può essere usato per variare tutte le frequenze di uno spettro da Hz a ppm, per esempio:

δes= 2.01 ppm   fs=171.8 Hz e ftransmitter = 63.863.375 Hz . L'offset sarà uguale a 4.700 ppm, in questo esempio la frequenza del trasmettitore è impostata sulla frequenza dell'acqua, ma va considerato che la frequenza di risonanza dell'acqua dipende dalla sua temperatura, in particolare al diminuire della temperatura la sua frequenza aumenta, a 37 °C la δes dell'acqua è 4.70 ppm, a 20° è 4.87ppm, perciò l'acqua non è uno standard ottimale per la scala ppm.

Accoppiamento spin-spin o J coupling

si osservi lo spettro seguente, ottenuto da un fantoccio contenente 12.5 mM di NAA,10.0 mM Creatina/fosfocreatina, 12.5 mM di Glutammato, 7.5 mM di Mio-Inisitolo e 5.0 mM di Lattato acquisito con un campo magnetico principale di 1.5T.

Il picco del lattato (Lac) mostra una divisione, o doppietto, essi sono causati dall'accoppiamento spin-spin: in questo fenomeno i livelli energetici nucleari subiscono uno splitting a causa delle interazioni quantiche del legame covalente degli elettroni con nuclei il cui momento magnetico è parallelo o antiparallelo al campo magnetico principale B0. Il J-coupling può essere omonucleare( es. 1H-1H) o eteronucleare (1H-13C). Più chiaramente si supponga che il nucleo X sia accoppiato al nucleo Y e che il nucleo Y abbia la stessa probabilità di avere il proprio spin parallelo o antiparallelo al campo magnetico principale.Il nucleo X sarà quindi diviso in due picchi identici: il picco del nucleo X accoppiato al nucleo Y parallelo al campo magnetico principale avrà frequenza più alta, mentre il nucleo X accoppiato al nucleo Y antiparallelo al campo magnetico principale avrà frequenza più bassa. Per il lattato, il nucleo CH3 a 1.31ppm è accoppiato al nucleo CH a 4.10ppm, e il nucleo CH3 è diviso in un doppietto da 6.93 Hz.

La divisione ha lo stesso valore assoluto in Hz, indipendentemente dall'intensità del campo magnetico, inoltre causa un effetto sulla coerenza di fase che causa distorsioni sul picco e sulla linea fondamentale che variano con il tempo di eco(TE)5-7. Il J coupling spiega bene il noto fenomeno che il doppietto del lattato ha picchi negativi  (180° fuori fase) con un TE di 140ms nella sequenza PRESS(Point RESolved Spectroscopy). Tuttavia è meno risaputo che il J coupling causa anche artefatti da sovrapposizione di picchi multipli tra singoli e multipli metaboliti, fino a cancellarli a causa del defasamento con tempi di eco lunghi tipici delle tecniche in vivo. Per questo motivo i metaboliti come glutamina (Gln) e glutammato (Glu) e l'acido gamma-aminobutirrico (GABA) non possono essere misurati con tempi di eco lunghi (TE>50ms).

Metaboliti Cerebrali

Con una intensità di campo magnetico di 1.5T i metaboliti misurabili sono:

N-acetil-Aspartato(NAA), è considerato il marker della cellularità di neuroni e i loro dendriti, essendo presente solo in essi.

N-acetilaspartilglutammato(NAAG), si ritiene sia coinvolto nella neurotrasmissione eccitatoria.

Creatina/fosfocreatina (Cr), funge da reservoir di gruppi fosfato ad alta energia per la generazione di ATP.

Colina/Fosfocolina/Glicerofosforilcolina(Cho), è associata all'integrità delle membrane delle cellule gliali.

GABA/Glutammato(Glu)/Glutammina(Gln),importanti nella neurotrasmissione dei potenziali eccitatori, ma molto difficili da quantificare in vivo a causa del J coupling e picchi multipli(multiplets).

Mio-Inisitolo(M-Ins), importante indicatore di crescita cellulare e possibile marker delle cellule gliali.

Lattato (Lac),indica la presenza di metabolismo anaerobico in atto, tipico delle cellule tumorali ad alto accrescimento.

Sebbene NAA sia considerato il marker dei neuroni, una sua deviazione dalla norma può rappresentare un cambiamento reversibile nel metabolismo neuronale, piuttosto che una variazione irreversibile nella densità dei neuroni.

Sequenze spettroscopiche

L'acquisizione in vivo della 1H spettroscopia RM ha due sequenze principali, le più diffuse in ambito clinico: STimulated Echo Acquisition Mode (STEAM) e Point-RESolved Spectroscopy (PRESS). Enrambe le sequenze usano tre impulsi RF di selezione di sezione con gradienti di campo magnetico ortogonali, l'intersezione RF-Gradienti definisce il volume di interesse(VOI,volume of interest). Le tre radiofrequenze producono FIDs (Free Induction Decay),  echi di spin multipli(SE,Spin Echoes) e un eco stimolato(STE,STimulated Echo). Agli impulsi RF sono associati quattro intervalli di tempo (τ1,τ2,τ3,τ4) definiti in questo modo: τ1 è il tempo tra il primo e il secondo impulso RF,τ2+τ3 è l'intervallo tra il secondo e il terzo impulso RF e τ4 è un certo tempo dopo l'applicazione del terzo impulso. Il FID del primo impulso rifocalizzato dal secondo si crea a 2τ1. Se il tempo 2( τ2+τ3)> 2τ1, l'eco di spin SE è rifocalizzato dal terzo impulso per produrre l'eco di spin(SE) a 2( τ2+τ3) . Il FID del primo impulso RF rifocalizzato dal terzo impulso avviene a  τ1+2(τ2+τ3), l'eco stimolato (STE)  si presenta a 2τ1+τ2+τ3, va notato che tutti i tempi sono calcolati a partire dal centro del primo impulso di selezione di sezione.

Point RESolved Spectroscopy (PRESS)

La sequenza PRESS è rappresentata dal seguente diagramma temporale,

Essa ha 3 impulsi di selezione di sezione in questa forma: 90°-τ1-180°-( τ2+τ3)-180°- τ4-SE , per la soppressione del segnale dell'acqua si applica subito un impulso CHESS(CHEmical-Shift-Selective). Nella sequenza PRESS τ1=τ2 e τ3=τ4 ,il TE del secondo SE(2.1) in questa sequenza è uguale a τ1+τ2+τ3+τ4. I cerchietti nel diagramma temporale indicano la slice dei gradienti di selezione necessari a definire il VOI.Gli altri gradienti sono utilizzati per sfasare gli spin dall'impulso CHESS e sopprimere tutti i segnali NMR tranne SE(1.2) e SE(2.1) che sono i portatori dell'informazione. 

STimulated Echo Acquisition Mode (STEAM) 

Il diagramma temporale della STEAM è il seguente,

Come nella PRESS vi sono 3 impulsi di selezione della slice, ma in forma diversa : 90°-τ1-90°-( τ2+τ3)-90°- τ4-STE, anche qui viene somministrato l'impulso CHESS prima di iniziare ad acquisire. Per la STEAM τ1=τ4, τ1+τ4 è il tempo di eco, τ2+τ3 viene detto tempo di mixing (TM). Una caratteristica peculiare della STEAM è che solo metà della magnetizzazione trasversale creata dal primo impulso 90° è trasformata in magnetizzazione longitudinale dal secondo impulso 90°, diminuendo il rapporto segnale/rumore (SNR) di un fattore 2. Durante il TM, la magnetizzazione longitudinale decade proporzionalmente al T1, piuttosto che T2. Il terzo impulso RF ritrasforma la magnetizzazione longitudinale mantenuta dal secondo impulso RF in magnetizzazione trasversale  per formare l'eco stimolato(STE). Allo stesso modo della sequenza PRESS i cerchietti indicano la slice selezionata dai gradienti per creare il VOI, e gli altri gradienti sono utilizzati per sopprimere tutti gli echi di spin e lasciare intatto solo l'eco stimolato.

In pratica entrambe le sequenze usano diversi gradienti di crushing dopo ogni impulso RF per sfasare segnali non necessari e FIDs. Sebbene possano essere aggiunti altri gradienti di crushing ciò aumenta la probabilità di creare artefatti da eddy current nello spettro. L'acquisizione in vivo ¹H-MRS tipicamente ha un TE di 20ms con la STEAM e 30-135ms con la PRESS, i tempi di ripetizione sono uguali o maggiori a 1.5s.

Riferimenti

-msu.edu http://www2.chemistr...py/nmr/nmr1.htm

- D.Gadian et al., proton nuclear magnetic resonance spectroscopy unambingously identifies different neural cell types, Journal of Neurosciences,1993


-AAPM MR Task group 9,Drost,Riddle,Clark, Medical Physics, vol 29,No 9, Sett-2002


-C.A. Davie, C. P. Hawkins, Serial proton magnetic resonance, Insitute on Neurology,Queen Sqr, London 2003