1. Principiile generale ale imagisticii medicale
Sintagma imagistica medicala se refera la obtinerea de informatii privind starea fiziologica ori patologica, pe baza interpretarii imaginii unei portiuni a corpului. Definit in felul acesta termenul este foarte larg deoarece imaginile ce se pot obtine se bazeaza pe fenomene diferite, deci poarta informatie diferita. Ele au totusi unele elemente comune: reprezinta imagini construite, folosind mijloace tehnice avansate, pe baza raspunsului organismului la interactiunea cu factori fizici. Fectorul fizic poate fi purtat de un factor chimic, de exemplu radiofarmaceuticele. In acest caz, interactiunea are loc intre ctructurile bologice si factorul chimic, cel fizic fiind insa purtatorul informatiei.
Interactiunea cu factorul fizic implica cedarea unei cantitati de energie tesutului. Cu cat energia cedata este mai mare, cu atat investigatia respectiva poate avea efecte colaterale mai importante.
Imaginea se construieste de la gradul diferit in care un parametru al factorului e modificat prin interactiunea cu anumite tesuturi, deci functie de caracteristicile acestora. Valorile parametrului respectiv sunt convertite in grade de luminozitate (nuante de gri sau culori asociate conventional) a imaginii. Cu cat diferenta intre caractericticile tesuturilor, din punct de vedere al factorului respectiv, va fi mai mare, cu atat va fi mai accentuat contrastul imaginii. Calitatea imaginii e data de contrast si de posibilitatea de a distinge mai multe detalii, deci de sensibilitate si de rezolotie. Calitatea imaginii e afectata de zgomotul suprapus peste semnalul util si de eventuale artefacte . Acesti parametri depind de raspunsul tesutului dar si de caracteristicile radiatiei incidente si de prelucrarea tehnica a raspunsului. Imaginile obtinute prin diferite tehnici difera de intre ele, functie de:
. factorul fizic si parametrii acestuia;
. mecanismul de interactiune cu materialul biologic;
. mijloace tehnice folosite pentru aplicarea factorului fizic si inregistrarea raspunsului;
. modul de construire a imaginii, de regula pe calculator, cel putin la tomografie; in felul acesta se poate imbulnatati calitatea imaginii.
Principalii factori fizicii utilizati astazi in imagistica medicala sunt: radiatiile X (radiologie, tomografie X sau tomodensitometrie), ultrasunetele (ecografie si tomografie cu ultrasunete); radiatiile ionizante emise de substante radioactive, fixate, de regula, pe trasori specifici tesutului investigat (scintigrafie, tomoscintigrafie sau tomografie de emisie), campul electromagnetic (tomografie RMN).
Tomografia
Cu oricare din acesti factori fizici se pot obtine imagini tomografice. Termenul de tomografie vine de la gr. tomě=sectiune, deci inseamna obtinerea unor imagini pe sectiuni. Prima etapa este stabilirea sectiunii ori sectiunilor pe care se face inregistrarea. In continuare sectiunea se imparte in elemente de volum (voxel = volum element) si trebuie obtinut un semnal corespunzand raspunsului individual al fiecaruia. Odata inregistrate aceste semnale imaginea se construieste de catre un calculator in asa fel incat fiecarui element de volum sa i corespunda un element de imagine (pixel = picture element). Un parametru al raspunsului tisular, cel mai adesea intensitatea, dar nu numai, se traduce in grade de luminozitate (uneori culoare) a pixel-ului corespunzator, astfel incat matricea reprezinta o matrice de elemente (puncte) de luminozitate. Fiecarui element de imagine corespunzandu i un element de volum, cu cat matricea e mai mare, cu atat elementul de volum e mai mic.
Evident, nu se pot distinge detalii mai mici decat un voxel. Micsorarea voxel ului duce insa, de regula, la marirea zgomotului.
Prin inregistrarea unui numar mare de sectiuni adiacente, se poate construi, pe calculator o imagine tridimensionala (3D), care apoi poate fi examinata in orice sectiune: planuri diferite si unghiuri diferite.
2. Imagistica de rezonanta magnetica nucleara
Principii
O particula in miscare de rotatie e caracterizata de un moment cinetic (L), vector perpendicular pe planul traiedtoriei, dependent de masa si viteza particulei si raza traiectoriei, deci descrie caracteristicile miscarii: L~mvr.
O sarcina electrica in miscare este influentata de un camp magnetic, deci se comporta ca un mic magnet, caracterizat printr un moment magnetic. Momentul magnetic e tot un vector perpendicular pe planul traiectoriei, sensul depinnzad de semnul sarcinii.
Electronul are un moment cinetic si, respectiv, un moment magnetic orbital, corespunzator rotatiei in jurul nucleului, dar si un moment cinetic si, respectiv, un moment magnetic de spin. Acestea din urma ar putea fi interpretate intuitiv ca fiind corespunzatoare unei miscari de rotatie in jurul propriei axe. In mecanica cuantica, momentul cinetic de spin sau spinul (S) e cuantificat, depinzand de numarul cuantic de spin (s), , ce poate lua valorile . Momentul magnetic corespunzator (de spin) are valoarea:
; [μ]=J/T
unde: γ=e/2m=raport giromagnetic;
g=factorul lui Landé, constanta ce depinde de natura particulei;
h=constanta lui Plank;
S=moment cinetic de spin;
s=munar cuantic de spin, s=1/2,-1/2.
Momentul magnetic se masoara in joule/tesla (J/T).
Marimea μB=γh/2π=he/4πme se numeste magnetonul lui Bohr (me=masa electronului) se poate considera o cuanta de moment magnetic. In mod similar protonul are si el moment magnetic de spin. Se defineste magnetonul nuclear, μN=hγN/2π=he/4πmp, in care s a inlocuit masa electronului cu a protonului (mp); γN este raportul giromagnetic al protonului. Magnetonul nuclear e cu trei ordine de marime mai mic decat magnetonul lui Bohr deoarece masa protonului este mai mare. Se constata si se demonstreaza In mecanica cuantica faptul, inexplicabil in cadrul mecanicii clasice, ca neutronul, desi neutru, are totusi un moment magnetic de spin, egal cu al protonului. Ca si in cazul electronului, nucleolii se asociaza in perechi de spin opus (+1/2 si -1/2), astfel incat pentru un numar par, spinil total e nul.
Pentru un nucleu, cuprinzand un numar Z de protoni si A-Z neutroni, momentul magnetic de spin total se obtine prin insumarea momentelor corespunzatoare protonilor si, respectiv, neutronilor. Sunt posibile trei cazuri:
. atat protonii cat si neutronii sunt in numar par (A si Z pare); rezulta un spin nul;
. numarul de masa (A) e impar, deci fie protunii, fie neutronii, sunt in numar impar; rezulta un spin semiintreg (+1/2 sau -1/2);
. A e par si Z impar, ceea ce inseamna ca atat protonii cat si neutronii sunt in numar impar; spinil este intreg (1), deoarece spinul semiintreg rezultat pentru fiecare tip de nucleoni in parte se aduna, dand 1.
Daca o particula, avand un moment magnetic nenul, e plasata in camp magnetic (B), asupra ei se exercita un cuplu de forte, ceea ce imprima o miscare de precesie, precesia Larmour, avand ca ax directia campului magnetic, in urma careia se va orienta pe directia lui B. E o miscare similara cu a unui titirez. Viteza unghiulara (ωL) si, respectiv, frecventa (νL) miscarii de presesie sunt date de relatiile:
ωL=gγB; νL=ωL/2π=g(γ/2π)B.
Inmultind frecventa cu constanta lui Plank, se regaseste expresia magnetonului. Deci
hνL=g(γh/2π)B=gμBB pentru electron
hνL=gN(γNh/2π)B=gNμNB pentru un proton.
Deci νL, frecventa Larmoure a protonului, e proportionala cu inductia campului magnetic si cu magnetonul nuclear. Ea este de ordinul MHz, asadar in domeniul de radiofrecventa.
Daca o particula avand un moment magnetic se plaseaza intr-un camp magnetic uniform de inductie B, ea va avea o energie potentiala ε=-μB=-gNμNBs.
Comparand aceasta relatie cu expresia frecventei Larmoure, rezulta ca la o variatie a numarului cuantic de spin cu 1 unitate (intre -1/2 si +1/2), energia variaza cu Δε=hνL.
Deci intr-un camp magnetic, protonul se poate afla in doua stari energetice, cea mai joasa corespunzand spinului +1/2. Cele doua stari reprezinta o orientare paralela (p), respectiv, antiparalela (a), cu directia campului. La echilibru, intr-o populatie de protoni, repartitia pe cele doua nivele este data de relatia lui Boltzmann: , in care:
Np si Na reprezinta numarul de protoni aflati pe cele doua nivele (paralel, respectiv antiparalel).
B=inductia campului magnetic;
k=constanta lui Boltzmann;
h=constanta lui Plank;
T=temperatura absoluta.
Raportul are o valoare putin mai mare decat 1, deci pe nivelul fundamental se afla mai putini protoni. In consecinta, la echilibru, μN rezultant e paralel cu inductia campului magnetic (B).
Pentru ca un proton sa treaca de pe nivelul fundamental pe nivelul excitat, trebuie sa i se furnizeze o energie egala cu Δε. Deci el poate absorbi o radiatie electromagnetica de frecventa egala cu frecventa Larmoure; este frecventa de rezonanta. Supa cum reiese din relatiile de mai sus, aceasta frecventa e proportionala cu inductia campului magnetic B.
Spectre de rezonanta magnetica nucleara
O populatie de nuclee cu spin nenul, plasata intr un camp magnetic uniform si constant se repartizeaza, asa cum am vazut intre cele doua nivele energetice conform legii lui Boltzman. Daca peste acest camp se suprapune un camp electromagnetic cu frecventa Larmour, spinii absorb energia si pot trece rapid pe nivelul energetic superior; ei intra in rezonanta cu campul EM. Reorientarea spinilor induce o tensiune electromoroare intr o infasurare ce inconjoara proba. Aplicandu se un camp electromagnetic de frecventa variabila continuu (in domeniul de radiofrecventa), fiecare specie nucleara cuprinsa in esantion va intra in rezonanta la propria frecventa Larmour (ν=νL); s a realizat astfel un baleiaj de frecventa. Inregistrandu se semnalul se obtine spectrul RMN, A(ν); frecventa liniilor spectrale corespunde frecventei Larmour a nucleelor, iar amplitudinea numarului de nuclee care absorb la frecventa respectiva.
