Il dottor Raymond Damadian, medico e scienziato, ha lavorato duramente per anni cercando di produrre una macchina in grado di scansionare il corpo in modo non invasivo con l'uso di magneti. Insieme ad alcuni studenti laureati, costruì un magnete superconduttore e modellò una bobina di fili di antenna. Dato che nessuno voleva essere il primo a salire su questo aggeggio, Damadian si è offerto volontario per essere il primo paziente.
Quando salì, però, non accadde nulla. Damadian stava pensando di sprecare anni in un'invenzione fallita, ma uno dei suoi colleghi ha coraggiosamente suggerito che potrebbe essere troppo grande per la macchina. Uno studente laureato snello si offrì volontario per provarlo e il 3 luglio 1977 fu eseguito il primo esame MRI su un essere umano. Ci sono volute quasi cinque ore per produrre un'immagine e la macchina originale, chiamata "Indomitable", è ora di proprietà della Smithsonian Institution.
In pochi decenni, l'uso della risonanza magnetica (MRI ) gli scanner sono cresciuti enormemente. I medici possono ordinare scansioni MRI per diagnosticare la sclerosi multipla, tumori al cervello, legamenti strappati, tendiniti, cancro e ictus, solo per citarne alcuni. Una risonanza magnetica è il modo migliore per vedere l'interno del corpo umano senza squarciarlo.
Questo potrebbe essere di scarso conforto per te quando ti stai preparando per un esame di risonanza magnetica. Ti togli i gioielli e le carte di credito e ti vengono poste domande dettagliate su tutti gli strumenti metallici che potresti avere dentro di te. Vieni messo su una piccola lastra e spinto in un buco che difficilmente sembra abbastanza grande per una persona. Sei soggetto a forti rumori e devi restare perfettamente immobile, altrimenti ti faranno di nuovo questo. E ogni minuto che passa non puoi fare a meno di chiederti cosa sta succedendo al tuo corpo mentre è in questa macchina. Potrebbe davvero essere che questa prova sia davvero migliore di un'altra tecnica di imaging, come una radiografia o una TAC? Cosa ha creato Raymond Damadian?
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Gli scanner MRI variano in dimensioni e forma e alcuni modelli più recenti hanno un maggiore grado di apertura attorno ai lati. Tuttavia, il design di base è lo stesso e il paziente viene spinto in un tubo di soli 60 centimetri di diametro [fonte:Hornak]. Ma cosa c'è lì dentro?
Il componente più grande e importante di un sistema MRI è il magnete. C'è un tubo orizzontale, lo stesso in cui entra il paziente, che attraversa il magnete da davanti a dietro. Questo tubo è noto come alesaggio . Ma non si tratta di un magnete qualsiasi:abbiamo a che fare con un sistema incredibilmente forte, in grado di produrre un campo magnetico ampio e stabile.
La forza di un magnete in un sistema MRI viene valutata utilizzando un'unità di misura nota come tesla . Un'altra unità di misura comunemente utilizzata con i magneti è il gauss (1 tesla =10.000 gauss). I magneti oggi utilizzati nei sistemi MRI creano un campo magnetico compreso tra 1,5 e 7,0 tesla o tra 15.000 e 70.000 gauss. Quando realizzi che il campo magnetico terrestre misura 0,5 gauss, puoi vedere quanto sono potenti questi magneti.
La maggior parte dei sistemi MRI utilizza un magnete superconduttore , che consiste di molte bobine o avvolgimenti di filo attraverso i quali viene fatta passare una corrente elettrica, creando un campo magnetico fino a 2,0 tesla. Mantenere un campo magnetico così ampio richiede una buona quantità di energia, ottenuta grazie alla superconduttività , o riducendo la resistenza nei fili quasi a zero. Per fare ciò, i fili vengono continuamente immersi nell'elio liquido a 452,4 gradi sotto zero Fahrenheit (269,1 sotto zero gradi Celsius) [fonte:Coyne]. Questo freddo è isolato dal vuoto. Sebbene i magneti superconduttori siano costosi, il forte campo magnetico consente immagini della massima qualità e la superconduttività mantiene il sistema economico da utilizzare.
Altri due magneti vengono utilizzati nei sistemi MRI in misura molto minore. Magneti resistivi sono strutturalmente come magneti superconduttori, ma mancano dell'elio liquido. Questa differenza significa che richiedono un’enorme quantità di elettricità, rendendo proibitivo il funzionamento al di sopra di un livello di 0,3 tesla. Magneti permanenti hanno un campo magnetico costante, ma sono così pesanti che sarebbe difficile costruirne uno in grado di sostenere un grande campo magnetico.
Ci sono anche tre magneti sfumati all'interno della macchina per la risonanza magnetica. Questi magneti hanno una forza molto inferiore rispetto al campo magnetico principale; la loro intensità può variare da 180 gauss a 270 gauss. Mentre il magnete principale crea un campo magnetico intenso e stabile attorno al paziente, i magneti gradienti creano un campo variabile che consente la scansione di diverse parti del corpo.
Un'altra parte del sistema MRI è un insieme di bobine che trasmettono onde a radiofrequenza nel corpo del paziente. Esistono bobine diverse per le diverse parti del corpo:ginocchia, spalle, polsi, testa, collo e così via. Queste bobine solitamente si conformano al contorno della parte del corpo da sottoporre a imaging, o almeno si trovano molto vicino ad essa durante l'esame. Altre parti della macchina includono un sistema informatico molto potente e un lettino per il paziente, che fa scivolare il paziente nel tunnel. Se il paziente entra prima nella testa o nei piedi è determinato da quale parte del corpo deve essere esaminata. Una volta che la parte del corpo da scansionare si trova nel centro esatto, o isocentro , del campo magnetico, la scansione può iniziare.
Cosa succede durante una scansione? Scoprilo dopo.
Sviluppi della risonanza magneticaLe macchine per la risonanza magnetica si stanno evolvendo per essere più adatte ai pazienti. Ad esempio, molte persone claustrofobiche semplicemente non sopportano i confini angusti e la noia potrebbe non accogliere le persone obese. Esistono scanner più aperti, che consentono uno spazio maggiore, ma queste macchine hanno campi magnetici più deboli, il che significa che potrebbe essere più facile non notare i tessuti anomali. Sono in fase di sviluppo anche scanner molto piccoli per l'imaging di parti del corpo specifiche. Altri progressi si stanno facendo nel campo della risonanza magnetica. MRI funzionale (fMRI ), ad esempio, crea mappe cerebrali dell'attività delle cellule nervose secondo per secondo e aiuta i ricercatori a comprendere meglio come funziona il cervello. Angiografia con risonanza magnetica (MRA ) crea immagini di sangue, arterie e vene che scorrono praticamente in qualsiasi parte del corpo.
Quando i pazienti entrano in una macchina per la risonanza magnetica, portano con sé i miliardi di atomi che compongono il corpo umano. Ai fini di una risonanza magnetica, ci preoccupiamo solo dell'atomo di idrogeno, che è abbondante poiché il corpo è costituito principalmente da acqua e grasso. Questi atomi ruotano in modo casuale o precessionano , sul loro asse, come la trottola di un bambino. Tutti gli atomi vanno in varie direzioni, ma quando vengono posizionati in un campo magnetico, gli atomi si allineano nella direzione del campo.
Questi atomi di idrogeno hanno un forte momento magnetico , il che significa che in un campo magnetico si allineano nella direzione del campo. Poiché il campo magnetico corre dritto al centro della macchina, i protoni dell'idrogeno si allineano in modo da puntare ai piedi o alla testa del paziente. Circa la metà va in entrambe le direzioni, così che la stragrande maggioranza dei protoni si annullano a vicenda:cioè, per ogni atomo allineato verso i piedi, uno è allineato verso la testa. Solo un paio di protoni su ogni milione non vengono cancellati. Non sembra molto, ma il semplice numero di atomi di idrogeno nel corpo è sufficiente per creare immagini estremamente dettagliate. Sono questi atomi senza eguali quelli di cui ci occupiamo ora.
Successivamente, la macchina per la risonanza magnetica applica un impulso a radiofrequenza (RF) questo è specifico solo dell'idrogeno. Il sistema dirige l'impulso verso la zona del corpo che vogliamo esaminare. Quando viene applicato l'impulso, i protoni spaiati assorbono l'energia e ruotano nuovamente in una direzione diversa. Questa è la parte "risonanza" della risonanza magnetica. L'impulso RF li costringe a ruotare ad una frequenza particolare, in una direzione particolare. La frequenza specifica di risonanza è chiamata frequenza di Larmour e viene calcolato in base al particolare tessuto da sottoporre a imaging e all'intensità del campo magnetico principale.
All'incirca nello stesso momento i tre magneti gradienti entrano in azione. Sono disposti in modo tale all'interno del magnete principale che, quando vengono accesi e spenti rapidamente in un modo specifico, alterano il campo magnetico principale a livello locale. Ciò significa che possiamo scegliere esattamente di quale area vogliamo una foto; quest'area è denominata "fetta". Pensa a una pagnotta con fette sottili di pochi millimetri:le fette nella risonanza magnetica sono così precise. È possibile prelevare sezioni di qualsiasi parte del corpo in qualsiasi direzione, offrendo ai medici un enorme vantaggio rispetto a qualsiasi altra modalità di imaging. Ciò significa anche che non devi muoverti affinché la macchina ottenga un'immagine da una direzione diversa:la macchina può manipolare tutto con i magneti sfumati.
Ma durante la scansione la macchina emette un rumore tremendo, simile a un martellamento rapido e continuo. Ciò è dovuto al fatto che la corrente elettrica crescente nei fili dei magneti del gradiente si oppone al campo magnetico principale. Più forte è il campo principale, più forte è il rumore del gradiente. Nella maggior parte dei centri di risonanza magnetica è possibile portare con sé un lettore musicale per attutire il frastuono e ai pazienti vengono forniti dei tappi per le orecchie.
Quando l'impulso RF viene spento, i protoni dell'idrogeno ritornano lentamente al loro allineamento naturale all'interno del campo magnetico e rilasciano l'energia assorbita dagli impulsi RF. Quando lo fanno, emettono un segnale che le bobine captano e inviano al sistema informatico. Ma come si trasforma questo segnale in un'immagine che abbia un significato?
Lo scanner MRI può individuare un punto molto piccolo all'interno del corpo del paziente e chiedergli, in sostanza, "Che tipo di tessuto sei?" Il sistema attraversa punto per punto il corpo del paziente, costruendo una mappa delle tipologie tissutali. Quindi integra tutte queste informazioni per creare immagini 2D o modelli 3D con una formula matematica nota come trasformata di Fourier . Il computer riceve il segnale dai protoni rotanti come dati matematici; i dati vengono convertiti in un'immagine. Questa è la parte "imaging" della risonanza magnetica.
Il sistema MRI utilizza contrasto iniettabile , o coloranti, per alterare il campo magnetico locale nel tessuto esaminato. I tessuti normali e anormali rispondono in modo diverso a questa leggera alterazione, dandoci segnali diversi. Questi segnali vengono trasferiti alle immagini; un sistema MRI può visualizzare più 250 sfumature di grigio per rappresentare il tessuto variabile [fonte:Coyne]. Le immagini consentono ai medici di visualizzare diversi tipi di anomalie tissutali meglio di quanto potrebbero senza contrasto. Sappiamo che quando facciamo "A", il tessuto normale apparirà come "B"; in caso contrario, potrebbe esserci un'anomalia.
Una radiografia è molto efficace per mostrare ai medici un osso rotto, ma se vogliono dare un'occhiata ai tessuti molli di un paziente, inclusi organi, legamenti e sistema circolatorio, probabilmente vorranno una risonanza magnetica. E, come accennato nell'ultima pagina, un altro grande vantaggio della risonanza magnetica è la sua capacità di acquisire immagini su qualsiasi piano. La tomografia computerizzata (TC), ad esempio, è limitata a un piano, quello assiale piano (nell'analogia della pagnotta di pane, il piano assiale sarebbe il modo in cui viene normalmente affettata una pagnotta). Un sistema MRI può creare immagini assiali e sagitali (affettando il pane lateralmente nel senso della lunghezza) e coronale (pensa agli strati di una torta a strati) immagini, o qualsiasi livello intermedio, senza che il paziente si muova mai.
Ma con queste immagini di alta qualità, il paziente non può muoversi molto. Le scansioni MRI richiedono che i pazienti rimangano fermi per 20-90 minuti o più. Anche il minimo movimento della parte da scansionare può causare immagini distorte che dovranno essere ripetute. E questo tipo di qualità ha un costo elevato; I sistemi MRI sono molto costosi da acquistare e quindi anche gli esami sono molto costosi.
Ma ci sono altri costi? E la sicurezza del paziente?
Forse sei preoccupato per l'impatto a lungo termine della mescolanza di tutti i tuoi atomi, ma una volta che sei fuori dal campo magnetico, il tuo corpo e la sua chimica tornano alla normalità. Non sono noti rischi biologici per gli esseri umani derivanti dall'esposizione a campi magnetici della potenza utilizzata oggi nell'imaging medico. Il fatto che i sistemi MRI non utilizzino radiazioni ionizzanti, come fanno altri dispositivi di imaging, è un conforto per molti pazienti, così come il fatto che i materiali di contrasto per MRI hanno un’incidenza molto bassa di effetti collaterali. La maggior parte delle strutture preferisce non fotografare le donne incinte, a causa della ricerca limitata sugli effetti biologici dei campi magnetici sul feto in via di sviluppo. La decisione se sottoporre o meno la scansione di una paziente incinta viene presa caso per caso previa consultazione tra il radiologo MRI e l'ostetrico della paziente.
Tuttavia, la sala MRI può essere un luogo molto pericoloso se non vengono osservate rigorose precauzioni. Le carte di credito o qualsiasi altra cosa con codifica magnetica verranno cancellate. Gli oggetti metallici possono diventare proiettili pericolosi se vengono portati nella sala di scansione. Ad esempio, graffette, penne, chiavi, forbici, gioielli, stetoscopi e altri piccoli oggetti possono essere tirati fuori dalle tasche e dal corpo senza preavviso, e a quel punto volano verso l'apertura del magnete a velocità molto elevate.
Anche i grandi oggetti rappresentano un rischio:secchi per la pulizia, aspirapolvere, aste per flebo, barelle per pazienti, cardiofrequenzimetri e innumerevoli altri oggetti sono stati tutti trascinati nei campi magnetici della risonanza magnetica. Nel 2001, un ragazzo sottoposto a scansione fu ucciso quando una bombola di ossigeno fu inserita nel foro magnetico [fonte:McNeil]. Una volta, una pistola volò fuori dalla fondina di un poliziotto e la forza fece sparare. Nessuno è rimasto ferito.
Per garantire la sicurezza, i pazienti e il personale di supporto devono essere accuratamente controllati per individuare eventuali oggetti metallici prima di entrare nella sala di scansione. Spesso però i pazienti hanno degli impianti al loro interno che rendono molto pericoloso per loro trovarsi in presenza di un forte campo magnetico. Questi includono:
La maggior parte degli impianti chirurgici moderni, comprese le graffette, le articolazioni artificiali e gli stent, sono realizzati con materiali non magnetici e, anche se non lo sono, potrebbero essere approvati per la scansione. Ma informa il tuo medico, poiché alcuni hardware ortopedici nell'area di una scansione possono causare distorsioni nell'immagine.
