Nobel Medicina 2003

ISTITUTO DI STUDI COMUNISTI

KARL Marx – FRIEDRICH ENGELS

istcom@libro.it

www.istcom.it

 

 Conferimento del Premio Nobel per la Medicina 2003

 

 

DISAMINA E DISCUSSIONE

 

 Con questo lavoro l’Istituto intende aprire una sezione dedicate ai Nobel che vengono conferiti al fine di contribuire ad una informazione e formazione scientifiche più attente e puntuali, all’altezza dei tempi.

 

dicembre. 2003

 

 

 

In relazione ai contenuti scientifici essenziali del premio Nobel per la fisica conferito ad Abrikosov, Ginzburg e Legget, per la scoperta sui supeconduttori, e a quello conferito per la medicina a Lauterbur e Mansfield è stato elaborato il presente lavoro. I due “premi” sono strettamente legati fra loro: se infatti, per il secondo Nobel l’argomento ha come oggetto la risonanza magnetica, il primo e cioè quello per la fisica, riguarda il principio di funzionamento e le proprietà dei materiali superconduttori, che sono la base costitutiva della gran parte delle macchine di risonanza magnetica attualmente usate.

Si è quindi ritenuto necessario trattare l’argomento della risonanza magnetica mediante una panoramica conoscitiva sul suo principio tecnologico di funzionamento e sulle sue indicazioni diagnostiche, ma ponendo il tutto anche in funzione di una maggiore comprensione sui possibili sviluppi relativi alla scoperta dei tre fisici. In tutta la loro complessità scientifica ed in tutto il loro significato tecnologico.

 

PREMESSA

 

La presente relazione vuole essere un corposo exursus sui principi di funzionamento della RM, la sua componentistica ed il relativo impiego clinico; poiché tale metodica sta conoscendo rapidi sviluppi evolutivi, si ritiene necessario un aggiornamento costante delle innovazioni tecnologiche e delle conoscenze scientifiche poste a base del processo. Per tale motivo questa trattazione non è da considerarsi chiusa in modo definitivo, ma vuole essere una fonte costante di integrazione e approfondimento delle informazioni scientifiche sull’argomento. Vengono altresì riportate doverosamente, le referenze bibliografiche che hanno costituito l’impalcatura strutturale del lavoro (ed a cui si rimanda), con evidente elaborazione concettuale del tutto soggettiva.

 

RIFERIMENTI STORICI

 

La risonanza magnetica nucleare (RMN o RM) è un fenomeno noto fin dagli anni ’40: come riferimenti storici essenziali infatti, devono essere citate la scoperta della RM (quale fenomeno fisico) da parte di F. Block a Stanford e di E.M. Purcell ad Harvard nel 1946, per la quale venne conferito loro il premio Nobel in fisica nel 1952; successivamente R. Damadian nel 1971 e P. Lauterbur nel 1973 definirono rispettivamente l’importanza diagnostica della RM nello studio dei tumori e le basi caratteristiche dell’imaging. Lo stesso Lauterbur con esperimenti su animali nel 1972, era stato l’autore della prima immagine di RM, mentre la RM di un dito dell’organismo umano fu ottenuta nel 1976 da Mansfield. Successivamente nel 1977, Damadian realizzò la prima immagine diagnostica dell’intero corpo umano. Per tutto il corso degli anni ’80 e ’90 i progressi tecnologici hanno consentito una possente evoluzione in termini di accorciamento dei tempi d’esame, nonché in netto miglioramento della qualità delle immagini, fino ad arrivare alla RM angiografica senza mezzo di contrasto, con Dumoulin.

In Italia la RM si afferma compiutamente solo a partire dal ’90.

 

INTRODUZIONE

 

I fondamenti tecnici della RM e il notevole sviluppo applicativo della metodica, risiedono essenzialmente nella scoperta della possibilità di interazione delle radiofrequenze con i tessuti biologici in presenza di un campo magnetico di elevata intensità; la suddetta interazione in simil ambiente consente agli atomi, opportunamente attivati, di comportarsi come sorgente di energia misurabile. La RM consente quindi, in modo non invasivo e non ionizzante di ottenere immagini ad altissimo contrasto di sezioni corporee sui vari piani anatomici, senza alcun movimento per il paziente e per il sistema di scansione.

A differenza di quanto accade per la TAC la sorgente impiegata, pur facendo parte dello spettro elettromagnetico come quello dei raggi X, appartiene alla gamma delle radiofrequenze che hanno la proprietà di non produrre i cosiddetti effetti ionizzanti che sono alla base dei tristemente famosi danni radiobiologici indotti.

Ma il successo della RM risiede anche nella capacità di evidenziare strutture anatomiche in modo altamente dettagliato (vedesi encefalo e strutture non ossee delle articolazioni), e processi anatomopatologici in misura maggiore rispetto alla TAC, anche se con dettaglio (def. = risoluzione spaziale) talvolta inferiore. Per tale ultimo motivo la RM è entrata a pieno diritto nel novero delle attuali metodiche d’imaging laddove però va intesa in maniera complementare a tutte le altre, così come ciascuna di esse lo è in confronto alla stessa.

La RM inoltre è in grado di studiare la struttura e la natura biochimica delle molecole; questo processo è noto sotto la definizione di spettroscopia. Essa non fornisce ovviamente immagini molecolari ma determina lo spettro, e cioè la rappresentazione grafica in tracciato, di un segnale RM proveniente dal nucleo situato in una specifica molecola in esame; le varie forme chimiche di un nucleo atomico determinano un picco caratteristico per ciascuna di esse e l’area iscritta in ciascun picco corrisponde alla concentrazione di quel determinato metabolita. In altre parole ad ogni picco del tracciato corrisponde una sostanza che può essere in tal modo valutata nella sua concentrazione tissutale.

Con la spettroscopia (Risonanza Magnetica metabolica), si entra nel campo della “medicina molecolare”; una “nuova” medicina la cui fase è stata già aperta dalla biologia molecolare basata sulle tecniche del DNA ricombinante, e dall’impiego di anticorpi monoclonali come specifici markers molecolari, così come ricordato dagli autori Radda, Nalin e Vezzalini.

 

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO E COMPONENTI

 

Base dell’imaging di RM è il nucleo di idrogeno per due sue sostanziali caratteristiche: un forte momento dipolare magnetico o “spin” e la più alta concentrazione dell’elemento nell’organismo umano rispetto agli altri dotati di spin quali carbonio13, azoto14, fluoro19, sodio23, fosforo31, potassio39. L’imaging clinico quindi, è basato sulle modificazioni indotte dall’applicazione di RadioFrequenze (RF) su nuclei di idrogeno immersi in un Campo Magnetico Statico (CMS).

Una volta inserito il paziente in un CMS i nuclei di H in prevalenza (più della metà, e quindi non tutti), si orientano lungo la direzione del campo magnetico assumendo un movimento di rotazione (precessione), intorno all’asse del CMS. Tale precessione ha una frequenza caratteristica che gioca un ruolo decisivo per il fenomeno della risonanza, definita in fisica come quel fenomeno capace di amplificare le oscillazioni periodiche di un sistema, aumentandone l’ampiezza tramite la somministrazione di energia sotto forma di impulsi periodici applicati ad una frequenza di oscillazione, propria del sistema (o pari al sistema); quella frequenza di oscillazione, che è caratteristica del sistema.

Come a dire per l’altalena.

Anche se inizialmente ferma, essa rappresenta un sistema dotato di una certa frequenza di oscillazione legata alla sua lunghezza. Quando spingendola una prima volta si somministra il primo impulso essa si mette in movimento, oscillando. Il secondo impulso e i successivi dovranno essere sincronizzati con il moto oscillatorio, per ottenere il massimo di ampiezza. Nel caso invece di somministrazione di spinte con una periodicità diversa da quella di oscillazione del sistema, si otterrà come effetto un’alterazione distruttiva del moto, con una sottrazione di energia assorbita da chi fornisce gli impulsi. In altri termini, se la frequenza degli impulsi è pari a quella di oscillazione, l’assorbimento dell’energia delle spinte sarà ottimizzato e ciò si tradurrà in un aumento progressivo dell’escursione rispetto alla posizione stazionaria di partenza; si dice pertanto che il sistema oscillante (altalena) è entrato in risonanza con la frequenza di applicazione degli impulsi di energia (spinte). Se poi, il sistema risonante non è dotato di sufficiente elasticità meccanica l’assorbimento di energia avrà un limite (lo ha in effetti anche per l’altalena), oltre il quale si manifestano fenomeni distruttivi (vedi bicchiere sotto l’effetto delle onde di pressione acustica).

Detto ciò si comprende più facilmente che il fenomeno della RM si verifica solo quando l’onda interrogante e cioè l’impulso di RF, ha la stessa frequenza di oscillazione del moto di precessione degli spin immersi nel CMS.

Quindi riepilogando, all’inserimento dei nuclei di H nel CMS conseguono due eventi: il prevalente orientamento dei dipoli magnetici Nord-Sud lungo l’asse del CMS e il loro movimento di precessione nucleare. Si dice a questo punto che si è originata una magnetizzazione macroscopica longitudinale (MML, poiché “parallela” a quella dell’asse del CMS).

Per avere un buon segnale di risonanza è importante che la MML sia intensa. Perché ciò avvenga il CMS deve essere a sua volta di forte intensità. Più è intenso il CMS e più forte è la MML, migliore in linea di principio risulta essere il segnale di RM; vedremo in seguito e più dettagliatamente che l’intensità del CMS è uno dei fattori caratteristici strettamente correlato alla scoperta dei fisici insigniti del premio.

Applicando un impulso di RF alla stessa frequenza del moto di precessione si ottiene il fenomeno risonante. Accade cioè che parte degli spin che precedevano in direzione parallela all’asse del CMS, ora assumono direzione opposta (“antiparallelo”); per intenderci il Nord-Sud del dipolo, ruota e si dispone sempre parallelamente all’asse del CMS ma con verso Sud-Nord. Si riduce quindi fino a potersi annullare la differenza fra gli spin in parallelo e gli spin in antiparallelo. Contemporaneamente tutti gli spin assumono una disposizione in fase, anche se per la metà di essi in direzione opposta. Ruotano cioè con la medesima frequenza occupando il medesimo spazio.

Tale processo determina una magnetizzazione macroscopica trasversale (MMT) al CMS, che sarà determinante per la misurazione del segnale RM, ma solo dopo aver disapplicato l’impulso RF.

Va precisato che si decide di applicare l’impulso RF al sistema degli spin, in quanto le magnetizzazioni MML e MMT poiché infinitamente più piccole del CMS, non risultano essere misurabili. Occorre quindi rendere queste MM entità variabili nel tempo così da poterle misurare.

Al cessare dell’impulso RF infatti, si verificano altri due momenti simultanei: il rilassamento nucleare e la formazione del segnale RM. Il sistema degli spin infatti all’esaurirsi dello stimolo esterno dell’RF, tende a ripristinare le condizioni iniziali, energeticamente più favorevoli: perdita della rotazione in fase e riallineamento prevalentemente longitudinale al CMS degli spin stessi. Tale riassetto nucleare comporta la cessione di energia e quindi una perdita della MMT che, in quanto campo magnetico mobile, e cioè variabile nello spazio, genera una forza elettromotrice (f.e.m.) opportunamente rilevata da una bobina orientata. La f.e.m. indotta (conosciuta anche come FID – Free Induction Decay), rappresenta la base del segnale RM. Il recupero della condizione degli spin antecedente all’impulso RF avviene attraverso tempi di rilassamento differenti fra tessuto e tessuto. I tempi, che possono essere brevi o lunghi, sono detti T1 se riferito al recupero della MML e T2 se riferito alla perdita della MMT. I due tempi non sono affatto speculari fra loro, tant’è che il T1 contribuisce sempre al rilassamento T2 ma non viceversa. A seconda delle caratteristiche tissutali e quindi dei rispettivi tempi di rilassamento, brevi o lunghi, la f.e.m. indotta nella bobina dal riposizionamento nucleare può essere più o meno intensa.

Ad esempio, tessuti a T1 lungo forniscono una debole f.e.m. mentre quelli a T1 breve risultano più intensi. L’imaging viene costruito attraverso una elaborazione digitale che conferisce convenzionalmente il colore bianco al segnale elevato e quello nero al basso segnale di f.e.m..

La selezione del segnale di provenienza dallo strato del volume corporeo in esame, è ottenuta mediante l’impiego di campi magnetici addizionali a gradiente, e cioè comprendenti l’intero volume corporeo ma con diversa intensità (estremamente inferiore a quella del CMS, nonché disomogeneo e cioè crescente gradatamente nel tempo e nelle tre direzioni dello spazio), tra i vari strati e all’interno di questo, tra i vari punti del volume stesso. Tale ulteriore scelta è motivata dalla diversa frequenza di precessione (che è proporzionale all’intensità del campo magnetico), assunta da parte dei nuclei nei diversi punti dello strato, e così causata proprio dai gradienti. Questo ci consente di ricostruire la matrice dell’immagine voxel per voxel.

 

Ciò detto, veniamo alla componentistica che è poi quella che ci farà comprendere meglio la natura della scoperta dei fisici e relativa proprio alll’hardware di un sistema RM, non senza precisare che la descrizione del principio fisico di funzionamento fin qui esposta, benchè non apparentemente pertinente, è in realtà sicuramente servita ad una più corretta interpretazione dei vari componenti funzionali, come da qui in avanti vedremo.

 

Abbiamo nell’ordine:

 

  • Componente utile per l’induzione della magnetizzazione macroscopica tissutale (magnete)

  • “ deputata all’eccitazione controllata degli spin (bobine di gradienti, bobine di RF)

  • “ necessaria per il rilevamento e l’elaborazione del segnale (bobine di gradiente, antenne di RF, convertitore analogico-digitale, calcolatore)

  • “ deputata al controllo dell’intero processo e all’interazione operatore-macchina (calcolatore e consolle).

 

Tralasciando opportunamente gli elementi non di necessaria pertinenza con l’oggetto della nostra analisi, quali il calcolatore, il convertitore analogico-digitale e la consolle, veniamo subito all’osservazione di quello che può definirsi il cuore della RM nonché il perno intorno a cui ruota la scoperta dei tre fisici: il magnete.

È la componente di maggior costo del sistema.

Il compito principale del magnete è quello della produzione del campo statico che serve a differenziare i livelli energetici degli spin, in modo da renderli suscettibili al processo di eccitazione e capaci di produrre un segnale; le caratteristiche rilevanti a questo scopo non risiedono tanto nel tipo di sorgente del campo (magneti permanenti, resistivi e superconduttivi), quanto nei parametri che definiscono il campo statico, ottenuto mediante differenti modalità costruttive o tipi di progetto. In altre parole, non è il tipo di magnete di per sé che da un particolare tipo di campo, quanto invece le caratteristiche tecnologiche insite nella costruzione di quel tipo di magnete che non consentono di ottenere un altro diverso tipo di campo da quello ottenuto.

La funzione del magnete è quella di generare il CMS di opportuna intensità, il più possibile omogeneo e stabile su volumi estesi. In relazione a tali caratteristiche i magneti condizionano la qualità dell’immagine e degli spettri RM ottenibili.

In campo diagnostico generalmente si impiegano magneti di intensità variabile tra 0.2 e 2 Tesla (T); è possibile comunque ottenere immagini in una gamma di intensità che variano da 0.04 a 4 T. Per meglio comprendere la natura di queste intensità, ricordiamo che il campo magnetico terrestre varia tra 0.02 e 0.07 mT. Si tratta dunque di alte intensità richieste in funzione di un miglioramento del rapporto segnale/rumore dell’immagine. Il concetto di rumore è facilmente intuibile ed è sostanzialmente relativo a tutte quelle fonti di degradazione qualitativa dell’immagine che possono essere più o meno controllate ma non del tutto eliminate, in quanto componenti inscindibili del segnale. Queste fonti sono costituite dall’ Hardware (elettronica associata), dal software (processi di elaborazione), dall’ambiente circostante (trasmissioni di servizio a carattere interferente con le frequenze di precessione dell’H) e dalle caratteristiche dei tessuti biologici oggetto di studio (dinamica chimico-fisica molecolare). Il rumore quindi, essendo una componente insita nel sistema non può essere del tutto eliminata, anche se può essere relativizzata con i miglioramenti tecnici e tecnologici. Per tale motivo l’unica opzione possibile è quella di agire sul rapporto segnale/rumore.

L’impiego di intensità maggiori migliora sensibilmente tale rapporto, tant’è che a fronte di intensità pari a 0.3-0.6 T sufficienti per ottenere le immagini di RM, si impiegano oggi mediamente, magneti con intensità di 1,5 T. Limiti importanti per l’imaging, nell’incremento dell’intensità di campo risiedono sostanzialmente nell’aumento della suscettività magnetica (artefatti per presenza di clip vascolari e chirurgiche, aria, protesi) e da chemical shift (errata distribuzione dei segnali, provenienti dalle interfacce con tessuti di diverso legame chimico, nella matrice di ricostruzione). Inoltre, per fattori dipendenti dallo scambio termodinamico intermolecolare, l’aumento del CMS comporta un allungamento del tempo T1, che come abbiamo già visto se non è breve, determina una f.e.m. di debole intensità fornendo quindi un basso segnale RM. Ma altri limiti all’aumento dell’intensità di campo, risiedono in motivazioni di natura protezionistica come avremo modo di vedere nel paragrafo dedicato.

Nel caso della spettroscopia l’intensità minima richiesta è di 1,5 T dovendo necessariamente agire su una larga banda di radiofrequenze nel calcolo sulla concentrazione del singolo metabolita in un volume ridotto. Anche in questo caso però vi sono sistemi operanti che arrivano fino a 4 T.

Alla caratteristica qualitativa fondamentale dell’intensità se ne aggiunge un’altra, parimenti importante, e che è l’omogeneità del campo.

Se l’intensità ci consente di determinare la quantità degli spin risonanti, l’omogeneità ci permette di mantenere tale condizione (quantità spin e loro frequenze di precessione) nell’intero volume d’esame. Anche l’omogeneità di campo quindi, influisce sulla qualità dell’immagine ma determina perfino una scorretta interpretazione dell’informazione stessa come avviene nel caso del T2* (T2 star); fino a questo momento, abbiamo avuto modo di conoscere il T2 che è l’espressione della perdita di fase conseguente alla interruzione dell’impulso RF. Il T2 esprime in effetti le inomogeneità intrinseche al tessuto in esame; il T2* invece esprime anche quelle inomogenità conseguenti e provocate dalle non omogeneità assoluta del CMS. La misura del T2* quindi, non riflette fedelmente, le caratteristiche del tessuto esaminato. La caratteristica dell’omogeneità del CMS è fondamentale perché ci consente di mantenere costanti le condizioni di magnetizzazione degli spin e quindi di rilevare quelle che sono le reali espressioni dei tessuti.

È un problema che riguarda proprio l’omogeneità di campo, la temperatura ambientale. In particolare i campi magnetici sono sensibili al tasso di umidità in quanto le particelle d’acqua presenti nell’aria e/o condensate sul magnete, ne alterano l’omogeneità stessa. Per tale motivo la temperatura ambientale (intesa nel tasso di umidità) deve essere opportunamente controllata nella sala del gantry (magnete).

Per la verità comunque una completa e assoluta omogeneità non esiste per cui si impiegano tecniche dette di shimming, che consistono in un uso di dispositivi magnetici (gradienti di campo) che correggono il campo ove richiesto, ma tale ricorso diviene ovviamente più o meno importante (anche economicamente) a seconda delle caratteristiche reali dei vari tipi di magnete.

Intensità e omogeneità di campo devono essere comunque opportunamente stabilizzate nel tempo. Per tale motivo gli sforzi che si compiono nella correzione del campo sono mirati principalmente ai volumi utili, e cioè a quei volumi corporei oggetto d’esame. Quest’ultima notazione ci consente di comprendere anche la natura della RM diagnostica: si tratta infatti di una metodologia che richiede esami mirati a zone anatomiche di preciso interesse clinico, a differenza di quanto può avvenire con altre metodologie. È purtroppo questo un problema serio in quanto specie per i medici di base la mancanza di conoscenza della procedura a RM diviene troppo spesso, causa di richieste del tutto incongruenti o che prevedono più sedute d’esame.

In relazione a quanto fin ora detto sulle caratteristiche fondamentali, esistono vari tipi di magnete la cui differenza fra loro è senz’altro notevole sia nella concezione strutturale sia di conseguenza nei parametri qualitativi. Ovviamente ciò influisce sui costi di acquisto, installazione ed esercizio.

 

Il magnete permanente.

 

È costituito da grosse quantità di ferrite o anche da leghe di neodimio-boro-ferro, che vengono magnetizzate ad opera di potenti scariche elettriche. Il materiale utilizzato consente di mantenere a lungo la magnetizzazione acquisita. Questi magneti vengono assemblati e tarati sul posto per assicurare la più corretta intensità e omogeneità possibile, poiché essendo questo un sistema dipolare, la stessa omogeneità di campo è dipendente dal disegno architettonico delle espansioni polari.

Vantaggi: minima dispersione di campo e quindi minimizzazione dei problemi di schermatura; spese di gestione contenute data la non necessità di corrente elettrica, né di acqua o fluidi criogeni; possibilità di uso di bobine a RF di tipo solenoidali ad alto rapporto segnale/rumore data la favorevole geometria del campo (architettura del magnete ad orientamento verticale del CMS); riduzione dell’effetto proiettile (oggetti paramagnetici come chiavi, monete, ecc. attratti con estrema violenza da sembrare veri e propri proiettili); configurazione “aperta” che consente la riduzione degli effetti claustrofobici; minimo ingombro e peso ridotto per i piccoli sistemi dedicati solo alle articolazioni.

Svantaggi: l’intensità massima del CMS è limitata a 0.3 T; per i sistemi total-body le dimensioni e il peso del magnete risultano essere troppo elevate (10-15 tonnellate); fluttuazione dell’intensità di campo dovuta per la particolare sensibilità del sistema, alle escursioni termiche; omogeneità del campo troppo dipendente dalla struttura assemblante i blocchi di ferrite, come già visto sopra.

Per il magnete permanente esiste finora un’esperienza assolutamente limitata ed in ogni caso è da intendersi relegata nel museo della storia.

 

 

 

Il magnete resistivo.

 

Per la precisione si tratta di un elettromagnete. A differenza del precedente infatti, per creare un campo magnetico ha bisogno continuamente di corrente elettrica. È costituito da un nucleo di ferro avvolto da una bobina di alluminio o rame, talché l’intensità del campo magnetico generato dal passaggio di corrente è direttamente proporzionale alla corrente stessa. La resistenza intrinseca del filamento di rame o alluminio, produce un calore proporzionale alla resistenza intrinseca e pari al quadrato del flusso di corrente. Inoltre, l’intensità del CMS è funzione della corrente fornita e il consumo di energia aumenta con il quadrato dell’intensità del CMS. Ne consegue che esiste un punto limite oltre il quale non poter fornire più energia elettrica per la grande quantità di calore dissipato. Tale punto può essere, molto parzialmente, corretto dalla geometria del magnete (espansioni polari).

Vantaggi: costo relativamente basso; non necessità di fluidi criogeni (raffreddamento ad acqua); campo spegnibile ad apparecchiatura non in uso; diversi tipi di geometrie di campo (architettura del magnete) alcune delle quali ( iron-core e air-core trasversale o verticale), consentono l’impiego di bobine RF solenoidali con alto rapporto segnale/rumore.

Svantaggi: enorme consumo di energia elettrica; massima intensità di campo a 0.28 T (negli iron-core può raggiungere i 0.5 T); sensibilità a variazioni di temperatura per cui non assicura la costante intensità, omogeneità e stabilità nel tempo (anche in questo caso la temperatura alta, soprattutto, rende il CMS fluttuante); campo di entrata angusto (migliore nell’iron-core); elevato consumo di acqua.

 

Il magnete superconduttore.

 

Costituisce il materiale principe della maggior parte dei sistemi a RM attualmente impiegati in diagnostica (tendenza verso la scelta del magnete superconduttore di 4:1); consente di effettuare anche la spettroscopia a differenza di altri tipi di magnete che non consentono tale indagine.

È basato sul fenomeno proprio di alcuni materiali (nichel-niobio-titanio), di presentare una resistenza pressoché nulla al passaggio di corrente se portati ad una temperatura prossima allo zero assoluto e cioè pari a -273 °C (nella scala centigrada, o Celsius, introdotta dall'astronomo svedese Anders Celsius e impiegata nella maggior parte dei paesi, il punto di fusione corrisponde a 0 °C, quello di ebollizione a 100 °C. In ambito scientifico è più diffusa invece la scala assoluta, o Kelvin, inventata dal matematico e fisico britannico William Thomson Kelvin. In questa scala lo zeroassoluto è a -273,15 °C (che corrisponde a 0 K) e l'intervallo di temperatura assegnato a un grado è uguale a quello della scala centigrada); questa bassa temperatura viene ottenuta immergendo le spire superconduttrici in elio liquido.

Gli studi sperimentali degli ultimi condotti in Giappone, tendevano all’isolamento di un materiale superconduttivo ceramico già a -18° C.

L’impiego del superconduttore ha trovato successo proprio perché è l’unico materiale ad assicurare una elevazione d’intensità del CMS (a Tesla indefinito), rispetto ad altri materiali le cui bobine non possono essere percorse da energia elettrica oltre un punto limite, a causa dell’enorme quantità di calore che verrebbe dissipata per l’effetto della resistenza e che in tal caso genererebbe una distorsione dell’omogeneità e dell’intensità di campo non voluta.

Per ottenere uno stesso campo quindi, non basterebbe strutturare lo stesso sistema di raffreddamento creato per il superconduttore agli altri tipi di magnete (ammesso che questo consentirebbe una conduzione elettrica), poiché occorrerebbe comunque una quantità di energia assolutamente più alta con dissipazione di una quantità di calore ancora più alta. Il superconduttore, a parità di CMS, prevede una quantità di energia più bassa talchè occorrente solo per l’iniziale energizzazione, visto che una volta attivato il fenomeno di superconduttività rimane alterato nel tempo senza ulteriore alimentazione elettrica. Il CMS decade infatti con una costante di tempo tanto più lunga quanto più bassa è la resistenza complessiva dell’avvolgimento. A differenza del permanente, che parimenti è in grado di mantenere a lungo la magnetizzazione, nel caso del superconduttore non vi è bisogno di potenti scariche elettriche di avviamento del sistema; ulteriore differenziazione con il permanente riguarda l’intensità di campo: un magnete permanente di 0,3 T pesa circa 100 tonnellate.

Il superconduttore non è altamente sensibile alla temperatura ambientale (per questo mantiene anche una più elevata omogeneità di campo rispetto agli altri). Il raffreddamento infatti, riguarda solo le spire conduttrici che vengono opportunamente isolate come in un thermos per impedire al calore esterno (temperatura ambientale) di influire sul freddo interno di tale avvolgimento (criostato). In realtà il criostato prevede altissimi costi di costruzione e di manutenzione, anche dato l’elevato costo e consumo dei fluidi criogeni.

La temperatura ambientale può essere tenuta per questi magneti a circa 24° C con un tasso di umidità pari al 55%.

Inoltre a differenza del resistivo che ha bisogno solo di acqua per il raffreddamento, il superconduttore consente un più alto flusso di pazienti esaminati poiché non ha bisogno di tempo per consentirne il raffreddamento come invece accade per il resistivo stesso.

Un fenomeno molto importante che si può verificare con la tecnologia superconduttiva è quello del quenching, che consiste nel ripristino della resistenza nell’avvolgimento con conseguente scarica completa di energia immagazzinata nel magnete (che può avvenire per eccessiva secchezza del tasso di umidità), con effetti ambientali del tutto distruttivi. Ha luogo sia quando s’incrementa indiscriminatamente la corrente ed il campo magnetico, e sia nel caso di espulsione dei gas criogeni all’interno dell’ambiente circostante il magnete. Tale ultima eventualità comporta lo spargimento di liquidi o gas criogeni nel locale rendendo l’aria irrespirabile, congelando i tessuti umani trovatisi a contatto con essi e aumentando la pressione dell’aria all’interno della sala, impedendone perfino l’apertura della porta d’accesso. Anche l’evaporazione dell’elio costituisce una seria problematica ed avviene quando dopo un’interruzione di fornitura di corrente, si blocca la pompa di circolazione dell’elio stesso, che finisce per evaporare. Per circa 10-12 ore di interruzione della circolazione d’elio, vengono calcolati danni dell’ordine di una decina di milioni delle vecchie lire.

Riepilogando, si hanno:

Vantaggi: intensità di camponon limitata; elevata omogeneità di campo; bassa sensibilità a variazioni di temperatura; non necessità di corrente elettrica (se riferita al magnete e, dopo l’iniziale energizzazione); possibilità di uso ambivalente (immaging/spettroscopia) a partire da 1,5 T

Svantaggi: costo elevato; necessità di gas criogeni; effetto proiettile.

 

Il magnete ibrido

 

Sono costruiti cumulando i vantaggi del permanente e del resistivo con architettura simile all’iron –core (campo magnetico verticale che utilizza bobine a solenoide con elevato rapporto S/R).

Vantaggi: basso campo disperso; non necessità di criogeni; uso di bobine a solenoide

Svantaggi: peso maggiore rispetto ai resistivi e superconduttori; necessità di alta alimentazione elettrica;intensità di CMS massima limitata a 0,5 T; sensibilità alle variazioni di temperatura.

Basso il suo significato applicativo, non trova molto successo.

 

Le schermature dei magneti

 

Il forte campo magnetico in un apparecchio di RM comporta dei problemi per quanto riguarda la collocazione dell’apparecchio stesso. Esso può attrarre oggetti metallici, influenzare sistemi meccanici ed elettrici come computers, monitors, pacemaker ed apparecchi a raggi X. E viceversa ad opera delle onde radio o di grandi oggetti metallici.

Per prevenire queste influenze il sistema è racchiuso nella “gabbia di Faraday” (schermo metallico in rame). Questa gabbia delimita il campo elettromagnetico a RF.

Lo shielding invece riguarda la delimitazione del campo magnetico principale ed in particolare la sua dispersione.

Il ferro dolce impiegato a ciò, nella sala entro cui si trova il magnete, in presenza del CMS si magnetizza producendo un altro campo magnetico proporzionale allo spessore delle barre di cui è costituito e che si oppone alle linee di forza del campo originario (o principale). Si ottiene così una circoscrizione del campo magnetico alle vicinanze del magnete stesso.

Attualmente vengono però costruiti magneti autoschermanti.

Si tratta di uno schermo molto più efficace poiché non influisce sull’omogeneità di campo del volume utile e consente di installare apparecchiature ad elevata intensità di campo in spazi ridotti come i tomografi (o magneti) di 1,5 T in 50 metri.

L’autoschermatura è ottenuta mediante un avvolgimento di un superconduttore contenuto nella stessa camera dell’avvolgimento generante il CMS e dentro il bagno d’elio. In tal modo il superconduttore di schermatura impedisce al campo principale la diffusione al di fuori del volume utile (tipo manicotto con finestra d’uscita).

 

Sottosistema dei gradienti

 

Abbiamo già accennato ai gradienti nell’introduzione della componentistica della RM. Si tratta di campi magnetici variabili nel tempo e nello spazio e d’intensità crescente in modo uniforme lungo una direzione, in aggiunta al CMS principale.

Ciò serve al processo di ricostruzione dell’immagine e precisamente alla localizzazione spaziale del segnale di provenienza. Sono infatti sistemati in modo da ottenere la determinazione dello strato del volume in esame e l’individuazione del segnale sui tre piani dello spazio dei voxel (grazie alla combinazione di opportuni impulsi di RF). Ciò è importante in quanto originariamente, il CMS essendo omogeneo crea per tutti i protoni del corpo una medesima magnetizzazione; se in questa situazione si invia un impulso RF, l’eccitazione ulteriore dei protoni è la stessa per tutti i protoni sull’intero volume; in queste condizioni non sapremmo mai da quale zona del corpo proviene il segnale. I gradienti servono quindi, proprio a discriminare il movimento degli spin.

Sono infatti tre i gradienti impiegati, e orientati lungo le direzioni Z, X ed Y dello spazio. Si ottengono così immagini in piano trasversale, coronale e sagittale senza alcun movimento per il paziente ed il sistema di scansione.

Il gioco è quello di modificare la messa in fase e la frequenza di precessione degli spin nei diversi punti del corpo, rilevandone il segnale di “ritorno”.

Il gradiente genera un campo aggiuntivo che è più debole del CMS di 2-3 ordini di grandezza.

L’efficacia del gradiente è data dalla potenza, che indica la massima variazione di campo (intensità) ottenibile nell’unità di tempo. Questa è responsabile dello spessore dello strato talché quanto più il gradiente cresce più sottile è lo strato corporeo.

Inoltre vi è il tempo di salita (crescita del gradiente). Tanto più rapido è questo tempo e tanto più si riduce il tempo d’esame.

I gradienti posti all’interno del gantry del magnete principale, sono di materiale resistivo.

Il rapporto fra potenza e tempo di salita è espresso dallo slew-rate in mT/m/msec (millitesla per metro al millisecondo).

 

Sottosistema delle radiofrequenze

 

Abbiamo già visto come la magnetizzazione MML ottenuta ad opera del CMS non sia misurabile. Si tratta infatti di una grandezza infinitamente più piccola del CMS e per giunta statica. Occorre quindi rendere la MML variabile nel tempo e quindi misurabile. Per questo si rende necessario istituire un nuovo equilibrio la cui successiva alterazione renda misurabile il fenomeno. Partendo dal presupposto che il movimento di precessione degli spin è dotato di una frequenza proporzionale all’intensità del CMS con una frequenza per i nuclei dell’H variabile da 6.4 MHz (per 0,15 T) a 85 MHz (per 2 T), si sceglie di inviare impulsi di RF in relazione a tale ampiezza dei MHz.

Viene quindi inviato al volume utile, un segnale RF e al termine dello stesso viene ricevuto un altro segnale RF poi elaborato dal calcolatore e dal convertitore analogico/digitale. Poiché il segnale RF di ricezione è basso (fra trasmissione e ricezione degli impulsi vi è un “tempo morto” durante il quale si perde gran parte del segnale), si procede alla sua riproduzione in forma di eco e cioè ad un altro successivo impulso con altrettante successive misurazioni la cui media viene interpretata ed analizzata al fine della composizione del segnale. Tale processo definisce le sequenze di acquisizione, ovverosia le modalità di variazione della direzione della MM (es. di 90°, oppure di 180° quasi sempre supplementare ai fini dell’amplificazione del segnale, detto ECO). Per la RM diagnostica tale proceso di amplificazione è indispensabile mentre per la spettroscopia può essere sufficiente l’acquisizione del segnale primario.

Il processo di instaurazione del nuovo equilibrio, al quale segue quanto sopra descritto per il segnale di provenienza, viene realizzato attraverso una sezione trasmittente delle RF che genera un ennesimo altro campo magnetico questa volta alternato, di bassa intensità ed alta frequenza generato da onde elettromagnetiche comprese nell’intervallo delle radiofrequenze, in direzione ortogonale a quello del CMS. Per la precisione tale campo di RF viene generato alla frequenza di risonanza nucleare e con il valore d’intensità necessario per ottenere nel tempo desiderato, il voluto ribaltamento dell’angolo di precessione degli spin ottenendone il nuovo equilibrio .

Si distinguono quindi due momenti: uno emittente e uno ricevente. Le bobine deputate a questo processo sono infatti differenti e finalizzate alle due fasi in modo separato.

Tali bobine costruite in rame sono alloggiate per la maggior parte dei sistemi a RM, nel tunnel del magnete e non in modo visibile dagli operatori.

Alcuni tipi di bobine riceventi sono posizionate “a contatto” con il volume utile del corpo, per una migliore ricezione e correzione del rapporto segnale/rumore. In effetti avvolgono il volume anche se il contatto diretto viene evitato.

La geometria e la forma delle bobine sono condizionate dal tipo di magnete in uso, per la necessaria perpendicolarità del campo a RF al CMS.

Proprietà magnetiche dei materiali 

In presenza di un campo magnetico esterno, non tutti i materiali si comportano allo stesso modo; la diversa “reazione” è legata al concetto di suscettibilità magnetica a sua volta dipendente dalla permeabilità magnetica. La relazione che intercorre fra questi due fondamentali parametri indica la “sensibilità” di un materiale all’azione del CMS e le modalità di risposta magnetica che questi originano nell’interazione con lo stesso CMS. In base a ciò distinguiamo le sostanze diamagnetiche, paramagnetiche e ferromagnetiche (fra cui le superparamagnetiche). La caratterizzazione di tali sostanze e la loro tipologia comportamentale sono descritte nel paragrafo relativo ai mezzi di contrasto in RM, essendo questi ultimi riferibili proprio a questo tipo di classificazione.

 Il significato diagnostico della RM e sue controindicazioni

La multifattorialità che è alla base della formazione delle immagini in RM (imaging in T1, T2, DP secondo piani trasversali, sagittali e coronali) , definiscono una metodica ad elevato contenuto informativo. La visualizzazione nella stessa immagini di tutte le strutture anatomiche è senza dubbio il più importante risultato ottenibile e che differenzia tale metodica dalle altre. In particolare a differenza della TAC, vi è la visualizzazione di strutture come cervelletto e tronco encefalico con alta definizione della sostanza bianca e della sostanza grigia ben differenziate, senza artefatti dovuti alle strutture ossee circostanti. Sicuramente la necessità di migliorare l’imaging dell’encefalo è alla base degli sforzi scientifici per la realizzazione della RM.

Anche nella patologia midollare la metodica costituisce un’indagine elettiva nelle sindromi midollari, nei processi espansivi intra ed extra midollari, nella malattia siringomielica. In angiologia inoltre, la RM permette l’esplorazione del lume vasale senza mezzo di contrasto (aneurismi); l’impiego del contrasto comunque può essere utile in alcuni casi, come approfondiremo in seguito.

Altra capacità della RM è quella di riconoscere molte più informazioni rispetto alla TAC anche se talvolta in modo non estremamente dettagliato; ciò significa che formazioni non visibili alla TAC possono essere riconosciute alla RM, e contemporaneamente formazioni riconosciute alla TAC con estremo dettaglio vengono senz’altro riconosciute alla RM ma con dettaglio inferiore.

I limiti della RM riguardano in particolare la visualizzazione dell’osso. La corticale infatti a causa del suo scarso contenuto in idrogeno non è visualizzabile, mentre lo è la spugnosa per l’effetto inverso. Altro limite è quello per le calcificazioni nella patologia vascolare non ben distinguibili dal sangue. In campo cardiovascolare invece, con le tecniche di sincronizzazione della ripresa delle immagini con il segnale elettrocardiografico (trigger cardiaco), è possibile ottenere buone immagini del cuore nelle diverse fasi dinamiche con possibilità di misurazione dello spessore delle pareti cardiache.

Altro salto di qualità è quello per l’addome laddove gli importanti progressi tecnologici (bobine phased-array) consentono oggi di eseguire esami accurati per il miglioramento della qualità delle immagini e rapidi (grazie anche alle sequenze turbo).

Ancora. Lo studio preciso e accurato delle articolazioni è possibile solo con la RM. Distretti quali ginocchio, spalla, caviglia e polso sono di elezione per questa metodica; i tessuti molli articolari (menischi, legamenti, capsula articolare, cuffia dei rotatori, tendini) ne costituiscono il punto di forza per l’elevato contrasto e la possibilità di ottenere sezioni multiplanari.

Un limite importante invece risiede nel fatto che la RM non è un esame facilmente eseguibile (o meglio, sopportabile per il paziente), e non è per tutti.

Esistono controindicazioni (assolute) all’indagine costituite da: protesi ferromagnetiche (valvole, clips, ecc.) e pacemaker per le quali l’esame non va effettuato. In particolare gli effetti sul pacemaker possono essere letali. Le protesi possono essere dislocate dalla sede anatomica con rischio di emorragie mentre nel caso del pacemaker può essere alterato il ritmo della stimolazione cardiaca; entrambe gli effetti sono da ascriversi all’alto CMS.

Fra le controindicazioni “relative” vi si trova il caso delle donne incinte: Benché privi di definitivo accertamento scientifico, si preferisce non eseguire l’esame in donne incinte almeno fino al 3° mese di gravidanza. Appartengono alle relative, le condizioni per le quali non è dimostrata la completa innocuità delle energie impiegate.

Altre controindicazioni dette anche “limitanti” riguardano la coniugazione fra lentezza del procedimento d’esame e paziente claustrofobico, o anche nel caso di pazienti non in grado di mantenere l’assoluta immobilità per tutto il tempo. Appartengono alle limitanti, quelle situazioni che pur senza rischio per il paziente rendono l’esame non sempre diagnosticamene valido.

Nei bambini molto piccoli è necessaria l’anestesia totale.

Riportiamo per completezza l’elenco delle varie tipologie di controindicazioni tratto dalla formulazione di molti autori:

 

  1. Controindicazioni assolute

 

  • Clip ferromagnetiche vascolari

  • Pace – maker cardiaco

  • Catetere di Swan-Ganz

  • Elettrodi endocorporei

  • Alcuni tipi di impianti cocleari

  • Protesi stapediali metalliche

  • Connettori metallici di shunt ventricolo-peritoneali

  • Filtri vascolari, stent e spirali metalliche

  • Dispositivi endocorporei ad attivazione magnetica o elettrica quali neurostimolatori, stimolatori di crescita ossea, pompe per infusione continua di farmaci,sfinteri ed impianti oculari magnetici

  • Protesi del cristallino con anse di titanio o platino

  • Corpi estranei ferromagnetici in sedi nobili quali le intracraniche, endoculare o vascolari;

 

  1. Controindicazioni relative

 

  • Gravidanza, specie nel primo trimestre

  • Turbe della termoregolazione

  • Protesi valvolari cardiache

  • Clip metalliche non vascolari

  • Corpi estranei ferromagnetici in sede non nobile

 

  1. Controindicazioni (o condizioni) limitanti

 

  • Protesi o dispositivi metallici non suscettibili di significativi effetti magnetomeccanici o termici ma che creino artefatti sulle immagini o che impediscono una perfetta immobilità del paziente (es. protesi dentarie, protesi ortopediche, ecc.)

  • Piccole particelle metalliche provenienti da strumenti chirurgici

  • Derivazioni ventricolo-peritoneali ferromagnetiche

  • Fili metallici di sutura post-craniotomia o post-sternotomia

  • Dispositivi intrauterini ferromagnetici

  • Prodotti cosmetici per ciglia

  • Movimenti involontari patologici

  • Problemi di natura psichica (ansia, claustrofobia, psicosi)

  • Impossibilità a mantenere a lungo la posizione clinostatica (tomografi a RM non “dedicati”), dovuta a deformità rachidee o a problemi cardio-respiratori

  • Pazienti non collaboranti.

 

I mezzi di contrasto

 

Malgrado l’imaging della RM sia caratterizzata da una notevole multifattorialità, l’impiego di mezzo di contrasto trova ancora larga applicazione. In radiologia convenzionale il m.d.c. è servito ad evidenziare strutture anatomiche non direttamente evidenziabili (pelvi renale, vescica, strutture angiologiche, albero biliare e colecisti, stomaco, intestino, ecc.); in TAC invece, l’impiego è finalizzato ad un potenziamento (enhancement) in generale delle densità contrastografiche sia nel caso delle strutture angiologiche, sia nel caso dei parenchimi. I m.d.c. possono essere di tipo “naturale” come avviene nel caso dell’aria contenuta in alcuni organi o visceri cavi, oppure “artificiali” che costituiscono dei veri e propri farmaci a somministrazione orale e/o endovenosa; il loro impiego radiologico è finalizzato alla diversa capacità di assorbimento dei raggi X, che è poi alla base della discriminazione e visualizzazione delle varie strutture anatomopatologiche. Per tale motivo l’azione contrastografica viene definita di tipo diretta ed è basata per l’aria (m.d.c. gassoso – radiotrasparente) sul basso numero atomico, mentre risulta essere il contrario per quelli farmacologici (m.d.c. baritato e/o iodato – radiopaco); l’effetto contrastografico sulla radiografia o anche sull’imaging digitale infatti, risulta essere scuro per i gassosi e opaco per gli altri tipi.

Nel caso della RM la funzione del m.d.c. è sostanzialmente la stessa, e cioè quella di discriminare le varie strutture potenziandone l’effetto densitometrico all’imaging. In tal caso però esistono differenze sostanziali nelle modalità fisio-patologiche cellulari organiche e nella composizione chimico-farmacologica delle sostanze impiegate talchè più autori rilevano la necessità di una diversa definizione in “agenti di contrasto” anzicchè “mezzo di contrasto”, e l’effetto non può più dirsi “densitometrico” ma di “intensificazione”.

Come ben osservato alcuni autori, la differenza sostanziale nella formazione dell’immagine fra TAC e RM sta nei loro diversi parametri fisici quali, per la RM i tempi di rilassamento T1, T2 e la DP, mentre per la TAC (e la radiologia in genere) l’unico parametro fondamentale è dato dal numero atomico (densità elettronica).

Per capire a fondo la modalità di azione degli agenti contrastografici in RM quindi, dobbiamo ricollegarci alla cinetica energetica di rilassamento protonico, già accennata nella descrizione del T1 e del T2; ciò è di fondamentale importanza poichè la funzione sostanziale degli a.d.c. è quella di agire sull’accorciamento dei tempi di rilassamento. Non in ultimo, e questo vale anche per la TAC va precisato che l’uso inappropriato e/o indiscriminato di sostanze ad effetto farmacologico (come purtroppo soventemente accade), è assolutamente inaccettabile dal punto di vista scientifico, economico ed etico-professionale; questo impiego rigorosamente razionalizzato è possibile solo con una solida padronanza dell’argomento trattato, in tutta la sua complessità.

 

Il meccanismo di rilassamento T1

 

Costituisce l’espressione della velocità con la quale viene recuperata la magnetizzazione longitudinale. È anche definito come tempo di rilassamento longitudinale, spin-reticolo o spin-lattice. Il T1 quindi, descrive la velocità con la quale avviene la cessione di energia, al termine dell’impulso di eccitazione, da parte dei nuclei risonanti all’ambiente molecolare circostante. Tale ambiente molecolare circostante gli spin risonanti, è costituito da complessi molecolari (acqua, lipidi e proteine) di varia forma e grandezza e determina la struttura molecolare di supporto agli spin. Per “reticolo” s’intente tale struttura di supporto.

La rapidità del ripristino della MML è funzione dell’efficienza degli scambi termodinamici fra spin e reticolo. Questi scambi sono determinati dalla congruenza fra la frequenza di risonanza dei nuclei di idrogeno, per un dato valore del campo magnetico statico e, la frequenza di vibrazione spontanea delle molecole del reticolo, per una determinata temperatura.

L’interazione spin-reticolo implica uno scambio termodinamico con alterazione energetica del macrosistema (reticolo).

Per i liquidi, il T1 è lungo: ciò infatti avviene perché nel caso del T1, l’acqua presenta un tempo di correlazione breve per l’alto numero di collisioni molecolari; tali rapidi moti molecolari presentano una distribuzione di frequenza ampia con media molto più alte rispetto ai moti precessionali degli spin. Ciò significa che il reticolo possiede movimenti roto-vibrazionali più rapidi di quelli del sistema di spin. Ne consegue che la cessione di energia da parte degli spin al reticolo risulta essere più lenta. Essa non è del tutto assente poiché solo la gran parte dei moti molecolari reticolari non ha congruenza con le frequenze di precessione degli spin, ma una piccola parte si (che è poi quest’ultima piccola parte che consente la cessione di energia anche se con lunga modalità). Le due strutture non sono quindi in perfetta risonanza.

Similmente avviene per le strutture solidi come le fibrosi, laddove il T1 è lungo: in questo caso la struttura solida è rigida ed i moti molecolari sono lenti. La distribuzione di frequenza delle vibrazioni è ristretta e quindi con velocità delle roto-vibrazioni molecolari minore rispetto ai moti precessionali degli spin. Anche in questo caso non vi è congruenza fra le due frequenze, e quindi anche in questo caso la cessione di energia da parte degli spin al reticolo è lenta.

Diversamente avviene per le strutture con mobilità molecolare intermedia come per le soluzioni glico-lipo-proteiche (grasso) laddove le due frequenze coincidono, la cessione di energia diventa efficace e rapida e quindi il T1 è corto. In questo caso infatti la distribuzione delle frequenze di velocità dei moti roto-vibrazionali del reticolo hanno una media coincidente con la distribuzione di frequenze delle velocità degli spin.

L’aumento dell’intensità del campo magnetico statico allunga il T1 perché determina un aumento di velocità di precessione degli spin causando una minore congruenza fra le due frequenze.

 

Il meccanismo di rilassamento T2

 

Costituisce l’espressione della velocità con la quale viene persa la magnetizzazione trasversale. È anche definito come tempo di rilassamento trasversale o spin-spin.

Il T2 quindi descrive l’andamento temporale della perdita di coerenza di fase del sistema, al cessare dell’impulso di RF perturbante.

L’interazione spin-spin implica uno scambio energetico che non da luogo ad alterazione energetica del macrosistema (reticolo).

La perdita di MMT è generata dalle disomogeneità interne (tessuti – causa intrinseca) ed esterne (non uniformità campo magnetico esterno statico – causa estrinseca). Nel primo caso, la perdita di coerenza di fase del sistema degli spin è determinata dalla influenza dei microcampi magnetici statici (componente statica), presenti nell’ambiente molecolare e quindi dalla loro particolare interazione con gli spin. Inoltre la stessa interazione fra gli spin risonanti comporta profonde modificazioni locali delle loro linee di forza magnetiche.

In altre parole accade che il protone risonante (acqua libera) sente il momento magnetico di altri spin protonici (spin risonanti non di H, spin non risonanti - componente statica), che sommano o sottraggono il valore del loro campo magnetico a quello dei protoni risonanti, a seconda del parallelismo assunto (come magistralmente descritto da Passariello); questo fatto in assenza di un impulso energetico superiore (pulse RF), altera la velocità angolare di precessione degli spin risonanti dell’idrogeno (acqua libera), in particolare quando i momenti magnetici locali oscillanti dei protoni vicini a quelli osservati (spin H). Tale alterazione della fase avviene più frequentemente nel caso in cui la rispettiva posizione spaziale dei protoni risonanti e dei protoni a componente statica (o anche dei protoni risonanti non di H) non varia nel tempo. Ecco perché il defasamento avviene più rapidamente nelle strutture solide o anche liquide ma ad alta viscosità (con maggiore componente statica). Questo scambio energetico dovuto alla influenza reciproca degli spin protonici, non altera l’equilibrio energetico del macrosistema (reticolo), ma può essere comunque misurato in quanto costituisce comunque una cessione energetica. La misurazione, che in termine tecnico viene definita “pesatura T2”, valuta i diversi tempi caratteristici di defasamento per le varie tipologie di tessuto.

Altra causa intrinseca del defasamento è dovuta alla “componente T1 del rilassamento T2”, e cioè a quei protoni sottratti al livello energetico superiore (e quindi alla messa in fase), instaurato dall’impulso RF che ovviamente tendono al recupero della MML. In altri termini il rilassamento T1 che comunque avviene indipendentemente dal T2, sottrae protoni alla messa in fase.

Cause estrinseche del rilassamento T2 sono: la non omogeneità perfetta (sempre presente) del CMS, che altera il movimento di precessione degli spin molto più velocemente del processo descritto precedentemente, e che è anche conosciuto come T2* (T2 star), ma che non riflette le caratteristiche tissutali e può quindi essere eliminato tramite modalità tecniche (particolare combinazione di impulsi RF a maggior impiego energetico). In realtà alcuni casi (rari), prevedono anche la misurazione del T2*. In ultimo vi è l’impiego dei gradienti che altrettanto contribuisce al defasamento e la cui necessità d’impiego (diversificazione del CMS nei singoli voxel) è già stata esaminata in altro paragrafo; anche in tal caso questo defsamento non è caratteristico dei tessuti e può essere eliminato con una modalità tecnica (inversione dei gradienti).

 

La densità protonica

 

Altro parametro fondamentale nella formazione dell’immagine è la DP (densità protonica), che rappresenta il numero di protoni risonanti (somma fra gli antiparalleli e i paralleli) per voxel. Come abbiamo già visto infatti, i protoni risonanti sono solo quelli appartenenti all’acqua libera, mentre quelli appartenenti all’acqua legata ad altre molecole, non risultano sensibili (o in misura minore) all’impulso di eccitazione di RF e quindi non danno segnale in uscita (oppure il segnale è molto basso). Ad ogni buon conto, il mezzo di contrasto non agisce sulla densità protonica. Sull’incremento della DP agisce l’aumento d’intensità del CMS.

 

---------------------------------------------------

 

Riepilogando si ha che all’interruzione dell’impulso RF, l’intero sistema molecolare ripristina la condizione di equilibrio assunta in presenza del solo CMS. Questo avviene attraverso interazioni energetiche fra gli spin tra loro e fra gli spin ed il reticolo; le interazioni esprimono la cessione dell’energia assunta dagli spin all’atto della somministrazione dell’impulso di RF, dapprima mediante un condizionamento tra i momenti magnetici degli spin (defasamento) e successivamente attraverso la liberazione energetica all’ambiente molecolare locale (reticolo). Queste due modalità sono espresse rispettivamente dal T2 e dal T1. La f.e.m. (che è soltanto una) in uscita e registrata dall’elaboratore, proviene proprio da questa dinamica, ed è l’espressione diretta del grado di perdita della MMT e quindi dell’energia dissipata (rilassamento) dagli spin risonanti. I vari “chiaro-scuri” dell’immagine RM descrivono infatti, la presenza o meno ed il grado di una MMT instaurata con l’impulso a RF, e le “pesature in T1 e T2” descrivono il caratteristico comportamento tissutale dei tempi nei quali avvengono i due tipi di rilassamento.

Il mezzo di contrasto agisce proprio su questi tempi di interazione energetica, riducendoli, e quindi potenziandone (o anche attenuandone) il segnale d’uscita.

 

 

Il meccanismo d’azione dei mezzi di contrasto.

 

Il T2 è sempre più corto del T1; tale situazione si verifica perché la velocità temporale con la quale si sfasano gli spin è maggiore della velocità di ripristino della MML. Solo nei liquidi puri i due tempi sono uguali. Abbiamo visto inoltre come il rilassamento T1 sia provocato dallo scambio termodinamico spin-reticolo, mentre il rilassamento T2 è causato dallo scambio energetico spin-spin laddove nel primo caso (T1) si ha una cessione di energia da parte degli spin al reticolo mentre nel secondo (T2) si ha una influenza reciproca dei momenti magnetici fra gli spin protonici. Infine, il rilassamento spin-reticolo influenza sempre il rilassamento spin-spin, mentre non avviene il contrario.

Il mezzo di contrasto altro non è che l’apporto massivo di spin elettronici; per l’esattezza, si tratta di atomi (ioni) a configurazione elettronica libera spaiata (orbita esterna) che, per questa loro struttura, possiedono un caratteristico forte momento magnetico fluttuante di spin elettronico. Questo momento magnetico ha una intensità di circa 600-700 volte in più rispetto a quello protonico; ciò significa che il campo magnetico locale addizionale fluttuante generato dagli spin elettronici, viene incrementato e amplificato provocando un’accelerazione dei fenomeni di rilassamento. Per l’interazione spin-spin, si verifica un aumento delle influenze fra i momenti magnetici degli spin (stavolta non soltanto protonici ma anche elettronici) diminuendo il tempo durante il quale si manifesta il fenomeno T2; per l’interazione spin protonico-reticolo avviene invece che a questa, si sostituisce un’interazione spin protonico-spin elettronico-reticolo. In altre parole, la cessione di energia avviene non direttamente al reticolo con il vincolo delle strutture intermedie (fra liquide e solide), come già visto nel paragrafo sul meccanismo di rilassamento T1, ma ora più velocemente, dapprima verso gli ioni (spin elettronici) e successivamente da questi verso il reticolo con le già osservate modalità termodinamiche. Ovviamente tale situazione viene consentita nella simil frequenza di oscillazione e di precessione fra spin elettronici e spin protonici risonanti. La riduzione dei tempi di rilassamento non si traduce soltanto in un diverso effetto contrastografico, ma anche in un accorciamento dei tempi d’esame.

 

Varie tipologie dei mezzi di contrasto e loro caratteristiche.

 

Si possono distinguere due tipi fondamentali di sostanze la cui differenza sta nella presenza o meno di un momento magnetico macroscopico. Quelle a momento magnetico nullo sono dette diamagnetiche e vengono molto poco usate, poiché per definizione, i momenti magnetici elettronici non subiscono alcuna influenza (piccolo momento magnetico negativo - antiparallelo) da parte del CMS e quindi a loro volta non sono in grado di influenzare in modo importante i tempi di rilassamento protonici; ciò è dovuto al fatto che le diamagnetiche, non possiedono elettroni orbitali spaiati (mobili) che siano in grado di influenzare fortemente la magnetizzazione macroscopica (MM) degli spin protonici. Le sostanze invece, a momento magnetico non nullo, si suddividono in: paramagnetiche, ferromagnetiche e superparamagnetiche. Queste posseggono tutte i caratteristici elettroni spaiati, ma si comportano differentemente l’una dall’altra per il tipo di interazione con il CMS, data la loro struttura fisica di composizione; le paramagnetiche (Gd, Mn, Fe – di queste in particolare il Gd o Gadolinio) sono quelle sicuramente più in uso, e sono caratterizzate dal presentare un risposta magnetica limitata soltanto alla presenza del CMS; le ferromagnetiche e le superparamegnetiche (ossido di ferro) infatti, a seconda della loro composizione in domini, e cioè in struttura cristalline con particolare diametro, risultano avere una risposta duratura nel tempo (anche dopo l’uscita dall’azione diretta del CMS come nel caso delle ferromagnetiche) oppure una possente amplificazione contrastografica (come nel caso delle superparamagnetiche; queste ultime comunque, perdono la loro risposta all’assenza del CMS), che possono talvolta alterare l’imaging nel suo complesso. La differenza fra le sostanze ferromagnetiche e superparamegnetiche è data sostanzialmente come già visto, dal diametro dei domini cristallini e quindi dal numero di ioni che vi sono contenuti per ogni domino, mentre una caratteristica comune è data dal solo parallelismo al CMS dei loro spin elettronici. Alcuni autori (Passariello) ritengono ininfluente la diversificazione (nel loro comportamento macroscopico), fra le tre sostanze a momento magnetico positivo quando sono immerse in un liquido, in presenza di un CMS. Secondo questa affermazione tutte le sostanze viste (tranne le diamagnetiche) perdono la magnetizzazione macroscopica se fuoriescono dal CMS, per “riorientamento idrodinamico”. Si tratta ovviamente di una considerazione sulla macroscopicità del fenomeno e quindi probabilmente anche per tale motivo l’impiego di sostanze ferromagnetiche (a memoria magnetica conservata), non è diffuso, oltreché per il già accertato effetto di distorsione del campo magnetico applicato.

Caratteristiche fondamentali di natura fisica che devono essere assicurate da tutti i mezzi di contrasto in uso sono: la relassività (capacità di influenza sui tempi di rilassamento protonici e quindi efficacia contrastografica, data dal valore del momento magnetico dello ione, dalla distanza dello stesso con le molecole d’acqua libere e dalla quantità di coordinazione delle molecole d’acqua, sempre da parte dello ione contrastografico), la suscettibilità magnetica o suscettività (relazione che lega il CMS alla magnetizzazione indotta, e cioè la capacità di dare una determinata risposta in termini di magnetizzazione macroscopica per una data intensità del CMS); la stabilità (resistenza indissociativa della molecola agente di contrasto); l’osmolarità (inattività a livello metabolico della molecola di contrasto); potere di coordinazione (la capacità della molecola di contrasto di interagire con le molecole d’acqua libere, con una dinamica di scambio energetico costante).

Vi è infine una differenza sostanziale che riguarda la modifica del segnale in iperintensità o ipointensità; quei mezzi di contrasto che agiscono prevalentemente sul T1 sono detti “positivi” in quanto cambiano il segnale del T1 da ipointenso a iperintenso, cosi in caso contrario agendo prevalentemente sul T2 per quelli “negativi”. Alla base di tale fenomeno vi è il tipo di concentrazione del mezzo di contrasto impiegato; una concentrazione alta induce un incremento del potere di rilassamento T2 poiché accelera estremamente il defasamento protonico. In ogni caso comunque, uno stesso effetto sul segnale (iperintensità in T2 e contemporaneamente ipointensità in T1) può essere prodotto agendo sia sulla relazione fra concentrazione e relassività, laddove per una data concentrazione la variazione della relassività (ottenuta dall’impiego delle tre diverse tipologie di contrasto già analizzate sopra), può comportare la contemporanea diversificazione del segnale per le diverse pesature. In altre parole, intervenendo sulla concentrazione o sulla relassività, si possono avere per uno stesso tipo di contrasto o per tipi diversi, la contemporaneità nell’azione contrastografica sia in T1 che in T2 per uno stesso tessuto.

Da riportare infine, una prevalenza sul tempo T1 da parte delle sostanze paramagnetiche ed una prevalenza sul tempo T2 da parte delle ferromagnetiche e superparamagnetiche.

 

Impiego clinico.

 

Più che per la sensibilità, l’impiego di mezzo di contrasto in RM diviene particolarmente utile per la specificità (comprensione della natura patologica). A livello encefalico viene impiegato per la definizione dell’attività delle placche demineralizzanti (sclerosi multipla); nello studio neoplasico e nella differenziazione di natura nello studio fibrotico post-chirurgico o post-radioterapico; nelle zone di alterazione della barriera emato-encefalica per presenza di lesioni, e quindi nello spazio interstiziale patologico; nella demarcazione dell’edema perilesionale. A livello midollare per i processi espansivi di natura isointensa. A livello generale per variegati tipi di flogosi interstiziale e inoltre, per l’impiego vascolare. A concentrazioni maggiori per lo studio muscolare (usato in tal caso molto raramente per il basso potere contrastografico). A livello cardiaco in caso di ischemia miocardica. A livello renale dove offre una importante efficacia contrastografica poiché il riassorbimento dell’acqua a tale livello amplifica l’effetto del gadolinio.

Esistono poi, mezzi di contrasto specifici per natura tissutale; sono quelli utilizzati per lo studio del parenchima epatico. I m.d.c. fin qui visti, sono di tipo extracellulare ed interstiziale, mentre nel caso degli epatospecifici la diffusione avviene intracellularmente; la captazione epatocita consente di esaltare l’imaging delle lesioni che potrebbero essere oscurate o non ben evidenziabili o ancora aspecifiche per una stessa pesatura T1 e/o T2. Esistono al riguardo varie tipologie di contrasto per il tipo di sostanza base (o principio attivo) impiegata (Mn o Gd), per il tipo di chelazione (legame del principio attivo con molecole di trasporto), per la modalità di iniezione (lenta infusione per Mn e rapido bolo/iniettore per il Gd), per l’elettività della captazione (fondamentalmente epatocita per Mn, anche extracellulare con elezione epatocita a distanza temporale del Gd-EOB-DTPA e Gd-BOPTA), per la maggiore relassività (del Gd-EOB-DTPA). Questi epatospecifici sono mezzi di contrasto positivi e quindi vengono impiegati nelle pesature T1, laddove il parenchima circostante assume un’incremento di segnale evidenziando l’ipointensità del segnale lesionale, dato il maggior effetto contrastografico fornito dagli epatociti sani. Le pesature vengono effettuate a distanza temporale (mediamente fra i tre tipi descritti: subito dopo l’infusione e dopo 20 minuti), poiché ad una prima fase di enhancement interstiziale segue quella epatocita vera e propria. Si tratta in tutti i casi visti fin qui di composti paramagnetici.

I composti superparamagnetici invece, vengono impiegati per il RES (Sistema Reticolo Endoteliale – fegato (cellule di Kupffer), milza, midollo). Qui, agendo sulle dimensioni delle particelle dei principi attivi, si consente la captazione o meno, della loro diffusione nelle strutture cellulari del RES. Al contrario dei precedenti, si tratta di mezzi di contrasto negativi poiché agiscono sul rilassamento T2; poiché però sono dotati di elevata relassività sia per il T1 che per il T2, possono essere impiegati anche nelle pesature T1. anche in questo caso si tratta di una captazione intracellulare e se ne riconoscono sul mercato commerciale, due tipi: l’AMI 25 e l’ SH U 555 A. Fondamentalmente sovrapponibili come nel caso dei paramagnetici, si distinguono sostanzialmente per l’infusione lenta nel primo caso (AMI 25) rispetto al bolo del secondo tipo. Alcuni autori pongono una differenziazione nella specificità diagnostica fra i due tipi di contrasto con una tendenziale preferenza verso l’AMI 25 per la sua risoluzione spaziale relativa a lesioni di piccolissime dimensioni (a livello metastatico). Per entrambe comunque, vale la cinetica di ipointensità delle cellule di Kupffer (captazione del m.d.c.) e quindi del parenchima epatico, di iperintensità (non captazione per asenza delle cellule di Kupffer) delle cellule neoplasiche, di iperintensità degli angiomi nelle pesature T1.

Praticamente identici sono i mezzi di contrasto per il tubo digerente (sia i positivi che i negativi), ma la cui introduzione avviene per os (orale). Questi contrasti hanno il compito di discriminare le anse intestinali dagli altri organi nello studio dell’addome, così come avviene per la TAC, ma in più possono essere usati per eliminare il segnale proveniente dallo stomaco e dal duodeno (m.d.c. negativi), in particolare nello studio colangiopancreatografico con RM in T2.

 

Fisiologia dei mezzi di contrasto

 

I mezzi di contrasto extracellulari in RM si comportano sostanzialmente come quelli impiegati in TAC; la metodica d’introduzione nell’organismo è quella e.v., attraverso la quale si diffondono successivamente negli interstizi parenchimali. Vengono espulsi attraverso la filtrazione glomerulare per la stragrande maggioranza del volume iniettato. Per l’azione intracellulare, tutti i mezzi di contrasto epatocita con enhancement positivo e negativo, hanno la stessa farmacodinamica essendo eliminati per via bilio-urinaria e oltrepassando la barriera ematoencefalica solo in caso di lesioni. La farmacocinetica dei mezzi superparamagnetici (attivi nel RES), è invece la stessa del ferro organico poiché queste sostanze sono costituite proprio da ossidi di ferro.

Per quelli impiegati nel tubo digerente l’eliminazione è prevalentemente per via fecale e la farmacocinetica richiesta a tali mezzi di contrasto è quella identica del solfato di bario usata in radiologia, e cioè quella di non essere assorbibili dal tratto intestinale.

 

Tossicità

 

Il mezzo di contrasto ha due sostanziali effetti: il primo riguarda la sua natura farmacologia ed il secondo quella energetica. Il primo dei due effetti riguarda evidentemente, l’accumulo negli organi, la concentrazione ematica, la metabolizzazione (diffusione semplice, trasporto attivo, fagocitosi, ecc.), le vie d’eliminazione; per tale motivo l’impiego del mezzo di contrasto deve prevedere una assoluta necessità diagnostica che può essere indicata opportunamente soltanto dal medico radiologo. Del resto, l’effetto tissutale determinato dal m.d.c. risulta apprezzabile alla RM per diverse ore dalla somministrazione, mentre dal punto di vista biologico l’azione si prolunga per alcune settimane, per cui alcuni autori ne consigliano il monitoraggio del paziente, specialmente per coloro con pregressi episodi di tipo allergico a sostanze chimiche.

Il controllo sulla tossicità e quindi l’allentamento della farmacocinetica dei m.d.c. in RM, è attuato mediante chelazione. Si tratta di un procedimento che crea un legame fra la molecola del principio attivo e altre molecole di natura polifunzionale; in tal modo la molecola tossica del metallo (Gd, Mn, ecc.) viene inibita nella sua azione farmacocinetica. Il processo di chelazione risulta perciò indispensabile ma contemporaneamente riduce il potere di relassività del metallo stesso, cosicché la capacità di influire sui tempi di rilassamento risulta essere inferiore, benché sufficiente. Ad ogni buon conto non si possono escludere totalmente i rischi di tipo anafilattico o più tardivamente reazioni vasovagali e sincope; perfino in soggetti che hanno già per una volta, eseguito esami con m.d.c. senza alcuna reazione, si possono verificare modalità reattive ad un secondo esame contrastografico. Ciò è dovuto in primo luogo ad una ipersensibilità alla sostanza pur chelata, e come nel secondo caso, ad una sensibilizzazione primaria che si manifesta in occasioni successive. Va comunque sottolineato che il m.d.c. impiegato in RM è perfino meno tossico di quello iodato impiegato in radiologia.

La seconda questione riguarda come già accennato all’ulteriore apporto energetico nella dinamica macromolecolare. Anche se in letteratura ciò non viene assolutamente affrontato, è in dubbio che l’apporto degli spin elettronici propri del m.d.c., crea un campo magnetico addizionale a quello del CMS e a quello dei gradienti. L’interazione finale che si crea riguarda anche questa ulteriore magnetizzazione macroscopica ed è quindi interessante in tal senso, fermare l’attenzione sulle probabili conseguenze biofisiche che tale amplificazione causerebbe in termini di effetti magnetomeccanici e/o magnetoelettrici e/o termici.

 

Le prospettive future dei mezzi di contrasto

 

La tendenza è sicuramente quella di produrre m.d.c. specifici per i diversi organi; la marcatura delle molecole metalliche con molecole biologiche o antigeni monoclonali prelude rispettivamente ad un tipo di m.d.c. con elezione parenchimale o lesionale. Come ben descritto da Colangrande, Lehmann e Bartolozzi, la marcatura Gd-molecola proteica può servire proprio per l’elezione organo-specifica, soprattutto tenendo conto del fatto che una “molecola proteica lentamente ruotante facilita la cessione di energia e abbrevia i tempi di rilassamento”; sta di fatto però, che le attuali tendenze industriali ad un incremento del CMS, pongono problemi di coniugabilità fra lento movimento molecolare proteico e alto campo magnetico statico che influenza tale movimento verso la sua velocizzazione, andando cioè in direzione opposta a quella richiesta per la creazione dei nuovi m.d.c. descritti. Tali m.d.c. potrebbero anche essere impiegati per uno studio di tipo funzionale. In luogo della coniugazione metallo-molecola proteica si è fino ad oggi intervenuti sulla composizione chimica del chelante, permettendo in tal modo l’epoatospecificità del contrasto.

 

La protezionistica in RM

 

Per introdurre l’argomento mi piace citare un passo della relazione tenuta al convegno di Genova nel 2000 proprio sulla RM, dal Prof. F. Bistolfi, primario di radioterapia, che così recita: “La diagnostica a RM è oggi una realtà clinica affermata, ma lo slogan che le tecniche d’imaging a RM sono prive di rischi in quanto basate su energie non ionizzanti non può accettarsi in questa formulazione semplicistica e fuorviante, perché le energie in gioco (campo magnetico statico, campi magnetici variabili e onde di radiofrequenza) devono interagire con la materia vivente per evocarne i segnali di risposta. Dunque, una interazione è inevitabile, effetti biologici subclinici e transitori sono sicuri e diventa necessaria una ricerca approfondita sui possibili effetti negativi precoci e tardivi” (il neretto è mio).

In realtà poiché la comunità scientifica sostiene che gli studi epidemiologici non sono semplici per il sommarsi di più fattori e che, come nel caso dell’anemia falciforme, gli effetti magnetici valutati in vitro non sono confermati in vivo, si conclude quindi che non è semplice una valutazione reale del rischio da induzione magnetica.

Gli effetti biofisici ai quali si riferisce il Bistolfi, e che in un passo seguente egli stesso specifica, possono essere classificati in magnetomeccanici (dovuti perlopiù al CMS), magnetoelettrici (indotti perlopiù dai campi a gradiente) e termici (dovuti alle onde RF).

Sugli effetti magnetomeccanici, va precisato che il punto nevralgico riguarda i magnetosomi (sostanza ferromagnetica), nonché i metallo-complessi in enzimi, vitamine, molecole di trasporto e deposito, e i radicali liberi in reazioni metaboliche (sostanze paramagnetiche), così infine le membrane cellulari, gli acidi nucleici e le proteine filamentose (sostanze diamagnetiche). Tutti sentono il campo magnetico statico anche se per i diamagnetici vale una resistenza maggiore rispetto agli altri due tipi di sostanza. Da M. Lenzi sappiamo che una prolungata esposizione al CMS nei cristalli liquidi cooperanti (assemblati) e anisotropici (capaci di variare le loro proprietà a seconda della direzione) dei diamagnetici, si può dar luogo ad un orientamento meccanico forzato degli stessi, che in fase di mitosi incidono sui cromosomi provocando rallentamenti o errori di distribuzione fra le cellule figlie. Conferme sugli effetti tumorali dei campi magnetici provengono dall’autorevole Karolinska Institut di Stoccolma (centro di riferimento dell’OMS e del premio Nobel) e da altre istituzioni scandinave: i risultati dei loro studi epidemiologici indicano un aumento del rischio per esposizioni prolungate a campi magnetici con intensità superiori a 0,2 microTesla

Per gli accademici contemporanei, l’induzione magnetica impiegata nei comuni tomografi a RM (da 0,1 a 2 T), e l’intervallo di tempo utilizzato per l’esecuzione dell’esame, sono di entità sufficientemente bassa da non destare preoccupazione poiché gli effetti a livello atomico e molecolare non sono significativi o vengono riparati nell’organismo vivente. Solo a partire dai 4 T e con esposizione total-body sono osservate vertigini, nausea, riduzione del flusso aortico e aumento della pressione arteriosa; il CMS può agire infatti anche a livello di flussi liquidi con direzione perpendicolare al campo stesso (effetto magneto-idrodinamico), ad esempio su sangue o endolinfa. Di fatto, il CMS in generale può interagire sul movimento ionico attraverso le membrane (effetto elettro-dinamico), movimento che è alla base dei potenziali di membrana, nella conduzione dello stimolo nervoso o della contrattilità muscolare e cardiaca. Per campi a 2 T sono osservate aritmie e disturbi acustici.

Per l’esposizione delle estremità (arti con magneti “dedicati”), non vengono osservati effetti indesiderati anche fino a 5 T.

Il D.M. del 2/8/91 stabilisce i limiti temporali dell’esposizione in funzione delle parti esposte e dell’intensità di campo così come riportati: corpo intero a 200 mT non più di 1 ora al giorno; corpo intero a 2 T non più di 15 minuti al giorno; arti a 2 T non più di 1 ora al giorno.

Per la precisione i 200 mT si raggiungono in prossimità del magnete (linea di circoscrizione) negli impianti a 1 – 2 T.

Per quanto riguarda gli effetti magnetoelettrici il cui riferimento è rappresentato dai gradienti, va sottolineato che per correnti indotte a partire dai 200 µA/cm² (soglia di rischio) si osservano aritmie e fibrillazioni. In effetti, in quanto campi magnetici variabili nello spazio e nel tempo, i gradienti inducono corrente nel corpo umano a livello di cellule eccitabili (neuroni e cellule muscolari) con modificazioni della frequenza di emmissione dei potenziali d’azione; quelli impiegati in RM inducono al massimo correnti di poco inferiori ai 40 µA/cm² e, per tale livello, si possono osservare fosfeni (> 20 µA/cm²) con fascicolazioni muscolari (> 30 µA/cm², con gradienti particolarmente ripidi). La corrente del fondo metabolico umano si aggira intorno ad 1 µA/cm².

Il problema sicuramente più conosciuto è quello che riguarda l’effetto termico. Tale questione origina sia dall’azione degli stessi gradienti (la corrente genera calore), sia dall’assorbimento di energia elettromagnetica a radiofrequenza; l’azione combinata delle due energie, innalza la temperatura corporea. Ricordiamo che per radiazione elettromagnetica s’intende un trasferimento nello spazio di una perturbazione ciclica di campi elettrici e magnetici perpendicolari fra loro. L'esposizione a campi RF può causare riscaldamento o indurre correnti elettriche nei tessuti corporei. Da un punto di vista strettamente energetico, l'interazione della radiazione elettromagnetica non ionizzante con un tessuto biologico si risolve in un trasferimento di energia dalla radiazione al tessuto e produce un campo elettromagnetico all'interno della materia, diverso da quello applicato in origine. L'energia elettromagnetica, una volta assorbita, viene convertita in calore. La conversione in calore può avvenire con o senza un misurabile rialzo della temperatura corporea. Il riscaldamento costituisce la principale interazione dei campi RF ad alta frequenza al di sopra di circa 1 MHz. Al di sotto di circa 1 MHz, l'azione dominante dell'esposizione a RF è l'induzione di correnti elettriche nel corpo. Nel nostro caso, si agisce con frequenze che vanno dai 6,4 MHz agli 85 MHz.

La profondità di penetrazione dei campi RF nel tessuto dipende dalla frequenza del campo ed è maggiore alle frequenze più basse, diversamente da quanto accade nei raggi X, laddove la capacità di penetrazione è direttamente proporzionale alla frequenza.

Oltre alle fascicolazioni e ai fosfeni già osservati nel caso dei gradienti, l’innalzamento della temperatura, corrispondente alla cessione di 4 W/Kg d’energia sull’encefalo, può comportare importanti disturbi comportamentali; occorre tener presente che la dissipazione intrinseca dell’organismo è data dal metabolismo basale che per il corpo umano ha un valore attorno ai 2 W/Kg (valore che cresce di circa un ordine di grandezza per il tessuto cerebrale). La misura dei W/Kg è espressione della SAR (specific absorption rate), usata come parametro di dosimetria delle radiofrequenze tra circa 1 MHz e 10 GHz., ed è ovviamente specifico per ogni tessuto. Il SAR è direttamente proporzionale al quadrato del campo magnetico, al quadrato dell’angolo di flip della RF (il flip è usato nelle sequenze di acquisizione del segnale), al volume in esame, al quadrato della frequenza RF, al quadrato della densità di corrente, alla conducibilità elettrica del materiale, ed è invece inversamente proporzionale alla densità di massa del corpo (massimo in superficie, riducendosi nel profondo); ha infine una pseudorelazione con i gradi centigradi, di 1 a 1, poiché infatti per un tempo di esposizione superiore ai 30 minuti e raggiungendo o superando un SAR di 1 W/Kg, si raggiungono aumenti di temperatura di circa 1 °C.

Ovviamente laddove siano presenti problematiche legate ai meccanismi di termoregolazione l’aumento di temperatura può essere più sensibile (nel caso di patologie cardio-vascolari, diabete, stati febbrili, obesità, dermopatie come l’ittiosi, cause iatrogene come terapie a base di betabloccanti, vasodilatatori e diuretici, condizioni fisiologiche di maggiore termosensibilità come prima infanzia ed età avanzata). In condizioni fisiologiche normali, punti di alta sensibilità termica (dovuti ad un’alta disomogeneità dei tessuti alla conduttività elettrica e quindi al diverso assorbimento di calore – max nei tessuti con elevata quantità di acqua), sono rappresentati dalle interfacce tra tessuti diversi (come nel rachide), nonché dallo scroto e dalla cornea. In queste ultime due strutture anatomiche la temperatura può salire a circa 2 °C.

È importante specificare che esistono effetti termici ed effetti non termici entrambe legati alle RF. I primi sono relativi alle radiofrequenze dell’ordine dei 30 KHz fino a 300 GHz, sono senz’altro conosciuti essendo noto che l’aumento di temperatura oltre i limiti della compensazione fisiologica, può produrre una serie di alterazioni fisiologiche, alcune delle quali irreversibili conducendo a danni nel tessuto vivente; i non-termici invece riguardano le (ELF, cioè “extremely low frequency”) comprese nell’ordine dei 50 Hz tipici delle linee ad alta tensione o stazioni radio base della telefonia mobile, sono quindi riferiti ad esposizione cronica, e non sono ancora pienamente riconosciuti e classificati nella loro capacità di danno biologico. Dal punto di vista biofisico infatti, i meccanismi di interazione a livello non termico sono ancora in gran parte ignoti; l’effetto fisico primario è la produzione di debolissime correnti indotte all’interno delle cellule e dei tessuti, ma non vi è tra gli studiosi accordo circa il fatto che tali correnti siano in grado di giustificare tutti gli effetti osservati, fra i quali le modificazioni del DNA cellulare e l’insorgenza di linfomi. In ogni caso è interessante sapere che gli effetti non termici comportano comunque un’alterazione al di sotto di 1°C.

Gli effetti termici a breve termine, detti anche immediati (per i campi EM RF e MW) sono quelli più conosciuti. Si tratta di percezione di corrente, scossa, bruciature fino alla fibrillazione ventricolare ed all'arresto cardiaco (effetti acuti). Essi sono causati dall'induzione di corrente nel corpo umano per le caratteristiche conduttrici e dielletriche dei tessuti. Gli effetti termici accertati sono sterilità, riduzione di globuli bianchi, cataratta (effetti cronici) e sono procurati dall'innalzamento repentino della temperatura di tutta la massa del corpo umano di almeno 1°C, dovuto ad un SAR maggiore di 50 volte quello sopportabile dall'uomo. Le alterazioni del sistema emopoietico (riduzione dei linfociti, modificazioni delle proteine plasmatiche, monocitosi), le alterazioni del sistema nervoso (cefalea, vertigini) e del sistema endocrino (alterazione degli ormoni tiroidei e dell’asse ipotalamo-ipofisi-tiroide), sono state osservate nei lavoratori delle telecomunicazioni per l’esposizione limitata nel tempo, e sono infatti oggetto di dibattito anche in qualità di effetti non termici. Anche se non sono rappresentati effetti tardivi (modificazioni genetiche), dovuti ad aumenti di temperatura, la gravità dell’effetto termico descritto, va ricercata nel fatto che questo riscaldamento avviene internamente al corpo e non viene percepito dagli organi sensoriali: per l’organismo non è così possibile attivare meccanismi di compensazione. Gli organi con scarsa circolazione sanguigna (che favorisce la dispersione del calore prodotto) e bassa conducibilità termica (fattore negativo ai fini di una efficace dispersione del calore) sono i più colpiti (testicoli, cornea, ecc.).

Per quanto riguarda il DNA nel nucleo cellulare, va precisato che esso non è soltanto un puro elemento biochimico, ma è anche e soprattutto una antenna capace di emettere ed assorbire frequenze elettromagnetiche in grado di leggere il contenuto informativo e trasmetterlo in un processo a cascata. Per questo motivo sugli effetti non termici vi è ancora un grosso dibattito ed una ricerca tutta da intensificare. Dagli anni Venti molti ricercatori, tra i quali Geoges Lakhovsky, sostennero il ruolo dei campi elettrici prodotti da frequenze di 750 KHz sulla salute umana. La sua convinzione scientifica si può riassumere nell'affermazione: "Ogni essere vivente emette radiazioni, la grande maggioranza degli esseri viventi è capace di ricevere e rilevare onde..." e ancora: "La vita è creata dalle radiazioni, la vita è mantenuta dalla radiazione, la vita è distrutta da uno squilibrio oscillatorio e vibratorio" .

 

I premi Nobel e la Risonanza Magnetica – Stato dell’arte

 

Il ruolo diagnostico della RM non è certo da mettere in discussione; esso, per qualità d’immagine dovuta alla multifattorialità (contrasti T1, T2 e DP) e alla multiplanarietà (piani di scansione sagittali, assiali e coronali), per la visione d’insieme delle varie strutture anatomiche, per la visualizzazione di strutture vasali senza mezzo di contrasto, per l’elevato contenuto informativo in termini di specificità e sensibilità a variegate forme anatomopatologiche e, non per ultimo, alla possibilità di realizzare uno studio metabolico in vivo con la spettroscopia, rende estremamente valido il suo impiego nella diagnostica strumentale apportando un contributo notevole laddove altre indagini non sono state in grado di arrivare.

Per tutti questi motivi si è assistito nel recente passato ad una enfatizzazione della RM che non è azzardato definire eccessiva. I limiti infatti, di questa metodica non sono pochi e non sono trascurabili; in primo luogo non tutti possono sottoporsi ad una indagine di risonanza magnetica come ad esempio nei casi già ampiamente osservati sopra, di portatori di pacemaker, di clip ferromagnetiche vascolari, di donne in gravidanza, di pazienti claustrofobici, di portatori di protesi metalliche o dispositivi endocorporei ad attivazione magnetica ed elettrica. Così come non tutti possono pretendere di condurre un esame di risonanza o di refertarlo con la stessa padronanza impiegata in radiologia convenzionale; sia per le complessità dei presupposti teorici e sia per la multifattorialità che è alla base della formazione delle immagini, il processo di RM implica una preparazione di base medio-alta ed una importante esperienza operativa condotta costantemente, monitorata e sottoposta a verifica. La concezione stessa del nuovo processo, è sicuramente diversa da quelle legate ad indagini diagnostiche di radiologia come quelle precedenti ad essa; laddove radiologia convenzionale, TAC ed ecografia possono esplorare intere regioni corporee anche se a più riprese, la RM per sua natura vuole essere un’indagine mirata a precisi distretti anatomici e con indicazioni cliniche altrettanto precise. La lunghezza dell’indagine (tempo min. con sequenze turbo 15 minuti circa in media), coniugata con l’assoluta immobilità del paziente per la durata dell’esame, costituisce una difficoltà non trascurabile; inoltre, la necessità di ottenere un buon rapporto segnale/rumore sull’intero distretto in esame implica l’utilizzo di bobine a RF che hanno una limitazione di campo visivo ben preciso. In altre parole, condurre un esame di RM per una colonna in toto è di per sè impegnativo in primo luogo per il paziente (tempi non inferiori ai 30 minuti), e altrettanto impegnativo per gli operatori per le diverse modalità di acquisizione dell’immagine da distretto a distretto (rach. cervicale, dorsale e lombosacrale), per non dire infine, della genericità dell’esame stesso che se non mirato ad una precisa esigenza clinica finisce con l’essere nemmeno tanto accurato. Come per l’ecografia invece, l’esame RM è decisamente operatore-dipendente, in quanto l’opportuna scelta dei molteplici parametri potenzialmente impiegabili, dipende dall’esperienza e dalla conoscenza dell’operatore, oltrechè da quelle che possono essere le iniziali acquisizioni standard.

Uno dei punti da sottoporre a verifica è proprio quello dell’impiego indiscriminato della diagnosticastrumentale, che già fin troppo reale come problematica, assume con la risonanza magnetica una forte amplificazione in termini di contraddizione medica.

La frequenza dell’impiego di tali metodiche infatti, troppo soventemente non appare giustificata dal ragionamento clinico che, con la stessa frequenza, scompare del tutto. Da molto tempo, verosimilmente dalla comparsa della diagnostica ad alta tecnologia, si è sviluppata una sorta dipendenza psicologica da queste macchine alle quali viene chiesto di rivelare in pochi minuti, dati diagnostici che con un minimo di approccio clinico potrebbero essere già stati compresi (es. RM per artrosi !); spesso si moltiplicano le indagini sullo stesso paziente a scopo di conferma per dati già ampiamente rilevati in altre indagini (es. tac e rm per ricerca di ernia lombare !); spesso ancora, le indicazioni di richiesta dell’esame sono del tutto generiche (es. rm addome per dolenzia !). si da luogo in tal modo ad una esagerazione di natura tecnicistica assolutamente inutile e spesso anche fuorviante; si entra così in una dimensione religiosa del dato strumentale la cui interpretazione fra l’altro, non è sempre corretta specie quando lo si mette in contraddizione forzata con la clinica stessa.

Questa, è purtroppo diventata una pratica routinaria, a volte motivata da timori legali, a volte motivata da pregresse esperienze di patologie subdole, a volte ancora da una mancanza di conoscenza delle reali possibilità e dei limiti di un’indagine strumentale. In quest’ultimo tratto ricade in modo esponenziale proprio la RM, il cui ricorso specie dei medici di base, è troppo spesso scientificamente del tutto ingiustificato, poiché motivato da una strana credenza culturale che vorrebbe la RM in grado di rivelare tutto quanto è nell’esistente. In aggravio, non mancano gli operatori (medici e tecnici) che non conoscendo al pieno il senso medico dell’impiego della macchina, il funzionamento stesso della macchina e magari anche sottovalutando gli aspetti clinici del paziente, danno luogo ad esami lunghi, articolati e stressanti per il paziente, per poi non cavarne un ragno dal buco ed essere costretti a ripiegare su un altro tipo d’indagine.

La critica situazione descritta, investe pesantemente anche un altro aspetto, rappresentato dalla protezionistica medica in tema di indagini strumentali. La disciplina della protezionistica nasce proprio dall’esigenza di controllare e limitare i rischi insiti nella sottoposizione ad indagini che possono prevedere conseguenze lesive per l’organismo. Prende cioè in considerazione quello che è il rapporto costo/beneficio e trova nell’impiego delle radiazioni ionizzanti (raggi X) il senso più compiuto della propria affermazione. Tanto per intesa, ricordiamo che risale al 1928 l’istituzione dell’ ICRP (International Commission on Radiological Protection) ancora esistente.

Nel 1965, dopo svariate studi, altrettante sperimentazioni e macabre esperienze storiche (Hiroshima e Nagasaki), la ICRP “raccomanda che qualsiasi esposizione non necessaria sia evitata e che tutte le dosi (raggi X), siano tenute tanto basse quanto è concretamente ottenibile, facendo luogo a raccomandazioni economiche e sociali”. Un concetto questo, che come sostiene l’accademico R. Passariello, si è trasformato da raccomandazione si è trasformato con gli anni, in vero e proprio criterio di ricerca. Ma il problema è proprio questo: la ricerca. Al di là infatti della superdiffusione delle macchine a RM (60 milioni di esami nell’ultimo a livello mondiale con circa 22.000 sistemi RM in uso) e dell’impiego spesso ridicolo di tali strutture, esistono oltre alle limitazioni tecniche e diagnostiche già osservate e proprie della metodologia, dei veri e propri buchi neri sulle conoscenze scientifiche attuali in relazione ad aspetti protezionistici; in effetti la complessità dell’indagine sta nell’impiego di campi magnetici statici, campi magnetici alternati e radiofrequenze in un’unica applicazione. Il contemporaneo utilizzo di queste tre energie presuppone un’attenzione ed una articolazione di ricerca non indifferente. Molto erroneamente e troppo ingenuamente, il non utilizzo di energia ionizzante in RM ha fatto gridare al miracolo ed ha entusiasmato fin troppo i cuori e le menti dell’intero mondo medico-scientifico; molto è dovuto a ciò nell successo della RM e del suo allegro impiego. La ricerca scientifica dunque, visti tali presupposti si è impegnata a ritmo frenetico sul miglioramento tecnico della resa delle apparecchiature a RM, concentrando tutti i suoi sforzi sul miglioramento della qualità dell’immagine e sulla diminuzione dei tempi d’esecuzione. Sempre più alti campi statici, gradianti sempre più ripidi (intensi e veloci) e sorgenti di RF sempre più sofisticate ed altrettanto intense con bande di eccitazione sempre più ampie, hanno fatto il loro ingresso in campo in modo travolgente. Gli operatori medici e tecnici si sono visti “cadere dall’alto” in pochi anni macchine e software a forte evoluzione tecnologica con l’impiego di sequenze d’acquisizione in continua e rapida crescita. Nel giro di 15 anni circa si è passati ad esami la cui durata era di 1 ora ad esami dello stesso tipo che prevedono circa 20 minuti di esecuzione, con rapporti segnale/rumore altissimi anche rispetto ai precedenti. Questo entusiasmante procedere incessante verso l’implementazione tecnologica ha precluso qualsiasi forma di attenzione verso l’ambito protezionistico biofisico, ritenuto sicuro e addirittura superfluo.

In realtà il presupposto scientifico sul quale si fonda la RM è lo stesso che riguarda ogni indagine strumentale; la strategia dell’indagine strumentale in genere è quello di indurre dall’esterno un’energia all’interno dell’organismo. Nell’indagine ecografica l’energia fornita (non ionizzante), “rimbalza” contro ogni interfaccia tissutale e il segnale di risposta che otteniamo riflette i punti di rimbalzo delle strutture sulle quali l’energia stessa si è impattata. Nella medicina nucleare, la scintigrafia è il risultato di una somministrazione al paziente per via parenterale o per altro accesso, di molecole più o meno complesse marcate con isotopi radioattivi; a seconda della sostanza chimica cui è legato l’isotopo, il radiofarmaco (ionizzante) avrà una differente distribuzione in vivo emettendo radiazioni dal corpo stesso del paziente. Nella radiologia (compresa la TAC) l’energia indotta all’organismo trapassa le strutture stesse incontrate sul suo cammino con un coefficiente di attenuazione che dipende dal volume e dalla consistenza (numero atomico) del tessuto attraversato; come effetto non voluto vi è un’alterazione biofisica (ionizzazione) nei tessuti, di tipo reversibile o non (non sempre vincolata dal tipo di dose, come nel danno statistico). Nella RM invece, l’energia viene indotta per alterare volutamente e momentaneamente l’equilibrio biofisico (senza ionizzazione), al fine di ottenere l’espressione di un rilascio di energia di risposta da parte dell’organismo stesso, nella fase di ritorno alla normalità, per poi codificarla ed elaborarla ottenendone la mappatura finale.

La ionizzazione è un fenomeno conseguente al trasferimento di energia (radiazione corpuscolata o elettromagnetica), in un corpo (materia fisica o tessuto vivente); tale trasferimento energetico altera le normali condizioni di equilibrio biofisico e biochimico producendo a livello molecolare ioni attivi, e cioè in grado di amplificare il fenomeno che loro stessi hanno subito creando altri ioni, più o meno attivi dei loro progenitori a seconda dell’energia stessa che essi hanno ricevuto. Questa dinamica energetica ionizzante, può produrre o meno un danno a livello molecolare; quando possibile infatti il recupero del normale equilibrio fisico-chimico, avviene attraverso meccanismi relativi alla liberazione dell’energia acquisita in tempi utili, e cioè prima che la molecola si spezzi. Se invece la liberazione dell’energia indotta non è realizzata, si può avere la morte cellulare, e in tal caso la riparazione del tessuto avviene mediante la sostituzione delle cellule morte con quelle provenienti dalla proliferazione di cellule non danneggiate o parzialmente danneggiate ad un ritmo riproduttivo caratteristico per ogni diversa popolazione cellulare. Per quelle parzialmente danneggiate, il pericolo è costituito dal fatto che la liberazione dell’energia può non essere stata tale da impedirne la trasmissione del danno alle cellule figlie, con conseguenze sul patrimonio ereditario che conosciamo bene e sulle quali è superfluo soffermarsi. I danni da ionizzazione possono essere di tipo deterministico (riconosciuto con un livello di soglia) e stocastico (o statistico e a conclamazione tardiva dall’esposizione, ove non si riconosce alcuna soglia di esposizione).

La liberazione di energia nella ionizzazione può quindi essere totale, parziale o non realizzata. Nella RM abbiamo già visto che il processo della ionizzazione non sussiste; il tipo di energia elettromagnetica somministrata al paziente, è talmente bassa che non ha possibilità di provocare un tale effetto. In ogni caso, anche nella RM si procede ad un trasferimento energetico con conseguente alterazione momentanea dello stato di equilibrio elettromagnetico a livello atomico; un tale trasferimento di energia da fonti esterne all’interno di un organismo umano non presuppone necessariamente il verificarsi di un danno biologico, così come non esclude a priori effetti immediati o anche tardivi. Abbiamo visto come esistano dei livelli energetici di soglia, superati i quali il verificarsi di effetti con danno tissutale sussista realmente; allo stato attuale della ricerca e delle conoscenze scientifiche, poiché non sono ancora ben note le modalità di interazione delle RF con la materia biologica, non si rappresentano con prove documentali certe, danni tardivi come nel caso della ionizzazione, mentre gli effetti rappresentati sono riferibili a danni di tipo immediato. Lo stesso dicasi per le correnti indotte dai gradienti.

In RM operiamo attualmente al di sotto dei livelli di soglia riferiti agli effetti immediati per tutte le tre tipologie di energia d’impiego (CMS, gradienti, RF); questo fatto di per se stesso, desta un oggettivo ottimismo, al quale però a ben guardare, manca una “gamba” rappresentata dal vuoto di conoscenza di cui si è detto. L’aspetto critico di tutta la questione non può soffermarsi sullo stato della conoscenza scientifica odierna, poiché ciò dipende dall’oggetto sviluppo delle forze produttive storicamente dato; l’attenzione deve soffermarsi allora su quale livello tendenziale di orientamento deve avvenire lo sviluppo ulteriore della ricerca scientifica e attraverso quale modello tecnologico applicare le conoscenze scientifiche già acquisite, anche in funzione delle lacune a fondamentale ricaduta per l’integrità fisica del paziente. La scelta operata fino ad oggi dalla è stata “semplicemente” e sostanzialmente quella hardware di intensificare le intensità delle energie di trasferimento per il miglioramento del rapporto segnale/rumore, e quella software del potenziamento della modalità di trasmissione degli impulsi (le sequenze turbo che fra l’altro amplificano l’alterazione dell’equilibrio biofisico), anche in funzione della riduzione dei tempi di acquisizione dell’immagine. Scelta che come si vede è a caratteristica quantitativa e non priva di importanti contraddizioni; l’aumento del campo statico infatti, non è sempre ben coniugabile con un’ottimizzazione della risoluzione spaziale e di contrasto. Succede infatti che l’aumento del CMS allunga i tempi T1 determinando immagini povere “ricche” in DP ma povere di contrasto in T1. Per quanto riguarda la risoluzione spaziale, va detto che una riduzione della matrice di acquisizione, necessaria per un aumento del rapporto segnale/rumore, influisce negativamente sulla spazialità del segnale, così come avviene nell’aumento dello spessore dello strato. Ancora, alcuni artefatti come quelli da chemical shift (dovuto a diverse frequenze di risonanza tra protoni di grasso e acqua) diviene ancor più rilevabile in presenza di forti campi magnetici (maggiori di 0,5 T); anche gli artefatti da suscettibilità magnetica ricevono lo stesso impulso. La scelta degli alti campi inoltre, si rivela estremamente costosa poiché ad oggi, solo i semiconduttori funzionanti a criogeni (e con l’ausilio di potenti elaboratori), sono in grado di superare i 0,5 T. La riduzione dei tempi di acquisizione infine, è stata realizzata tramite sequenze, alcune delle quali come le TSE a colangiografia per esempio, tendono al superamento dei limiti SAR; questo fatto si riproporrà ancor più potenzialmente con i già realizzati alti campi (3 – 4 Tesla), vista la necessità di dover simultaneamente usare bande più ampie di eccitazione RF a campi più elevati. Tutto ciò avviene, ricordiamolo per l’ennesima volta, senza conoscenze scientifiche certe sull’esclusione di possibili danni tardivi; a tal proposito però, è interessante sottolineare come nel trentennio ’40-’70 sia stata sperimentalmente dimostrata la possibilità del verificarsi di danni a livello cromosomico per sostanze biologiche diamagnetiche, quando sottoposte a effetti meccanici di orientamento forzato ad opera del CMS: realtà scientifica questa, molto poco conosciuta dalla stragrande maggioranza degli operatori del settore fin troppo impegnati solo ad intensificare il numero degli esami da eseguire.

La ricerca scientifica e le sue applicazioni tecnologiche hanno quindi avuto in quest’ultimo ventennio, uno sviluppo in verticale e non anche in orizzontale; non è stato sviluppato cioè, alcun approfondimento circa una rielaborazione in termini protezionistici, di nuove conoscenze acquisite quali quelle relative alla distribuzione di correnti indotte all’interno dell’organismo umano. Quest’ultimo infatti, è già conosciuto come un sistema elettricamente disomogeneo per cui una stessa variazione nel tempo di un campo magnetico si traduce in termini di corrente indotta, in valori completamente diversi nei vari distretti, organi e tessuti. Grazie allo sviluppo delle conoscenze teoriche, dei calcolatori e dei codici di calcolo, oggi è possibile dotarsi di una conoscenza più approfondita di tale disomogenea distribuzione dell’energia elettromagnetica assorbita. Eppure, non vi è di fatto alcuna ricaduta concreta di tale conoscenza, sull’evoluzione dei sistemi a RM, anche e soprattutto perché la ICNIRP (Commissione Internazionale per la Protezione dalle Radiazioni Non Ionizzanti) non ha ancora raccolto l’eredità di tali studi, a forte sviluppo negli ultimi 13 anni; da questo ritardo potrebbe finanche dedursi che la comunità scientifica continua ad arroccarsi volutamente, su quello che prima ho definito sviluppo verticale della RM, riferendomi alla sola intensificazione dell’impiego di energia non supportata da una rinnovata ottimizzazione in termini di protezionistica. Diviene fondamentale allora, l’approfondimento dello studio delle proprietà dielettriche dei tessuti per la ricostruzione dell’esatta distribuzione delle correnti all’interno dell’organismo, in funzione di una ricognizione termica ed in controdentenza anche all’attuale sviluppo tecnologico.

Il rapporto segnale/rumore viene definito come “il fattore più importante, composito e caratterizzante delle prestazioni di un impianto a RM in termini di qualità d’immagine”, e come tale quindi rappresenta l’obiettivo principale dei miglioramenti tecnologici. La qualità d’immagine migliora quindi, con il migliorare di tale rapporto, e ciò si ottiene con l’aumento del segnale o con la riduzione del rumore. Non è azzardato sostenere che se l’aumento del segnale comporta ricadute oscure sui limiti biologici legata all’entità dell’energia assorbita dal paziente, gli sforzi maggiori andrebbero concentrati sulla riduzione del rumore, come di fatto è già parzialmente avvenuto (con i miglioramenti di antenne, computer e schermature), ma che evidentemente non bastano. Probabilmente punto centrale e particolarmente sensibile della catena componentistica è rappresentato proprio dall’amplificatore del segnale d’uscita, “responsabile” della produzione del rumore di fondo che, anche se basso va ad aggiungersi a quello delle altre componenti elettroniche già in fase di importanti correzioni. Va da se comunque, che occorre una ricognizione scientifica a 360°, e cioè che tenga conto nella stessa misura di tutti gli elementi tecnologici che concorrono alla costituzione di un sistema a RM. In tal senso possiamo affermare come vi sia bisogno anche di una maggiore riconsiderazione di sistemi a più basso campo (0,3-0,6 T) con elevata omogeneità (già esistenti con uso di magneti permanenti) e a costi decisamente più contenuti ma con buona qualità dell’imaging diagnostico.

Le ombre che si aggirano intorno alla questione tecnologica e protezionistica, sono poi accompagnate da quelle che riguardano l’assetto produttivo di tali sistemi. La proliferazione non razionalizzata della diffusione dei sistemi a RM, sempre più costosi, non ha alcun senso e produce solo confusione; sono infatti molti i sistemi total-body presenti su di un limitato territorio (es. a Latina in circa 70 Km di provincia esistono tre sistemi a medio-alto campo), a fronte di una ridotta installazione dei sistemi “dedicati” (per sole articolazioni e arti). Si avverte forte l’esigenza di una programmazione sicuramente più razionale della diffusione e dell’installazione di queste macchine sia per motivi economici e sia anche per motivi di efficienza produttiva. Ma la razionalizzazione e l’ottimizzazione delle risorse previste in RM deve riguardare necessariamente anche le professionalità associate alla procedura; può darsi che in futuro se avrà più successo la diffusione dei sistemi dedicati, si potrà anche prevedere una diversa composizione professionale con figure più specializzate in settori articolari e figure altrettanto più competenti in settori diversi.

La RM va interpretata come una metodica sostanzialmente giovane che, come tutti i processi tecnologici innovativi, è caratterizzata da aspetti travagliati e controversi che non hanno ancora raggiunto un equilibrio stabile e razionalizzato; l’importante in questo momento è comprendere che un impiego sconsiderato, inadeguato e/o improprio di tale metodica può alla lunga, costare caro in termini biologici, economici e produttivi per la collettività, e che la strada da percorrere non può essere tracciata senza l’adeguata considerazione di chi operandovi quotidianamente comprende profondamente efficienza, limiti, vantaggi e svantaggi di tale sviluppo, ed essendone in condizione potenziale di poterne definire l’indirizzo alternativo.

In questo significativo contesto, s’inserisce l’importante scoperta dei fisici insigniti del premio nobel; i tre scienziati infatti, si sono resi protagonisti della possibilità di rendere i materiali superconduttori anche a temperature estremamente alte rispetto a quelle attuali in presenza di “campi magnetici più forti”, come testualmente recitano le agenzie di stampa e i più famosi quotidiani. Ci si rende conto subito, che tale innovazione influisce pesantemente sull’impiego di criogeni ad alto costo con riflesso altrettanto considerevole sull’impiego dei superconduttori; occorre invece capire cosa significa “più alti campi” laddove come abbiamo già visto, un’incremento oltre i 4 Tesla sarebbe deleterio per gli effetti immediati ad esposizione total-body e quindi non impiegabile. In ogni caso, questo fatto, da ragione alla tendenziale scelta evolutiva seguita fin dagli anni ’80, d’incrementare l’energia dei campi magnetici, restandone in linea con essa. Sarà importante comprendere proprio in questa fase d’ evoluzione della componentistica di base della RM e forse ancor più del passato, come sia determinante la corretta interpretazione scientifica di tale scoperta e quale debba essere la sua concreta applicazione tecnologica, senza lasciare spazi a semplificazioni e mortificazioni di natura commerciale rese ancor più possibili dalla possibilità di realizzare sistemi superconduttivi a RM con costi decisamente inferiori poiché senza uso di criogeni e/o con consumi di corrente (relativi a questi) estremamente irrisori. La scoperta dei fisici infatti, non tange minimamente quelle che sono le odierne esigenze di una corretta pianificazione sanitaria dal punto di vista delle apparecchiature in uso, ne tanto meno i riflessi e i rischi di natura biofisica delle alte energie impiegate. Così come dovranno essere contenuti alla massima razionalità organizzativa, i prevedibili facili entusiasmi di chi oggi sapendo di poter realizzare l’acquisto di macchine ad alto campo con costi limitati, contribuisce alla proliferazione di tali impianti le cui ricadute economiche sia sui bilanci aziendali che sull’intero sistema sanitario (com’è già avvenuto per la TAC), si fanno sentire a lungo termine a causa dell’inflazionamento della loro diffusione non sempre compatibile con le reali ed effettive esigenze di appartenenza territoriale.

 

I riflessi sugli operatori della nuova metodica

 

Sicuramente nuova ed insolita è la dimensione di chi dalla radiologia convenzionale o dalla TAC si trova ad operare in RM; in primo luogo non tutti gli operatori, possono frequentare la zona controllata (area oltre i 0,5 mT corrispondente con il locale del magnete); chi infatti è portatore di dispositivi endocorporei ad attivazione magnetica o elettrica, e chi è portatore materiale metallico endocorporeo di tipo ferromagnetico non può frequentare tale zona. Per i portatori di pacemaker è precluso l’accesso anche nella zona di rispetto o sorvegliata (area compresa fra 0,1 mT e 0,5 mT corrispondente all’area del sito dedicato all’installazione); la stessa cosa è consigliata alle lavoratrici in gravidanza. Inoltre l’accesso alla zona controllata deve avvenire solo previa liberazione degli oggetti metallici (tranne l’oro), carte magnetiche e telefoni cellulari da parte di tutti gli addetti alla frequentazione. Già dai preliminari si evidenzia come finanche l’approccio iniziale con l’ambiente RM presuppone senso di responsabilità e massima attenzione. Gli oggetti metallici infatti, possono subire l’effetto proiettile (specie nei superconduttori), costituendo delle vere e proprie armi bianche per il paziente e l’operatore.

Le figure principalmente coinvolte in RM sono ovviamente quella del tecnico di radiologia e del medico radiologo; ad entrambe è richiesta una preparazione anatomica approfondita, data anche dalla necessità di saper interpretare la caratteristica multiplanarità di un imaging omnicomprensivo, nonché un’altrettanto importante capacità di coniugazione dei dissomiglianti parametri tecnici necessari alla ottimizzazione del tipo di modalità di acquisizione. La discriminazione fra la radiologia convenzionale e/o la TAC, non sta solo nella comprensione della diversità dell’energia impiegata, quanto nella corretta interpretazione della complessa dinamica dei nuclei magnetici e del tipo di ricaduta di un tale processo, sulle modalità di acquisizione dell’imaging; pur basandosi sullo stesso principio metodico della TAC (la selezione a strati), i principi fisici della RM non sempre conducono alla stessa conclusione. In TAC e in tomografia convenzionale ad esempio, la riduzione dello strato migliora la risoluzione spaziale; in RM accade la stessa cosa ma con un importante limitazione poiché superata una certa soglia di riduzione dello spessore dello strato, il numero di protoni risonanti (e quindi “partecipanti” alla formazione dell’immagine) diminuisce, riflettendosi negativamente sul rapporto segnale/rumore.

Anche se nel registro software del protocollo d’esame i parametri delle sequenze vengono preimpostati dalle ditte fornitrici, ciò non toglie che la scelta ultima di tali parametri spetta all’operatore, in quanto unico conoscitore dello specifico quesito clinico e del tipo d’esame che corrispondentemente decide di condurre. Non si tratta soltanto di scegliere in quale tipo di contrasto tissutale acquisire un’immagine, poiché per uno stesso tipo di contrasto esistono svariati parametri di acquisizione. Come si può già intuire da quanto detto, all’operatore viene richiesta una capacità di analisi organica non indifferente rispetto ad altre metodiche, poiché nel decidere tempi, modi e forme dell’esame e dell’imaging finale, per ognuna di queste caratteristiche bisogna saper individuare il corretto equilibrio tenendo in debito conto vantaggi, limiti e contraddizioni fra scelte parametriche. In tal senso non occorre dunque soltanto una solida preparazione teorica di base ed operativa, ma anche una duttilità mentale che consenta di considerare la complessità dell’interazione (a volte per nulla lineare) fra i molteplici fattori concomitanti di un determinato processo.

L’atavica carenza di medici radiologi, che oggi ha assunto i connotati di estrema gravità, e la delicatezza dell’ambito di operatività, pongono al tecnico di radiologia un compito sicuramente più professionalmente alto ma proprio per questo anche più responsabilizzante suo malgrado; non è per nulla esagerato sostenere che viste le molteplici controindicazioni all’esecuzione dell’esame RM, giorno per giorno, paziente per paziente il tecnico, spessissimo operante senza la collaborazione del medico radiologo, rischia non soltanto dal punto di vista professionale (esami poco diagnostici eseguiti in presenza di controindicazioni relative o limitanti), ma anche e soprattutto dal punto di vista penale (controindicazioni assolute). Ciò avviene sicuramente con una frequenza che essendo definibile come fattore intrinseco dell’esame, diviene anch’esso momento di profonda differenza con le altre metodiche radiologiche. L’esistenza del modulo relativo al consenso informato, non da alcuna copertura legale in merito; molto spesso infatti i pazienti inconsapevoli delle controindicazioni e dei rischi dell’esame, dimenticando interventi chirurgici a cui sono stati sottoposti molti anni addietro, non dichiarano notizie importanti che possono provocare seri danni agli stessi. L’operatore tecnico ha sempre il dovere di raccogliere notizie relative all’anamnesi, nel modo più dettagliato possibile e se il caso lo richiede effettuare (con l’approvazione del paziente) un indagine radiologica mirata alla regione d’esame RM. La fretta, la superficialità, il non chiedere una sola notizia fra le molteplici raccolte, che magari in quel paziente è centrale, può condurre ad errori gravissimi di cui sarà sicuramente il solo a pagarne le conseguenze. Ecco perché il tecnico è altrettanto il solo a comprendere la necessità di programmare, con il rispetto assoluto dei tempi tecnici degli esami (nei quali rientra l’anamnesi), l’attività di RM in modo molto più ottimizzato che non in altre dimensioni operative. Anche la collaborazione e il dialogo con i medici degli altri reparti ospedalieri e/o quelli di base, è di fondamentale importanza nella comprensione dell’esatto quesito clinico e della raccolta di notizie storiche dei pazienti, specie per quelli più anziani e/o affetti da patologie encefaliche che li rendono non collaboranti (compilazione del modello di consenso informato con la partecipazione dei parenti e all’atto della prescrizione dell’esame).

Per tutti questi motivi e per tutti gli altri che nel corso della relazione presente si sono evidenziati possiamo sostenere che il tecnico di radiologia operante in RM non è più il “tecnico di radiologia”, così come classicamente inteso. Non solo perché l’energia impiegata non è di natura radiologica, ma perché i parametri cui deve tener conto nell’esecuzione dell’indagine sono sì diversi, ma anche molteplici. Il tecnico di radiologia classico, ha una limitata gamma di parametri ed anche di più semplice coniugazione, mentre la RM si sostanzia come indagine estremamente pluricaratterizzante. Qui in gioco non è solo l’abilità ad evidenziare immagini anatomopatologiche “nascoste” con l’ausilio di una stessa gamma di parametri come avviene nell’Rx, ma è anche la capacità di gestire ed elaborare tipi di acquisizioni e immagini mediante una vasta scelta di parametri da coniugare in modo tale da poter raggiungere il miglior equilibrio possibile.

Anche per il medico radiologo l’impatto della RM sulla sua professione è stato significativo; attraverso tale metodica infatti, egli ha ripreso una centralità diagnostica che in sostanza stava perdendo per effetto dell’evoluzione delle altre figure mediche. La comprensione delle immagini di una radiografia del torace da parte di un chirurgo o di una frattura da parte di un ortopedico, è ben lontana dalla comprensione di un’immagine a RM.

Proprio la complessità e la soggettività della metodica rimettono in auge la funzione del radiologo; anch’egli però non è più il “radiologo” classicamente inteso. Cambia infatti, la forma mentis di “refertazione”, nel passaggio dall’esame Rx alla RM, poiché cambiano sostanzialmente le strutture anatomiche da prendere in esame, le procedure d’esecuzione da descrivere, le immagini anatomopatologiche da rilevare. Ma è soprattutto l’approccio metodologico che si trasforma dovendo non più contare su una multiproiezione come quella possibile all’RX o sulla multiscansione come quella della TAC, ma stavolta si tratta di determinare con sicurezza e determinazione maggiore le modalità di acquisizione ed i tempi d’esame con minima possibilità di ripetizione. La necessità di mirare l’esame alla regione d’interesse clinico e la necessità di non allungare troppo i tempi d’esame impongono un’approccio premeditato e non immediato. Non a caso non esistono esami di P.S. in RM (caso a parte per gli esami in “diffusione” che ha bisogno di un’adeguata tecnologia). Sotto questo aspetto, paradossalmente pur avendo una molteplicità di contrasto tissutale (o d’immaging), la RM richiede una rigidità nell’approccio che è di fondamentale importanza ed è rappresentato dalla precisa conoscenza delle varie intensità del segnale nelle varie sequenze e nei tre piani anatomici.

Cambia la tecnologia, cambiano le esigenze, si trasformano le professioni; ciò è tanto vero che la RM può fungere per certi versi, anche da specchio di una realtà produttiva più generale e sempre in continua e rapida evoluzione.

 

BIBLIOGRAFIA ESSENZIALE

 

  1. La protezione del paziente e degli operatori in Risonanza magnetica; Atti del convegno, E.O. Ospedali Galliera; Genova 29/01/2000; Autori vari

  2. La diagnostica per immagini con Risonanza magnetica; Ed USES; R. De Dominicis, C. Bartolozzi, G. Dal Pozzo; Firenze 1987

  3. Trattato italiano di Risonanza Magnetica; Ed. Idelson-Gnocchi; G. Simonetti, A. Del Maschio, C. Bartolozzi, R. Passariello; Napoli 2000

  4. Elementi di tecnologia in Radiologia e Diagnostica per immagini; Ed. Cromac; R.Passariello; Roma 1996

  5. Radiologia per tutti; Ed. Sorbona; O. Catalano; Napoli 2000

  6. La Risonanza Magnetica semplice; Ed Shering, Hans H. Shild; Berlino 1990

  7. Tecniche di studio RM; Atti del convegno; Ed. Guerbet, Autori vari; Biella 2002

  8. Tomografia Computerizzata e Risonanza magnetica; Ed. Grasso; G. Gualdi; Bologna 1994

  9. Manuale per Tecnici di Radiologia Medica; Ed. Ambrosiana; G. Viviani, G. Pompili, G. Cardani, Milano 1987