Come funziona la Risonanza Magnetica Nucleare

Come funziona la RMN

 

Introduzione: Un dispositivo a Risonanza Magnetica (MRI) puo’ fotografare il cervello come una radiografia fotografa le ossa. Ma al tempo stesso, nonostante il nome nucleare evochi la radioattivita’, usa un metodo innocuo che si basa su normali onde radio e un campo magnetico che agiscono sui nuclei degli atomi di idrogeno presenti nel cervello. Scoprite come avviene tutto questo con questa applicazione interattiva.

Cose da fare: Scegliete la versione italiana (nella lista in basso) e cliccate su run now.Il materiale interattivo ha due linguette che permettono di vedere la risonanza magnetica in funzione per un gruppo di nuclei atomici   senza la possibilita’ di creare immagini (RMN semplificata) o con la possibilita’ di  risalire alla posizione dell’atomo cio’ che permette di creare una mappa(RMI semplificata). Cominciate con la prima.

Al centro appaiono un gruppo di atomi i cui nuclei ogni tanto si capovolgono  in maniera casuale. Avete a disposizione sotto un generatore di onde radio e a destra un magnete. Dovete agire su questi due finche’ i nuclei non cominciano a rispondere alle onde radio ricevute capovolgendosi in continuazione e  inviando un’onda radio di risposta quando tornano alla posizione precedente. Uno schema a destra vi fa vedere sia la differenza di energia da nucleo su e nucleo giu’ che l’energia dei fotoni inviati dal trasmettitore di onde radio. (In gergo il nucleo nella posizione iniziale e in quella capovolta si dice che hanno spin su  o giu’.)

A cosa serve il campo magnetico? A cosa serve il trasmettitore di onde radio? Quale dei due cursori della radio vi permette di modificare l’energia dei fotoni?  Come si fa a far capovolgere il nucleo cambiando il suo spin? Cosa succede se cambiamo il campo magnetico? Cosa succede se cambiamo il tipo di atomo?

Ora passate al caso piu complesso con la linguetta “RMI semplificata”. Anche qui cercate di scoprire come si usa il campo magnetico e il trasmettitore di onde radio. A cosa serve il campo magnetico variabile? Come si fa a creare un’immagine? (Tenete conto che le immagini della RMI sono fatte indirizzando gli atomi un piano alla volta e creando un’immagine per ogni piano : e’ come se affettassimo il cervello e fotografassimo le “fette” una a una)

Provate ad aggiungere un “tumore”. Riuscite a regolare i vari  comandi in modo che solo i nuclei nella zona del tumore rispondono alle onde radio?  Qual’e’ la caratteristica del tumore che lo rende facilmente distinguibile dalle parti sane del cervello.

 

Cosa succede:La Risonanza Magnetica Nucleare nonostante l’uso (fare immagini simili a radiografie ma di tessuti molli non ossa) e la presenza di “nucleare” nel nome non ha niente a che fare con la radioattivita’ e i (pericolosi) raggi X. La RMN e’ invece basata su un’arcana proprieta’ quantistica dei nuclei. Questi infatti sono leggermente magnetizzati(si dice che hanno un momento magnetico) e si comportano percio’, in presenza di un campo magnetico come piccoli magneti allineandosi col campo. Essi hanno inoltre una proprieta’ quantistica chiamata spin che puo assumere solo due valori 1/2 e -1/2 (spin su e giu’).
Possiamo immaginare il nucleo come una trottola che ruota allineata col campo magnetico e che puo, cambiando lo spin, capovolgersi ruotando nell’altro senso.
Se inviamo al nucleo un’onda radio di una opportuna frequenza (sotto forma di fotoni) il nucleo passa da un valore all’altro di spin (nell’applicazione lo si vede capovolgere). Questo nucleo e’ ora in una posizione instabile e alla prima occasione torna spontaneamente allo stato precedente emettendo lo stesso fotone. Come si vede il nucleo e’ una radio che riceve e trasmette onde elettromagnetiche di una frequenza ben definita.
Atomi di tipo diverso hanno un differente momento magnetico nucleare e differenti frequenze di eccitazione.
La cosa interessante e’ che questa frequenza dipende dal campo magnetico. Quindi se noi facciamo in modo che ogni zona del cervello abbia un campo magnetico leggermente diverso, possiamo inviare contemporaneamente onde radio di frequenze diverse e ricevere un segnale con una frequenza diversa da ogni parte del cervello.
A questo punto non dobbiamo fare altro che colorare , per ogni frequenza, la zona corrispondente nella mappa con un livello di grigio pari all’intensita’ del segnale nella zona. Un livello maggiore indica un addensamento di atomi di idrogeno. Ed e’ proprio questo addensamento che tradisce la presenza di un tumore perche’  questo e’  caratterizzato da una proliferazione enorme di cellule e quindi molecole d’acqua e di atomi di idrogeno.

Commenti: Perche’ i raggi X non si possono usare per i tessuti molli come il cervello? Perche sono troppo potenti e li attraversano senza accorgersi. Invece essi sono bloccati dalle ossa. Il risultato sulla lastra e’ che le parti molli sono trasparenti e le ossa si vedono benissimo.

Altri applet  fisica nucleare

Il materiale ha come indirizzo http://phet.colorado.edu/en/simulation/mri  e proviene dalla raccolta PhET – The Physics Education Technology Project

Autore:
© Colorado University – phethelp@colorado.edu

Titolo in inglese : Simplified MRI

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