Una successione di impulsi a RF e di applicazione di gradienti costituisce le cosiddette sequenze di impulsi o sequenze di eccitazione. Gli impulsi a RF hanno la funzione di perturbare l’equilibrio
degli spin e di generare il segnale, mentre gli impulsi di gradiente influenzano la frequenza e la fase del segnale ricevuto e sono necessari all’ottenimento dell’ immagine
Sequenza 90-FID
Nella sequenza 90 FID la magnetizzazione risultante è ruotata in basso nel piano x’ y’ con un impulso a 90.
Figura 61: magnetizzazione ruotata nel piano x’y’
Il vettore di magnetizzazione comincia un moto di precessione intorno all’asse z e l’intensità del vettore decade nel tempo. Ogni aspetto di una sequenza di impulsi, in funzione del tempo, può essere descritto da un grafico ad assi multipli detto diagramma temporale. Il diagramma temporale di una sequenza di impulsi 90-FID riporta in funzione del tempo l'energia RF ed il segnale
Figura 62: impulso RF e segnale FID
Quando questa sequenza viene ripetuta, se per esempio si intende migliorare l’SNR, l’ampiezza del segnale dopo aver effettuato la trasformata di Fourier (S) dipenderà dal tempo T1 e dal tempo che intercorre fra le ripetizioni, chiamato tempo di ripetizione Tr
S = k ρ ( 1 - e-TR/T1 )
Sequenza Spin-Echo
Questa sequenza di impulsi è comunemente utilizzata per produrre un segnale NMR cosiddetto di echo. Ad un sistema di spin, viene prima applicato un impulso RF a 90o che ribalta la magnetizzazione nel piano X'Y'; la magnetizzazione trasversale comincia a perdere fase. Dopo un certo tempo dall'impulso a 90o viene applicato un impulso a 180o. Tale impulso ruota la magnetizzazione di 180o rispetto all'asse X' e fa sì che la magnetizzazione, almeno parzialmente,
ritorni in fase e produca un segnale chiamato echo. Il diagramma temporale mostra le relative posizioni dei due impulsi di RF e del segnale.
Figura 63: diagramma temporale di una sequenza SPIN-ECHO
L'equazione del segnale per una sequenza spin echo ripetuta, espressa in funzione del tempo di ripetizione (TR) e del tempo di echo (TE), definito come il tempo tra un impulso di 90o e la massima ampiezza dell'echo, è:
S = k ρ ( 1 - e-TR/T1 ) e-TE/T2 (equazione valida a condizione che il TR >> TE).
Imaging con sequenze Spin-Echo
Abbiamo visto che un segnale di risonanza magnetica puo' essere prodotto con una sequenza spin-echo. Un vantaggio nell'uso della sequenza spin-echo e' che essa introduce nel segnale la dipendenza dal T2. Poiche' alcuni tessuti e patologie hanno valori simili di T1 ma differenti valori di T2 e' vantaggioso avere una sequenza di imaging che produca immagini T2-dipendenti.
Nel diagramma temporale per una sequenza di imaging spin-echo sono riportati gli impulsi RF, i gradienti di campo magnetico e il segnale.
Figura 64: diagramma temporale di una sequenza SPIN-ECHO
Un impulso RF a 90o di selezione della fetta viene applicato insieme con un gradiente di selezione della fetta. Passa un periodo di tempo uguale a TE/2 e viene applicato un impulso a 180o in congiunzione con il gradiente di selezione della fetta. Un gradiente di codifica di fase viene applicato tra gli impulsi a 90o e 180o.Come nelle precedenti sequenze di imaging, il gradiente di codifica di fase e' variato tra G m e -G m in 128 o 256 passi. Il gradiente di codifica di fase potrebbe essere applicato dopo l'impulso a 180o, pero' se vogliamo minimizzare il periodo TE, il gradiente va applicato tra gli impulsi RF di 90o e 180o. Il gradiente di codifica in frequenza viene applicato dopo l'impulso a 180o durante il tempo in cui viene raccolto l'echo. L'echo e' il segnale registrato; il FID, che si genera dopo ogni impulso a 90o, non viene usato. Un ulteriore gradiente viene applicato tra gli impulsi a 90o e 180o. Questo gradiente agisce lungo la stessa direzione del gradiente di codifica in frequenza e sfasa gli spin in modo che tornino in fase al centro dell'echo. In effetti questo gradiente fa si' che il segnale si trovi all'estremita' dello spazio-k quando inizia l'acquisizione dell'echo.
L'intera sequenza viene ripetuta ogni TR secondi fino al completamento di tutti i passi della codifica di fase.
Sequenza Inversion Recovery
Anche una sequenza di impulsi inversion-recovery può essere usata per registrare uno spettro NMR.
In questa sequenza, viene prima applicato un impulso a 180o; questo fa ruotare la magnetizzazione lungo l'asse -Z.
Figura 65: senso di rotazione della magnetizzazione in una sequenza Inversion Recovery
La magnetizzazione è sottoposta ad un rilassamento spin-reticolo e tende a ritornare alla sua posizione di equilibrio lungo l'asse +Z. Prima del raggiungimento dell'equilibrio, dopo un tempo TI dall'impulso a 180o, viene applicato un impulso a 90o che ruota la magnetizzazione longitudinale nel piano XY. La magnetizzazione risultante, ora nel piano XY, inizia a ruotare attorno all'asse Z e a perdere fase generando un segnale tipo FID. Ancora una volta il diagramma temporale mostra le relative posizioni dei due impulsi di radiofrequenza e del segnale.
Figura 66: diagramma temporale di una sequenza Inversion Recovery (segnale RF e relativo FID)
Il tempo TI, definito come il tempo che intercorre tra l'impulso a 180o e quello a 90o, è detto tempo di inversione. Il segnale in funzione del TI quando la sequenza non è ripetuta è:
S = k ρ ( 1 - 2e-TI/T1 ) Notate che il segnale va a zero quando TI = T1 ln2.
Quando per mediare il segnale o produrre immagini la sequenza è ripetuta ogni TR secondi, l'equazione del segnale diventa
S = k ρ ( 1 - 2e-TI/T1 + e-TR/T1)
Imaging con sequenze Inversion Recovery
Abbiamo visto che un segnale di risonanza magnetica puo' essere prodotto con una sequenza inversion recovery. Un vantaggio nell'uso di una sequenza inversion recovery e' che consente l'annullamento del segnale proveniente da un tessuto in base al suo T1. Ricordate che l'intensita' del segnale e' zero quando TI = T1 ln2. Verra' presentata una sequenza inversion recovery che usa una sequenza spin-echo per rivelare la magnetizzazione. Gli impulsi RF sono 180-90-180. Una sequenza inversion recovery che utilizzi un 90-FID per la rivelazione del segnale e' del tutto simile, con l'eccezione che un 90-FID prende il posto della componente spin echo della sequenza.
Il diagramma temporale per una sequenza di imaging inversion recovery presenta gli impulsi RF, i gradienti di campo magnetico e il segnale.
Figura 67: : diagramma temporale di una sequenza Inversion Recovery
Viene applicato un impulso RF a 180o selettivo di uno strato insieme con un gradiente di selezione dello strato. Trascorso un periodo di tempo uguale a TI, viene applicata una sequenza spin-echo. Il resto della sequenza e' equivalente ad una sequenza spin-echo. Questa componente spin-echo registra la magnetizzazione presente al tempo TI dopo il primo impulso a 180o (come gia' detto potrebbe essere utilizzata una sequenza con 90-FID al posto della spin-echo). Tutti gli impulsi RF nella sequenza spin-echo sono selettivi di strato. Gli impulsi RF vengono applicati insieme ai gradienti di selezione degli strati. Tra gli impulsi di 90o e 180o viene applicato un gradiente di codifica di fase. Il gradiente di codifica di fase viene variato tra G m e -G m in 128 o 256 passi.
Il gradiente di codifica di fase non potrebbe essere applicato dopo il primo impulso a 180o perche' in quell'istante non avremmo magnetizzazione trasversale per codificare la fase. Il gradiente di codifica in frequenza viene applicato dopo il secondo impulso a 180o durante il periodo in cui viene raccolto l'echo.
L'echo e' il segnale registrato. Il FID dopo l'impulso a 90o non viene utilizzato. Il gradiente di defasamento e' applicato tra gli impulsi a 90o e 180o per posizionare l'inizio dell'acquisizione del segnale all'estremita' dello spazio-k. L'intera sequenza viene ripetuta ogni TR secondi.
Imaging con sequenze Gradient Echo
Le sequenze di imaging menzionate finora hanno un grande svantaggio. Per ottenere il massimo segnale richiedono tutte che la magnetizzazione riacquisti la sua posizione di equilibrio lungo l'asse Z prima che venga ripetuta la sequenza. Quando il T1 e' lungo, questo puo' prolungare significativamente la sequenza di imaging. Se la magnetizzazione non riacquista completamente l'equilibrio, il segnale e' minore di quello che si avrebbe nel caso del completo recupero.Se la magnetizzazione viene ruotata di un angolo ϑ minore di 90° la sua componente Mz riacquistera' l'equilibrio molto piu' rapidamente, ma ci sara' un minor segnale dal momento che il segnale e' proporzionale al Senϑ. Cosi' perdiamo segnale a vantaggio del tempo di imaging. In alcuni casi, per recuperare segnale possono essere raccolte e mediate insieme piu' immagini.
La sequenza di imaging gradient echo e' l'applicazione di questi principi. Questo e' il suo diagramma temporale.
Figura 68: : diagramma temporale di una sequenza Gradient Echo
Nella sequenza di imaging gradient echo viene applicato all'oggetto da esaminare un impulso RF di selezione dello strato. Questo impulso RF produce tipicamente un angolo di rotazione tra 10° e 90°.
Insieme all'impulso RF viene applicato un gradiente di selezione dello strato.
Poi viene applicato un gradiente di codifica di fase. Il gradiente di codifica di fase viene variato tra G m e -G m in 128 o 256 passi come e' stato fatto per tutte le altre sequenze.
Un gradiente di defasamento e di codifica in frequenza viene applicato contemporaneamente al gradiente di codifica di fase per far si' che gli spin siano in fase al centro del periodo di acquisizione. Questo gradiente e' di segno negativo rispetto al gradiente di codifica in frequenza acceso durante l'acquisizione del segnale. Quest'ultimo, quando attivato, produce un echo perche' consente il recupero della perdita di fase avvenuta a causa del gradiente di defasamento.
Il tempo di echo (TE) e' definito come il tempo che intercorre tra l'inizio dell'impulso RF ed il valore massimo nel segnale. La sequenza viene ripetuta ogni TR secondi. Il periodo TR e' dell'ordine delle decine di millisecondi.
Puo' essere utile a questo punto sottolineare le differenze tra una sequenza gradient echo e una sequenza spin echo. In una sequenza gradient echo il rifasamento degli spin viene ottenuto usando un gradiente di campo magnetico invece che un impulso RF a 180°. L'uso di un gradiente di rifasamento rende l'imaging gradient echo intrinsecamente piu' sensibile alle disomogeneita' di campo magnetico. D'altro canto, l'uso di un angolo di rotazione minore di 90° e di un gradiente di rifasamento conferiscono a questa sequenza un vantaggio in termini di tempo.