La scienza della risonanza magnetica: come funziona la macchina per produrre immagini dell’interno del corpo

La risonanza magnetica – o risonanza magnetica nucleare – è una tecnica diagnostica utilizzata dagli anni '80 per realizzare in modo non invasivo e senza l'uso di radiazioni ionizzanti (a differenza della TAC, che usa i raggi X) immagini tridimensionali dell'interno del nostro corpo. Si tratta di una tecnica nata in campo fisico negli anni '70 e successivamente “presa in prestito” dalla medicina diagnostica per effettuare esami di tipo neurologico, oncologico, cardiologico e così via. Unica precauzione: vietato avere con sé oggetti metallici – compresi pacemaker – durante l'esame!

Il funzionamento della macchina per la risonanza magnetica sfrutta le proprietà magnetiche dei protoni, particelle che costituiscono i nuclei atomici dell'idrogeno, che vengono stimolati grazie a potenti campi magnetici per raccogliere le immagini. Ma come fa la macchina a trasformare i segnali invisibili dei nostri atomi in immagini così dettagliate?

Come è fatta la macchina della risonanza magnetica

Il macchinario utilizzato per la risonanza magnetico è costituito da un tunnel cilindrico in cui il paziente viene posizionato durante l’esame. Al centro del tunnel si trova un magnete superconduttore che produce il campo magnetico necessario per la scansione. Questo campo può raggiungere intensità dell’ordine di 1,5-3 tesla (alcune macchine sperimentali arrivano fino a 7 tesla): per intenderci, parliamo di un campo magnetico decine di migliaia di volte più intenso del campo magnetico terrestre.

Nonostante questo, la risonanza magnetica è una procedura sicura e non invasiva. L’unica precauzione fondamentale riguarda la rimozione di qualsiasi oggetto metallico, poiché il campo magnetico può attirare materiali ferrosi e le onde radio possono riscaldare metalli presenti sulla pelle.

Come funziona dal punto di vista fisico

Il principio di funzionamento della risonanza magnetica si basa sui protoni degli atomi di idrogeno: ricordiamo che l’atomo di idrogeno è sostanzialmente un protone attorno a cui “orbita” un elettrone. Ci sono due atomi di idrogeno nell'acqua (H₂O) e questa costituisce gran parte del corpo umano: questo fa sì che siano proprio i protoni dell'idrogeno i principali responsabili dei segnali da cui vengono prodotte le immagini delle risonanze magnetiche.

Un protone può infatti essere pensato come un piccolo magnete, grazie ad alcune sue proprietà quantistiche come il momento magnetico intrinseco e il suo spin. In assenza di un campo magnetico esterno i protoni si orientano in modo del tutto casuale. Se però vengono immersi in un forte campo magnetico, ecco che tendono ad allinearsi lungo la direzione del campo e a compiere una sorta di “movimento conico” attorno a questa direzione, noto come moto di precessione, che si ripete con una determinata frequenza – chiamata frequenza di Larmor – che dipende dall'intensità del campo magnetico. Per esempio, per un campo magnetico di 1,5 tesla la frequenza di Larmor si aggira attorno ai 60 megahertz, che appartiene alla banda delle onde radio.

Durante l’esame, il macchinario invia un impulso di onde radio con frequenza uguale alla frequenza di Larmor dei protoni specifica per il campo magnetico prodotto dal macchinario. A questo punto i protoni dei nuclei di idrogeno subiscono un fenomeno di risonanza concettualmente analogo a quello che accade quando i bicchieri si rompono in risposta a un suono di una certa frequenza: le onde radio, avendo la frequenza “giusta”, trasferiscono energia ai protoni e questo li fa deviare temporaneamente dal loro allineamento con il campo magnetico principale.

Quando l’impulso radio si interrompe, i protoni ritornano allo stato di equilibrio rilasciando così energia in eccesso. Questa energia viene rilasciata sotto forma di un particolare segnale elettromagnetico che viene rilevato dalle bobine riceventi della macchina e costituisce la base per la formazione delle immagini.

Come vengono prodotte le immagini

I segnali raccolti non sono uniformi: variano in base alla densità di protoni e alle proprietà chimico-fisiche dei tessuti, come la composizione in acqua e lipidi, la mobilità molecolare e il tempo che impiegano i protoni per tornare allineati al campo magnetico principale e per perdere coerenza nel piano perpendicolare al campo magnetico.

Le bobine del macchinario generano campi magnetici che variano gradualmente lungo diverse direzioni spaziali: è questo a produrre i tipici suoni ritmici e intensi durante l’esame. Queste variazioni dei campi magnetici permettono di localizzare nello spazio i segnali elettromagnetici prodotti dai protoni, consentendo così di ricostruire immagini tridimensionali dei tessuti.

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