Apparecchiature RM
Dott. TSRM Luigi Imperiale
Dipartimento di Scienze Radiologiche
Ospedali Riuniti di Ancona
Apparecchiature RM
• Magneti
• Gradienti
• Bobine
Apparecchiature RM
• Magneti
• Gradienti
• Bobine
Campo Magnetico
Campo: regione dello spazio che gode di determinate proprietà
Dipolo: la più piccola entità capace di generare un campo
magnetico
Poli Magnetici: centri di forze magnetiche
Magnete: corpo che presenta proprietà magnetiche
Calamita: magnete artificiale
non è conservativo
ha un’attenuazione lineare
Campo Magnetico
Grandezza Vettoriale
• modulo
B
Tesla
1T = 10 Gauss
4
• direzione
linee di forza
• verso
verso del vettore
Caratteristiche principali del magnete
• Intensità di Campo
• Omogeneità
• Stabilità
• Forma del Magnete
Caratteristiche principali del magnete
• Intensità di Campo
• Omogeneità
• Stabilità
• Forma del Magnete
Intensità di Campo
• Basso Campo < 0.5 T
•
0.5 T < Medio Campo < 1.5 T
• Alto Campo ≥ 1.5 T
MAGNETI
0.2T / 0.35T
0.2/0.35T
1.0T
0.5T
0.5T
1.5T
0.7T
0.7T
3.0T
3T
Tipologie di magneti
• Permanenti
• Resistivi
• Superconduttivi
Tipologie di magneti
• Permanenti
• Resistivi
• Superconduttivi
Magneti Permanenti
• sono grosse calamite
• materiale ferromagnetico
• leghe di Fe-Co, Sm-Co, Ne-Fe-B
• vengono magnetizzati mediante corrente elettrica
• opportunamente trattati, mantengono la magnetizzazione per sempre
Magneti Permanenti
Vantaggi
• costi di gestione minimi (no criogeni)
• easy siting (no fringe field)
“ drifting” se la temperatura non è costante
Magneti Permanenti
Applicazioni “open” MR
•
•
•
•
riduzione claustrofobia
facile monitoraggio paziente (pediatria)
facile accesso (interventistica)
esami cinematici
Magneti Permanenti
Applicazioni “open” MR
Kinematic Spine
Kinematic Ortho
Magneti Permanenti
Svantaggi
• SNR
• omogeneità di campo
• limitazioni su alcune applicazioni
(Fat Sat, fMRI, MRS...)
Tipologie di magneti
• Permanenti
• Resistivi
• Superconduttivi
Magneti Resistivi
Conduttori percorsi da corrente:
Sfruttano la legge di Ampére: ”una corrente che scorre
in un solenoide o in una bobina produce un campo
magnetico nella direzione ortogonale al piano di
scorrimento della corrente stessa”.
Bo
m
NI
Bo = m L
Permeabilità magnetica
N numero di spire
L lunghezza avvolgimento
I corrente nelle spire
Magneti Resistivi
Il campo magnetico viene generato mediante il flusso
di corrente nell’avvolgimento.
Necessitano di elevatissime potenze elettriche per il
mantenimento del campo.
0.15T
1.5T
50 kwatts
50 Megawatts!
B
0
Magneti Resistivi
Vantaggi
• basso costo iniziale
• non necessitano di criogeni
Svantaggi
• consumo elettrico notevole
• dissipazione del calore per effetto Joule
• solo bassi campi magnetici
Tipologie di magneti
• Permanenti
• Resistivi
• Superconduttivi
Magneti Superconduttivi
Materiali superconduttivi Leghe metalliche ( NiobioTitanio) che, se portate a
temperature bassissime,
offrono Resistenza = 0 al
passaggio della corrente.
He liquido
4° K
Bo
Magneti Superconduttivi
Vantaggi:
• capacità di generare alti campi magnetici (0,5 a 2T ….4-7T)
• non c’è bisogno di energia per garantire il campo magnetico
• altissima omogeneità e stabilità del campo magnetico
Svantaggi:
• alto costo iniziale dovuto alla tecnologia di progetto/realizzazione
• necessitano l’uso di criogeni (oggi comunque solo elio, 0 Boil-off)
• il campo magnetico è sempre attivo
• quench che può creare l’interruzione di funzionamento
Magneti Superconduttivi
Effetto missile
Magneti Superconduttivi
Quench
Perdita istantanea della superconduttività
Fuoriuscita del liquido criogeno ( gas )
Voluto
Spontaneo
microbubbles
Rundown
Bottom
Caratteristiche principali del magnete
• Intensità di Campo
• Omogeneità
• Stabilità
• Forma del Magnete
Omogeneità
L’omogeneità di campo è la misura dell’uniformità
spaziale del campo magnetico all’interno del campo di
vista (FOV)
- Efficienza della Fat Suppression
- Minima Distorsione Geometrica
Caratteristiche principali del magnete
• Intensità di Campo
• Omogeneità
• Stabilità
• Forma del Magnete
Stabilità
La stabilità di campo è la misura di quanto si
mantiene costante il campo magnetico nel tempo.
Si misura in parti per milione all’ora [ppm/h] e
rappresenta la “deriva” del campo magnetico.
Può essere prodotta, nei magneti superconduttivi, da
una variazione della corrente circolante nelle spire.
Nei magneti permanenti è causata da una costante
“smagnetizzazione” che è naturale o da una variazione
della temperatura nella sala d’esame (Drifting).
Nei magneti superconduttivi,
Temporal Field Stability < 0.1 ppm/hour
Caratteristiche principali del magnete
• Intensità di Campo
• Omogeneità
• Stabilità
• Forma del Magnete
Forma dei magneti
La fisica ci dice che dobbiamo accettare un compromesso:
un magnete molto omogeneo è lungo e stretto
un magnete molto confortevole per il paziente è corto e
largo
l
l
a
a
Forma dei magneti
Tipicamente abbiamo due tipologie di magnete in funzione
della tecnica di realizzazione dello stesso:
• a tunnel (forma tipica dei magneti superconduttivi)
• aperto ( forma tipica dei magneti permanenti )
• Magneti
• Gradienti
• Bobine
GRADIENTI
Si definisce un gradiente di campo magnetico statico,
un campo magnetico addizionale, la cui ampiezza varia
linearmente lungo una direzione scelta.
Z
B = Bo + Gz
GRADIENTI
I gradienti di campo magnetico sono
generati tramite opportune bobine di
tipo resistivo attraversate da
corrente (ca 100 Ampere) dette
gradient coils
GRADIENTI
Un apparato di MRI ha tre gradient coils
in modo da generare gradienti lungo le tre
direzioni (z,x,y) del sistema di riferimento.
y Coils
z Coils
x Coils
y
z
x
Gradiente Z
Gradienti
Gradienti
La combinazione dell’accensione di più gradienti
determina la localizzazione di qualsiasi piano
dello spazio
Caratteristiche dei Gradienti
•
Intensità ( Amplitude )
• Pendenza ( Slew Rate )
• Duty Cycle
• Linearità
Caratteristiche dei Gradienti
• Intensità ( Amplitude )
• Pendenza ( Slew Rate )
• Duty Cycle
• Linearità
Intensità
L’intensità di un gradiente esprime la variazione del
campo magnetico principale nel FOV d’interesse, ed è
espressa in mT/m
da 23 a 50mT/m
Maggiore è l’intensità del gradiente, maggiore è la
risoluzione spaziale ottenibile
Intensità
Banda di
trasmissione
Dbw
Spessore di fetta
Intensità
Il potere di risoluzione spaziale è proporzionale
all’area sottesa alla forma d’onda del gradiente
A
B
Amplitude A =
2Amplitude B
Resolution A = Resolution B
Caratteristiche dei Gradienti
• Intensità
( Amplitude )
• Pendenza ( Slew Rate )
• Duty Cycle
• Linearità
Slew Rate
Esprime la velocità con cui il gradiente
raggiunge la massima intensità
Slew rate
= Gmax
tr
Gradient Strength
mT/m
[ T/m/s ]
Gmax
tr
Time (msec)
Slew Rate
Lo Slew rate influenza il minimo TR e TE
ottenibili, e il minimo Echo Spacing nelle
sequenze FSE ed EPI.
Gradient Strength
mT/m
A
B
Gmax
tr
Time (msec)
Caratteristiche dei Gradienti
• Intensità
( Amplitude )
• Pendenza ( Slew Rate )
• Duty Cycle
• Linearità
Duty Cycle
E’ spesso descritto come il tempo massimo durante il
quale i gradienti rimangono attivi alla massima intensità.
Viene espresso in % rispetto al TR.
Perciò il Duty Cycle influenza il numero massimo di fette
acquisibili in un intervallo TR, oppure in modo equivalente,
il DC regola il minimo TR ottenibile per una singola fetta
Caratteristiche dei Gradienti
• Intensità
( Amplitude )
• Pendenza ( Slew Rate )
• Duty Cycle
• Linearità
Linearità
Al fine di non introdurre grossolani errori di codifica
spaziale i gradienti devono essere il più possibile lineari
all’interno del FOV.
linear
unlinear
FOV
Dipende dalla bontà con cui sono realizzate le bobine di
gradiente.
La non linearità si manifesta soprattutto ai bordi del FOV.
• Magneti
• Gradienti
• Bobine
Bobine
Le bobine RF hanno due funzioni:
• Trasmettere ai tessuti il segnale RF
• Ricevere dai tessuti il segnale RF e
convertirlo in variazione di tensione.
Bobine trasmittenti Servono a trasmettere gli impulsi RF.
Bobine riceventi
Una bobina trasmittente è anche
ricevente.
Ricevono il segnale dai tessuti.
Tipi di bobine
Body Coil
Surface Coil
Tipi di bobine
Body Coil
• E’ l’unica bobina integrata nel magnete.
• Bobina di trasmissione e ricezione.
Magnet
Gradient
Body Coil
Coils
Tipi di bobine
Surface Coil
• Bobine diverse per studi diversi.
• Si applicano localmente sulla regione di interesse.
• Aumentano la qualità dell’immagine.
• Sono generalmente solo riceventi.
Signal Noise
Forma delle bobine
Bird Cage coil
Helmholtz coil
Flexible coil
Simple loop coil
Surface Coil
Vantaggi
•Elevato SNR
•Possibilità di eseguire studi ad altissima risoluzione
Svantaggi
•Ridotta copertura
•Drop-off del segnale (non in alcune bobine volumetriche).
Body coil
High coverage
Surface coil
SNR, small coverage
Phased Array coils
Bobine Phased Array
•
•
•
•
Piu’ bobine opportunamente accoppiate
Bobine di superficie
Elevata copertura
Elevato SNR
•Bobine dedicate specificatamente per 1 solo distretto
anatomico
•Piu’ difficili da progettare
•Costi più elevati
High Coverage PA coil
High Density PA coil
Images from Independent Elements
Combined
of 8ch Brain coil
High SNR 8ch Image
High Density PA coil
Phased Array vs Standard Coil
8chBrain
T/R Head
Phased Array vs Standard Coil
8chBrain
T/R Head
Surface Coil
Vantaggi
Trasmit/Receive coil
• Riduzione SAR
• Segnale proveniente solo dai tessuti all’interno della bobina
Svantaggi
• Design estremamente complesso
T/R Extremity Coil
1ch T/R Head Coil
Surface Coil
Vantaggi
Receive only coil
• Design semplicissimo
• Eccitazione uniforme su tutto il volume
1ch GPFlex coil
Svantaggi
• SAR elevato
• suscettibile ad artefatti provenienti dai tessuti
eccitati ma al di fuori della copertura della bobina
1ch 3inch coil
