Lezione n.5

Cosa è necessario per
generare un segnale RM?
• campo magnetico statico (B)
unità di misura, tesla: 1 T =1 (N x A)/m
• gradienti di campo magnetico
• campo elettromagnetico a RF
Gli elementi fondamentali di un’apparecchiatura RM sono
MAGNETE
GRADIENTI
BOBINA
TRASMITTENTE
BOBINA
RICEVENTE
Requisiti per i MAGNETI
(1) stabilità
temporale
Scopo: minimizzare gli artefatti nelle immagini (GHOST) che
possono essere generati da variazioni di campo magnetico
dell’ordine di 0.002microT.
(Nel range di frequenze da 1 a 100Hz, la stabilità richiesta è
dell’ordine di parti per bilione (ppb))
Requisiti per i MAGNETI
(2) omogeneità:
si misura in ppm (1ppm = 0,000001)
Scopo: minimizzare distorsioni geometriche e perdite di segnale
Si può misurare come omogeneità
• “peak to peak”: tramite misura diretta sulla superficie del volume dell’immagine e
valutazione della massima variazione del campo
• “surface rms”: tramite calcolo della radice quadrata dei quadrati dei valori misurati
sulla superficie
• “volume rms”: si ricava l’intensità del campo magnetico nell’intero volume
dell’immagine in modo indiretto, ovvero nel processo di acquisizione dell’immagine si
rilevano le frequenze di “risposta” provenienti dalle singole posizioni del volume.
Valori tipici ~ 5-10ppm per 50cm DSV (Diameter Spherical Volume);
esempio: RM1.5TGe 0.3ppm per DSV 40cm
Qual’è il rischio? Che le variazioni di campo dovute alle disomogeneità
siano confrontabili con quelle imposte dalla presenza dei gradienti.
Quindi la soglia di accettabilità dell’omogeneità cresce:
• al calare del valore di B
• all’aumentare dell’intensità dei gradienti
Tipologie di MAGNETI
- PERMANENTI
(blocchi di materiale magnetizzato ad alta memoria magnetica)
- RESISTIVI
(spire di materiale conduttore percorse da elevate correnti)
- SUPERCONDUTTIVI
(spire di materiale conduttore percorse da elevate correnti
mantenute a temperature prossime allo zero assoluto)
Magneti PERMANENTI
RM OPEN
RM SETTORIALE
Ginocchio
Caviglia
Mano/polso/gomito
• Come sono prodotti: DOMINI MAGNETICI, microscopiche regioni con
momento magnetico NON nullo che poste in un B esterno intenso, si
ALLINEANO con esso e rimangono tali anche quando si spegne B.
• i MATERIALI MAGNETICI permanenti sono detti anche «hard» dato che,
una volta magnetizzati, conservano la magnetizzazione in modo quasi
permanente. Al 1983 risale lo sviluppo di una nuova terra-rara (NdFeB –
neodimio-ferro-boro) oggi molto diffusa. Vantaggio: magnetizzabile ad alti
valori per unità di volume; svantaggio: fortemente sensibile alla temperatura.
I magneti realizzati con questo materiale presentano
dei «pole pieces» (espansioni polari) in ferro
per conformare il campo e dei gioghi sempre
in ferro per sostenerle e per definire il percorso
del flusso di ritorno del campo magnetico (al
fine di aumentare l’intensità del campo nel
volume di immagine e ridurre il campo magnetico
disperso). Variazioni con la temperatura:
FERRO : ~ 100 ppm / °C
NdFeB : ~ 1000 ppm / °C
Sistema di controllo della temperatura: entro 0.1°C.
• LIIMITAZIONI: ridotte intensità di campo (0.2-0.5 T), forte dipendenza
dalla temperatura (0.12%/°C ⇒ 120ppm per 0.1°C)
• gran parte dei magneti permanenti producono un B0 verticale → disegno
delle bobine RF
• altro disegno dei magneti permanenti: H-frame, con «cornice in ferro»
• COERCITIVITA’: forza necessaria ad un campo magnetico esterno per
demagnetizzare il materiale
• vantaggi: confort per il paziente, campo magnetico disperso ridotto,
bassi costi di mantenimento
Nozioni di base …
- carica elettrica in movimento ⇒ campo
magnetico
- campo magnetico variabile ⇒ passaggio
di corrente elettrica in una bobina
(induzione elettromagnetica)
- grandezze vettoriali (direzione, verso, intensità)
DIREZIONE e VERSO del campo magnetico INDOTTO
dal passaggio di corrente elettrica in un conduttore
FILO
SOLENOIDE
Magneti RESISTIVI
• da cosa sono costituiti: bobine in RAME o ALLUMINIO percorse da
corrente
• tipologie: AIR-core (fino a 0.2T) e IRON-core (con nucleo in ferro per
aumentare l’intensità di B0). In questo caso si parla di materiale «soft» in
quanto esso perde la magnetizzazione una volta spento il campo magnetico.
Il materiale viene impiegato come «poli» del magnete resistivo all’estremità
della bobina, in analogia ai magneti permanenti
• B0 proporzionale alla corrente (esempio: 200A, 1ohm, 0.15T con AIR-core)
• limitazioni: necessità di un’alimentazione stabile (circa 100ppm per
potenze 40-100kW, prevalentemente dissipata nella bobina sotto forma di
calore) e di efficienti sistemi di raffreddamento (variazioni di T ⇒ variazioni di
conducibilità)
• svantaggi: limitata stabilità, consumi elevati, bassi campi
Perché usare campi magnetici più intensi?
• l’SNR (rapporto segnale rumore) aumenta circa LINEARMENTE
con l’intensità del campo
• al crescere dell’SNR si può migliorare la qualità dell’immagine
(risoluzione spaziale) e/o la rapidità di scansione
Magneti SUPERCONDUTTIVI
CON QUALI MATERIALI SONO REALIZZATI?
Bobine in materiale SUPERCONDUTTIVO (NbTi niobio-titanio o
Nb3Sn niobio-stagno) percorse da corrente a temperature
prossime allo zero assoluto (-273.15°C = 0°K): al di sotto di questa
temperatura, detta CRITICA, tali materiali presentano una
RESISTENZA ELETTRICA NULLA. Ogni materiale ha la propria
temperatura caratteristica, esempio: NbTi 9°K. Il raffreddamento di
questi materiali richiede l’uso di elio liquido (4°K). Esistono anche
cosiddetti «high temperature superconductor» che lavorano in
condizioni di superconduttività anche a temperature superiori a
quelle dell’azoto liquido (77°K).
• il FILO, i cui avvolgimenti formano la
bobina, è realizzato incorporando molti
piccoli filamenti di materiale
superconduttore, approssimativamente
del diametro di circa 0.1mm in una
matrice di rame di circa 2mm di
diametro. Se la temperatura è inferiore
a quella critica, tutta la corrente
percorre all’interno dei filamenti,
mentre in caso contrario si trasferisce
alla matrice di rame cercando di ridurre
i danni ai filamenti superconduttivi. Lo
«STABILIZZATORE in RAME» riduce
quindi le probabilità di QUENCH dovute
a piccoli disturbi della bobina.
• QUENCH: quando una qualsiasi parte dell’avvolgimento
per varie ragioni aumenta la propria temperatura al di sopra di
quella critica, riscalda dapprima l’intero magnete portando
quindi alla TRASFORMAZIONE DI TUTTA L’ENERGIA DEL
MAGNETE IN CALORE, NEL GIRO DI POCHI SECONDI. Inizia
l’ebollizione dell’elio, che passa dallo stato liquido a quello
gassoso.
• CONSUMI di LIQUIDO CRIOGENICO: le apparecchiature
tipicamente hanno un rateo di boil-off («evaporazione»)di circa (0.03 – 0.1)
litro/h pertanto, per ridurre i costi, alcune ditte hanno realizzato tecnologie
sia per «ricondensare» l’elio sia per minimizzare il trasferimento di calore
dall’ambiente verso il magnete (dette macchine «a zero boil-off»).
Solitamente la macchina è composta da: un contenitore esterno in cui viene
fatto il vuoto (per ridurre la convezione), una o più schermature
termiche e un isolamento multistrato, un contenitore con il liquido
criogenico e quindi il magnete.
Per quanto concerne le schermature e lo strato di isolamento, essi
intercettano il calore proveniente dall’ambiente esterno e sono realizzati in
materiali con alta conducibilità termica, vedi alluminio, per minimizzare le
differenze termiche all’interno della schermatura. Questi materiali hanno
tuttavia anche un’alta conducibilità elettrica, pertanto risentono degli impulsi
dei gradienti che determinano EDDY CURRENTS nella schermatura termica.
Cosa sono le EDDY CURRENTS?
• La macchina a fianco (RM
intraoperatoria) è realizzata in Nb3Sn
che può lavorare a circa 10°K,
permettendo quindi il raffreddamento
con sistemi di conduzione piuttosto che
l’impiego di liquidi criogenici
Forza Elettromotrice Indotta
Ogni volta che il flusso di campo magnetico
concatenato con un circuito VARIA nel TEMPO,
compare nel circuito stesso una Forza
Elettromotrice Indotta.
Le correnti così indotte tendono ad OPPORSI
all’azione che le ha prodotte. Quindi producono
un campo magnetico che tende ad
ANNULLARE la variazione del flusso di campo
magnetico iniziale.
Le correnti parassite (EDDY CURRENTS) generano dei campi magnetici che si
oppongono all’impulso di gradienti stessi che le hanno originate. Quando la
risalita del gradiente è terminata, le eddy currents calano, pertanto la distorsione
del campo che esse generano cambia nel tempo. La compensazione, eseguita in
fase di taratura, avviene o con un secondo set di bobine, ovvero impiegando
impulsi per i gradienti di campo distorti a priori, via HW o SW.
1a
generazione
2a generazione
• CONTENIMENTO del CAMPO
MAGNETICO DISPERSO:
inizialmente si realizzò un approccio di
«schermatura passiva» con l’adozione di
quantitativi di ferro attorno al magnete
e/o nelle pareti delle sale RM,
successivamente si passo alla
«schermatura attiva», quindi con
l’aggiunta di altre bobine
superconduttive, le quali sono percorse
da una corrente nel verso opposto
rispetto a quella che percorre la bobina
principale, generando pertanto un
campo magnetico che si oppone a
quello principale, limitandone quindi la
dispersione.
• RAMPING: si tratta dell’installazione della corrente nel
magnete che avviene attraverso uno switch (piccolo avvolgimento
di materiale superconduttivo immerso in un materiale conduttore)
“aperto” portandolo ad una temperatura superiore alla sua
temperatura critica e facendolo quindi passare in una condizione di
resistenza elettrica non nulla, con il passaggio di gran parte della
corrente nella bobina supercoduttiva piuttosto che nello switch.
• OMOGENEITA’: al fine di massimizzare l’omogeneità di campo
compensando le variazioni tra progetto e installato (geometria
della bobina, interazione magnetica tra ambiente esterno e B0) si
esegue l’operazione di SHIMMING che può essere passivo (con
l’applicazione di materiale ferromagnetico, tipicamente in fase di
installazione della macchina) o attivo (con l’impiego di apposite
bobine, resistive o superconduttive)
• STABILITA’: si possono verificare piccole perdite dovute a
resistenze infinitesime della bobina che provocano perdite del
campo magnetico dell’ordine di poche ppm/anno.
RM OPEN
RM CHIUSA
RM OPEN
Vantaggi
• soluzione per pazienti claustrofobici o corpulenti
• esami di piccole parti del corpo (estremità)
Tipologie
a BASSO campo
magneti permanenti - braccio a C
0.23 T
ad ALTO campo
magneti superconduttivi o resistivi tunnel corti ed estremità ampiamente
svasate - braccio a C
0.7 T
0.6 T
E per LOCALIZZARE il segnale RM:
attivazione dei GRADIENTI
Bobine di
GRADIENTE
(lavorano a T ambiente)
Parametri principali
• Intensità del gradiente : mT/m (30-50 mT/m), massima
variazione di campo magnetico per unità di lunghezza
• Slew rate (tempo risalita gradiente): (mT/m/msec)
(150 mT/m/ms)
• Duty cycle: quanto rapidamente l’amplificatore riesce a generare
l’impulso di gradiente
• Eddy currents: correnti elettriche
PARASSITE generate nei materiali metallici
sottoposti a CAMPI MAGNETICI VARIABILI
che generano campi magnetici che
oppongono alla variazione del
campo di gradiente
si
Geometria delle bobine: Gradiente Z
Geometria delle bobine:
Gradienti X e Y
Evoluzioni nel tempo:
1. introduzione di bobine che sfruttano superfici
2. introduzione di bobine di gradiente AUTOschermate, per ridurre le
correnti parassite; esse, a parità di corrente, producono gradienti
meno intensi, ma tuttavia il beneficio risulta netto.
Esiste anche un’ultima generazione di bobine, perfettamente schermate,
tali che più bobine sono raggruppate in un unico elemento e non più tre
distinti.
Le bobine planari sono quelle impiegate nei magneti OPEN.
Tipicamente le bobine del gradiente Z consistono in due dischi o
avvolgimenti comunque di forma quadrata posizionati nei lati opposti,
in corrispondenza dei due poli magnetici.
GRADIENTI e QUALITA’ dell’IMMAGINE
I gradienti influenzano alcuni parametri dell’immagine:
• spessore minimo di strato
• valore minimo del tempo di echo
• tempo minimo di ripetizione di una sequenza
• FOV minimo (per una matrice costante)
• dimensioni massime di una matrice (a FOV costante)
• distorsione geometrica (correttezza della localizzazione del segnale)
INTENSITA’ dei GRADIENTI
e QUALITA’ dell’IMMAGINE
N.B.: esiste un limite nella risoluzione delle frequenze per codificare le
posizioni (differenza tra due frequenze «contigue»)
Considerare il caso con FOV definita. Dati di partenza:
1) valore del gradiente
2) dimensione del FOV
3) risoluzione in frequenza del sistema (∆ω)
Da (1) e (2) si ricava la VARIAZIONE di B da un estremo all’altro del
FOV (∆Β) → (per l’equazione di Larmor) l’intervallo in frequenza
da un estremo all’altro del FOV (∆ωTOT).
Pertanto il numero di righe e/o colonne MAX viene dato dal
rapporto tra l’intervallo di frequenza e la risoluzione di frequenza.
N° righe = N° colonne = (∆ωTOT)/(∆ω)
SLEW RATE dei GRADIENTI
e QUALITA’ dell’IMMAGINE
Bobine RF
Funzioni del sistema RF:
(1)fase di TRASMISSIONE: eccitazione degli spin
(2)fase di RICEZIONE: raccolta del segnale di «echo»
• Phased Array
Bobine RF trasmittenti
• Cosa trasmettono?
• Con quale obiettivo?
Dell’impulso RF si sfrutta la
componente magnetica: si
applica un campo
magnetico B1
perpendicolare a B0
Macroscopicamente dopo
l’applicazione dell’impulso RF
Flip angle
angolo di
inclinazione di
M0 sul piano x,y
Flip parziale
Flip a 90°
Bobine RF trasmittenti
Creano il campo B1 che ruota il vettore M
B1 è perpendicolare a B0, con frequenza uguale a quella
di risonanza nucleare e con intensità necessaria per
ottenere, nel tempo desiderato, il voluto ribaltamento
dell’angolo di precessone degli spin (tale valore dipende
anche dalle condizioni al contorno-struttura della bobina
e dall’ambiente circostante). In particolare:
Flip angle
angolo di inclinazione di M0 rispetto al piano x,y
in particolare (con τ durata dell’impulso):
θ = γ B1 τ
Bobine RF trasmittenti
Le bobine possono essere POLARIZZATE:
• LINEARMENTE: B1 ha un orientamento fisso, ortogonale a B0
(bobine LINEARI)
• CIRCOLARMENTE: B1 ruota perpendicolarmente a B0 ad una
frequenza uguale a quella di Larmor. Queste bobine richiedono
un’alimentazione in due componenti di uguale ampiezza ma con
una differenza di fase di 90°, si parla di «ECCITAZIONE in
QUADRATURA» (bobine in QUADRATURA)
A parità di flip angle, le bobine lineari richiedono il doppio della
potenza di quelle in quadratura, le quali pertanto sono più diffuse.
Trasmissione
Trasmissione
(1) SINTETIZZATORE:
genera un segnale
sinusoidale continuo alla
frequenza di Larmor
(2) MODULATORE:
genera l’impulso RF con
un’ampiezza di banda finita
(3) AMPLIFICATORE:
monitorizza la potenza
dell’impulso RF
(4) SWITCH (T/R): accoppia
lo splitter alla corretta catena
(T o R) a seconda della fase
(5) SPLITTER: fornisce due
componenti di uguale
ampiezza e shiftate in fase di
90°
(6) BOBINA in
QUADRATURA: alimentata
dalle due componenti, genera
il campo B1
Le bobine di trasmissione sono SCHERMATE
ELETTROMAGNETICAMENTE rispetto alle bobine dei
gradienti.
Scopo: evitare che l’energia delle onde RF si dissipi nelle bobine
di gradiente.
Possibile inconveniente: induzione di eddy currents nella
schermatura, per cui essa deve essere «trasparente» ai
gradienti di campo.
RICEZIONE
Come si comporta il
vettore
magnetizzazione
SOMMA?
Moto SPIRALIFORME
Il vettore cambia
DIREZIONE e
INTENSITA’, ma non
FREQUENZA
Bobine RF di ricezione
Rilevano la componente trasversa del vettore M
quando esso precede nel piano x,y
La forma fisica della bobine determina il suo volume sensibile:
• direzione campo B0, CC : bobina a sella
• direzione campo B0, LL o AP : bobine a forma solenoidale
Caratteristiche principali che determinano la scelta costruttiva delle
bobine RF: OMOGENEITA’ ed EFFICIENZA, ma spesso i loro
andamenti sono antitetici.
Per bobine che lavorano esclusivamente in una modalità, si predilige
l’omogeneità nella trasmissione e l’efficienza nella ricezione.
La forma di bobina di volume più
usata è quella a
GABBIA di UCCELLO - bird cage
Bobine di superficie multicanale
Vantaggi
• aumento SNR per
minore distanza
bobina-volume
• riduzione dei tempi
di acquisizione
Svantaggio
• minore campo di
vista
Richieste del mercato
- maggior contenuto diagnostico dell’immagine
(aumento di rapporto segnale-rumore e risoluzione spaziale)
- riduzione dei tempi di esecuzione dell’esame
- maggior comfort per il paziente
Rapporto
segnale-rumore
SNR
Spessore di
strato
8mm
2mm
4mm
Soluzioni
- elevati campi magnetici
- intensi gradienti di campo magnetico
- elevati slew rate
- algoritmi di elaborazione
- bobine di superficie multicanale
- imaging 3D
Altri impieghi…..
Radiologia interventistica
e
imaging intraoperatorio
Modalità di acquisizione delle immagini : 2D e 3D
Vantaggi del 3D imaging:
• assenza di vuoti o spazi tra
le slices
5mm – 2D
1mm – 3D
• aumento di SNR
(eccitazione di un volume
piuttosto che una singola slice e
assenza di crosstalk tra le slices)