Attorno al magnete principale si trovano anche altre bobine oltre alle bobine di gradiente, che hanno la funzione di migliorare le caratteristiche del sistema stesso.
Bobine di shimming
Queste bobine hanno lo scopo di creare campi magnetici tali da annullare le imperfezioni e non linearità del campo magnetico principale, in modo da renderlo più omogeneo e quindi mantenere il più costante possibile la frequenza di Larmor nella zona di cui si vuole fare l'imaging.
Al posto di bobine controllate elettronicamente, o più spesso in aggiunta ad esse, si utilizza anche uno shimming passivo, costituito da elementi in materiale ferromagnetico posti nei dintorni del campo magnetico principale, che ne distorcono le linee di flusso
Bobine di schermatura (shielding)
Queste bobine possono essere comandate autonomamente (schermatura attiva) oppure essere semplici avvolgimenti accoppiati induttivamente con le bobine di gradiente.
Lo scopo di questi avvolgimenti consiste nel generare un campo magnetico che si annulli col campo primario o col campo prodotto dalle bobine di gradiente nei punti in cui non è desiderato un effetto magnetico, ad esempio all'esterno del magnete.
Nonostante non siano noti effetti nocivi di un campo magnetico statico sui tessuti organici, almeno alle intensità usate per l'imaging diagnostico, è buona norma cercare di ridurre i campi indesiderati, sia per motivi precauzionali che per la salvaguarda delle apparecchiature elettriche ed elettroniche nei dintorni dello scanner ed all'interno dello scanner stesso. I campi magnetici variabili creano nei materiali conduttori delle correnti indotte (dette eddy currents, letteralmente correnti a vortice perché scorrono lungo linee circolari) che possono creare interferenza nelle apparecchiature ed effetti biologici negli esseri viventi, in quanto interferiscono con il debole campo elettrico dei neuroni, creando stimolazioni periferiche dei motoneuroni o, nei casi più gravi, disturbi temporanei alla vista fino alla stimolazione delle fibre cardiache, con rischio di fibrillazione ventricolare.
La Radiofrequenza
Il blocco di Radiofrequenza consente la generazione di un segnale modulato alla frequenza di risonanza e la sua trasmissione al volume di interesse. Poi occorre ricevere l’eco trasmesso dal paziente, demodularlo e ricavare il segnale che consente la ricostruzione dell’immagine.
Figura 27: blocco di Radiofrequenza
Il main computer genera la radiofrequenza e le forme d’onda di gradiente e ricostruisce l’immagine dopo l’acquisizione dei dati. Il waveform synthesizer (GR) genera le forme d’onda del gradiente che vengono applicate alle bobine x,y,z. dopo essere state amplificate. Il waveform synthesizer (RF) genera la portante che viene modulata. Il segnale viene amplificato e trasferito alla RF coil attraverso il disaccoppiatore. Il circuito disaccoppiatore commuta tra le operazioni di trasmissione e ricezione. L’impulso a RF trasmesso eccita gli spin nucleari nel campione. Nella modalità di ricezione il segnale è indotto sulla RF coil e poi è trasmesso all’amplificatore in ricezione attraverso il disaccoppiatore. Il segnale nucleare amplificato è demodulato con il segnale RF di riferimento ed è inviato alla parte di acquisizione dati. I segnali nucleari acquisiti (FID or ECO signal) sono poi digitalizzati e trasferiti al computer principale attraverso il microcomputer.
Questi dati sono usati per la ricostruzione dell’immagine.
Lo scopo della modulazione è eccitare una banda specifica di frequenze corrispondente a un particolare volume.
Impulso RF
L’impulso rettangolare (“hard pulse”) è un impulso a forma di funzione RECT. Gli impulsi che variano nel tempo o hanno una forma smussata sono detti “soft pulses”. Gli “hard pulse” possono essere usati quando non è richiesta alcuna selezione spaziale o spettrale. Sono convenienti perché di breve durata. In genere, sono utilizzati senza attivare un gradiente in parallelo, ma presentano comunque una banda abbastanza ampia da attivare gli spin in un vasto range di frequenze.
L’angolo di rotazione è direttamente proporzionale all’ampiezza B1 ed alla durata T.
Ad esempio se si genera un campo a radiofrequenza pari a 30 dell’impulso per provocare una rotazione di 90° è:
MHz T
T s sT B
1.96 10 196
30 / 57 . 42 2
2
2 4
1
Figura 28:
per la banda si ottiene:
Gli Hard pulse non sono usati nelle sequenze che generano immagini, dove è richiesta selezione spaziale e spettrale. Sono utilizzati per alcune operazioni accessorie come il “trasferimento di magnetizzazione”. Un sistema elettronico non è in grado di riprodurre fedelmente un tale impulso.
Approssimazioni usate: mezza semionda del seno; forma trapezoidale.
Tabella 2: principali caratteristiche degli impulsi
Nella tabella sono riportate le principali caratteristiche degli impulsi di tipo “hard”.
Ciò che è importante è che questi impulsi abbiano una banda sufficientemente larga per attivare tutti gli spin che interessano.
T
B1
T kHz
f 6.173
10
* 196
21 . 1 21 . 1
6
Dalla tabella è possibile vedere che impulsi di durata tra 100 e 500 μs corrispondono a frequenze tra 2 e 10 kHz, che coprono facilmente l’intervallo delle frequenze di risonanza in un volume in assenza di gradiente.
Gli impulsi a forma di funzione SINC sono molto usati nelle operazioni di eccitazione selettiva degli spin, saturazione e messa a fuoco.
Un impulso di questo tipo può essere descritto come la sequenza di lobi di polarità diversa, il lobo centrale è di ampiezza maggiore e durata doppia.
Figura 29: impulso sinc
Lo spettro della funzione è una RECT.
Quando si tronca la SINC lo spettro diventa una approssimazione della RECT.
La sua formulazione matematica è:
dove A è l’ampiezza di picco dell’impulso RF t0 è pari a metà durata del lobo centrale
NL e NR rappresentano il numero di attraversamenti per lo zero a sinistra e a destra del lobo centrale.
Se NL = NR la funzione è simmetrica.
Con buona approssimazione la banda dell’impulso a forma di SINC è data da:
Il valore dell’area dell’impulso così generato è calcolabile con la funzione seno integrale. Nel caso NL = NR = 2 l’area è pari a 0,9 A t0 (caso dell’impulso a tre lobi).
Nel caso dell’integrale della funzione SINC tra meno infinito e più infinito il suo valore è uguale ad A t0.
L’angolo di rotazione è direttamente proporzionale all’area:
Posto A = B1, per provocare una rotazione di 90° (/2) si ha:
La durata totale dell’impulso è però quattro volte la durata del semi lobo centrale pari a t0, per cui l’impulso dura praticamente 872 micro-secondi ma la sua banda è solo:
Ovviamente se si scelgono durate maggiori, ad esempio 3.2 milli-secondi, la banda diminuisce, in tal caso è pari a 1250 Hz.
Modulazione SSB
Per ottenere l’impulso a radiofrequenza è necessario modulare una portante a radiofrequenza con una finestra (rettangolare o di altra forma). Questo approccio è molto semplice circuitalmente ma in questo caso tutte le sezioni della parte elettronica lavorano a frequenza f0 (frequenza di risonanza).
In tal caso, il segnale generato da una parte del circuito (ad esempio il generatore) può essere captato dall’antenna in fase di ricezione.
Figura 30: impulse a RF e trasformata di Fourier
Per evitare questa condizione, si genera un impulso ad una frequenze intermedia e, successivamente, lo si trasla alla frequenza di risonanza. In tal modo, la maggior parte dei circuiti funziona ad una frequenza diversa dalla risonanza (è opportuno scegliere una frequenza intermedia che non abbia multipli o sottomultipli pari alla frequenza di risonanza).
Per traslare il segnale alla frequenza di risonanza si può utilizzare un semplice moltiplicatore.
Figura 31: modulazione dell’impulso a RF
Nella seguente figura si riporta lo spettro ottenuto con uno schema a modulazione a partire dalla frequenza intermedia FI. Una parte della potenza generata cade fuori risonanza.
Figura 32: effetto della modulazione dell’impulso a RF
Per evitare questo fatto è necessario attuare uno schema a modulazione a singola banda (SSB).
L’impulso a frequenza intermedia è generato secondo lo schema seguente. Successivamente, lo si trasla alla frequenza di risonanza. In tal modo la maggior parte dei circuiti funziona ad una frequenza diversa dalla risonanza.
Figura 33: schema a modulazione a singola banda (SSB)
Nella seguente figura si riporta lo spettro ottenuto con uno schema a modulazione SSB a partire dalla frequenza intermedia FI. Tutta la potenza generata cade in banda.
D