È stata eseguita una simulazione della bobina single loop principalmente con lo scopo di validare il simulatore FEKO su una bobina piuttosto semplice ma ora a 7 Tesla. Il
(a) (b)
Figura 7.4. (a) Modello della bobina single loop simulato; (b) coefficienti di riflessione ottenuti dalle simulazioni confrontati con la misura nelVNA.
disegno geometrico realizzato, che si può osservare in fig. 7.4, è molto preciso, ma sono presenti le stesse fonti di errore discusse nel paragrafo 6.1.
Il modello per la simulazione è stato costruito fingendo di non conoscere le capacità utilizzate, e cercando di trovarne il valore con FEKO e con CST. Il risultato della simu- lazione è in buon accordo con quanto trovato sperimentalmente. Infatti, il valore della capacità di tuning trovato da FEKO e CST è 11.4 pF e 11.8 pF rispettivamente, da con- frontare con il valore misurato di 12 pF (in 8 posizioni) . Questo risultato può essere presentato alternativamente anche confrontando la frequenza di risonanza misurata e le frequenze simulate dai due programmi con lo stesso valore di capacità. In questo caso si osserva una discrepanza di circa 10 MHz per FEKO e circa 5 MHz per CST, come mo- strato in fig. 7.4. Tuttavia, dal momento che per costruire la bobina si possono utilizzare solo valori discreti di capacità, e dal momento che con i risultati delle due simulazioni la previsione è comunque vicina agli 8 condensatori da 12 pF utilizzati in pratica, si può dire che il risultato della simulazione è sufficientemente accurato, in quanto porta allo stesso prototipo costruito. Possiamo infatti dire che la previsione del simulatore è cor- retta quando porta a un modello utilizzabile immediatamente una volta costruito, o che richiede al massimo piccole variazioni di capacità. La previsione del simulatore è invece sbagliata quando costruire il modello come previsto dal programma significherebbe poi dover cambiare tutti o quasi tutti i valori di capacità.
i software, con un buon accordo qualitativo, come si può osservare in fig. 7.5. In seguito sarà certamente necessario confrontare queste mappe di campo con il risultato di una misura nello scanner, ma l’accordo tra due metodi completamente diversi come ilMoMe ilFEM, porta a ritenere che il campo abbia realmente l’andamento mostrato.
Figura 7.5. Campi magnetici (in alto) e elettrici (in basso) lungo il piano yz a x = 0, per la single loop con carico che mima le caratteristiche del fantoccio realizzato nella pratica. Il risultato a sinistra è ottenuto conCSTe quello a conFEKO. La scala è dB normalizzato in
tutte le immagini.
CAPITOLO 8
Progettazione e realizzazione di bobine a 7 T: phased array
Nei capitoli 4 e 5 sono stati discussi i vantaggi di utilizzare due bobine diverse per le fasi di trasmissione e ricezione. In questo capitolo sarà descritta la procedura utilizzata per la realizzazione di un prototipo di bobina ricevente multicanale, ovvero un cosiddetto phased array. Questo tipo di bobina è stato introdotto oltre venti anni fa da Roemer [24], e da allora è il modello più utilizzato di bobina ricevente.
8.1 Possibili applicazioni
L’applicazione principale di questa bobina è l’imaging del cervello umano. La ri- sonanza magnetica del cervello a campo ultra alto presenta infatti capacità uniche nel- l’identificare anomalie morfologiche e fisiologiche. L’imaging cerebrale a 7 Tesla rende- rà possibile la comprensione di nuovi processi alla base del funzionamento del cervello umano.
La bobina può essere posizionata o dietro la nuca o lateralmente, visualizzando la regione parieto occipitale o medio temporale dell’encefalo. Inoltre, il disegno scelto per la bobina phased array è comunque sufficientemente versatile da rendere la bobina utiliz- zabile anche per altre applicazioni, a patto di costruire una trasmittente per il distretto corporeo che si vuole esaminare.
8.2 Materiali e metodi
Il prototipo di phased array discusso in questo capitolo è stato realizzato durante la visita di Jim Tropp (ricercatore della GE Healthcare) a Pisa durante i mesi di giugno e luglio. Poichè il tempo a disposizione è stato limitato, la bobina è stata realizzata con i materiali reperibili in tempi brevi anche se di qualità non ottimale, con l’idea di eseguirne poi un upgrade in futuro. In particolare, sono risultati limitanti nella scelta del modello il numero di preamplificatori a disposizione (forniti dallaGE) e il supporto meccanico della bobina.
Avendo a disposizione quattro preamplificatori, e non essendo semplice reperirne altri di alta qualità nel breve periodo, e stato possibile realizzare una bobina con mas- simo quattro canali. Il supporto meccanico, che costituisce lo spazio a disposizione per i quattro canali, è una scatola in poliuretano a forma di arco di cilindro di lunghezza 18
Figura 8.1. Disegno schematico del phased array, dov’è mostrata la connessione al pre- amplificatore. Compare la linea di trasmissione (di lunghezza diversa per i vari loop) e i condensatori indicati con Cp1...4che corrispondono al parallelo di C1 e C2 nella fig. 8.7.
cm, altezza 10 cm e raggio 22 cm. È stato anche necessario costruire un supporto da ag- giungere ala scatola per contenere i preamplificatori. Esso è stato realizzato con una base in vetronite a cui sono stati aggiunti degli spessori laterali e un tappo in acrilico.
Per quanto riguarda il circuito della bobina è stato realizzato tramite etching dello stesso materiale utilizzato per il single loop. Poichè si intende eseguire in futuro un upgra- de aggiungendo altri quattro canali, è stata occupata solo la metà inferiore del supporto. Il diametro esterno di ciascuno dei 4 loop circolari è pari a 5.7 cm, leggermente superiore ai 18 cm del supporto in quanto i loop sono parzialmente sovrapposti, come si può osser- vare in fig. 8.1, in modo da minimizzare la mutua induttanza come descritto in seguito. La larghezza della strip dei loop è di 2.8 mm e sono presenti quattro spazi per l’inseri- mento dei condensatori. Ognuno dei quattro canali è connesso tramite un cavo coassiale semirigido 081 a un connettore SMA non magnetico. Da questo connettore si arriva tra- mite un altro cavo semirigido 081 al circuito di alimentazione dei preamplificatori. Un connettore SMB è presente all’uscita del circuito di alimentazione, mentre un connetto- re BNC connette l’alimentazione DC dei preamplificatori. I condensatori utilizzati nella
Figura 8.2. S11 per il singolo elemento della bobina, con una coscia come carico.
bobina sono tutti ATC serie 800B, mentre nel circuito di alimentazione preamplificatori sono stati utilizzati dei condensatori da 1 nF, ATC serie 100B, delleRFchoke, ovvero indut-
tanze da 1 µH, resistenze da 100 kΩ e diodi PIN. Tutti questi elementi circuitali sono non magnetici in modo che la bobina realizzata, sebbene allo stadio prototipale, possa essere testata sullo scanner.