CAPITOLO 2 Hardware in sistemi di MRI

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UNIVERSITA’DEGLISTUDIDIPISA Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica

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CAPITOLO 2

Hardware in sistemi di MRI

2.1 Caratteristiche generali di un sistema di MRI

Un sistema per MRI può essere rappresentato nelle sue componenti principali come in fig 2.1, dove si possono distinguere i seguenti blocchi [3]:

• il magnete

• le bobine di gradiente

• il trasmettitore

• le bobine RF

• il ricevitore .

Figura 2.1 - Schema di un sistema per MRI Magnete Bobine di gradiente Bobine RF paziente Bobine RF Bobine di gradiente Magnete Amplificatore di gradiente Generatore di gradiente Amplificatore RF Generatore RF Ricevitore RF Convertitore A/D Computer

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Hardware in sistemi di MRI

30 Figura 2.2 –Sezione del core di un sistema per MRI

La parte hardware che rappresenta la limitazione di tutto il sistema è sostanzialmente dominata dal magnete in grado di fornire il campo B0 .

Il campo statico deve essere il più possibile omogeneo nel volume del campione e questo sia nello spazio che nel tempo.

In funzione della forza del campo richiesto, della sua omogeneità e stabilità, della sezione del dispositivo nonché dei costi di gestione e ingombro i magneti possono essere permanenti , resistivi o superconduttivi.

I magneti permanenti sono usati per bassi campi (fino a 0.3T) e per sezioni non troppo grandi.

Allo stato dell’arte sono utilizzati in ambito medico per macchine tipo Artoscan della ditta Esaote, a basso campo e con sezioni relativamente esigue (volume del campione piccolo).

La localizzazione spaziale è invece consentita tramite l’applicazione di gradienti di campo, cioè, si potrebbe dire, tramite l’introduzione deliberata di disomogeneità nel campo B0: ciò si ottiene tramite apposite bobine di gradiente

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31 opportunamente pilotate in modo tale da ottenere una codifica spaziale, senza ovviamente alcuna rotazione delle stesse.

A questo punto rimane da affrontare lo studio del sistema di trasmissione, delle bobine per la generazione dell’impulso RF e del sistema di ricezione, parti dell’intero apparato per MRI su cui ci soffermiamo in maniera più dettagliata in quanto argomenti approfonditi e sviluppati in questa tesi.

2.2 Sistema di trasmissione

Nel capitolo precedente abbiamo visto come sia necessario applicare insieme al campo B0 un campo RF, indicato generalmente con il nome B1, la cui funzione è

quella di ruotare il vettore magnetizzazione e di generare, dunque, un segnale NMR che possa essere rilevato. Tale campo è generato tramite il trasmettitore e la bobina RF. In particolare, il trasmettitore genera l’impulso con le caratteristiche volute in termini di forma, durata, energia; la bobina invece ha il compito di trasferire l’energia generata dal trasmettitore ai nuclei del campione.

Per ottenere l’impulso o, meglio, la sequenza di impulsi di eccitazione RF, il trasmettitore utilizza un sintetizzatore di frequenza per generare un oscillazione alla frequenza di interesse; quindi, un generatore di segnale crea il segnale impulsivo di forma desiderata, il quale è “mixato” con il tono puro, dando origine all’impulso RF di eccitazione.

Da sottolineare il fatto che, per ottenere l’impulso RF voluto, il segnale è modulato in ampiezza e fase, quindi sarà della forma:

( ) ( ) (

t Qt cos 2 f₀t

) ( ) (

I t sin 2 f₀t

)

.

S = π + π

2.3 Bobine RF

In NMR è necessario eccitare i nuclei in un moto di precessione coerente; questo comporta che ci sia un accoppiamento energetico tra i nuclei e la sorgente di impulsi RF, e lo strumento che ci consente di ottenerlo è rappresentato dalle cosiddette bobine RF.

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32 Tali bobine possono essere utilizzate anche in fase di ricezione per raccogliere in maniera significativa il segnale emesso dal campione.

Per ottenere immagini MRI di alta qualità, le bobine RF devono possedere dei requisiti fondamentali :

- quando è utilizzata in trasmissione, una bobina deve generare un campo B ₁

omogeneo nel volume di interesse in modo da eccitare uniformemente i nuclei e deve possedere un campo di vista (FOV) elevato poiché spesso la regione di interesse non è perfettamente nota a priori;

- quando utilizzata in ricezione, una bobina deve avere un elevato rapporto segnale-rumore (SNR) e deve poter ricevere il segnale RF con lo stesso guadagno per ogni punto del volume in esame .

Le bobine devono avere dimensioni simili a quelle del campione perché questo consente che il FOV della bobina sia riempito dallo stesso soggetto sotto esame, limitando così l’introduzione di rumore e ottimizzando l’accoppiamento energetico con il trasmettitore.

Proprio per questo, a seconda dei casi possono essere utilizzati diversi tipi di bobine: tra queste ricordiamo le bobine cosiddette solenoidali, utilizzate soprattutto in spettroscopia, mentre nell’applicazioni di imaging umano si preferisce utilizzare le bobine a sella (saddle coils); quest’ultime consentono infatti un migliore accesso da parte del paziente all’interno del magnete principale.

Infine, un altro tipo di bobine utilizzate sono le cosiddette birdcage coils, un modello su cui ci soffermiamo nella descrizione in quanto utilizzato nel nostro sistema di MRI.

La birdcage coil è costituita da una combinazione di capacità concentrate (capacitori) e di induttanze distribuite. I capacitori consentono al risonatore di fornire energia elettrica senza che si creino campi elettrici all’interno del paziente, evitando quindi la presenza di correnti elettriche che significherebbe una perdita di efficienza nonché una minore sicurezza per il soggetto stesso.

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33 Questo tipo di bobine ha evidenziato rispetto alle altre un miglioramento in termini di omogeneità di campo e inoltre il rapporto segnale-rumore risulta dipendente in modo lineare dalla frequenza.

In fig 2.2 sono rappresentate le versioni passa-alto e passa-basso della birdcage coil, che differiscono nella posizione dei condensatori.

Figura 2.3 - Versione passa-alto e passa-basso di birdcage coil

I tratti conduttori sono detti end-rings, mentre i rami verticali sono denominati

legs.

2.4 Sistema di ricezione

In questo paragrafo accenniamo soltanto al sistema di ricezione, in quanto ne parleremo in maniera più approfondita nel prossimo capitolo.

In sintesi possiamo dire che il primo stadio del ricevitore è l’amplificatore a basso rumore (Low Noise Amplifier), il quale consente che il segnale debole “captato” dalla bobina sia prelevato senza essere abbattuto dal rumore. Lo stadio successivo è, invece, il blocco che permette di demodulare il segnale riportandolo dalla banda RF in banda base, in modo tale che possa essere digitalizzato ed elaborato.