INTRODUZIONE
Le tecniche di imaging hanno assunto negli anni un ruolo predominante nell’ambito della medicina moderna.
In particolare, quello relativo al fenomeno della Risonanza Magnetica (MRI) rappresenta uno dei più potenti ed interessanti metodi di imaging non invasivo sviluppatosi negli ultimi decenni.
L’MRI offre la possibilità di effettuare un’indagine dettagliata all’interno del corpo umano senza alcun rischio per il paziente.
A differenza di altre tecniche di imaging, prima fra tutte la Tomografia Assiale Computerizzata (TAC), la quale richiede un’esposizione del soggetto ai raggi-X, l’MRI si basa, infatti, su un fenomeno che non necessita dell’impiego di radiazioni ionizzanti e, pertanto, dannose all’organismo.
Questo lavoro di tesi, sviluppato presso il laboratorio ITENI dell’Istituto di Fisiologia Clinica del C.N.R di Pisa, nasce nell’ambito di un’ attività di ricerca finalizzata alla realizzazione di una macchina di Risonanza Magnetica per micro-imaging (utilizzabile su piccole cavie).
Uno dei requisiti fondamentali del progetto è l’ottenimento di un rapporto segnale rumore elevato. D’altra parte, tipiche applicazioni di microimaging impiegano campi magnetici relativamente alti (ad es. 9.4 T) che permettono di raggiungere SNR elevati, mentre il magnete che si intende utilizzare fornisce basso campo (0.18 T).
Ciò implica che, per ottenere prestazioni comparabili a quelle con campi alti, occorre ottimizzare le performance complessive della macchina quindi il sistema di gradienti, il rapporto segnale-rumore in fase di ricezione del segnale dalla bobina a Radio Frequenza (RF) e la risoluzione densitometrica del segnale. Con questa tesi si vuole sviluppare, in particolare, la parte del sistema di ricezione relativa al condizionamento, alla digitalizzazione e alla demodulazione del segnale di risonanza magnetica; l’obiettivo principale è la realizzazione di un
sistema semplice e a basso costo, tuttavia efficiente e, soprattutto, che garantisca un elevato rapporto segnale-rumore (SNR) sul segnale digitale.
La catena è costituita dalla bobina di ricezione ( Birdcage Coil realizzate presso lo stesso laboratorio ITENI ), da un preamplificatore ottimizzato per quanto riguarda il fattore di rumore ed infine dal ricevitore. Il segnale passabanda trattato è centrato alla frequenza di 7.66 MHz ( nella parte bassa dello spettro relativo alle radio frequenze) e con una banda stretta di 55 KHz circa.
Esso è particolarmente indicato per una digitalizzazione diretta nella banda passante con successiva demodulazione digitale, seguendo una tecnica tra le più emergenti ed innovative presenti allo stato attuale dell’arte: l’undersampling (sottocampionamento ).
Tale tecnica sfrutta le repliche derivanti dal campionamento per riportare in banda base il segnale, dove, dopo averlo opportunamente isolato con filtraggio digitale ad alta selettività, fornisce il segnale demodulato.
L’undersampling, per essere valido, richiede un filtraggio passabanda analogico, preventivo, per isolare il segnale da componenti spurie presenti nello spettro frequenziale.
Con questo lavoro di tesi sono stati analizzati vantaggi e svantaggi del sottocampionamento ed è stato realizzato un prototipo di ricevitore digitale funzionante con tale tecnica.
Lo scopo ultimo è il perseguimento di un ricevitore che fornisca un segnale in uscita, il cui rapporto segnale-rumore ( SNR ) sia almeno di 80-90 dB corrispondente ad un range dinamico pari a 14-16 bit.
Nel capitolo 1 è riportata una trattazione teorica dei principi fisici della Risonanza Magnetica Nucleare, nonché una descrizione delle principali sequenze di impulsi utilizzate per MRI, fino alla metodologia per la ricostruzione delle immagini. Il capitolo 2 tratta brevemente l’hardware relativo ad una classica macchina per MRI.
Il capitolo 3 è dedicato all’illustrazione della tecnica di sottocampionamento, con un analisi dei vantaggi e degli eventuali svantaggi. Nello stesso capitolo si espongono, oltre alle specifiche di progetto, lo schema a blocchi del ricevitore che
include la conversione del segnale in digitale (convertitore analogico-digitale) e la successiva demodulazione digitale (digital down-converter). Ci si sofferma inoltre sulle possibili cause di deterioramento del rapporto segnale rumore in uscita dal convertitore analogico-digitale, ponendo particolare attenzione al fenomeno del jitter, ed ai benefici ottenibili grazie alla tecnica di oversampling.
Il capitolo 4 descrive l’implementazione del sistema, a partire dalla scelta dei componenti commerciali più adatti per il perseguimento delle nostre specifiche, quali il convertitore analogico-digitale ( ADC ) e il digital down-converter (DDC).
L’ultima parte del capitolo è dedicata alle prove sperimentali, con due diverse frequenze di campionamento, effettuate per la validazione delle tecniche e dei componenti utilizzati.