Tecnologie per migliorare le immagini Mri

ELETTROMEDICALE –

A contribuire ai risultati raggiunti oggi dalle analisi Mri c’è una ampia gamma di tecnologie, tra cui tecniche di misurazione di precisione in grado di garantire immagini di elevata qualità.

L'Mri (Magnetic resonance imaging) è una potente tecnologia medicale che ha rivoluzionato la diagnosi di una gamma davvero ampia di malattie e lesioni, riducendo enormemente o in alcuni caso eliminando la necessità di chirurgia esplorativa. Fornisce ai medici generici immagini bi- o tridimensionali, cosi come sezioni di alta precisione, di strutture interne e organi all'interno del corpo del paziente. A contribuire ai risultati raggiunti dalle analisi Mri c'è una ampia gamma di tecnologie, incluse tecniche di misurazione di precisione: la nitidezza quasi incredibile delle immagini che l'Mri produce dipende dalla misurazione di parametri elettrici di base. L'Mri sovente si affianca – ed in qualche modo ne è complementare – alla CT (Tomografia Computerizzata). Le scansioni di CT sono basate sui raggi X che danno migliori immagini con strutture di alta densità (come le ossa), mentre la scansione dell'Mri rivela i dettagli di strutture a tessuti molli. Il principio di funzionamento dell'Mri è basato sulla risonanza magnetica nucleare. Infatti, ciò che realmente rivela è la risonanza magnetica di protoni dell'atomo di idrogeno contenuti nell'acqua all'interno del corso umano: l'acqua rappresenta il 70% del peso corporeo. In termini ancora più esatti, l'Mri osserva la risposta dei nuclei di idrogeno esposti ad eccitazione sia da campi magnetici che elettromagnetici. L'energia immagazzinata per unità di volume (voxel) dipende dalla distribuzione dell'acqua nell'area in esame. Quindi l'Mri può fornire una immagine tridimensionale della distribuzione dell'acqua all'interno del corpo umano. Poiché ogni tipo di tessuto ha una specifica proporzione di acqua al suo interno, diventa possibile avere un’immagine di quei tessuti, e quindi di ogni deterioramento, rilevando le variazioni della distribuzione dell'acqua.

Il funzionamento della risonanza magnetica nucleare
I nuclei degli atomi hanno la proprietà di comportarsi come magneti dipolari o magneti quando vengono eccitati da un campo magnetico. I nuclei degli atomi hanno uno spin (o momento magnetico) che convenzionalmente viene rappresentato con un vettore lungo l'asse di rotazione. In assenza di qualsiasi interferenza esterna, questo piccolo magnete non è orientato in alcuna direzione particolare. Non appena questo magnete viene illuminato da un costante campo magnetico statico e omogeneo (chiamato Ho) si allinea con Ho in due direzioni: parallelo e antiparallelo al campo. Il momento magnetico nucleare è piccolo e richiede l'applicazione di un intenso campo per ottenere l'allineamento; l'induzione magnetica correlata Bo è normalmente compresa tra 0.2 e 3 Tesla. Nella seguente spiegazione, necessariamente semplificata, solo l'allineamento parallelo è stato. Il processo di allineamento è qualcosa di più complesso che un semplice settaggio dell'asse di spin lungo le linee di campo. Se teniamo l'asse Z  parallelo al campo applicato, lo spin ha un movimento di precessione o ruota attorno all'asse Z lungo un cono a velocità regolare w0 . La frequenza correlata è chiamata frequenza Larmor
  w0=gB0
La velocità di precessione è quindi proporzionale al campo magnetico statico; per esempio, un campo pari a Bo=1Tesla ha una frequenza f0 = 42.5 MHz.

Risonanza dei nuclei
Al fine di osservare la risonanza dei nuclei, deve essere fornita dell'energia perché i nuclei passino dallo stato di riposo a quello di eccitazione. Questo è ottenuto applicando un campo magnetico ad alta frequenza H1. Quando la frequenza di H1 eguaglia la frequenza Larmor, si verifica la risonanza e i nuclei muovono ad uno stadio di energia superiore. Durante l'applicazione di H1, gli assi di spin dei nuclei non sono più allineati con Ho (asse z)ma si muovono nel piano x-y. Con H1 spento, l'asse di spin si allinea nuovamente con H0, e l'extra energia acquisita dall'eccitazione indotta da H1 viene irradiata sotto forma di onda elettromagnetica smorzata (nota anche come distensione). Un’antenna rileva le onde smorzate, cedendo una tensione indotta chiamata Fid (Free Induction Decay). È il segnale FID che il computer dell'Mri elabora in un’immagine 3D o in un’immagine di sezione.

Applicazione di campi magnetici
Il campo magnetico statico Ho, come sottolineato precedentemente, deve risultare molto intenso, con una altissima stabilità e omogeneità nel volume all'interno della apertura dello scanner Mri, dove giace il paziente. La maggior parte degli Mri odierni generano un campo statico per mezzo di magneti superconduttori posizionati attorno al cilindro dello scanner. Gli avvolgimenti dei magneti sono realizzati con avvolgimenti in niobio-titanio (NbTi) avvolti in Elio liquido alla temperatura di 4K. Le bobine di gradiente soprappongono un gradiente magnetico all' Ho al fine di fornire una mappatura spaziale dell'immagine. Le immagini vengono elaborate solo un piano o sezione alla volta, e per garantire che i segnali siano ricevuti solo dai nuclei in quel piano, solo quei nuclei vengono spinti alla risonanza. Il risultato visivo della risonanza è fortemente dipendente dal valore del campo magnetico Ho: la bobina di gradiente sovrappone un campo magnetico per garantire che il campo magnetico finale sia esattamente pari ad Ho solo nel piano di interesse.

Come funziona la bobina di gradiente
Al fine di creare un gradiente lungo un asse, è richiesta una coppia di avvolgimenti. Attraverso ogni coppia, la corrente fluisce in direzioni opposte. Infatti, 3 coppie di bobine di gradiente sono posizionate attorno al cilindro dell'apparecchio Mri al fine di creare 3 campi magnetici ortogonali. È quindi possibile adattare il campo magnetico in qualsiasi punto del volume del cilindro. Gli amplificatori di gradiente funzionando in un closed servo-type loop trasportano la corrente nelle bobine di gradiente. Ogni Mri quindi necessita di 3 di questi loop di controllo di corrente. Come si può ben vedere nello schema di principio di funzionamento dell' Mri mostrato sopra, la qualità, la chiarezza e la risoluzione delle immagini sono direttamente connesse a quelle del campo magnetico applicato, e quindi a quelle della corrente applicata alle bobine di gradiente. Uno degli elementi chiave nei current control loop è la precisione dei trasduttori d corrente. In particolare, sono critici i seguenti parametri dei trasduttori di corrente:
•    errore di non linearità estremamente basso (< 3 ppm del range di misurazione);
•    rumore casuale molto basso (rumore a bassa frequenza da 0.1Hz a 1kHz);
•    offset e deriva termica molto basso su un range di temperature ampio (<0.3 ppm/K);
•    stabilità Offset molto alta nel tempo (una delle ragioni di questa necessità è la durata di una scansione Mri che, in taluni casi , può essere anche di diverse decine di minuti;
•    gamma di misurazione (nell'ordine di 1000 A picco);
•    larghezza di banda (–3dB a 200 kHz).

Per raggiungere questi livelli di prestazione, i trasduttori di corrente a effetto Hall, utilizzati nelle precedenti generazioni di scanner Mri, non sono più adeguati. La soluzione sviluppata da LEM, principalmente per quest’area di applicazione, ha punti di similitudine con la tecnica dell'effetto Hall ma rispetto a questa offre significativi vantaggi. Può essere descritto come un trasduttore a doppio Fluxgate Closed Loop e identificato come serie ITL 900. Sebbene la tecnologia fluxgate sia disponibile solo da qualche tempo, LEM è stata in grado di adattare e migliorarla. Oltre che per avere un controllo preciso della corrente negli amplificatori di gradiente per immagini medicali, l'ITL 900 è altrettanto bene utilizzabile per la misurazione dei fieedback negli alimentatori con regolazione di precisione della corrente, misurazione di correnti in analisi di potenza, calibrazione di apparecchiature per banchi di test, apparecchiature di laboratorio e metrologia, che pure richiedono una altissima precisione. Nella sua attuale forma, questa tecnologia è applicabile in una relativamente piccola gamma di temperature (tipicamente tra i +10°C e +50°C). Tuttavia, LEM è fiduciosa del fatto di poterla sviluppare ulteriormente e che i trasduttori ITL 900 possano dimostrare di essere rilevanti per il futuro della scansione Mri come i trasduttori a effetto Hall lo furono per la sua introduzione. Cosi come è stato per l'effetto Hall in sé, con le sue prestazioni, punto di riferimento, l'ITL900 potrebbe aprire a un numero infinito di future applicazioni.

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