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La Risonanza Magnetica (RM) o Magnetic Resonance Imaging (MRI) è una tecnica di imaging diagnostico non invasiva largamente diffusa in tutto il mondo. Essa è basata sull’utilizzo di campi magnetici statici e campi elettromagnetici variabili nel tempo, e l’immagine diagnostica si ottiene tramite una precisa serie temporale di impulsi elettromagnetici, detta “sequenza RM”. I sistemi RM utilizzati in ambito diagnostico (secondo la normativa nazionale non superiore ai 4 Tesla) hanno un campo statico di intensità 1.5 T e 3 T. Poiché con l’incremento del campo magnetico statico aumentano le performance del tomografo RM in termini di SNR e risoluzione spaziale, temporale e spettrale, hanno cominciato a diffondersi in tutto il mondo dispositivi RM per studi sull’uomo con campo magnetico statico ultra alto (detti sistemi Ultra High-Field, UHF) di cui uno a 7 Tesla è attivo in Italia dal 2012 al centro di Ricerca Imago7 presso l’IRCCS Stella Maris di Pisa.
L’effetto più importante ai fini della sicurezza in ambito RM, per quanto riguarda l’interazione della radiazione non ionizzante nel range della radiofrequenze con la materia, è il deposito di energia nella regione irraggiata che potrebbe comportare un aumento di temperatura.Per poter quantificare questo effetto è stato definito un indice dosimetrico chiamato Specific Absorption Rate (SAR). Il SAR, misurato in potenza assorbita per unità di massa irraggiata, è distinto in SAR globale, relativo cioè a tutta la regione coinvolta, e in SAR locale, definito come potenza assorbita in 10 g di tessuto. I Valori Limite di Esposizione (VLE) del SAR, sia globale che locale, sono definiti, secondo la normativa vigente, dai protocolli internazionali, quali i protocolli dell’International Electrotechnical Commission (IEC) o della International Commission of Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP), i quali fissano tali valori per diverse regioni del corpo umano in maniera tale che, nella zona irraggiata, l’aumento di temperatura non superi 1°C. A campi ultra-alti, a causa dell’alta frequenza di risonanza, la lunghezza d’onda dei campi RF diventa comparabile con le dimensioni degli oggetti in esame, per cui si assiste ad una distribuzione disomogenea degli stessi nel volume di interesse (wavelength effect). Inoltre, all’interno del corpo umano, di per sé un dielettrico, questo effetto aumenta, essendo proporzionale alla costante dielettrica εr delle diverse strutture anatomiche. La conseguenza di questo effetto è una potenziale distribuzione disomogenea del SAR, con punti di accumulazione chiamati hot-spots. Se il SAR globale può essere stimato dal sistema RM durante l’esecuzione di una sequenza, non ci sono metodi sperimentali per stimare la distribuzione del SAR locale, che a campo ultra-alto può superare i relativi VLE quando quelli del SAR globale non sono ancora stati raggiunti.
In questa tesi viene illustrato un metodo per la previsione a priori del SAR locale in esami RM a campo ultra-alto.Lo sviluppo di questo metodo è stato condotto grazie al finanziamento di un progetto di ricerca con l’INAIL (BRiC INAIL ID 39) sulla valutazione del SAR in un protocollo di studio sull’uomo (in particolare del sistema muscoloscheletrico), e prevede l’utilizzo di simulazioni, in cui sono inseriti modelli 3D della bobina a RF e modelli 3D di corpo umano, al fine di ottenere una distribuzione del SAR locale nella zona irraggiata. Il metodo è stato sviluppato a 7 Tesla, con l’obiettivo di valutare l’incremento dell’effetto di deposito energetico a campo ultra-alto grazie alla conoscenza puntuale di tutte le componenti legate all’acquisizione del segnale RM (i circuiti della bobina trasmittente, le sequenze di impulsi RF utilizzati, il know-how dei metodi di simulazione elettromagnetica). La simulazione permette di ottenere la distribuzione dei campi RF, elettrico e magnetico, nel volume irraggiato; dalla mappa del campo elettrico si ottiene la distribuzione del SAR, ad esso legato da una relazione quadratica. Poiché non è possibile misurare il campo elettrico all’interno del mezzo, né la sua distribuzione, e quindi quella del SAR, per la valutazione della correttezza delle simulazioni sono state implementate sequenze di acquisizione RM in grado di misurare la distribuzione del campo magnetico RF (comunemente chiamato campo B1), e consentire il confronto della distribuzione dello stesso ottenuta in simulazione con quella acquisita nell'oggetto reale. Inoltre, data l’informazione sulla distribuzione del campo B1 nell’oggetto irraggiato, essa viene utilizzata per ottenere una mappa soggetto-specifica del SAR.
Tale metodo è stato valutato su un fantoccio di agar, un gel che simula le caratteristiche dielettriche del corpo umano, inserito in una bobina costruita per le acquisizioni del ginocchio, utilizzando le sequenze RM del protocollo di sperimentazione clinica in uso presso il centro. Il fantoccio e la bobina sono stati modellizzati nel software di simulazione, e la distribuzione del campo B1 simulata è stata confrontata con l’acquisizione della stessa nel fantoccio reale.Il confronto ha mostrato un buon accordo tra la distribuzione simulata e quella misurata, per cui è stata simulata la distribuzione del SAR nel modello di fantoccio normalizzata per i parametri delle sequenze considerate, e per la distribuzione reale del campo B1.
I risultati della distribuzione del SAR, ottenuti dalla simulazione elettromagnetica nel modello sperimentale, sono stati validati tramite misure di aumento di temperatura. È stata valutata la variazione di temperatura indotta nel fantoccio selezionando, tra le sequenze del protocollo, le quattro che hanno mostrato i massimi valori di SAR. La temperatura è stata misurata tramite una sonda termica inserita all’interno del fantoccio, (preso come gold standard di riferimento), con la ripetuta applicazione di ciascuna sequenza (10 minuti) al fine di campionare innalzamenti significativi.Nel software di simulazione la distribuzione del SAR precedentemente ottenuta è stata utilizzata come mappa di distribuzione di potenza e quindi di calore, e l’aumento di temperatura simulato per ciascuna sequenza è stato confrontato con l’acquisizione della sonda.
Sono state inoltre studiate nuove tecniche in grado di misurare indirettamente la distribuzione di temperatura con immagini RM, il Magnetic Resonance Thermometry (MRT), appositamente implementate e validate tramite esperimenti di raffreddamento di fantocci. L'accordo tra le immagini di temperatura e la misura della sonda ha permesso l'esecuzione di queste tecniche in-vivo su un volontario, per la mappatura dell'incremento di temperatura indotto da sequenze RM.
L’implementazione di un metodo per la valutazione del SAR è di interesse non solo a UHF, ma ha importanti potenziali ricadute nella pratica clinica in campo di sicurezza RM, in particolare in quelle situazioni nelle quali esiste un rischio di potenziale deposito non controllato di energia e di potenziale surriscaldamento durante un esame RM. Un caso frequente nella pratica clinica è la presenza di protesi metalliche site nella regione anatomica da sottoporre ad esame RM. Esse modificano la distribuzione del SAR per l’alta conducibilità e la forte discontinuità dielettrica con le strutture anatomiche circostanti. Tali effetti pertanto comportano un reale rischio di hot spot, potenzialmente non evidenziabili dalla misura del SAR globale. Sono stati realizzati tre appositi fantocci di agar, contenenti ciascuno una diversa protesi metallica commerciale. Le protesi sono state modellizzate 3D nel software di simulazione e inserite nel modello 3D del fantoccio. I risultati, normalizzati per i parametri delle sequenze di interesse e per il campo B1, hanno evidenziato come la distribuzione del SAR presenti forti disomogeneità rispetto a quella nel fantoccio omogeneo, con valori massimi di SAR superiori di quasi il 50% rispetto ai valori ottenuti precedentemente.
Infine, il metodo della valutazione del SAR è stato eseguito in-vivo su un arto di un soggetto volontario sano. Il ginocchio del soggetto è stato poi sottoposto alla ripetizione controllata delle sequenze in esame, al fine di rivelare una variazione di temperatura, sebbene relativa, significativa. Ogni sequenza è stata intervallata dalla acquisizione di una mappa di temperatura con tecnica MRT al fine di ottenere la distribuzione della variazione di temperatura nel ginocchio causata da ciascuna sequenza. Le distribuzioni ottenute sono state confrontate con le misure della sonda di temperatura.