• bobine a radiofrequenza
• fdtd
• risonanza magnetica

Nel corso degli ultimi decenni l’importanza dell’imaging con Risonanza Magnetica (MRI) nel panorama della diagnostica per immagini è cresciuta costantemente, tanto che oggi è unanimemente riconosciuta come la metodica principale per quanto riguarda l’indagine delle condizioni muscolo-scheletriche.
Contrariamente alla comune tendenza secondo la quale l’evoluzione tecnologica viene associata al progressivo aumento dell’intensità del campo magnetico che ne sta alla base, gli scanner a basso campo (< 0.5 Tesla) possono rivelarsi molto utili in particolare per l’imaging degli arti. In più, rispetto agli scanner ad alto campo hanno il vantaggio di essere piccoli, a basso costo e più facili da installare e da gestire, tutto questo mantenendo un elevato potere diagnostico e consentendo un maggiore comfort per il paziente.
Inoltre, poiché la maggior parte dei problemi relativi alla sicurezza sono connessi all’intensità del campo magnetico statico impiegato ed alla frequenza di risonanza, l’MRI a basso campo garantisce maggiore scurezza.
D’altra parte, in confronto a quelle degli scanner ad alto campo le immagini prodotte sono di qualità inferiore, dato che l’SNR, il contrasto e la risoluzione sono proporzionali all’intensità del campo stesso. In molte situazioni però un’immagine di qualità più bassa non implica necessariamente una minore accuratezza diagnostica, perciò l’imaging a basso campo rappresenta una valida e meno dispendiosa alternativa alla più costosa soluzione ad alto campo.
In condizioni di basso campo al fine di incrementare l’SNR vengono impiegati una minore risoluzione spaziale, una minore banda di acquisizione e diversi tipi di bobine a radiofrequenza.
Le bobine a radiofrequenza rappresentano una componente fondamentale del sistema di imaging MRI e le loro prestazioni rivestono un ruolo determinante ai fini della qualità dell’immagine,
soprattutto nel caso degli scanner a basso campo. Affinché l’informazione ottenuta sia di alta qualità devono essere in grado di garantire allo stesso tempo un ampio campo di vista (FOV) ed un’elevata omogeneità del campo magnetico in fase di trasmissione, così come un alto SNR in fase di ricezione.
Proprio l’SNR è largamente accettato come il principale indicatore delle prestazioni di una bobina. Esso è funzione del campo magnetico generato dalla bobina stessa e del campo elettrico originato dalla corrente che scorre nel campione da esaminare. Oltre a questo, per poter ottenere immagini di alta qualità è necessario che la geometria delle bobine impiegate sia il più possibile simile a quella della parte del corpo sotto indagine.
La teoria elettromagnetica classica può portare ad espressioni analitiche nel caso di semplici bobine di superficie, ma è molto problematico utilizzarla per risolvere geometrie complesse. Inoltre, in condizioni di bobina carica la distribuzione dell’SNR è alterata dalle proprietà elettromagnetiche del campione e la soluzione analitica diviene estremamente difficile da derivare. Per questa ragione molte bobine per MRI vengono sviluppate utilizzando un approccio trial and error, realizzando quindi diversi prototipi.
L’impiego di metodi numerici è stato proposto in letteratura come una valida alternativa alla teoria elettromagnetica classica ed all’approccio trial and error per simulare il funzionamento delle bobine MRI e predirne il comportamento.
Il presente lavoro di tesi nasce da un rapporto di collaborazione tra l’Istituto di Fisiologia Clinica del CNR di Pisa e la Paramed Medical Systems. È stata presa in considerazione una bobina commerciale realizzata dalla Paramed dalla geometria complessa per scanner a basso campo dedicata all’indagine diagnostica del ginocchio. Le prestazioni di tale bobina sono state analizzate parallelamente tramite prove al banco e simulazioni numeriche svolte con il software Remcom XFdtd.
Sono state calcolate la resistenza indotta dal campione, le mappe di sensitività e l’omogeneità del campo magnetico generato.
I risultati ottenuti dalle prove al banco sono stati confrontati con quelli ricavati dalle simulazioni numeriche.
Infine le prestazioni della bobina ginocchio sono state validate con immagini acquisite nello scanner commerciale Paramed MrOpen.
In particolare, nel Capitolo 1 sono descritti i principi fisici ed i fondamenti teorici su cui si basa la Risonanza Magnetica, i tre diversi tipi di campo magnetico impiegati e le sequenze di impulsi utilizzate per l’acquisizione delle immagini.
Nel Capitolo 2 vengono trattate le componenti di un comune scanner commerciale per indagini MRI, con particolare riferimento ai diversi tipi di bobine e alla loro analisi. Inoltre vengono esposte nel dettaglio le caratteristiche dell’indagine diagnostica in condizioni di basso campo magnetico.
Nel Capitolo 3, dopo una panoramica sui metodi numerici, viene illustrato il metodo delle differenze finite nel dominio del tempo (FDTD), l’algoritmo su cui si basa il software XFdtd utilizzato nel presente lavoro di tesi, e le caratteristiche del software stesso.
Nel Capitolo 4 vengono descritte le prove al banco effettuate e le varie fasi di progettazione delle simulazioni svolte, a partire dall’importazione del file della bobina dal progetto CAD, e le problematiche ad esse connesse. Sono inoltre descritti i diversi tipi di fantoccio utilizzati, volti a simulare le caratteristiche fisiche e le proprietà elettriche di un ginocchio umano, e le modalità con cui i dati sono stati esportati per un’ulteriore analisi in ambiente Matlab.
Nel Capitolo 5 sono esposti sotto forma di dati numerici, tabelle e grafici tutti i risultati dei diversi tipi di prove effettuate sulla bobina considerata.
Infine il Capitolo 6 contiene la discussione dei risultati precedentemente mostrati ed un riassunto conclusivo del lavoro in relazione agli obiettivi prefissati.