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Archivio digitale delle tesi discusse presso l'Università di Pisa

 

Tesi etd-06262013-090549


Tipo di tesi
Tesi di laurea magistrale
Autore
GABRIELI, MATTEO
URN
etd-06262013-090549
Titolo
Sviluppo e validazione di una bobina a radiofrequenza per applicazioni precliniche di risonanza magnetica a campo ultra alto.
Struttura
FISICA
Corso di studi
FISICA
Commissione
relatore Dott. Retico, Alessandra
relatore Prof. Tosetti, Michela
Parole chiave
  • Sviluppo
  • ottimizzazione
  • bobine a radiofrequenza
  • risonanza magnetica
  • campo ultra alto
Data inizio appello
16/07/2013;
Consultabilità
completa
Riassunto analitico
Introduzione: La Risonanza Magnetica Nucleare (NMR) è un fenomeno fisico che viene sfruttato
in diagnostica medica mediante tecniche di imaging MRI per ottenere informazioni morfologiche,metaboliche, funzionali e molecolari, non accessibili con altre tecniche diagnostiche.
Nella ricerca in campo preclinico le tecniche MRI hanno un ruolo fondamentale nel campo
dell’imaging molecolare, nello studio di patologie e negli esperimenti farmacologici. L’esigenza di avere apparati sperimentali dedicati nasce dal fatto che le risoluzioni spaziali in gioco in ambito pre-clinico, sono maggiori rispetto a quelle che caratterizzano la strumentazione clinica.
Il lavoro di tesi è stato svolto presso la Fondazione IMAGO7 (PI), dove `e installato un magnete a 7 Tesla (GE Healthcare) che costituisce un primo centro di ricerca italiano per risonanza magnetica a campo ultra alto anche per studi sull’uomo.
La risonanza magnetica a campo ultra alto (7  11:7 Tesla) comporta un miglioramento del
rapporto segnale-rumore, di conseguenza un miglioramento della risoluzione spaziale e temporale, rispetto a campi magnetici utilizzati nello standard clinico (1:3 Tesla).
Motivazioni: L’obiettivo di questo lavoro è la progettazione, realizzazione e validazione di
una bobina a radio-frequenza (RF) per lo studio di piccoli animali all’interno di uno scanner
MR a 7 Tesla.
Le bobine a RF rappresentano componenti fondamentali della catena di trasmissione e ricezione del segnale in un sistema MRI.
Esse devono possedere due requisiti fondamentali per ottenere immagini di alta qualità: i) in
trasmissione, le bobine devono essere in grado di produrre un campo d’induzione magnetica
uniforme nel volume di interesse, in modo da eccitare appropriatamente i nuclei del tessuto biologico; ii) in ricezione è invece richiesto un elevato valore del rapporto segnale rumore (SNR),
e la bobina deve ricevere il segnale RF con lo stesso guadagno per ogni punto del volume in
esame. Le dimensioni di bobine sviluppate ad hoc devono essere quanto più possibile vicine
alle dimensioni del campione in esame.
Una distribuzione omogenea del campo magnetico
garantisce che ad una fissata potenza in trasmissione corrisponda in ricezione un’alta sensibilità.
Il modello di bobina progettato e realizzato in questo lavoro, è una bobina di volume di tipo
Birdcage in grado di rilevare il segnale del protone. La Birdcage garantisce in fase di trasmissione una distribuzione uniforme del campo magnetico generato mentre in ricezione un elevato valore del SNR.
Metodi e Risultati: La struttura risonante di una Birdcage è composta da due anelli conduttori,
detti end-ring, connessi a un certo numero di sbarre conduttrici, dette leg, tutte equidistanti
e disposte lungo il perimetro degli end-ring. La frequenza di risonanza desiderata si ottiene andando a variare la capacità della struttura, inserendo eventualmente delle capacit`a aggiuntive.
Per la costruzione della struttura risonante di una Birdcage, si utilizza una tecnologia di circuito stampato PCB che permette sia di miniaturizzare il più possibile la bobina che di ottenere una geometria con un’alta simmetria e accuratezza.
La tipologia di Birdcage costruita è una Low Pass, in cui i condensatori posizionati su ogni
leg non sono elementi circuitali concentrati saldati sulla struttura, ma sono ottenuti attraverso un’area di sovrapposizione tra le leg e gli end ring nella quale è presente del materiale dielettrico.
Questa scelta consente di minimizzare le saldature di connessione sul prototipo, e quindi
di massimizzare il fattore di qualità.
Parallelamente alla costruzione del prototipo di bobina, la stessa è stata simulata attraverso
metodi numerici in collaborazione con il Dipartimento di Ingegneria dell'Informazione dell'Università di Pisa.
In tali simulazioni sono state ottenute sia le mappe del campo B1 da confrontare con le misure
sperimentali nello scanner MR, che dati non misurabili nello scanner come la distribuzione del
campo elettrico. Il software commerciale utilizzato (HFSS) è basato sul metodo degli elementi finiti e risolve numericamente le equazioni di Maxwell nel dominio della frequenza.
Prima dell’inserimento del prototipo di bobina costruito all’interno dello scanner MR, sono
state eseguite delle misure sul banco di lavoro, al fine di valutare il fattore di qualità Q, un
parametro che permette di quantificare le perdite e definire la bontà della costruzione della
bobina.
Inserito all’interno della bobina un fantoccio di acqua deionizzata, sono state eseguite una serie
di misure utili per il controllo di qualità delle performance della bobina come: il rapporto
segnale-rumore, l’uniformità dell’immagine e la distribuzione del campo magnetico trasmesso
all’interno del campione in esame. In seguito, sono state acquisite immagini in vivo di un piccolo animale.
Il prototipo di Birdcage costruito è stato utilizzato per determinare i tempi di rilassamento T1 e T2 di nuovi marcatori per imaging in risonanza magnetica basati sull’utilizzo di nanotubi di carbonio.
Conclusioni: I risultati prodotti in questo lavoro rappresentano un punto di partenza molto
importante nella progettazione e sviluppo di prototipi di bobine per piccoli animali all’interno di scanner MR a campo ultra alto. E' stato realizzato un prototipo di bobina Birdcage per studi preclinici caratterizzato da un ottimo fattore di qualità.
Le prime immagini acquisite in vivo, nonostante sia emersa l’evidente necessità di ottimizzazione
di protocolli di acquisizione adeguati per piccoli animali per uno scanner MR a 7 Tesla, hanno fornito un buon contrasto e un buon rapporto segnale-rumore.
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