Progettazione e Realizzazione di Bobine a Radiofrequenza per Risonanza Magnetica a Campo Ultra Alto

Il fenomeno della Risonanza Magnetica Nucleare (NMR) viene sfruttato in diagnostica medica nelle tecniche di imaging (MRI) e spettroscopia (MRS) che permettono di ottenere informazioni anatomiche e funzionali, uniche o complementari a quelle accessibili con altre tecniche diagnostiche. Inoltre, la diagnostica tramite MRI e MRS e completamente non invasiva e, utilizzando radiazioni non ionizzanti, presenta rischi molto ridotti per il paziente. In risonanza magnetica il rapporto segnale/rumore, e quindi la risoluzione spaziale e temporale, dipendono in prima istanza dall’intensita' del campo magnetico statico applicato. La ricerca negli ultimi anni ha portato alla realizzazione di scanner anche per MRI con campi magnetici sempre piu intensi per l’utilizzo sull’uomo. Attualmente il campo a 1.5 Tesla rappresenta lo standard clinico, anche se gli scanner a 3 Tesla iniziano ad essere ampiamente utilizzati, e sono di recente installazione in alcuni centri di ricerca scanner con campo a 7 Tesla. Nel giugno scorso e' stato installato un magnete a 7 Tesla (950-MR scanner, GE Healthcare) presso l’IRCCS Stella Maris di Calambrone (PI), che costituisce un primo centro di ricerca italiano (IMAGO7) per risonanza magnetica a campo ultra alto. Con il crescere dell’intensita' del campo magnetico statico compaiono problemi, sia teorici che pratici, nella progettazione dell’hardware responsabile dell’eccitazione del campione e della ricezione del segnale: le bobine a radiofrequenza (RF). E' necessario sviluppare bobine a radiofrequenza ad hoc per ogni applicazione clinica e di ricerca, adattandole alla morfologia del paziente e scegliendo il modello da utilizzare con le migliori caratteristiche elettromagnetiche in modo da massimizzarne la sensibilita'. Le bobine RF per campo alto e ultra alto presentano numerose problematiche, tra cui la forte disomogeneita' del campo generato ed i possibili eccessi della potenza assorbita localmente dal campione, da cui conseguono rispettivamente prestazioni non ottimali e un possibile rischio per il paziente. A causa della natura prototipale dello scanner, e' necessario realizzare le bobine autonomamente in modo da studiare soluzioni innovative, o adattamenti dei modelli utilizzati a basso campo, in grado di garantire prestazioni ottimali anche a 7 Tesla per tutte le applicazioni di interesse. Per questo motivo e' stato fondato un nuovo laboratorio RF dedicato in particolare al campo ultra alto. La progettazione e la realizzazione di bobine per campo ultra alto rappresenta pertanto un interessante argomento di ricerca, affrontato in questo lavoro di tesi, svolto all’interno del progetto SEVEN dell’INFN, con la collaborazione dell’IRCCS Stella Maris, dell’Universita' dell’Aquila, del Dipartimento di Ingegneria delle Telecomunicazioni e della General Electrics. Nella progettazione di una bobina occorre innanzitutto scegliere se essa dovra' svolgere la sola fase di trasmissione del segnale, la sola fase di ricezione o entrambe. Nel primo caso si utilizza generalmente una bobina di volume, nel secondo una bobina di superficie. E' talvolta necessario utilizzare bobine multinucleari, in grado di rilevare il segnale del protone e di un altro nucleo, come ad esempio il 31 P, per ottenere alcune importanti informazioni metaboliche. Nella scelta del prototipo occorre inoltre ottimizzare parametri come la distribuzione del campo magnetico, la resistenza della bobina, il rapporto segnale/rumore e la potenza assorbita dal campione. Per modelli semplici sono generalmente sufficienti la teoria elettromagnetica e il lavoro sperimentale: e' necessario pero valutare le prestazioni della bobina tramite simulazioni, per ottenere ad esempio dati non misurabili sperimentalmente nello scanner, come la distribuzione del campo elettrico, e come ausilio nella progettazione di modelli complessi. E' stato utilizzato, per la prima volta nella progettazione di bobine RF, il software commerciale FEKO che implementa il Metodo dei Momenti (MoM) e che presenta il vantaggio di una maggiore rapidita' di esecuzione rispetto ad algoritmi classici come il Metodo delle Differenze Finite. Questo software e' stato validato tramite il confronto con i dati sperimentali su alcuni prototipi di bobina a 1.5 Tesla e tramite il confronto con le simulazioni ottenute con il sofware CST, che implementa il metodo classico delle Differenze Finite. Sono stati progettati e realizzati, nell’ambito del presente lavoro di tesi, diversi modelli di bobine RF per scanner a 7T: una bobina single loop, un phased array, una bobina di volume di tipo TEM e diversi modelli di bobine dual tuned. Il software di simulazione MoM si e' dimostrato affidabile nella progettazione di bobine, in quanto le predizione delle distribuzioni di campo magnetico sono in accordo con quanto previsto dalle simulazioni con il metodo delle differenze finite e con i dati sperimentali. Tale software e stato quindi utilizzato per ottimizzare la geometria del phased array, per valutare la disomogeneita' di campo nella TEM e per la scelta del modello ottimale di dual tuned. In tutti questi casi la simulazione elettromagnetica ha fornito dati non ottenibili tramite la teoria o l’esperimento. Tutti i prototipi realizzati hanno mostrato prestazioni idonee all’utilizzo nello scanner e confrontabili con i modelli analoghi presenti in letteratura, sia per quanto riguarda i parametri della bobina (adattamento di impedenza, disaccoppiamento) che per quanto riguarda le distribuzioni dei campi elettromagnetici, che risultano sempre adatti all’applicazione, ossia privi di zone con forte concentrazione dei campi elettrici, che comporterebbero dei rischi per il paziente. Lo scanner per risonanza magnetica a 7 Tesla installato a Calambrone sara' operativo a partire da fine anno. Sara' allora possibile eseguire i primi test nello scanner e interfacciare e utilizzare le bobine sviluppate in questo lavoro di tesi. Saranno dapprima eseguite misure su fantocci e successivamente anche applicazioni in vivo, coprendo un vasto spettro di possibili campi di ricerca e ricerca clinica, tra cui ad esempio lo studio di nuove tecniche di mappatura del campo elettromagnetico nello scanner, la spettroscopia del 31 P nell’arto inferiore per lo studio di malattie neuromuscolari, sino ad arrivare all’acquisizione di immagini ad altissima risoluzione nel cervello umano