AIIC. I Quaderni dell AIIC REALIZZAZIONE E GESTIONE DI UN SITO PER DIAGNOSTICA CON RISONANZA MAGNETICA. associazione italiana ingegneri clinici

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1 I Quaderni dell AIIC AIIC associazione italiana ingegneri clinici REALIZZAZIONE E GESTIONE DI UN SITO PER DIAGNOSTICA CON RISONANZA MAGNETICA aspetti tecnici Appunti del Corso N. 4 del XIV Congresso Nazionale AIIC VENEZIA - anno Vol 4

2 SOMMARIO Prefazione...4 CAPITOLO 1: Principi di funzionamento ed applicazioni in ambito medico...5 CAPITOLO 2: Information Technology e integrazione dati/rete...12 CAPITOLO 3: Normativa di Sicurezza e Prevenzione del Rischio in Risonanza Magnetica...15 CAPITOLO 4: Progettazione di un sito RM...20 RACCOLTA SLIDES DEL CORSO...23 Bibliografia essenziale I DOCENTI DEL CORSO GLI AUTORI Realizzazione e Gestione di un Sito per Diagnostica con Risonanza Magnetica aspetti tecnici AIIC associazione italiana ingegneri clinici

3 PREFAZIONE CAPITOLO 1 Principi di funzionamento ed applicazioni in ambito medico La realizzazione di immagini biomedicali mediante l uso di sistemi a risonanza magnetica (RM) avviene sfruttando le proprietà magnetiche dei protoni, e, in particolare, del protone del nucleo di idrogeno (H), preferito in questo tipo di applicazione diagnostica in quanto: - è l elemento prevalente nel corpo umano; - fornisce un segnale di risonanza a maggiore intensità rispetto agli altri elementi chimici. E con estrema soddisfazione che mi accingo a presentarvi questo lavoro, risultato tangibile della fortunata esperienza dei corsi di approfondimento che l AIIC organizza in occasione del suo Convegno Nazionale. Questo libretto (così mi piace chiamarlo) è da intendersi come una vera e propria dispensa che raccoglie, nella maniera più fedele possibile, i contenuti divulgati durante il corso specifico cui è dedicato. Non è e non può essere un opera esaustiva ma piuttosto uno strumento rivolto a tutti coloro, soci e non, che, interessati agli argomenti trattati, vogliano arricchire le proprie conoscenze e, soprattutto, trovare spunti di approfondimento. Il protone è una particella con caratteristiche magnetiche che, ruotando attorno al proprio asse, si comporta come un sistema dipolare magnetico, il cui momento di dipolo, definito SPIN, è il generatore del segnale di risonanza. Lo spin è una grandezza quantistica costante, assume, cioè, valori discreti che non variano nel tempo; fisicamente è un vettore, ed è possibile pertanto considerare la somma in senso vettoriale dei contributi di ciascun nucleo H in un elemento di volume del corpo, detto VOXEL. In assenza di campi magnetici esterni gli spin dei nuclei H sono orientati in modo tale che statisticamente si ritrova una somma vettoriale nulla (figura 1). L auspicio è che sia uno strumento semplicemente utile, gelosamente custodito nella propria libreria. L AIIC intende realizzare un libretto per ciascuno dei corsi realizzati, dando vita ad una vera e propria Collana. Un forte e sentito ringraziamento a tutti coloro che mossi unicamente dalla comune passione per la professione, hanno lavorato duramente e gratuitamente, alla realizzazione del presente volume (libretto). Il PRESIDENTE NAZIONALE AIIC Ing. Lorenzo Leogrande Figura 1: rappresentazione degli spin in assenza del campo B AIIC associazione italiana ingegneri clinici Realizzazione e Gestione di un Sito per Diagnostica con Risonanza Magnetica aspetti tecnici Realizzazione e Gestione di un Sito per Diagnostica con Risonanza Magnetica aspetti tecnici AIIC associazione italiana ingegneri clinici

4 In presenza di un campo magnetico uniforme esterno B, invece, la popolazione di spin all interno del voxel si orienta parallelamente ad esso, assumendo lo stesso verso (SPIN UP o configurazione parallela) o verso discorde (SPIN DOWN o configurazione antiparallela) a quello di B 1. Il livello energetico assunto dagli spin in configurazione parallela è leggermente inferiore (e pertanto favorito) a quello antiparallelo, per cui esiste un leggero eccesso di spin nella direzione UP tale da indurre una magnetizzazione netta M (figura 2). Il moto di precessione degli spin è statisticamente casuale, quindi questi, pur ruotando tutti con la stessa frequenza, sono completamente sfasati fra loro (figura 3). Figura 3: sfasamento degli spin in precessione Scomponendo, infatti, il vettore M nelle due componenti, l una longitudinale (lungo l asse z) e l altra sul piano trasversale xy, notiamo che mentre la componente M z è costante per tutti gli spin, M xy è variabile e mediamente nulla. Figura 2: rappresentazione degli spin e del vettore M in presenza del campo B Come conseguenza della loro natura quantistica, gli spin non si allineano perfettamente nella direzione del campo B, ma ruotano attorno ad esso, seguendo, cioè, un moto di PRECESSIONE attorno a B. La velocità, e quindi la frequenza, della precessione rivestono un ruolo importante nell imaging RM, e dipendono fortemente dal tipo di nucleo e dall intensità del campo B applicato. Se siamo interessati a rilevare un segnale dagli spin che precedono, dovremo sintonizzare il nostro sistema di ricezione esattamente alla frequenza di precessione, che è nota come frequenza di Larmor w L : È, dunque, indispensabile stimolare gli spin in modo da alterare la loro condizione naturale di sfasamento, cedendo energia elettromagnetica mediante stimoli esterni RF alla frequenza di Larmor. Al termine dell impulso gli spin si riportano nella condizione iniziale (configurazione energetica minima), emettendo radiazione elettromagnetica nella banda delle radiofrequenze (il segnale registrato dalle bobine prende il nome di FID (Free Induction Decay)). L utilizzo di questi impulsi a radiofrequenza deviano il vettore M dal proprio asse di precessione; l angolo che M forma col piano xy (flip angle) aumenta con l energia dell impulso. Una delle sequenze di impulsi RF maggiormente utilizzate è lo SPIN ECHO e consta prima di un impulso a 90 che ribalta M completamente sul piano xy (M z =0), poi, al fine di rendere coerente il segnale sul piano xy e riallineare gli spin (in modo da ottenere l informazione utile), è applicato un impulso a 180, che inverte la magnetizzazione nel verso opposto rispetto all asse z. Questi processi di rilassamento hanno un andamento temporale di tipo esponenziale: T1 è la costante di tempo che caratterizza il recupero di M z, mentre T2, molto più breve di T1, è quella relativa alla diminuzione del valore di M xy (figura 4). w L = γ x B dove γ = 42 MHz/T è detto rapporto giromagnetico; nei sistemi RM γ cade nello spettro delle radiofrequenze (RF): a 1,5 T w L = 63 MHz. 1 In realtà ciascuno spin occupa uno stato energetico intermedio, che è combinazione lineare delle due configurazioni UP e DOWN; tuttavia, sulla base del principio di indeterminazione di Heisenberg, è impossibile determinare la posizione esatta dello spin, se nonché la sua appartenenza ad uno dei due stati di cui sopra. Figura 4: tempi di rilassamento T1 e T2 in funzione dei differenti tessuti illustrati AIIC associazione italiana ingegneri clinici Realizzazione e Gestione di un Sito per Diagnostica con Risonanza Magnetica aspetti tecnici Realizzazione e Gestione di un Sito per Diagnostica con Risonanza Magnetica aspetti tecnici AIIC associazione italiana ingegneri clinici

5 T1 dipende da: - la composizione del tessuto: il rilassamento di Mz comporta cessione di energia dagli spin al reticolo, cioè alla materia circostante; tessuti differenti hanno valori di T1 diversi, per cui esso può essere utilizzato per esaltare il contrasto in una immagine RM; - il valore di B: campi B elevati comportano un T1 elevato e, quindi, maggiore contrasto nell immagine. In una immagine dell encefalo, dove viene esaltato il valore di T1 (T1-pesata), il fluido cerebrospinale (CSF) appare di colore scuro (figura 5). Figura 6: visualizzazione del fluido cerebro-spinale mediante immagine T2-pesata Secondo quanto visto finora, applicando un campo statico B ed usando opportuni impulsi RF, ritroveremo un segnale somma dei singoli segnali provenienti dai voxel dell intero corpo umano; se intendiamo, invece, localizzare un segnale risonante proveniente da un singolo distretto anatomico occorre fare utilizzo dei GRADIENTI DI CAMPO (campi magnetici lentamente variabili) attraverso la visualizzazione di immagini a fette, o slice. Figura 5: visualizzazione del fluido cerebro-spinale mediante immagine T1-pesata I gradienti sono generati da bobine (figura 7) che producono campi elettromagnetici lentamente variabili per brevi intervalli di tempo sia lungo la direzione longitudinale z (figura 8) sia sul piano trasversale xy che su piani obliqui. Anche T2 dipende dal tessuto circostante e può essere utilizzato per differenziare i tessuti in termini di contrasto; tuttavia dipende fortemente dalla interazione fra spin e spin. Nella stessa immagine di prima, dove, però, viene esaltato il valore di T2 (immagine T2-pesata), il fluido cerebro-spinale (CSF) appare di colore più chiaro (figura 6). Figura 7: bobine di gradiente AIIC associazione italiana ingegneri clinici Realizzazione e Gestione di un Sito per Diagnostica con Risonanza Magnetica aspetti tecnici Realizzazione e Gestione di un Sito per Diagnostica con Risonanza Magnetica aspetti tecnici AIIC associazione italiana ingegneri clinici

6 Una problematica relativa all installazione di un sistema RM risiede nella dispersione del campo magnetico statico B, che non è confinato all interno della regione in cui è collocato il paziente ma si estende anche a zone limitrofe, rendendo necessaria l applicazione degli aspetti regolatori e tecnici legati alla sicurezza del personale tecnico che vi opera al proprio interno. Effetti fisici reversibili, inoltre, sono causati dal rilascio di energia da parte degli impulsi a radiofrequenza che innalzano la temperatura del paziente. Figura 8: applicazione del gradiente lungo z per la selezione della slice a z=z 0 I valori dei segnali di quel distretto corporeo in risonanza saranno, infine, convertiti in tonalità di grigio differenti, in modo da costruire l immagine desiderata. I sistemi RM si differenziano in base al loro design in: sistemi chiusi, sistemi aperti e sistemi speciali (o settoriali), le cui caratteristiche sono meglio descritte nella tabella seguente. SISTEMI CHIUSI SISTEMI APERTI SISTEMI SPECIALI SVANTAGGI VANTAGGI DESCRIZIONE Il campo B è generato all interno di un tunnel (o BORE), che permette la scansione di tutti i distretti corporei (WHO- LE BODY system); l asse z del campo B è allineato con l asse del tunnel, in direzione piedi-testa del paziente. Permettono scansioni WHO- LE BODY; l accesso del paziente è reso molto più agevole, allo scopo di ovviare ai problemi sperimentati con i sistemi chiusi. Permettono lo studio delle estremità e delle articolazioni; esistono anche sistemi speciali di ricerca, ad alto campo e bore stretto ad es. per studi su animali Elevato campo magnetico Non necessaria la Elevata omogeneità B rimozione del lettino di campo alta omogeneità di studio delle articolazioni limitazione di campo campo all area di applica- zione possibili effetti di claustrofobia o altri disagi campi B meno elevati in genere bassi campi (fino a 1,2 T) magnetici per eseguire procedure interventistiche omogeneità di campo occorre estrarre minore temporaneamente il lettino dal tunnel La riduzione dell intensità del campo magnetico disperso avviene sia mediante l uso di schermature passive con materiali ad alta permeabilità magnetica µ sia tramite la schermatura attiva (active shielding), realizzata con un contro-campo magnetico generato con avvolgimenti superconduttivi, in direzione opposta a quella delle bobine che danno luogo al campo principale. Un altra distinzione dei sistemi RM consiste nel tipo di magnete che genera il campo statico B, ed in particolare si distinguono magneti permanenti da quelli superconduttori. I primi, aventi forma a ferro di cavallo, sono costituiti da grossi blocchi di lega ferromagnetica (Neodimio- Ferro-Boro) e producono un campo magnetico B che può spaziare tra 0,01 T e 0,35 T; i loro costi di gestione sono bassi, anche se riescono a mantenere un elevata uniformità del campo statico a patto che la temperatura della lega resistiva sia stabile. Nei magneti superconduttori (più utilizzati), invece, il campo B, generato da una corrente indotta per superconduzione in un avvolgimento realizzato tipicamente in niobio/titanio ed annegato nel rame, assume valori almeno pari a 0,5 T. I vantaggi riscontrabili fanno riferimento ad una migliore qualità dell immagine grazie all alto rapporto S/N, minori tempi di acquisizione dell immagine, minori tempi di esecuzione dell indagine, migliore risoluzione spaziale e alla possibilità di visualizzare processi a livello molecolare (imaging molecolare). Sebbene le potenzialità di questi strumenti siano innegabili, altrettanto palese è l aumento del rischio globale connesso alla presenza di elio, fondamentale per il raffreddamento del magnete, che presenta proprietà superconduttive a bassissime temperature (4 K): il passaggio dalla fase liquida (a -273 C) a quella gassosa (a -270 C) comporta una espansione adiabatica che determina un aumento del volume occupato dall elio di circa 760 volte; questo fenomeno, accompagnato da pressioni significative, è molto pericoloso per il paziente. Al fine di evitare ciò, i sistemi RM superconduttivi devono essere dotati di impianti per il convogliamento dell elio post-quench in atmosfera (tubo di quench), le cui caratteristiche verranno discusse meglio nell ultimo paragrafo. AIIC associazione italiana ingegneri clinici Realizzazione e Gestione di un Sito per Diagnostica con Risonanza Magnetica aspetti tecnici Realizzazione e Gestione di un Sito per Diagnostica con Risonanza Magnetica aspetti tecnici AIIC associazione italiana ingegneri clinici

7 CAPITOLO 2 Information Technology e Integrazione dati/rete Negli ultimi 20 anni la sostituzione dell utilizzo di sistemi di dispositivi medici isolati con quello di sistemi integrati ha messo in risalto potenziali rischi che discendono da una cattiva integrazione dei device fisici, quali perdita, sincronizzazione e non protezione dei dati da accessi non autorizzati. L art. 14 della Parte 1 (Prescrizioni generali relative alla sicurezza fondamentale e alle prestazioni essenziali) della CEI EN (05/2007) in materia di Apparecchi Elettromedicali fa riferimento alla programmabilità di quest ultimi (SEMP: systèmes électromédicaux programmables); in particolare viene esplicitato come il fabbricante, non più autorizzato a gestire l accoppiamento rete/device, possa non essere in grado di seguire tutti i processi per ciascun componente costituente il SEMP; deve, così, tener conto della necessità di misure supplementari di controllo del rischio (perdita dati, mancata sincronizzazione dei dati, disaccoppiamento rete/dati) mediante un piano di gestione del rischio, che deve contenere un riferimento al piano di validazione del SEMP ed al rispettivo ciclo di vita. Si riporta nella parte 6 del detto articolo l obbligo dell esistenza di una specifica documentata delle prescrizioni per il SEMP e per ciascun suo sottosistema (SSEP) ed un architettura che soddisfi tale specifica. Nel caso di qualunque modifica al progetto originario occorre revisionare l intero progetto al fine di evitare degli effetti collaterali che possono invalidare l implementazione del progetto stesso. All interno della norma si parla anche dell identificazione delle responsabilità in materia di integrazione dei sistemi: qualora il fabbricante non sia a conoscenza di tali requisiti, si limita a fornire le informazioni richieste sui propri apparecchi; in tal caso si fa riferimento ad un organizzazione responsabile, con al centro la figura dell assemblatore del sistema, che deve avere la competenza per valutare e affrontare i pericoli che possono presentarsi nell integrare un sistema, e per garantire che i rischi residui del SEMP non aumentino, pianificando l integrazione di un qualunque dispositivo da integrare sulla base delle istruzioni fornite dal fabbricante, eseguendo la gestione del rischio sul sistema integrato e passando le eventuali istruzioni del fabbricante all organizzazione responsabile. La norma CEI EN classifica le reti in funzione delle applicazioni software implementate sulla rete, delle conseguenze che possono esserci per il paziente e sulla base dei tempi di reazione, dove il tempo di reazione è il tempo di ritardo tra un guasto dell accoppiamento rete/dati e il verificarsi di un danno per il paziente. AIIC associazione italiana ingegneri clinici Realizzazione e Gestione di un Sito per Diagnostica con Risonanza Magnetica aspetti tecnici Una più recente norma in materia della gestione del rischio per reti IT che incorporano dispositivi medicali è la CEI EN (03/2011). La norma indica la presenza di un responsabile dell organizzazione, solitamente il direttore generale (DG), per la redazione del documento di gestione del rischio della rete IT medicale che fa riferimento alla pianificazione, connessione, configurazione, mantenimento e dismissione dei dispositivi. L applicazione del documento di gestione del rischio deve assicurare il soddisfacimento di tre parametri: safety (assenza di rischi non accettabili), effectiveness (capacità di produrre il risultato voluto), data and systems security (protezione da accessi non autorizzati, integrità e disponibilità dei dati). Il DG deve così nominare il responsabile del rischio per le reti IT medicali, persona che deve avere le necessarie qualifiche, conoscenze e competenze. Al fine di attuare quanto stabilito nel documento di gestione del rischio nel migliore dei modi, il responsabile del rischio coopera con quelle figure professionali appartenenti allo staff d ingegneria clinica, del SIS (sistema informativo sanitario) etc; si preoccupa, quindi, di avere un inventario dei sistemi connessi alla rete, una tracciabilità dei costruttori e fornitori e di chi è coinvolto nei processi e di sottoscrivere accordi di responsabilità (prima del collaudo) con i fabbricanti in modo che siano resi espliciti a ciascun attore del processo i propri compiti e responsabilità. Un altro aspetto di fondamentale importanza è la privacy dei dati sensibili (origine razziale ed etnica, credo religioso, opinioni politiche, salute e vita sessuale), che devono essere riservati (confidenzialità), integri (correttezza dei dati) e disponibili (la garanzia per gli utenti di poter disporre dei dati, delle informazioni e dei servizi). I dati personali devono essere trattati nel rispetto dei criteri di pertinenza (solo per raggiungere le finalità per le quali è stato acquisito il consenso) e non eccedenza (esclusivamente per quanto strettamente necessario al raggiungimento delle finalità per le quali è stato acquisito il consenso). Uno dei problemi che la privacy ci pone è capire come gestire la riservatezza e le credenziali di accesso alle informazioni di ciascuna figura autorizzata. Esistono pertanto delle misure minime di sicurezza da rispettare che fanno riferimento all autenticazione informatica, alle credenziali di autenticazione, al sistema di autorizzazioni. È necessaria, inoltre, una tracciabilità degli accessi e delle azioni svolte sui dati. L applicazione di tali misure non è sempre facile in quanto molto spesso i fabbricanti sono aziende multinazionali ignare della normativa italiana in materia di privacy e dati sensibili. Per la gestione della privacy si ritrova un modello gerarchico piramidale, dove all apice è posto il titolare del trattamento, segue poi il responsabile del trattamento e l incaricato del trattamento. Circa il Comitato Elettrotecnico Italiano (CEI) sono in via di sviluppo delle linee guida sulla gestione del software; in particolare esse introducono un FASCICOLO DI PRODOTTO/ SISTEMA, dove vengono registrate le attività inerenti la sicurezza di un prodotto/sistema software inteso o come dispositivo medico oppure come software in contesto sanitario, collocato nel contesto di organizzazione responsabile. Realizzazione e Gestione di un Sito per Diagnostica con Risonanza Magnetica aspetti tecnici AIIC associazione italiana ingegneri clinici

8 La prima fase della valutazione del processo consiste nell analisi del workflow; in particolare, constatato che l implementazione dello standard DICOM da solo non garantisce il pieno successo dell integrazione dei sistemi, l IHE, associazione no-profit dedicata alla interoperabilità nell Health Information Technology, ha progettato ed implementato documenti (o profili) di integrazione attraverso cui applicare in modo univoco gli svariati standard utilizzati e integrarli. L IHE Scheduled Workflow Profile (figura 9) rappresenta uno dei possibili punti di partenza necessari per stilare un CAPITOLATO tecnico sulle specifiche degli interfacciamenti/ integrazioni nel caso dell acquisizione di una nuova tecnologia, che dovrebbero portare ad una riduzione di tempi e costi e ad un aumento di efficienza in termini di produttività e di efficacia. Nel capitolato tecnico si descrivono i profili di integrazione da utilizzare che il fabbricante della tecnologia da acquisire deve rispettare. CAPITOLO 3 Normativa di Sicurezza e Prevenzione del Rischio in Risonanza Magnetica Il quadro normativo italiano in materia di sicurezza e prevenzione del rischio in RM essenzialmente si compone di 4 decreti legislativi (figura 10): Figura 10: il quadro normativo italiano in materia di sicurezza e prevenzione del rischio in RM Figura 9: IHE Scheduled Workflow Profile Nel caso di profili sofisticati, al fine di non escludere costruttori su aspetti tecnici di poco conto (a meno che non siano aspetti legati al DICOM), ci sono dei margini di accettazione del progetto. Nell ultima fase, quella di COLLAUDO, avviene la reale implementazione dei profili IHE richiesti all interno del sistema IT ospedaliero preesistente in termini di attori e transazioni, si identificano le problematiche di integrazione eventuali emergenti e vengono fornite indicazioni agli utilizzatori sul corretto uso dei sistemi e sul comportamento da mantenere di fronte a possibili errori. Al fine di agevolare l utenza a gestire un quadro normativo così frammentario e composito, l ISPESL (oggi INAIL) nel 2004 ha pubblicato sul proprio sito le indicazioni operative che raccolgono in un unico testo una serie di metodi, suggerimenti, consigli ed esperienze per ottimizzare la gestione della sicurezza in un sito di Risonanza Magnetica; tali indicazioni non hanno valore specifico di legge, ma sono oggi considerate una linea guida di riferimento in materia. Gli standard di sicurezza in RM previsti dal quadro normativo italiano sono ritrovati all interno degli all. 1 e 4 del DM 2/8/1991 e degli all. A e B del DM 3/8/1993 e stabiliscono: - i requisiti minimi di carattere strutturale, tecnologico ed organizzativo; - le procedure di gestione dell attività diagnostica; - il ruolo ed i compiti sia del Medico Responsabile del sito RM che dell Esperto Responsabile per la Sicurezza dell apparecchiatura RM; - i limiti di esposizione per pazienti ed operatori. AIIC associazione italiana ingegneri clinici Realizzazione e Gestione di un Sito per Diagnostica con Risonanza Magnetica aspetti tecnici Realizzazione e Gestione di un Sito per Diagnostica con Risonanza Magnetica aspetti tecnici AIIC associazione italiana ingegneri clinici

9 Le criticità riscontrabili nell attuazione di questi decreti, oramai vetusti, fanno riferimento, in particolare, ai limiti di esposizione per pazienti (limiti di esposizione ai campi elettromagnetici a radiofrequenza) e per operatori (limiti di esposizione al campo magnetico statico), definiti in una fase in cui c era ancora poca sensibilità a riguardo. Tali criticità sono messe in risalto sulla base di quanto contenuto nelle Linee Guida ICNIRP e nella Norma di Buona Tecnica Internazionale IEC (3 edizione 2010) che evidenzia delle soglie-limite meno stringenti di quelle indicate nel D.M. 3/8/1993; nonostante l affidabilità di questi standard di sicurezza, l installazione e l utilizzo di un tomografo RM devono far fede sempre al quadro normativo italiano. Inoltre, a differenza di altri paesi europei che aggiornano ed integrano lo stato legislativo con le norme sancite dagli Organismi di buona tecnica, la tecnica normativa italiana non permette l autoaggiornamento delle leggi. Ci sono, tuttavia, fattori di allineamento tra Italia ed Europa: prima di tutto il marchio CE, che è obbligatorio per immettere sul mercato comunitario un dispositivo medico (come la RM) e garantisce il rispetto dei requisiti essenziali di sicurezza (R.E.S.) (Direttiva Dispositivi Medici, 93/42/CE come emendata dalla Direttiva 2007/47/CE), indipendentemente dallo scenario in cui avviene la messa in esercizio del medesimo. Per gli impianti RM con magnete superconduttore la marcatura CE da sola non basta a garantire un livello di sicurezza appropriato alla messa in esercizio dello strumento, ma per il suo utilizzo negli Stati Membri, è necessario un valido accoppiamento fra dispositivo medico e l impianto di sicurezza ad esso asservito (tubo di QUENCH), nonché si deve garantire il rispetto dei requisiti essenziali di sicurezza (R.E.S.) contenuti nell art. 3 punto 3 della Direttiva Impianti a Pressione, 97/23/CE (PED) per quanto applicabile. Il compimento di una corretta prassi costruttiva (ossia rispettare i R.E.S. nell art. 3 punto 3 della 97/23/CE) si concretizza col rilascio della certificazione di conformità della parte impiantistica (tubo di QUENCH, impianto di ventilazione ed impianto elettrico), ai sensi del DM 37/08. La certificazione si compone di: 1. la dichiarazione di conformità (rilasciata dalla azienda abilitata), che, come tale, deve riportare l indicazione da parte del soggetto installatore di aver rispettato il progetto redatto per l installazione, di aver seguito le norme di buona tecnica applicabili all impiego dell installazione, di aver installato componenti e materiali adatti al luogo d installazione e controllato l impianto ai fini della sicurezza e della funzionalità con esito positivo, avendo eseguito le verifiche richieste dalle norme e dalle disposizioni di legge (figura 11); 2. altri allegati, quali il progetto dell impianto, la relazione con tipologie dei materiali utilizzati, lo schema dell impianto realizzato, il riferimento a dichiarazioni di conformità precedenti, la copia del certificato di riconoscimento dei requisiti tecnico professionali per le imprese abilitate. Figura 11: certificazione del tubo di quench ai sensi del D.M. 37/2008 Nel caso di sostituzione della sola risonanza magnetica e nell ipotesi in cui l impianto è antecedente al 2008, o in corrispondenza di qualunque modifica apportata al sistema, occorre verificare che l impianto e l accoppiamento risonanza/impianto rispettino sempre i requisiti minimi di sicurezza attraverso la dichiarazione di conformità ai sensi DM 37/08. La progettazione, costruzione o modifica del sito RM dovrà essere poi comunicata all Autorità Competente (ISPESL), inviando ad esso copia delle dichiarazioni di conformità. In RM i fattori di rischio vengono classificati in rischi costanti (campo magnetico statico B, criogeni per i superconduttori) e rischi in corso di esame diagnostico (campi a RF, gradienti di campo). Il campo magnetico statico, per applicazioni di diagnosi variabile tra 0.15 T e 3 T, è pericoloso per l effetto di attrazione, sotto la cui azione oggetti metallici possono acquisire una considerevole velocità (effetto proiettile). D altra parte, corpi metallici in movimento in vicinanza al sito RM possono provocare delle interferenze sovrapponibili all informazione diagnostica. Al fine di evitare i rischi legati all effetto proiettile provocato dal campo statico, all interno del sito RM si è soliti individuare le cosiddette zone di rischio: - zona ad accesso controllato: zona in cui si registra un rischio reale per coloro che sono portatori di pacemaker; il valore di campo magnetico statico mediato nel tempo è almeno pari a 0.5 mt e interessa tipicamente la sala magnete (zona controllata) e i locali strettamente dedicati alla gestione in sicurezza delle attività e dei pazienti; - zona di rispetto: non si ritrova un rischio fisico concreto, tuttavia ci sono delle soglie di attenzione da rispettare. Il valore di B varia tra 0,1 mt e 0,5 mt; non è necessariamente tutta contenuta all interno del sito RM, ma comunque deve essere necessariamente contenuta nella proprietà del presidio; - zona ad accesso libero: valore di rischio basso o trascurabile con valore di B<0,1 mt. 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10 Nella progettazione di un sito RM occorre non solo contenere la zona ad accesso controllato, ma anche quella di rispetto. Solitamente a terra, oltre ad evidenziare la linea che delimita la zona ad accesso controllato, viene segnata anche la linea corrispondente a 200 mt, che indica, secondo le linee guida ICNIRP, il massimo valore di campo (calcolato su una media temporale di un ora al giorno), a cui il corpo può essere esposto. Un altro rischio, proveniente stavolta non dal campo magnetico statico, riguarda i sistemi RM con magnete superconduttore, ed in particolare il tubo di quench, che rappresenta il tubo attraverso cui avviene la fuoriuscita all esterno dei fluidi criogenici gassosi a seguito di un quench. Le valvole sulla testa del magnete e la flangia di raccordo della tubazione di quench con la macchina del magnete rappresentano i principali punti critici connessi ad un eventuale fuoriuscita di gas criogenico in sala RM. Qualora l elio dovesse liberarsi, essendo più leggero dell aria, si stratificherebbe verso l alto, invadendo l ambiente interno della sala; per questo motivo viene posto sulla prima flangia un sensore di ossigeno, che misura la diminuzione della concentrazione di O 2 dovuta alla presenza dell elio e permette l attivazione dell impianto di ventilazione in modo che l elio possa essere direttamente ripreso e buttato fuori prima che invada il resto dell ambiente. La taratura, il cui procedimento è previsto dalle ditte costruttrici e chiaramente indicato nel libretto di Istruzioni per l uso del sensore, deve prevedere la possibilità di settare una soglia di pre-allarme al 19% di O 2 in corrispondenza della quale si attiva l avvisatore sonoro-luminoso collegato alla centralina, e una soglia di allarme rigorosamente al 18% di O 2 che attiva automaticamente un sistema di ventilazione di emergenza, capace di implementare notevolmente l efficienza del ricambio d aria nella sala magnete. Le modalità di taratura (figura 12) del sensore e dell elettronica ad esso associata sono sancite dalla norma CEI EN 50104, come indicato dalle stesse ditte costruttrici. Il sensore deve essere tarato ogni 6 mesi. Figura 12: certificato di taratura del sensore ossigeno Tipicamente il tubo di quench viene coibentato termicamente e fatto uscire esternamente dal punto più alto della struttura. I raccordi tra le diverse parti di tubo possono avvenire mediante flangiatura, saldatura (in tal caso non deve essere visibile la saldatura) oppure mediante utilizzo di colla stycast, che resiste alla temperatura di -270 C. L impianto di ventilazione nella sala magnete costituisce, col sensore ossigeno, la catena dei sistemi di sicurezza asserviti al magnete superconduttore: la sua corretta realizzazione è fondamentale per evitare le problematiche connesse all eventuale rientro di elio in fase gassosa all interno della sala magnete durante un quench. In condizioni di normale funzionamento deve: - mantenere la temperatura 22±2 C e l umidità compresa tra 40% e 60% al fine di contenere i livelli del SAR e di salvaguardare il benessere del paziente; - garantire 6-8 ricambi/h nel locale esame; - assicurare una leggera pressione sulla porta della gabbia per non aspirare la polvere dall esterno (ΔP > 0). AIIC associazione italiana ingegneri clinici Realizzazione e Gestione di un Sito per Diagnostica con Risonanza Magnetica aspetti tecnici Realizzazione e Gestione di un Sito per Diagnostica con Risonanza Magnetica aspetti tecnici AIIC associazione italiana ingegneri clinici

11 In condizioni di emergenza, invece, deve: - garantire ricambi/h di ventilazione - assicurare una leggera depressione sul locale esami (Δp<0), per facilitare l apertura della porta e, una volta aperta, evitare che fuoriesca elio all esterno della sala; - prevedere al di sopra della torretta del tomografo un canale per l eventuale aspirazione diretta dell elio gassoso che dovesse fuoriuscire (ripresa supplementare d emergenza). CAPITOLO 4 Progettazione di un sito RM Un presidio di RM deve avere un unico accesso rigidamente controllato e riservato al solo personale autorizzato e a pazienti da esso accompagnati, previo preventivo consenso. L accesso controllato è garantito, oltre dalla cartellonistica, attraverso l utilizzo di un dispositivo di accesso (chiave, codice numerico, scheda a banda magnetica, etc.) all interno del sito. La linea di campo dei 5 Gauss (che circoscrive la zona controllata) deve necessariamente essere contenuta all interno della zona ad accesso controllato, e per lo più è solita essere confinata all interno della sala magnete. Le zone esterne alla sala magnete eventualmente interessate vanno interdette con barriere fisse ed identificate con cartellonistica che ne indichi i rischi all esposizione ai campi magnetici (presenti all interno) e le restrizioni di accesso. La zona di rispetto deve essere completamente contenuta all interno della proprietà di pertinenza del datore di lavoro, possessore del tomografo RM e deve avere al proprio interno dotazioni che tengano conto delle problematiche esistenti connesse alla compatibilità elettromagnetica con apparecchi elettronici e della possibile magnetizzazione di apparati ferromagnetici. La sala di attesa per i pazienti deambulanti deve essere all esterno del sito RM, ed è auspicabile averla nei suoi immediati pressi; i pazienti barellati devono avere una sala di attesa dedicata che ne garantisca la privacy, tranne nei casi in cui siano solo pazienti ricoverati (e quindi programmabili) o quando le procedure siano tali da garantire l assenza di tempi di attesa (pronto soccorso, etc.). L accettazione, specifica per l RM o in comune con altre tecniche diagnostiche, deve essere esterna o con sportello afferente all esterno; essa può rilasciare il modulo di anamnesi da effettuarsi all interno del sito RM o nei suoi immediati pressi, o comunque in un locale dedicato nel quale sia presente la dotazione minima per una visita medica. L anamnesi consiste nell accertamento da parte del medico responsabile dell esecuzione dell esame, della assenza di controindicazioni all esame RM, in riferimento alla sua esposizione ai campi magnetici utilizzati dall apparecchiatura RM e ai rischi ad essi connessi. Il questionario anamnestico viene compilato sempre prima dell esame dal medico, interrogando il paziente e firmandolo in calce, ai sensi di legge; l atto di eventuale delega non è prevista per legge. Il paziente, a sua volta, firma il consenso informato all indagine e all eventuale somministrazione del mezzo di contrasto. In aggiunta all anamnesi, la legislazione vigente prevede la presenza di un metal detector (generalmente portatile) nel sito RM al fine di individuare protesi interne, oggetti sul corpo, parti metalliche negli indumenti che non vengono tolti. All interno del sito RM devono essere previsti, a seconda delle modalità di gestione dell attività diagnostica, uno o più locali adibiti a spogliatoio pazienti, con dotazione minima adatta allo scopo; è buona norma includere una cassetta di sicurezza ad uso dei pazienti. Lo spogliatoio del personale non è richiesto, ma, se ritenuto necessario, può essere locato sia all interno che all esterno del sito RM; se all interno, deve essere considerato ad uso esclusivo. All interno o negli immediati pressi del sito RM deve essere previsto almeno un servizio igienico ad uso dei pazienti, attrezzati anche per portatori di handicap. La zona Preparazione è un locale o area delimitata da barriere fisse o mobili (che garantiscano la privacy del paziente trattato), destinata a trattamenti medici sul paziente che precedono l esame RM (sedazione, somministrazione di liquidi di contrasto,etc.); essa deve essere attrezzata di cabinet per i farmaci, lettino/barella amagnetica, disponibilità di gas anestetici e dispositivi medici specifici, nonché della dotazione minima prevista dal Medico Responsabile del sito RM. La zona Emergenza è un locale o area destinata per un eventuale primo soccorso medico sul paziente che dovesse necessitare di un primo intervento, anche per motivi non strettamente correlati all esecuzione dell esame; tale zona non deve essere delimitata da porte o altra barriera fissa che possa in qualche modo creare impedimento alle procedure di soccorso e deve essere quanto più vicino alla porta della sala esami per consentire un tempestivo intervento. Le postazioni di emergenza attrezzate devono essere tante quante sono le apparecchiature RM presenti nel sito. Qualora la stessa postazione sia adibita sia a preparazione sia ad emergenza, occorre definire e formalmente istituire delle procedure restrittive di esecuzione degli esami che consentano la presenza di un solo paziente alla volta all interno del sito RM AIIC associazione italiana ingegneri clinici Realizzazione e Gestione di un Sito per Diagnostica con Risonanza Magnetica aspetti tecnici Realizzazione e Gestione di un Sito per Diagnostica con Risonanza Magnetica aspetti tecnici AIIC associazione italiana ingegneri clinici

12 e che facciano riferimento ad una allocazione individuata per quanto attiene i farmaci ed i dispositivi medici. Nel caso di più apparecchiature RM presenti, occorre sempre avere tante postazioni P/E quante sono le apparecchiature, con la restrizione di un numero di pazienti all interno del sito sempre pari al numero di macchine RM operanti. Le strumentazioni di supporto devono essere amagnetiche (in realtà le strumentazioni non sono mai del tutto amagnetiche, ma deve essere il costruttore a garantire il loro corretto funzionamento se mantenute al di là di un certo campo). La ventilazione e la climatizzazione della sala magnete devono garantire una temperatura costante di 22 +/- 2 C ed un umidità relativa del 40-60%, al fine di contenere eccessivi aumenti del SAR e di salvaguardare il benessere del paziente. Le curve isomagnetiche teoriche, fornite in fase di progetto dalla casa costruttrice all esperto responsabile dell impianto RM, consentono di valutare a priori l impatto ambientale dell apparecchiatura nel sito di installazione, da cui prevedere, nel caso sia necessario, schermature aggiuntive e limitazioni di utilizzo dei locali attigui, mentre a posteriori (in sede di collaudo) l esperto responsabile deve mappare le linee di isocampo reali a conferma delle scelte protezionistiche fatte a priori. Il fine è la corretta delimitazione della zona controllata, l opportuna individuazione della zona di rispetto, la puntuale definizione della destinazione d uso degli ambienti che circondano la sala magnete. RACCOLTA SLIDE DEL CORSO Occorre, inoltre, prevedere un sistema di schermatura per evitare le interferenze provocate dall esterno rispetto al segnale a radiofrequenza generato all interno della sala RM (gabbia di Faraday); le uniche aperture sono quelle per il passaggio degli impianti (pannello di controllo), per la finestra della consolle di comando (dove si ritrovano i pulsanti di sicurezza e dei display dei sensori ossigeno e termoigrometri), per la porta di accesso, che, grazie alla presenza di appositi fingers di rame, garantiscono la tenuta della gabbia. La schermatura è funzione del tempo e dell uso, per cui va periodicamente controllata (su base annuale) ai fini di preservare opportuni standard di qualità. La sala dedicata alla refertazione delle immagini RM ottenute può essere allocata all interno del sito RM (ma a suo uso esclusivo) o all esterno (con possibilità di refertare in condivisione con altre tecniche diagnostiche), con la possibilità di utilizzare a tale scopo aree o altre sale già dedicate ad altra attività; l archivio può trovarsi sia all interno che all esterno del sito RM. AIIC associazione italiana ingegneri clinici Realizzazione e Gestione di un Sito per Diagnostica con Risonanza Magnetica aspetti tecnici Realizzazione e Gestione di un Sito per Diagnostica con Risonanza Magnetica aspetti tecnici AIIC associazione italiana ingegneri clinici

13 RISONANZA MAGNETICA Principi di funzionamento ed applicazioni in ambito medico Lo SPIN Lo spin è una grandezza di natura quantistica, intuitivamente facile da comprendere se pensiamo al protone come ad una pallina magnetica in rotazione. In meccanica quantistica, lo spin rimane costante. Può variare solo la direzione dell asse di rotazione. Osserviamo che un nucleo dotato di spin è sempre magnetico. Nell imaging RM si ricorre alle caratteristiche collettive degli spin di un distretto corporeo di interesse. Fisicamente lo spin è un vettore, ed è possibile pertanto considerarne la somma in senso vettoriale, estesa ad una popolazione come l insieme dei nuclei di H in un distretto corporeo, o meglio ancora in un elemento di volume del corpo, detto VOXEL south spin north Francesco Lisciandro Principi di funzionamento dei tomografi RM La tomografia RM utilizza le caratteristiche magnetiche di alcune particelle atomiche per ottenere informazioni (comunemente, immagini) cliniche. Si ricorre principalmente alle proprietà magnetiche del protone o, più correttamente, del nucleo di idrogeno (H). Perché l idrogeno? E largamente presente nell acqua e nel grasso, ed è quindi l elemento prevalente nel corpo umano I nuclei di H forniscono il segnale di risonanza a maggiore intensità, rispetto agli altri elementi chimici La grandezza fisica che ci permette di utilizzare in RM il protone dell idrogeno è il suo momento di dipolo magnetico, detto comunemente SPIN. In assenza di campi magnetici B esterni, gli spin dei nuclei H sono orientati in modo casuale ed i loro effetti magnetici si annullano statisticamente In presenza di un campo B, la popolazione del voxel si allinea parallelamente ad esso, con quasi la stessa probabilità di orientarsi in ciascuno dei due versi opposti: SPIN UP o SPIN DOWN. Il rapporto SPIN UP/SPIN DOWN non è esattamente pari a 1: esiste un leggero eccesso di spin nella direzione UP. Si determina così una magnetizzazione netta M. B Summed X Summed X Z Z Y NET MAGNETISATION Y

14 Come conseguenza della loro natura quantistica, gli spin non si allineano perfettamente nella direzione del campo B e sono costretti ad un moto di PRECESSIONE La velocità, e quindi la FREQUENZA, della precessione rivestono un ruolo importante nell imaging RM. In particolare dipendono: Dal tipo di nucleo Dall intensità del campo B applicato Con un po di intuizione possiamo comprendere che se siamo interessati a rilevare un segnale dagli spin che precedono, dovremo sintonizzare il nostro sistema di ricezione esattamente alla frequenza di precessione, che è nota come frequenza di Larmor ω L : ω L = γ x B Con opportuni impulsi RF è possibile modificare la condizione degli spin, alterandone temporaneamente lo stato energetico. Al termine dell impulso gli spin si riportano nella condizione iniziale (configurazione energetica minima) emettendo radiazione elettromagnetica (RF). Il flip angle aumenta con l energia dell impulso RF: Un impulso a 180 inverte la magnetizzazione nella direzione opposta lungo l asse z Un impulso a 90 ribalta la magnetizzazione sul piano xy γ è detto RAPPORTO GIROMAGNETICO = 42 MHz/T Nei sistemi RM imaging (RMI) γ cade nello spettro della radiofrequenza (RF). A 1,5 T, ω L = 63 MHz Anche il moto di precessione degli spin è statisticamente casuale, quindi gli spin, pur ruotando tutti con la stessa frequenza, sono completamente sfasati fra loro. Graficamente la situazione è la seguente: Il segnale viene generato dal movimento della magnetizzazione M sul piano xy, poiché questa è la sola componente magnetica in movimento. Nel piano xy, tuttavia,le componenti trasversali della magnetizzazione M si annullano fra loro, mentre lungo la direzione z è presente una magnetizzazione netta M z Se vogliamo ricevere un segnale RF è pertanto indispensabile stimolare gli spin in modo da alterare la loro condizione naturale di sfasamento. Possiamo quindi modificare lo stato degli spin utilizzando un onda magnetica, o meglio, un impulso RF. L impulso deve però avere una frequenza appropriata per interagire con gli spin in precessione: deve cioè essere in RISONANZA. In altre parole, la radiofrequenza deve avere una frequenza pari alla frequenza di Larmor. Come si genera il segnale RM? Innanzitutto, osserviamo che sia M z che M xy precedono alla frequenza γ L. M xy può essere analizzato come se si trattasse di un magnete rotante. Se inseriamo una bobina conduttrice all interno di un campo magnetico rotante, generiamo in essa una tensione indotta: ecco il segnale MR! Ovviamente l intensità del segnale MR è proporzionale a M xy, e tale segnale decade molto rapidamente. Poiché Mxy: Precede liberamente Induce un segnale RF Decade liberamente Il segnale prende il nome di FID (Free Induction Decay)

15 Tempi di rilassamento T1 e T2 Il FID decade rapidamente nel tempo perché dopo l impulso RF a 90, la magnetizzazione torna a riallinearsi lungo z: si ha un processo cosiddetto di rilassamento. Si osserva inoltre che magnetizzazione trasversa M xy decade più rapidamente di quanto la M z (magnetizzazione longitudinale, o M L ) impiega a ricostituirsi. Questi processi di rilassamento hanno un andamento temporale di tipo esponenziale. T1 è la costante di tempo che caratterizza il recupero di M z, mentre T2, molto più breve di T1, è quella relativa alla diminuzione del valore di M xy. T2 Dopo un impulso RF a 90, la M xy genera il segnale di FID che decade rapidamente, poiché gli spin tornano i brevissimo tempo a precedere fuori fase. Il rapido sfasamento è dovuto alla interazione fra spin e spin, ed il rilassamento è caratterizzato da una costante di tempo T2, che non dipende da B ma dipende fortemente dal tessuto circostante. Anche il T2 può essere utilizzato per differenziare i tessuti in termini di contrasto In una immagine dove viene esaltato il valore di T2 (T2-pesata), il fluido cerebro-spinale (CSF) appare di colore più chiaro. T1 T1 non è uguale in ogni punto del corpo umano: dipende dalla composizione del tessuto. Infatti il rilassamento di Mz comporta cessione di energia dagli spin al reticolo, cioè all amateria circostante. Tessuti differenti hanno valori di T1 diversi: il tempo T1 può quindi essere utilizzato per esaltare il CONTRASTO in una immagine RM. Inoltre T1 è influenzato anche dal valore di B: campi B elevati comportano valori elevati per T1 e quindi maggiore contrasto nella immagine. I tessuti patologici mostrano differenti concentrazioni di H 2 O rispetto a quelli sani; avranno quindi tempi T1 diversi e la loro differenza può essere visualizzata in termini di contrasto in una immagine RM. In una immagine dove viene esaltato il valore di T1 (T1-pesata), il fluido cerebro-spinale (CSF) appare di colore scuro. I gradienti di campo magnetico Secondo quanto visto finora, applicando un campo statico B ed usando opportuni impulsi RF è possibile indurre un segnale RM nel corpo umano. L impiego clinico di tale tecnica, tuttavia, è finalizzato alla visualizzazione le differenze nelle strutture tissutali, all interno di regioni corporee di interesse. E necessario pertanto provocare il fenomeno fisico della risonanza magnetica in termini locali, e di conseguenza localizzare spazialmente i singoli segnali RM ricevuti dalle singole strutture anatomiche. La soluzione a questo problema consiste nel differenziare spazialmente il valore del campo magnetico statico B. In questo modo posizioni differenti avranno frequenze di precessione diverse e la risonanza magnetica risulterà spazialmente differenziata L imaging tomografico prevede la visualizzazione clinica delle regioni di interesse attraverso immagini a fette, o slice. Queste slice vengono ottenute accendendo dei GRADIENTI DI CAMPO MAGNETICO

16 I gradienti sono generati per mezzo di apposite bobine, le quali agiscono sia sul piano xy, sia lungo l asse z. In questo modo i gradienti determinano delle variazioni sul valore del campo B, nell intervallo di tempo durante il quale essi vengono accesi. Una considerazione importante: Abbiamo visto che l imaging RM è ottenuto tramite l impiego di tre distinti agenti fisici: Il campo magnetico B 0 (campo statico) La radiazione RF (campi elettromagnetici variabili) I gradienti (campi magnetici lentamente variabili) E importante osservare che sono tutti agenti di rischio fisico! Come agiscono i gradienti? Immaginiamo, come esempio, di accendere un gradiente nella direzione z simultaneamente all impulso RF: avremo una unica posizione z 0 dove avverrà il fenomeno della risonanza magnetica (ω L = γ x B 0 ): solamente nel piano (x,y,z 0 ) sarà originato un impulso RM Impiego clinico delle RM Normalmente i sistemi RM sono differenziati in base al loro design. Vengono così distinti fra: Sistemi chiusi (a tunnel) Sistemi aperti Sistemi speciali (e settoriali) Il gradiente impiegato viene detto di SLICE SELECTION Analogamente si può intervenire sul piano xy perpendicolare a z, ed anche su piani obliqui z 0 B 0 ωl

17 Sistemi chiusi Il campo B è generato all interno di un tunnel (o BORE). Si tratta di sistemi WHOLE-BODY e permettono scansioni di tutti i distretti corporei. L asse z del campo B è allineato con l asse del tunnel, in direzione piedi-testa del paziente. VANTAGGI Si tratta di sistemi ad alto B Realizzano una alta omogeneità di campo Sistemi speciali (e settoriali) L impiego clinico prevalente è lo studio delle estremità e delle articolazioni I sistemi sono caratterizzati da bassi campi magnetici, limitati all area di applicazione. Esistono anche sistemi speciali di ricerca, ad alto campo e bore stretto ad es. per studi su animali. SVANTAGGI Il paziente viene posizionato all interno di un tunnel Possibili effetti di claustrofobia o di altri disagi Per eseguire procedure interventistiche occorre estrarre temporaneamente il lettino dal tunnel Sistemi aperti In questi sistemi l accesso del paziente è reso molto più agevole, allo scopo di ovviare ai problemi sperimentati con i sistemi chiusi. VANTAGGI Permettono scansioni WHOLE-BODY Le procedure interventistiche non richiedono la rimozione del lettino Permettono lo studio delle articolazioni SVANTAGGI Operano a campi B meno elevati L omogeneità di campo è inferiore Il tipo di magnete e l intensità di campo magnetico B influenzano fortemente le problematiche relative alla installazione ed al posizionamento delle apparecchiature. Occorre tenere presente che il campo magnetico non è confinato all interno della zona riservata al paziente, ma si estende in tutte le direzioni spazio (campo magnetico DISPERSO), rendendo necessario porre molta attenzione agli ambienti circostanti, alle persone che li frequentano ed alle attrezzature installate al loro interno. Anche l impiego della RF comporta la necessità di tenere in opportuna considerazione gli aspetti legati alla sicurezza. Normalmente si rende necessario realizzare adeguate schermature di contenimento per il campo magnetico e per la RF

18 Magneti permanenti e superconduttori E possibile distinguere i sistemi RM anche in base alla modalità con cui viene instaurato il campo magnetico statico B Esistono infatti: Andamento tipico delle linee di campo B per un sistema aperto da 0,4 T a magnete permanente. Campo B z ortogonale al lettino Particolare attenzione va prestata alla posizione della linea da 0,5 mt (5 Gauss) MAGNETI PERMANENTI con B = da 0,01 a 0,35 T MAGNETI SUPERCONDUTTORI con B da 0,5 a 3 T (o più ) (i magneti resistivi sono sempre meno utilizzati e realizzati) Magneti permanenti Sono costituiti da grossi blocchi di lega ferromagnetica (Neodimio-Ferro-Boro), con forma ad U (a ferro di cavallo) Andamento tipico delle linee di campo B per un sistema aperto da 0,3 T a magnete permanente I poli magnetici sono solitamente posti sopra e sotto al lettino: il campo B risulta quindi ortogonale al paziente. In altri sistemi (generalmente quelli settoriali), il campo B può anche essere diretto parallelamente al pavimento Posizionando i poli in prossimità del paziente, è possibile ottenere una alta uniformità di campo, a condizione di avere una alta stabilità della temperatura I costi di esercizio sono bassi Si realizzano campi 0,5 T

19 Magneti superconduttori In questi magneti il campo B è generato da una corrente indotta per superconduzione in un avvolgimento realizzato tipicamente in niobio/titanio ed annegato nel rame. Per i magneti superconduttori si evidenziano principalmente due aspetti problematici: La gestione dei criogeni (recupero dell elio, tubo di quench, rivelatore ossigeno, ventilazione d emergenza) E possibile raggiungere elevati valori di campo magnetico, anche > 7T Le proprietà superconduttive del materiale delle bobine si manifesta solo a temperature estremamente basse, pari a ~ 4 K Attualmente i sistemi più diffusi sono quelli a 1,5 T, ma sono sempre più utilizzati, nell ambito della ricerca clinica, magneti superconduttivi da 3 T La presenza di campi magnetici dispersi a distanze notevoli dall isocentro I vantaggi principali sono: Migliore qualità dell immagine a causa dell alto rapporto S/N Minori tempi di acquisizione dell immagine Minori tempi di esecuzione dell indagine Migliore risoluzione spaziale Possibilità di visualizzare processi a livello molecolare (imaging molecolare) Schema del sistema di raffreddamento Outer vacuum can Gestione dei criogeni e QUENCH L elio è il fluido criogenico che consente di raffreddare il magnete e di garantire quindi la superconduzione. Tipicamente 1200 litri di elio in fase liquida permettono di raffreddare un magnete da 1,5 tesla. Il problema di sicurezza principale è legato al fatto che l elio elemento tossico inodore e incolore - è liquido a -273 e bolle a - 270: un piccolo surriscaldamento del sistema è potenzialmente pericoloso perché potrebbe comportare un improvviso e violento passaggio dell elio dalla fase liquida a quella vapore, comportando una espansione adiabatica che porta ad aumentare il volume occupato dall elio di circa 760 volte. Al fine di evitare che tale fenomeno, associato peraltro a pressioni significative, comporti una evaporazione che possa anche solo parzialmente interessare la sala RM, i sistemi RM superconduttivi devono essere dotati di impianti per il convogliamento dell elio post-quench in atmosfera, ed in condizioni di sicurezza (tubo di quench). Main Magnet Coils Superconductor NbTi Helium container Liquid Helium at 4.2K Le cause generalmente più frequenti di sopravvenuto quench sono: Cause naturali: aumenti anche lievi della temperatura del criogeno; spegnimento controllato del magnete in occasione di particolari interventi di manutenzione o decommissioning Cause accidentali: terremoti, abbattimento forzato del campo magnetico a causa di un incidente (incendio, etc.) Delle caratteristiche del tubo di quench e dei dispositivi di sicurezza associati alla gestione dei fluidi criogenici si occuperà la prossima relazione.

20 Campo magnetico disperso (Stray field o Fringe field) Linee di campo B per un tipico impianto da3 T superconduttore Per ridurre l intensità del campo magnetico disperso, una prima soluzione è il ricorso a schermature passive con materiali ad alta permeabilità magnetica µ. In aggiunta a ciò, nei moderni sistemi RM, il campo disperso viene contenuto principalmente tramite la schermatura attiva (active shielding), realizzata con un contro-campo magnetico generato con avvolgimenti superconduttivi in direzione opposta a quella delle bobine che danno luogo al campo principale. Le bobine di schermatura attiva (in blu) sono poste in serie a quelle principali (in rosso), ma sono attraversate da una corrente in direzione opposta Linee di campo B per un tipico impianto da1,5 T superconduttore Linee di campo B per un sistema da 1,2 T superconduttivo aperto