Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Biomedica TESI DI LAUREA Valutazione sperimentale del riscaldamento indotto da risonanza magnetica su pacemaker di ultima generazione Relatore: Prof. ssa Micaela Liberti Laureanda: Giulia Gentili Correlatore: Ing. Eugenio Mattei ANNO ACCADEMICO 2011/2012 0
Introduzione L imaging mediante risonanza magnetica (Magnetic Resonance Imaging, MRI) è una tecnica per la generazione di immagini del corpo umano in alta definizione usata a scopi diagnostici e basata sul principio della risonanza magnetica nucleare (RMN). Tale tecnica si fonda sul concetto di precessione degli spin delle particelle atomiche dotate di momento magnetico quando esse vengono sottoposte ad un campo magnetico. A differenza delle tecniche radiologiche tradizionali o della Tomografia assiale computerizzata (TAC), l MRI non fa uso di radiazioni ionizzanti, potenzialmente dannose per il corpo umano. Essa dunque, anche per i motivi appena citati, è la tecnica maggiormente scelta per investigare diversi organi quali il cervello, la colonna vertebrale, e il cuore. Contemporaneamente allo sviluppo delle tecniche di MRI, si è verificata una crescita considerevole dei pazienti che beneficiano dei dispositivi cardiaci impiantabili, come i pacemaker o i defibrillatori. Tuttavia, per garantire la sicurezza del paziente, nella maggior parte dei paesi l eventuale presenza di dispositivi cardiaci impiantabili è stata da sempre considerata una forte controindicazione verso indagini di MRI. Sussiste quindi un forte interesse della comunità tecnica e scientifica per il problema della sicurezza dei pazienti con dispositivi impiantabili in ambiente MRI. Il fenomeno delle interazioni tra lo stimolatore cardiaco impiantabile e i campi elettromagnetici prodotti da un apparecchiatura per risonanza magnetica è piuttosto complesso. Tra le modalità di interazione, il riscaldamento indotto sulla punta (tip) degli elettrocateteri endocardici dal campo a radiofrequenza (RF) generato durante l esame MRI, è l aspetto su cui maggiormente si è focalizzata l attenzione della ricerca. Il campo RF, infatti, può accoppiarsi con i conduttori metallici che costituiscono, ad esempio, gli elettrocateteri dei pacemaker e indurre correnti elettriche che fluiscono dalla punta del catetere nei tessuti biologici circostanti, causando un incremento di temperatura locale, che può a sua volta originare necrosi tissutale o variazione dell impedenza di contatto tra elettrodo e tessuto. Ad oggi in letteratura sono presenti più di 150 lavori che hanno studiato in modo specifico il problema del riscaldamento indotto e che hanno evidenziato come il fenomeno sia particolarmente complesso. Esso, infatti, è influenzato da un gran numero di fattori, quali ad esempio la posizione dell impianto all interno del torace del paziente o l area da esso racchiusa, la lunghezza, la geometria e la struttura dell elettrocatetere. 5
Gli sforzi fatti dalla comunità scientifica hanno prodotto risultati tangibili, tanto che nel novembre del 2008 sono stati introdotti in commercio dei dispositivi cardiaci impiantabili compatibili con la risonanza magnetica. I pacemaker appartenenti a tale classe di prodotti, vengono denominati MR conditional, e consentono ad un paziente impiantato di essere sottoposto a risonanza magnetica in assenza di rischi, a patto che siano rispettate una serie di condizioni specificate dal fabbricante. Tali dispositivi hanno rappresentato un notevole passo in avanti in termini di compatibilità, superando alcuni degli ostacoli presenti sino a quel momento. Tuttavia, ancora ad oggi, alcuni problemi rimangono aperti. Una delle problematiche ancora aperte è rappresentata dalla presenza di un elettrocatetere abbandonato da un precedente impianto: infatti, quando, a causa della rottura o di un malfunzionamento, si presenta la necessità di sostituire il catetere endocardico, la sua rimozione rimane ancora ad oggi fortemente sconsigliata, dato l elevato rischio di lacerazione del tessuto miocardico. La prassi clinica adottata è quella di lasciare l elettrocatetere che deve essere sostituito abbandonato all interno del torace del paziente, dopo essere stato disconnesso dallo stimolatore. Quest ultimo viene spesso dotato, in corrispondenza della terminazione opposta al tip di un cappuccio di gomma isolante che ne impedisce il contatto con i tessuti biologici. Nonostante i rischi associati alla presenza dei cateteri abbandonati siano riconosciuti, ad oggi gli studi che hanno analizzato in modo sistematico le loro interazioni con il campo generato dai sistemi MRI sono ancora pochi. L importanza di approfondire questa tematica diviene ancora più evidente se si pensa che per gli impianti MR conditional oggi in commercio, la presenza di un elettrocatetere abbandonato fa cadere immediatamente la condizione di compatibilità con la risonanza magnetica, non garantendo più l assenza di rischi per il paziente. L obiettivo del seguente lavoro di tesi è stato proprio quello di valutare l effetto della presenza di un catetere abbandonato accanto ad un impianto MR conditional, in termini di riscaldamento indotto dal campo RF generato durante un esame MRI a 1.5 T (campo RF a 64 MHz). In particolare, sono state condotte misure sperimentali per indagare due aspetti fondamentali: 1) l effetto della configurazione di terminazione sul riscaldamento indotto sulla punta di un elettrocatetere abbandonato, per 4 elettrocateteri di diversa struttura e per diverse configurazioni di impianto; 6
2) l effetto che la presenza dell elettrocatetere abbandonato induce sul riscaldamento indotto sulla punta dell elettrocatetere di un impianto MR conditional, al variare delle condizioni di terminazione dell elettrocatetere abbandonato e per diverse configurazioni di impianto. In particolare, sulla base dei risultati presenti in letteratura e sulla base di quanto suggerito dallo standard americano ASTM F2182-11, riguardante la valutazione del riscaldamento indotto dal campo a radiofrequenza sui dispositivi medici impiantabili, sono stati messi a punto due set-up sperimentali per la valutazione del riscaldamento indotto: il primo che simula le condizioni di caso peggiore in termini di incremento di temperatura prodotto sui cateteri endocardici al campo RF, il secondo che invece rappresenta configurazioni realistiche di impianto. Entrambi i set di misure sono stati condotti utilizzando un simulatore di tronco, riempito con una soluzione salina con proprietà dielettriche equivalenti a quelle medie dei tessuti umani alla frequenza di interesse (64 MHz), all interno del quale sono stati collocati gli elettrocateteri. Lo scopo del primo set-up sperimentale era quello di caratterizzare il comportamento dell elettrocatetere MR conditional in presenza di un catetere abbandonato al variare dello stesso e delle sue condizioni di terminazione; lo scopo del secondo set-up, dati i più complessi meccanismi di accoppiamento rappresentati nella configurazione realistica di impianto, era quello di valutare il riscaldamento indotto sul tip del catetere MR conditional al variare della posizione assunta da quest ultimo all interno del simulatore di tronco, e al variare della tipologia, della posizione e della condizione di terminazione del catetere abbandonato. Per simulare l elettrocatetere abbandonato da affiancare all impianto MR conditional sono stati scelti quattro diversi elettrocateteri: 3 elettrocateteri convenzionali, scelti in base alla loro diversa attitudine al riscaldamento evidenziata da studi precedenti, ed 1 MR conditional, uguale a quello utilizzato per simulare l impianto. A partire dagli incrementi di temperatura sul tip di ciascun catetere endocardico, misurati per mezzo di sonde a fibra ottica prive di componenti metalliche, è stato possibile stimare i valori di potenza localmente assorbita (Specific Absorption Rate, SAR) dalla soluzione contenuta all interno del fantoccio. 7
Nel Capitolo 1 vengono descritti i principi fisici alla base della RMN, il principio di funzionamento del pacemaker e i fattori che caratterizzano pacemaker ed elettrocateteri, e le possibili interazioni tra lo stimolatore cardiaco e i campi prodotti dalla risonanza magnetica, con particolare riguardo al riscaldamento indotto sul tip dei cateteri endocardici. Nel Capitolo 2 vengono illustrati i lavori presenti nella letteratura scientifica inerenti il riscaldamento indotto sui cateteri endocardici, vengono descritte le caratteristiche dell impianto MR conditional e le problematiche da esso emergenti, quali la presenza del catetere abbandonato e il disallineamento tra la situazione normativa europea e quella italiana. Nel Capitolo 3 viene descritta la strumentazione per MRI con particolare riferimento alle bobine birdcage per la generazione del campo magnetico a RF, e vengono illustrati i set-up sperimentali implementati e i metodi di misura in essi adottati. Nel Capitolo 4, in conclusione, vengono illustrati i risultati prodotti dalle misure effettuate. 8
1. LA RISONANZA MAGNETICA NUCLEARE E IL PACEMAKER 1.1 INTRODUZIONE AL PROBLEMA DELLA COMPATIBILITÀ ELETTROMAGNETICA TRA IL PACEMAKER E LA RISONANZA MAGNETICA La Magnetic Resonance Imaging (MRI) è una tecnica di imaging non invasiva usata principalmente in applicazioni biomediche per produrre immagini del corpo umano in alta definizione; essa si basa sui principi della Risonanza Magnetica Nucleare (NMR), una metodologia spettroscopica di indagine sulla materia che gli scienziati utilizzano per ottenere informazioni chimiche e fisiche sulle molecole [1]. Essa si basa sull assorbimento e l emissione di energia elettromagnetica da parte dei nuclei degli atomi di idrogeno che costituiscono l oggetto sotto indagine nel range delle radiofrequenze e che, data l elevata presenza di acqua nei tessuti biologici, consentono di ottenere informazioni riguardanti la composizione del tessuto e il suo stato fisio-patologico. In particolare, tale tecnica, come sarà ampiamente descritto in seguito, si fonda sull uso opportunamente combinato di campi magnetici statici di intensità superiore a 1 Tesla (T), di campi magnetici a radiofrequenza di frequenza superiore a 60 MHz e di campi magnetici in bassa frequenza. La capacità di ricostruire immagini dei tessuti biologici umani in 3 dimensioni e con un elevata risoluzione, senza dover ricorrere a radiazioni ionizzanti, ha fatto si che la risonanza magnetica divenisse nel tempo una tra le tecniche più diffuse in ambito clinico quale mezzo di diagnosi per numerose forme di patologia. In particolare, il segnale ottenuto dalla risonanza magnetica consente l estrapolazione di una grande quantità di informazioni riguardanti i tessuti biologici, quali la composizione e la morfologia. Inoltre, data la capacità di discriminare tessuti molli senza mezzo di contrasto e, data di conseguenza, l impossibilità per talune esigenze diagnostiche di ricorrere a tecniche di imaging altrettanto efficaci, l impiego di tale tecnica è divenuto sempre più ampio al punto da essere utilizzata come mezzo di monitoraggio in tempo reale nel corso di interventi invasivi, e da consentire, grazie all introduzione dell imaging funzionale, la valutazione della funzionalità di un organo o di un apparato. Si capisce pertanto come il numero degli esami di risonanza magnetica eseguiti ogni anno sia 9
andato sensibilmente crescendo negli ultimi anni [2-4]. Come si osserva dalle Figure 1.1 e 1.2, parallelamente all incremento del numero di esami MRI eseguiti nel mondo, è andato crescendo anche il numero di pazienti che beneficiano della presenza di un dispositivo impiantabile, quale il pacemaker (PM) [5]. Nel 2009 sono stati eseguiti nel mondo più di 600.000 impianti di pacemaker, di cui 60.000 solo in Italia. Figura 1.1: Numero di impianti di PM eseguiti ogni anno in Europa fino al 2010 [5]. Figura 1.2: Numero complessivo di esami di MRI eseguiti negli USA, in strutture ospedaliere e non, nel periodo 1995-2007 [fonte: http://www.medtronic.com/mrisurescanus/mri_pacemakers_trends.html]. 10
Tuttavia, l eventuale presenza di pacemaker o defibrillatore impiantabile, nella maggior parte dei paesi occidentali, compresa l Italia, è attualmente considerata una forte controindicazione verso trattamenti di MRI, a causa delle interazioni tra i campi magnetici utilizzati all interno dello scanner per risonanza magnetica e gli stimolatori cardiaci, in particolare per la presenza di componenti metalliche/conduttive all interno di questi ultimi. In conseguenza di ciò, a parte della popolazione viene preclusa la possibilità di usufruire dei notevoli vantaggi che questa modalità di imaging comporta. Il numero crescente di pazienti portatori di stimolatori elettrici impiantabili e il continuo sviluppo delle tecniche di MRI, però, hanno contribuito sempre più alla ricerca di una soluzione che permettesse di utilizzare questa metodologia di imaging anche su portatori di pacemaker o di ICD. La Figura 1.3, mostra chiaramente l abbondanza di studi prodotti nell ambito della letteratura scientifica per quanto riguarda la valutazione delle interazioni tra la RM e il dispositivo impiantabile, e come tale numero sia andato sensibilmente crescendo negli anni. Essa è stata ottenuta dall analisi delle pubblicazioni presenti nel database PubMed inserendo le parole chiave pacemaker e risonanza magnetica, ed eliminando i lavori non inerenti la compatibilità tra questi ultimi. Figura 1.3: Numero delle pubblicazioni scientifiche riguardanti risonanza magnetica e pacemaker. 11
Nel tempo pertanto, sia la letteratura scientifica che le case produttrici, hanno studiato e approfondito l argomento, cercando di chiarire da un lato, quali fossero gli aspetti tecnologici e strutturali su cui agire per rendere il dispositivo impiantabile compatibile con la risonanza magnetica, dall altro quali fossero le condizioni sotto le quali un paziente impiantato potesse effettuare una RMN. Nella letteratura internazionale sono stati riportati 13 episodi di morte occorsa a pazienti durante un indagine con MRI; di questi, 11 casi sono relativi a portatori di stimolatori elettrici impiantabili. Esistono, tuttavia, diverse pubblicazioni che testimoniano casi di pazienti, muniti di pacemaker o di defibrillatore impiantabile (ICD, Implantable Cardioverter Defibrillator), sottoposti a trattamenti di MRI senza alcuna evidente complicazione [6,7]. In realtà, solo a partire dal 2008 le aziende leader nel settore della produzione e della commercializzazione di dispositivi cardiaci impiantabili, hanno introdotto nel mercato una prima generazione di impianti compatibili con la risonanza magnetica sotto stringenti e precise condizioni. Queste ultime, che verranno dettagliatamente illustrate in seguito, riguardavano le intensità dei campi elettromagnetici utilizzati nell indagine, la modalità in cui doveva essere utilizzato l apparecchio MRI ed infine la zona anatomica investigabile. In particolare, per i primi impianti commercializzati, quest ultima condizione sanciva il torace come zona di esclusione. Successivamente però l introduzione degli impianti di seconda generazione ha consentito la superazione di tale limite, garantendo ai pazienti impiantati la possibilità di effettuare esami MRI su tutto il corpo. 12
1.2 I PRINCIPI FISICI DELLA RISONANZA MAGNETICA Il fenomeno della risonanza magnetica nucleare fu scoperto nel 1946 da Felix Bloch ed Edward Purcell, i quali ricevettero il Premio Nobel per la fisica nel 1952; essi mostrarono come particolari atomi, quando sottoposti all azione di un campo magnetico statico, potessero disporsi in due configurazioni energetiche: uno stato ad alta energia e uno stato a bassa energia. Si dimostrò inoltre, che la differenza tra queste due configurazioni energetiche risulta essere direttamente proporzionale all intensità di campo magnetico applicato (effetto Zeeman). In condizioni di equilibrio il numero di nuclei presenti nello stato a bassa energia è di poco superiore a quello dei nuclei che si trovano nello stato ad alta energia. Il passaggio da un livello energetico all altro può avvenire in due modi: Un nucleo che si trova nel livello energetico più basso assorbe un fotone avente energia pari al salto energetico tra i due livelli e quindi passa al livello energetico più alto. Un nucleo che si trova nel livello energetico più alto, emette un fotone dotato di energia pari al salto energetico e quindi passa al livello più basso. Da quanto detto si può dedurre che quando gli atomi sono immersi in un campo magnetico e vengono irradiati con fotoni aventi energia opportuna, ovvero un campo elettromagnetico ad una frequenza specifica prodotta da un generatore a radiofrequenza, parte dei nuclei presenti nel livello energetico più basso assorbono fotoni e passano al livello energetico più alto. Immediatamente dopo l eccitazione, gli atomi che avevano compiuto la transizione dal livello più basso a quello più alto tendono a ristabilire la condizione di equilibrio tornando al livello energetico basso attraverso l emissione di fotoni, ovvero di un campo elettromagnetico che può essere rilevato con una bobina a radiofrequenza. La frequenza del segnale elettromagnetico emesso è funzione della differenza energetica tra le due configurazioni che l atomo può assumere e il decadimento nel tempo del segnale stesso dipende dalle caratteristiche della molecola cui l atomo appartiene, quindi la risposta ottenuta dalla bobina a radiofrequenza contiene le informazioni utili per discriminare la natura del nucleo e dell ambiente circostante. 13
Tra il 1950 e il 1970 la risonanza magnetica nucleare venne utilizzata primariamente nell analisi della chimica molecolare e della struttura dei materiali. Nel 1971 Damadian descrisse come tumori e tessuti sani fornissero risposte differenti all analisi RMN, quindi avanzò l ipotesi che le tecniche di risonanza magnetica potessero essere utilizzate per scopi diagnostici al fine di rilevare tumori maligni nel corpo umano. In seguito Paul Lauterbur, stimolato dalle ricerche di Damadian, sviluppò un metodo per generare le prime immagini in due e in tre dimensioni usando i gradienti, e Peter Mansfield dell Università di Nottingham formulò un metodo matematico che avrebbe permesso di effettuare la scansione dell oggetto sotto indagine in pochi secondi, piuttosto che in alcune ore. Il principio che si pone alla base dell utilizzo della NMR come tecnica di imaging è il seguente: dal momento che la differenza tra le due configurazioni energetiche ammesse per particolari atomi immersi in un campo magnetico esterno è funzione dell intensità del campo stesso, è possibile variare questa energia per ogni punto dell oggetto che deve essere ricostruito variando proprio l intensità del campo punto per punto. Dunque anche l energia dei fotoni, ovvero la frequenza del campo elettromagnetico emesso od assorbito dagli atomi risulta differente punto per punto [8]. Un analisi in frequenza dei segnali emessi dai vari atomi che compongono l oggetto di interesse permette quindi di ottenere informazioni sulla disposizione spaziale degli atomi stessi. Ad oggi gli sviluppi tecnologici nel campo dei magneti superconduttori hanno reso possibile ottenere un rapporto segnale rumore, signal to noise ratio (SNR), e una risoluzione dell immagine più alti rispetto ai magneti resistivi o permanenti utilizzati nel passato. L SNR, in particolare, risulta direttamente proporzionale all intensità del campo statico B 0, pertanto può essere migliorato utilizzando delle bobine capaci di erogare un campo di intensità maggiore. Le potenze di calcolo che sono attualmente disponibili consentono di produrre ricostruzioni in tre dimensioni dell immagine con tempi di acquisizione notevolmente ridotti e, inoltre utilizzando sequenze RF complesse si possono controllare gli artefatti dell immagine ovvero le distorsioni causate ad esempio da movimento. 14