Misure meccaniche tramite immagini ottenute in risonanza magnetica nucleare

Abstract

Il progetto di tesi di dottorato ha visto lo studio approfondito dei sistemi a Risonanza Magnetica. Tale studio è stato eseguito su più livelli, in modo da avere una conoscenza completa del sistema. In un primo momento sono stati approfonditi i principi fisici che sono alla base del funzionamento di tale sistema e si è analizzato il processo con il quale si viene a formare l’immagine passo dopo passo. Successivamente sono state analizzate ed approfondite le varie parti che compongono il sistema a risonanza magnetica responsabili della generazione del segnale, della sua ricezione, della sua manipolazione, elaborazione, produzione dell’immagine e rappresentazione della stessa. Infine sono state studiate le sequenze con le quali si ottiene un’immagine in Risonanza Magnetica, ponendo l’accento sulle differenze risultanti dall’immagine e sulle differenze sulla generazione del segnale che è alla base dell’immagine. La parte sperimentale ha invece visto un’analisi teorica preliminare che si poneva l’obiettivo di quantificare la visibilità della paraffina rispetto alla visibilità dell’acqua (materiale attualmente impiegato come riferimento per i quality test sia in fase di collaudo che di successiva manutenzione). Tale analisi è stata condotta sia su una paraffina di tipo commerciale, sia su due paraffine altamente raffinate che prendono il nome di Eicosane e Pentacosane. Successivamente è stato progettato un supporto meccanico, necessario per effettuare delle indagini sperimentali necessarie a verificare l’effettiva visibilità della paraffina sottoposta ad una scansione in Risonanza Magnetica. Il supporto meccanico consta di un case in perspex trasparente nel quale possono essere alloggiate un totale di sedici pipette in duran di quattro diversi diametri, sterilizzabili e riutilizzabili. Il case è stato progettato in modo da garantire il parallelismo tra le diverse pipette (ancorandole in due punti), e la stabilità alle piccole vibrazioni. Entrambi i materiali sono stati scelti perché trasparenti, resistenti e RM compatibili. Quindi, sono state svolte le prime indagini preliminari che hanno riportato risultati incoraggianti, utilizzando un protocollo di prove ridotto a sette test che impiegava sequenze Spin Echo pesate in T1, T2 e densità protonica. Sono state condotte analisi sul rumore di fondo, utilizzando due slices che non avevano alcun contributo informativo, e su parametri caratteristici dell’immagine, quali contrasto, rapporto segnale rumore e rapporto di visibilità paraffina/acqua. I risultati delle indagini preliminari si sono mostrati soddisfacenti nonostante la paraffina non risultasse visibile nelle sequenze T1 pesate. Per tale ragione i campioni di paraffina sono stati ripreparati, sottoponendoli a successivi trattamenti termici in modo da scongiurare la formazioni di bolle d’aria in fase di solidificazione della cera di paraffina, che ne avrebbe potuto pregiudicare la visibilità. Con i nuovi campioni sono quindi stati ripetuti i precedenti sette test e sono stati confrontati i risultati, ottenendo dei miglioramenti in tutti i casi esaminati e la visibilità anche nelle immagini T1 pesate. Infine è stato sviluppato e validato un protocollo sperimentale più ampio. Tale protocollo consta di quindici test e impiega sequenze Spin Echo e Gradient Echo, pesate in T1, T2 e densità protonica. La validazione sperimentale del protocollo esteso è stata eseguita su due diversi sistemi RMN, ma solo uno ha prodotto le immagini desiderate. Il protocollo generale, ha permesso di confrontare sequenze di più breve durata e di impiegare un numero di NEX pari a due in alcune delle stesse, in modo da abbattere il rumore e massimizzare la visibilità dei target. Una validazione sperimentale su diversi sistemi è di sicuro interesse futuro.

This doctoral thesis draft has seen a depth study of Magnetic Resonance systems. This study was performed on several levels, in order to have a complete knowledge of the system. In a first moment it was investigated the physical principles of this system, and it was also analyzed the process which forms the image step by step. Subsequently were analyzed and thorough the various parts that make up the system responsible for the magnetic resonance signal generation, of its reception, of its handling, processing, production of the image and its representation. Finally sequences that made an image in MRI were studied, with an emphasis on the practical differences and results from the image by the signal generation which is the basis of the image. The experimental part has instead seen preliminary theoretical analysis in order to quantify the visibility of paraffin respect to the visibility of water (currently material used as a reference for quality test both in a phase of initial test and maintenance). This analysis was carried out both on a commercial paraffin wax, and of two highly refined paraffins known as Eicosane and Pentacosane. Afterwards it was designed a mechanical support, necessary for carrying out the experimental investigations necessary to verify the effective visibility of the paraffin scanned in magnetic resonance imaging. The mechanical support consists of a transparent perspex case in which may be housed a total of sixteen duran pipettes of four different diameters, sterilizable and reusable. The case is designed to ensure the parallelism between the different pipettes (anchoring them in two points), and the stability to small vibrations. Both materials were chosen because transparent, resistant and MRI compatible. The first preliminary investigations that have reported encouraging results using a test protocol reduced to seven tests employing spin echo T1-weighted, T2 and proton density sequences. Test analysis were conducted on the background noise, using two slices that had no informative contribution, and on image parameters, such as contrast, signal to noise ratio and paraffin / water visibility. The results of preliminary investigations have been satisfactory despite the paraffin specimens are not visible in T1-weighted sequences. For this reason the paraffin samples were prepared again, subjecting them to successive heat treatments to avoid the formation of air bubbles during solidification of the paraffin wax, which could impair visibility. Other experimental trials were performed using the new specimens, achieving improvements in all cases and visibility even in T1-weighted images, repeating the previous seven tests and comparing results. Finally it was developed and validated a wider experimental protocol. This protocol consists of fifteen tests and employs spin echo and gradient echo sequences, T1-, T2 and proton density weighted. The experimental validation of the extended protocol was performed on two different MRI systems, but only one has produced the desired images. The general protocol, allowed us to compare sequences of shorter duration and to employ a NEX number equal to two in some of the same, in order to reduce the noise and maximize the visibility of the target. An experimental validation of different systems is a secure future interest.