DESARROLLO DE ANTENAS DE RM DEDICADAS · El coste de sistemas completos es muy superior al de las...

DESARROLLO DE ANTENAS DE

RM DEDICADASManuel J. Freire

Catedrático de Electromagnetismo

Dpto. de Electrónica y Electromagnetismo

Facultad de Física

Universidad de Sevilla

XI CONGRESO NACIONAL SEEIC 2019 - SEVILLA

Fundamentos de RM

• RM y TAC son técnicas tomográficas de similar resolución.

• A diferencia del TAC, la RM hace uso de radiación no ionizante (radiofrecuencia de 20 a 300 MHz en imagen para humanos).

• La RM hace uso también de campos estáticos muy intensos (0.5 a 7 T mediante imanes superconductores, hasta 1T mediante imanes permanentes).

RM TAC

RM RM


Elementos de un escáner de RM

• Consola

• Gantry:

• Imán

• Bobinas de gradiente

• Bobina transmisora/receptora de RF o body coil

• Amplificadores de RF

• Antenas, bobinas o coils de RF (¿término apropiado?). Ejemplos:

Paciente

Imán

Bobina de gradiente en X

Bobina de gradiente en Z

Transmisor RF o body coil

Bobina de gradiente en Y

Cráneo Rodilla Abdomen Mama


Fundamentos de RM: SNR de antenas

SNReje

Coil 3” diámetro

Coil 5” diámetro

• La figura de mérito en la imagen es la relación señalruido o SNR (signal-to-noise ratio).


Coil 3” diámetro

Fundamentos de RM: arrays de antenas• Un array de elementos pequeños proporciona mayor SNR que un

único elemento de igual área que el array (Roemer, 1990).


Fundamentos de RM: arrays de antenas• Un array de elementos pequeños proporciona mayor SNR que un

único elemento de igual área que el array (Roemer, 1990). Esta regla

se cumple en tanto el tejido es la fuente de ruido dominante.

• Número de vueltas óptimo en un elemento: >1 sólo si domina el ruido

de la bobina (NMR).


Tendencias en la técnica• El SNR es proporcional al

valor de B0 (por ejemplo a 3T

es el doble que a 1.5T).

• La tendencia en la industria ha

ido encaminada a producir

sistemas de campo B0 cada

vez más alto (la UE aprobó

recientemente el uso clínico de

sistemas de 7T para imagen de

cráneo).


• Opciones para el usuario: ¿Ir a un sistema de campo más alto? ¿Adquirir nuevas

antenas? El coste de sistemas completos es muy superior al de las antenas, pero el

conjunto de antenas diferentes que proveen los fabricantes aunque variado es

limitado.Sistema Coste

1.5 T 1 M€

3 T 2 M€

7 T 8 M€

Antenas Coste

---- 20 a 60 k€

• El SNR también es función de la geometría de las antenas.

Tendencias en la técnica

• A veces el usuario no dispone de todas las antenas y utiliza aquellas de que dispone

aunque no estén dedicadas para el uso que se le quiere dar. Ejemplo: antenas flexibles

para torso empleadas para obtener imagen de cráneo (factor de llenado del volumen

poco eficiente y por tanto SNR poco óptimo).

• En otras ocasiones las necesidades del usuario no son satisfechas por ninguna

antena comercial. Ejemplo: requerimiento de antena de cráneo orientable en HNPT

(veremos en detalle más adelante).

• Para ensayos clínicos muy específicos sería deseable poder disponer de antenas

dedicadas que pueden no estar disponibles en el mercado: esta necesidad

puede ser satisfecha por grupos de investigación.


Ejemplos de desarrollos en

el Grupo de Microondas de

la Universidad de Sevilla


Antena de orbitas oculares flexibleManuel Freire 1, Marcos A. López1, MarkusDüring2, Carlos Caparrós3, Ricardo Marqués,1

1 Universidad de Sevilla 2 NorasMRI Products 3 Hospital Universitario Virgen Macarena


• El Hospital Universitario Virgen Macarena de

Sevilla (HUVM) es un referente en

retinoblastoma.

• Hacían sus estudios de RM mediante head

coil + double loop coil para 1.5T

• En el marco de una colaboración el HUVM

se diseñó un array de 4 canales.

• El objetivo era optimizar el SNR a una profundidad

de unos 60 mm.

• Cada elemento del array posee dimensiones de 8.5

cm x 6.5 cm.




• El diseño preliminar

consistía en una

estructura rígida.

• Se ensayó con éxito.

• Con posterioridad al ensayo el radiólogo

del equipo sugirió un diseño flexible para

mejorar el confort del paciente.

• Es un ejemplo claro de la necesidad de

interdisciplinaridad en el equipo de

trabajo.


Detección con el array flexible de un pequeño tumor (≈1 mm) no detectado con el sistema convencional en un paciente voluntario.

• Comparación entre el array flexible diseñado y

configuración head coil + double loop array*

TR=3000ms, TE=56 ms, matrix 384x384, FOV 160x160 mm, slice 3mm

NEX=4

NEX=3, R=2

Antena de orbitas oculares flexibleManuel Freire 1, Marcos A. López1, Markus Düring2, Carlos Caparrós3, Ricardo Marqués,1


* Freire et al, Proceedings of the ESMRMB, Lisboa, 2012

• Posteriormente se modificó el diseño integrando los

preamplificadores en la máscara




Antena de orbitas oculares flexibleManuel Freire 1, Marcos A. López1, Markus Düring2, Carlos Caparrós3, Ricardo Marqués,1

1 Universidad de Sevilla 2 Noras MRI Products 3 Hospital Universitario Virgen Macarena


Diario Médico

Antena de cráneo orientable de alta resolución Manuel Freire 1, Alberto Cantón2, Jesús Tornero2,3

1 Universidad de Sevilla 2 Biosensores 3 Hospital Los Madroños

• El Hospital Nacional de Parapléjicos de Toledo (HNPT)

lleva a cabo una investigación en torno al esguince

cervical con una RM de 3T.

• Pacientes cifóticos severos con movilidad craneal

reducida.

• Disponían de una antena de cráneo de 12 canales.


Detalles diseño mecánico antena 32 canales orientable

• Se diseñó una antena de cráneo

orientable de 32 canales para 3T

adaptada a los pacientes del HNPT

• Posibilidad de giro alrededor de dos

ejes: 10º izquierda-derecha, elevación

hasta 30º.

Antena de 12 canales




1. Diseño 2. Fabricación 3. Sintonización 4. Montaje

Entregada al HNPT

Secuencia espín-eco con GRAPPA R=4

Antena Orientable 32 canalesU. Sevilla-Biosensores


• Ensayo de verificación: SNR

Antena 12 canales




Antena Orientable 32 canalesU. Sevilla-Biosensores

• Ensayo de verificación: Espectroscopía

Antena 12 canales






Diario Médico


Innovación en el desarrollo de antenas en

el Grupo de Microondas de la Universidad

de Sevilla: Metamateriales para RM

Los Metamateriales son estructuras periódicas que se fabrican a partir de materiales

convencionales (metales y dieléctricos) pero que muestran debido a su peculiar estructura

propiedades electromagnéticas (permitividad e<0 y permeabilidad m<0, negativas

simultáneamente) u ópticas (índice de refracción n<0) no presentes en medios naturales

Tienen propiedades de medio efectivo ya que el elemento que se repite es

más pequeño que la longitud de onda de la radiación electromagnética.

Metamateriales


e<0 y m<0: refracción negativa (n<0)

Propiedades de los metamateriales

Aire n=1

Aire n=1

n<0


Invisibilidad (“cloaking”)

Una capa de metamaterial podría desviar la luz, haciendo “invisible” un objeto


“Cloaking” a frecuencias ópticas


“Cloaking” a frecuencias de microndas


• El principal inconveniente de los Metamateriales es que al estar basadas en elementos resonantes, su ancho de banda es muy estrecho.

• Esto puede representar un serio problema en aplicaciones donde se requiere un gran ancho de banda, tales como la invisibilidad, donde sería necesario que el dispositivo funcionara a varias longitudes de onda.

• Sin embargo no representa ningún problema en RMdonde las imágenes se obtienen a partir de señales de radiofrecuencia en el rango de los MHz y con anchos de banda muy estrechos (decenas de KHz).

Aplicación de los metamateriales en RM


• Lentes con m=-1: aumentan el rango de sensibilidad de las bobinas

de RM.

Metamateriales – Aplicaciones en RM


*Freire et al, Journal of Magnetic Resonance, 203, 2010

*Freire et al, Applied Physics Letters, 93, 2008

• Lentes con m=-1: aumentan el

rango de sensibilidad de las

bobinas de RM.



*Freire et al, Journal of Magnetic Resonance, 203, 2010



• Medios con m=0 para incrementolocal del SNR.

o Presentan m=0 para el campo de RF(débil) generado en el tejido y almismo tiempo m=1 para el campo deexcitación (intenso) del body coil. Elloes posible gracias al uso de elementosactivos (diodos) en los resonadores.

Bobina de RF

Metamaterial m=0

Bobina de RF

Líneas de campo B1

Rodilla



Aplicación de lentes con m=-1 en parallel imaging


• Las lentes aumentan el SNR en superficie (hasta 3 cm) y focalizan el campo aumentando así la localización del FOV. Esto reduce la correlación de ruido y suprime el artefacto residual en imágenes aceleradas.

Imágenes aceleradas con GRAPPA R=2

Sin metamaterial Con metamaterial

*Freire et al, IEEE Transactions on Medical Imaging, 34, 2015

Aplicación de lentes con m=-1 en parallel imaging


• Reducción del factor g.

*Freire et al, IEEE Transactions on Medical Imaging, 34, 2015

Gracias por su atención


Antenas desechables para imagen de pielManuel Freire 1, Alberto Cantón2, Javier Castilla2, Jesús Tornero2,3,4

1 Universidad de Sevilla 2 Biosensores 3 Hospital Los Madroños 4 Universidad Alfonso X El Sabio

• Proyecto “Diseño y desarrollo de un prototipo de antena

de RM específica para imagen de piel” IX Convocatoria

Proyectos de Investigación Santander-Universidad

Alfonso X El Sabio





• El Melanoma es un carcinoma de piel muy invasivo por su

capacidad de metástasis

• Criterio quirúrgico: resección antes de alcanzar grosor ~ 1mm

• OMS: 48000 muertes/año (Lucas et al. 2006).

• España: en 2016 se detectaron 4000 casos melanoma y 600

muertes (Fuente AEDV-Academia Española de Dermatología y

Venereología)




Diagnóstico por imagen:

• Experiencia del dermatólogo, dermatoscopío

• Tomografía por coherencia óptica (OCT) y ecografía de piel (>20

MHz): no disponible en todos lo centros

~1 mm ~12 mm@25 MHz

OCT ECO

Cirugía:

• Biopsia es el gold standard diagnóstico prequirúrgico




Objetivos:

• Sustituir biopsia por estudio RM como procedimiento

prequirúrgico. La RM es un gold standard en imagen con

una gran base implantada. El coste es reducido ya que sólo

habría que añadir una nueva antena eficiente.

• Aportar información vascularización del melanoma con

contraste intravenoso (CIV): reconstrucción 3-D

• Posibilidad de caracterización de otras patologías de piel:

otros tumores cutáneos, nevus, etc.

• ¿Por qué desechable? Se pretende aplicar la antena como

un pequeño apósito directamente sobre la piel para no

perder sensibilidad a través del grosor del tejido. La piel

podría presentar ca. o no, de ahí el carácter desechable.



• Diseño previo: Antena de un canal de 1”



• Proyecto de imagen de RM de

dermis U. Alfonso X El Sabio-

Hospital Los Madroños

• Array de 7 canales de alta resolución de

1” (en fase de simulación)

II Jornadas RSEF/IFIMED 14-15 Junio 2018

Antenas desechables para imagen de pielManuel Freire 1, Alberto Cantón2, Javier Castilla2, Jesús Tornero2,3.4



• Estenosis carotídea asintomática: estrechamiento de la

carótida por formación de placa ateromatosa (grasa,

calcio, fibrina, desechos celulares, colesterol)

• Ictus isquémico: obstrucción de una o varias arterias de

menor calibre al desprenderse la placa ateromatosa

• Muerte neuronal por falta riego sanguíneo

Antenas para imagen de troncos supraaórticosManuel Freire 1, Alberto Cantón2, Javier Castilla2, Jesús Tornero2,3



Estenosis carotídea asintomática. Criterio quirúrgico:

• Presente: criterio quirúrgico para tratamiento endovascular

actual: % de estenosis carotídea

• Futuro: estenosis+caracterización placa de ateroma

Antenas para imagen de troncos supraaórticosManuel Freire 1, Alberto Cantón2, Javier Castilla2, Jesús Tornero2,3


Criterio diagnótico:

• Presente: Ecografía y eco-

Doppler TSA

• Futuro: RM alta resolución

como modalidad

complementaria

Ecografía placa ateromatosa hiperecogénica con alto componente cálcico. Fortuño et a. Radiologia (2006)

• Objetivo: proyecto de array dedicado de alta densidad de elementos para

imagen de troncos supraaórticos.

Antena de 1.5 T para imagen de troncos supraaórticos


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