DESARROLLO DE ANTENAS DE RM DEDICADAS - Manuel J. Freire Catedrático de Electromagnetismo - SEEIC2019
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XI CONGRESO NACIONAL SEEIC 2019 - SEVILLA DESARROLLO DE ANTENAS DE RM DEDICADAS Manuel 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 TAC
• 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 RM RM
campos estáticos muy
intensos (0.5 a 7 T mediante
imanes superconductores,
hasta 1T mediante imanes
permanentes).
XI CONGRESO NACIONAL SEEIC 2019 - SEVILLA
Elementos de un escáner de RM
Bobina de gradiente en Z
Transmisor RF o body coil
• Consola
Bobina de gradiente en X
• Gantry:
Imán
• Imán Paciente
• Bobinas de gradiente Bobina de gradiente en Y
• Bobina transmisora/receptora de RF o body coil
• Amplificadores de RF
• Antenas, bobinas o coils de RF (¿término apropiado?). Ejemplos:
Cráneo Rodilla Abdomen Mama
XI CONGRESO NACIONAL SEEIC 2019 - SEVILLA
Fundamentos de RM: SNR de antenas
• La figura de mérito en la imagen es la relación señal
ruido o SNR (signal-to-noise ratio).
SNReje
Coil 3” diámetro
Coil 5” diámetro
XI CONGRESO NACIONAL SEEIC 2019 - SEVILLA
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).
XI CONGRESO NACIONAL SEEIC 2019 - SEVILLA
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).
XI CONGRESO NACIONAL SEEIC 2019 - SEVILLA
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).
• El SNR también es función de la geometría de las antenas.
• 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
Antenas Coste
1.5 T 1 M€
---- 20 a 60 k€
3T 2 M€
7T 8 M€
XI CONGRESO NACIONAL SEEIC 2019 - SEVILLA 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.
XI CONGRESO NACIONAL SEEIC 2019 - SEVILLA Ejemplos de desarrollos en el Grupo de Microondas de la Universidad de Sevilla
XI CONGRESO NACIONAL SEEIC 2019 - SEVILLA
Antena de orbitas oculares flexible
Manuel Freire 1, Marcos A. López1, Markus Düring 2, Carlos Caparrós 3, Ricardo Marqués,1
1 Universidad de Sevilla 2 Noras MRI 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.XI CONGRESO NACIONAL SEEIC 2019 - SEVILLA
Antena de orbitas oculares flexible
Manuel Freire 1, Marcos A. López1, Markus Düring 2, Carlos Caparrós 3, Ricardo Marqués,1
1 Universidad de Sevilla 2 Noras MRI Products 3 Hospital Universitario Virgen Macarena
• 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.XI CONGRESO NACIONAL SEEIC 2019 - SEVILLA
Antena de orbitas oculares flexible
Manuel Freire 1, Marcos A. López1, Markus Düring 2, Carlos Caparrós 3, Ricardo Marqués,1
1 Universidad de Sevilla 2 Noras MRI Products 3 Hospital Universitario Virgen Macarena
• 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
Detección con el array flexible de un
pequeño tumor (≈1 mm) no detectado
NEX=4
con el sistema convencional en un
paciente voluntario.
NEX=3, R=2
* Freire et al, Proceedings of the ESMRMB, Lisboa, 2012XI CONGRESO NACIONAL SEEIC 2019 - SEVILLA
Antena de orbitas oculares flexible
Manuel Freire 1, Marcos A. López1, Markus Düring 2, Carlos Caparrós 3, Ricardo Marqués,1
1 Universidad de Sevilla 2 Noras MRI Products 3 Hospital Universitario Virgen Macarena
• Posteriormente se modificó el diseño integrando los
preamplificadores en la máscaraXI CONGRESO NACIONAL SEEIC 2019 - SEVILLA
Antena de orbitas oculares flexible
Manuel Freire 1, Marcos A. López1, Markus Düring 2, Carlos Caparrós 3, Ricardo Marqués,1
1 Universidad de Sevilla 2 Noras MRI Products 3 Hospital Universitario Virgen Macarena
Diario MédicoXI CONGRESO NACIONAL SEEIC 2019 - SEVILLA
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. Antena de 12 canales
• 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.
Detalles diseño mecánico antena 32 canales orientableXI CONGRESO NACIONAL SEEIC 2019 - SEVILLA
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
1. Diseño 2. Fabricación 3. Sintonización 4. Montaje
Entregada al HNPTXI CONGRESO NACIONAL SEEIC 2019 - SEVILLA
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
• Ensayo de verificación: SNR
Antena Orientable 32 canales
Antena 12 canales U. Sevilla-Biosensores
Secuencia espín-eco con GRAPPA R=4XI CONGRESO NACIONAL SEEIC 2019 - SEVILLA
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
• Ensayo de verificación: Espectroscopía
Antena Orientable 32 canales
Antena 12 canales
U. Sevilla-BiosensoresXI CONGRESO NACIONAL SEEIC 2019 - SEVILLA
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
Diario MédicoXI CONGRESO NACIONAL SEEIC 2019 - SEVILLA Innovación en el desarrollo de antenas en el Grupo de Microondas de la Universidad de Sevilla: Metamateriales para RM
XI CONGRESO NACIONAL SEEIC 2019 - SEVILLA
Metamateriales
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 eXI CONGRESO NACIONAL SEEIC 2019 - SEVILLA Propiedades de los metamateriales e
XI CONGRESO NACIONAL SEEIC 2019 - SEVILLA Invisibilidad (“cloaking”) Una capa de metamaterial podría desviar la luz, haciendo “invisible” un objeto
XI CONGRESO NACIONAL SEEIC 2019 - SEVILLA “Cloaking” a frecuencias ópticas
XI CONGRESO NACIONAL SEEIC 2019 - SEVILLA “Cloaking” a frecuencias de microndas
XI CONGRESO NACIONAL SEEIC 2019 - SEVILLA Aplicación de los metamateriales en RM • 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 RM donde 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).
XI CONGRESO NACIONAL SEEIC 2019 - SEVILLA Metamateriales – Aplicaciones en RM • Lentes con m=-1: aumentan el rango de sensibilidad de las bobinas de RM. *Freire et al, Applied Physics Letters, 93, 2008 *Freire et al, Journal of Magnetic Resonance, 203, 2010
XI CONGRESO NACIONAL SEEIC 2019 - SEVILLA Metamateriales – Aplicaciones en RM • Lentes con m=-1: aumentan el rango de sensibilidad de las bobinas de RM. *Freire et al, Applied Physics Letters, 93, 2008 *Freire et al, Journal of Magnetic Resonance, 203, 2010
XI CONGRESO NACIONAL SEEIC 2019 - SEVILLA
Metamateriales – Aplicaciones en RM
• Medios con m=0 para incremento
local del SNR.
o Presentan m=0 para el campo de RF
(débil) generado en el tejido y al
mismo tiempo m=1 para el campo de
excitación (intenso) del body coil. Ello
es posible gracias al uso de elementos
activos (diodos) en los resonadores.
Bobina de RF
Bobina de RF Líneas de
campo B1
Rodilla
Metamaterial m=0
*Freire et al, Applied Physics Letters, 98, 2011XI CONGRESO NACIONAL SEEIC 2019 - SEVILLA
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, 2015XI CONGRESO NACIONAL SEEIC 2019 - SEVILLA
Aplicación de lentes con m=-1 en parallel imaging
• Reducción del factor g.
*Freire et al, IEEE Transactions on Medical Imaging, 34, 2015XI CONGRESO NACIONAL SEEIC 2019 - SEVILLA Gracias por su atención
XI CONGRESO NACIONAL SEEIC 2019 - SEVILLA
Antenas desechables para imagen de piel
Manuel 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 SabioXI CONGRESO NACIONAL SEEIC 2019 - SEVILLA
Antenas desechables para imagen de piel
Manuel 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
• 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)XI CONGRESO NACIONAL SEEIC 2019 - SEVILLA
Antenas desechables para imagen de piel
Manuel 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
Diagnóstico por imagen:
• Experiencia del dermatólogo, dermatoscopío
• Tomografía por coherencia óptica (OCT) y ecografía de piel (>20
MHz): no disponible en todos lo centros
OCT ECO
~1 mm ~12 mm@25 MHz
Cirugía:
• Biopsia es el gold standard diagnóstico prequirúrgicoXI CONGRESO NACIONAL SEEIC 2019 - SEVILLA
Antenas desechables para imagen de piel
Manuel 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
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.XI CONGRESO NACIONAL SEEIC 2019 - SEVILLA
Antenas desechables para imagen de piel
Manuel 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
• Diseño previo: Antena de un canal de 1”XI CONGRESO
II Jornadas NACIONAL14-15
RSEF/IFIMED SEEIC 20192018
Junio - SEVILLA
Antenas desechables para imagen de piel
Manuel 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 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)XI CONGRESO NACIONAL SEEIC 2019 - SEVILLA
Antenas para imagen de troncos supraaórticos
Manuel Freire 1, Alberto Cantón2, Javier Castilla2, Jesús Tornero2,3
1 Universidad de Sevilla 2 Biosensores 3 Hospital Los Madroños
• 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 sanguíneoXI CONGRESO NACIONAL SEEIC 2019 - SEVILLA
Antenas para imagen de troncos supraaórticos
Manuel Freire 1, Alberto Cantón2, Javier Castilla2, Jesús Tornero2,3
1 Universidad de Sevilla 2 Biosensores 3 Hospital Los Madroños
Estenosis carotídea asintomática. Criterio quirúrgico:
• Presente: criterio quirúrgico para tratamiento endovascular
actual: % de estenosis carotídea
• Futuro: estenosis+caracterización placa de ateroma
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)XI CONGRESO NACIONAL SEEIC 2019 - SEVILLA
Antena de 1.5 T para imagen de troncos
supraaórticos
• Objetivo: proyecto de array dedicado de alta densidad de elementos para
imagen de troncos supraaórticos.También puede leer
