Lezione 5 – Bobine di gradiente e shimming

🎯 Obiettivi della lezione

• Capire a cosa servono e come funzionano le bobine di gradiente (X, Y, Z).

• Conoscere i parametri hardware chiave: intensità del gradiente (mT/m), slew rate (T/m/s), duty cycle, rumore e limiti di sicurezza (PNS).

• Sapere quando e come eseguire lo shimming B₀ (passivo/attivo; globale/locale/dinamico) e riconoscere i segni di scarso shim.

• Applicare una checklist operativa TSRM per prevenire artefatti e migliorare la qualità.

 

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Bobine di gradiente: perché sono indispensabili

Le bobine di gradiente creano piccole variazioni lineari del campo magnetico statico B₀ lungo tre assi (X, Y, Z).
Questo rende la frequenza di Larmor dipendente dalla posizione:
ω(r) = γ · [B₀ + G · r]
Così possiamo:

• Selezionare lo strato (slice selection) applicando un gradiente + RF con banda nota.

• Codificare la frequenza (frequency encoding/readout).

• Codificare la fase (phase encoding).

Senza gradienti non esiste localizzazione spaziale → non esiste immagine.

 

• Curiosità tecnica : tipici valori di intensità del gradiente (es. 20-80 mT/m) e slew rate (es. 100-200 T/m/s)

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Come funzionano (in pratica)

• Forma d’onda: tipicamente trapezoidale (rampa su/plateau/rampa giù).

• Intensità del gradiente (G): espressa in mT/m; più è alta, maggiore è la risoluzione spaziale possibile.

• Slew rate (SR): T/m/s; misura la rapidità con cui il gradiente raggiunge G → determina velocità delle sequenze (EPI, DWI) e… rumore.

• Duty cycle: percentuale di tempo in cui il gradiente è “attivo”; limita il riscaldamento delle bobine.

• Linearità: la variazione di campo deve essere il più possibile lineare nel FOV; la non-linearità causa distorsioni geometriche (corrette poi in ricostruzione).

Conseguenze pratiche

• G e SR più alti = tempi più brevi o maggiore risoluzione, ma aumentano rumore e rischio di PNS (stimolazione nervosa periferica da dB/dt).

• Sequenze “veloci” (EPI, DWI, fMRI) stressano i gradienti → attenzione a rumore, PNS e artefatti.

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Sicurezza e comfort

• PNS (dB/dt): controllo automatico dello scanner; se il paziente avverte “formicolii/scatti”, ridurre SR/ampiezza o usare modalità Quiet/Soft.

• Rumore acustico: cuffie/tappi; valutare protocolli “quiet” quando disponibili.

• Riscaldamento: limiti di duty cycle; pause tra acquisizioni pesanti (EPI ad alto fattore).

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Artefatti legati ai gradienti e mitigazioni

• Correnti parassite (eddy currents) → ghosting/shift, soprattutto in EPI e DWI.
  Mitigazione: pre-emphasis hardware, tempi di rampa adeguati, calibrazioni periodiche.

• Non-linearità del gradiente (GNL) → deformazioni periferiche.
  Mitigazione: correzione GNL in ricostruzione, FOV adeguato, posizionare l’area d’interesse vicino al centro magnete.

• Cross-term/susceptibility con aria-osso-metallo → distorsioni e dropout in GRE/EPI.
  Mitigazione: banda più alta, TE più corto, SE invece di GRE quando possibile, ridurre FOV in fase, tecniche “blip-up/blip-down” (se disponibili).

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Shimming: omogeneizzare B₀

Obiettivo: rendere uniforme B₀ nell’area d’interesse.
Perché? La risonanza avviene a ω₀ = γ·B₀: variazioni di B₀ ⇒ variazioni di frequenza ⇒ sfasamenti, distorsioni, perdita di segnale (soprattutto in GRE/EPI, DWI).

Tipi di shimming

• Passivo (installazione): piastrine ferromagnetiche fissate dal service per “modellare” B₀ dell’impianto.

• Attivo (clinico): bobine di shim che generano campi correttivi (1° e 2° ordine, funzioni armoniche sferiche).

  • Globale: su tutto il volume; utile per encefalo standard.

  • Locale: limitato al VOI (shim box) posizionato dall’operatore; essenziale in orbite, base cranica, collo, addome.

  • Dinamico (slice-wise): aggiornato sequenza per sequenza; molto utile in fMRI e addome.

Workflow tipico (TSRM)

1. Center frequency → auto-prescan.

2. Shim globale (primo pass).

3. Shim locale su VOI (se distretto “difficile”).

4. Field-map (se disponibile) → calcolo correnti shim ottimali.

5. Rieseguire shim se: paziente si muove, si cambia bobina/posizione, si passa a EPI/DWI, si entra in regioni con aria-osso-metallo.

Quando lo shim fa la differenza

• Encefalo: orbite, base cranica → forte disomogeneità.

• Collo: interfacce aria/tessuti → preferire shim locale.

• Addome: fegato/pancreas → shim locale in apnea sul distretto (evita che il VOI includa polmoni!)

• Vicino a metallo: preferire SE a GRE, aumentare banda, TE corto, ridurre voxel.

Segni di scarso shim: distorsioni, dropout di segnale, ampliamento dello spostamento chimico, DWI/EPI illeggibili.

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Nota su B₁ (solo in sintesi)

Non è shimming B₀, ma ai campi alti (≥3T) si può ricorrere a B₁-shimming/parallel transmit per uniformare l’eccitazione RF. È tema diverso, ma da conoscere come concetto.

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Checklist operativa TSRM

• Posiziona correttamente il paziente, coil dedicata e centratura precisa.

• Esegui prescan: center frequency + shim globale.

• Imposta shim locale (VOI stretto sull’organo) per distretti complessi; rifai in apnea per addome.

• Per EPI/DWI: banda più alta, TE più corto, controlla pre-emphasis ed evita VOI che includa interfacce aria.

• Se compaiono artefatti o il paziente si muove: ripeti shim.

• Valuta modalità Quiet/Soft o limiti di SR se il paziente riferisce PNS o è molto sensibile al rumore.

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💡 Attività didattiche consigliate

• Laboratorio: confronta DWI encefalo con shim globale vs shim locale (VOI su regioni temporali) e descrivi differenze.

• Esercizio: posiziona correttamente il VOI di shim in tre distretti (orbite, fegato, colonna cervicale).

• Quiz: riconosci da immagini gli artefatti da eddy currents, GNL e scarso shim.

• Caso pratico: DWI addome illeggibile → proponi set di contromisure (shim locale in apnea, banda ↑, TE ↓, FOV/phase, SE al posto di GRE dove possibile).