SDR4MR: Decodificare la Risonanza Magnetica non è Mai Stato Così Facile (ed Economico!)

Ciao a tutti! Avete mai guardato una macchina per la Risonanza Magnetica (RM) e vi siete chiesti cosa diavolo stia succedendo là dentro, con tutti quei rumori strani e quella tecnologia pazzesca? Beh, non siete i soli. Anche per noi che ci lavoriamo, capire *esattamente* cosa fa lo scanner durante una sequenza di impulsi a radiofrequenza (RF) può essere una vera sfida. Spesso, queste macchine super complesse funzionano un po’ come delle “scatole nere”.

Il Mistero della “Scatola Nera” della RM

I produttori sviluppano hardware e software sempre più sofisticati, ma i dettagli più fini del loro funzionamento interno sono spesso avvolti nel mistero, a meno di non avere accordi speciali per accedere ai loro simulatori di sequenze. Questo è un problema, specialmente quando si fa imaging quantitativo, dove avere il controllo preciso dei parametri della sequenza è fondamentale. A volte, per ottimizzare i tempi o altri parametri, il software dello scanner potrebbe modificare leggermente la sequenza (ad esempio, spostando degli impulsi di preparazione della magnetizzazione) senza che l’utente se ne accorga, portando a quantificazioni potenzialmente inaccurate.

Certo, esistono metodi per “sbirciare” dentro queste scatole nere. Tecniche come il metodo ViP o le “field cameras” possono darci informazioni preziose sulla catena di ricezione, sulla ricostruzione delle immagini o sugli impulsi RF e sui gradienti. Il problema? Richiedono hardware e software complessi, spesso molto costosi e difficili da implementare. Insomma, non proprio alla portata di tutti.

La Nostra Idea: Usare una Radio per “Ascoltare” la RM!

E se vi dicessi che abbiamo trovato un modo incredibilmente semplice ed economico per fare luce su almeno una parte importante di questo mistero, ovvero gli impulsi RF? È qui che entra in gioco la nostra soluzione, che abbiamo chiamato SDR4MR. L’idea di base sfrutta il concetto di Software-Defined Radio (SDR). Immaginate una piccola chiavetta USB, simile a quelle per vedere la TV digitale sul computer, ma molto più versatile. Questa chiavetta contiene un ricevitore RF che può essere controllato via software.

Abbiamo pensato: perché non usare una di queste economicissime SDR (parliamo di un costo totale inferiore ai 100€!) per “ascoltare” gli impulsi RF emessi dallo scanner RM? Il bello è che questo approccio è completamente indipendente dall’hardware e dal software dello scanner. Funziona con macchine diverse, di produttori diversi e a diverse intensità di campo magnetico. L’obiettivo? Rendere la comprensione della RM un po’ più accessibile a tutti.

Come Funziona SDR4MR in Pratica?

Il nostro setup SDR4MR è davvero minimale. Ecco cosa serve:

• Una semplice bobina ricevente a banda larga: ne abbiamo costruita una noi, molto semplice, con un diametro di 40 mm e un basso fattore di qualità, in modo che funzioni sia a 1.5 Tesla (T) che a 3 T senza bisogno di risintonizzarla.
• Eventuali attenuatori RF: servono a ridurre la potenza del segnale RF captato dalla bobina, che può essere molto forte, per non “accecare” la SDR.
• La chiavetta SDR: noi abbiamo usato un modello commerciale molto comune (basato sui chip R820T2 e RTL2832U).
• Un computer: su cui far girare il software per controllare la SDR e il nostro script per analizzare i dati.

La bobina viene posizionata vicino allo scanner (anche fuori dalla stanza schermata, appoggiata allo schermo RF, per semplificare l’installazione). Il cavo della bobina passa attraverso la guida d’onda (se la bobina è dentro la stanza) e si collega agli attenuatori (se necessari) e poi direttamente alla chiavetta SDR inserita nella porta USB del computer.

Sul computer, usiamo un software open-source come CubicSDR per impostare la frequenza di ricezione (che deve corrispondere a quella della RM, es. 63.64 MHz per 1.5 T o 123.6 MHz per 3 T), regolare il guadagno e registrare il segnale RF demodulato come file audio WAV. Questo file contiene i dati grezzi della sequenza di impulsi RF.

Poi, entra in gioco uno script che abbiamo scritto in Mathematica. Questo script prende il file WAV, lo processa e ci permette di visualizzare la sequenza di impulsi nel tempo e in frequenza. Possiamo zoomare sui singoli impulsi, misurarne la durata, l’ampiezza relativa, la fase e persino vedere come cambia la frequenza all’interno di impulsi selettivi (ad esempio, quelli usati per eccitare fette diverse in acquisizioni multi-fetta). Non c’è nessun collegamento diretto tra la RM e la SDR, usiamo solo l’informazione della frequenza operativa dello scanner!

Abbiamo Messo alla Prova SDR4MR: I Risultati

Ovviamente, non ci siamo fermati alla teoria. Abbiamo testato il nostro sistema SDR4MR su scanner clinici reali da 1.5 T e 3 T (Siemens Magnetom Sola e Vida), usando diverse sequenze RM, da quelle più semplici a quelle più complesse:

• Una sequenza Spin-Echo multi-eco e multi-fetta (SEMC): per verificare la configurazione su una sequenza ben nota.
• Sequenze 2D e 3D (come B1 mapping, diffusione SE-EPI, 3D SPACE con angoli di flip variabili): per vedere se riuscivamo a scoprire dettagli non disponibili nell’interfaccia utente.

I risultati sono stati davvero incoraggianti! Per la sequenza SEMC, ad esempio, abbiamo misurato tempi di ripetizione per fetta e tempi di eco che corrispondevano quasi perfettamente (con un errore inferiore all’1%) a quelli impostati sulla console dello scanner. Analizzando le frequenze degli impulsi, abbiamo anche “scoperto” lo schema di acquisizione interleaved (a fette alternate pari/dispari) usato per minimizzare le interferenze tra fette adiacenti – un dettaglio non sempre esplicito.

Per la sequenza di mappatura B1, che non era ben documentata, SDR4MR ci ha rivelato che si trattava di una sequenza TurboFLASH ripetuta due volte, una delle quali preceduta da un impulso di precondizionamento a forma di ‘sinc’. Siamo riusciti persino a stimare l’angolo di flip di questo impulso (circa 80°), informazione non disponibile sull’interfaccia.

Nella sequenza di diffusione SE-EPI, abbiamo misurato con precisione il tempo di inversione (TI) dell’impulso STIR per la soppressione del grasso (156 ms misurati contro 160 ms impostati) e abbiamo identificato l’impulso di eccitazione dell’acqua come un impulso binomiale 1-2-1, guardando la sua forma e la temporizzazione. Grazie all’accesso alle componenti reale e immaginaria del segnale (non solo al modulo), abbiamo potuto apprezzare la forma complessa dell’impulso STIR, simile a un impulso secante iperbolico usato per l’inversione adiabatica.

Anche a 3 T, analizzando diverse varianti della sequenza 3D SPACE (con angolo di flip costante, con impulso di ripristino della magnetizzazione, con angolo variabile), SDR4MR ci ha permesso di visualizzare e confermare le caratteristiche specifiche di ciascuna variante, misurando i ritardi tra gli impulsi con grande precisione.

Cosa Abbiamo Imparato e Potenziali Applicazioni

Questo studio dimostra che SDR4MR è un metodo praticabile e utile sugli scanner clinici. È facile da usare, economico e fornisce un monitoraggio preciso delle sequenze di impulsi RF. Le misurazioni temporali sono molto accurate (errore ~1%), mentre quelle di ampiezza relativa sono consistenti, anche se un po’ meno precise a causa della dinamica limitata della SDR base che abbiamo usato.

Quali sono i vantaggi concreti?

• Comprensione: Aiuta utenti e ricercatori a capire meglio cosa succede “sotto il cofano” dello scanner.
• Ricerca: Permette a chi sviluppa nuove sequenze di verificare che gli impulsi generati dallo scanner corrispondano a quelli programmati.
• Didattica: Può essere usato per formare nuovi utenti sulla fisica delle sequenze RM, magari affiancando le scansioni sui pazienti senza rallentarle.
• Manutenzione: Potrebbe fornire ai tecnici di assistenza uno strumento semplice e leggero per un controllo rapido dell’emissione RF dello scanner.

I Limiti (Siamo Onesti!)

Certo, SDR4MR non è la soluzione a tutti i mali. Ha i suoi limiti:

• Non misura i gradienti: Per decodificare completamente una sequenza servirebbero anche quelli, ma misurarli richiede sistemi molto più complessi e costosi.
• Segnale globale: La bobina misura il segnale RF totale emesso, non il contributo delle singole antenne trasmittenti (se ce ne sono più d’una).
• Ampiezze relative: Le ampiezze misurate sono relative, non assolute, a meno di una calibrazione precisa.
• Performance della SDR base: La chiavetta SDR economica che abbiamo usato ha una dinamica limitata (convertitore a 8 bit) e una banda di ricezione (192 kHz nel nostro setup software) che potrebbero non essere sufficienti per dettagli molto fini o per esperimenti multi-fetta a campi molto alti dove gli impulsi occupano bande più larghe. Inoltre, il range di frequenza parte da 25 MHz, quindi non è adatta per RM a campo bassissimo.

La buona notizia è che esistono SDR un po’ più avanzate (ma sempre nella fascia dei 100-200€) con convertitori a 12 o 14 bit, che offrirebbero una dinamica maggiore (65-70 dB o più), e software che permettono bande di ricezione più ampie. Questi miglioramenti renderebbero il sistema ancora più potente.

Conclusioni: Verso una RM Più Accessibile

In conclusione, con SDR4MR abbiamo dimostrato che è possibile implementare un sistema compatto, incredibilmente economico e facile da usare per monitorare con precisione le sequenze di impulsi RF degli scanner RM clinici. Questo piccolo strumento apre le porte a una maggiore comprensione e controllo di queste macchine complesse, contribuendo all’obiettivo di rendere la tecnologia RM, almeno nella sua comprensione, un po’ più accessibile. E chissà quali altre applicazioni potremmo scoprire in futuro sfruttando i continui progressi nell’hardware e nel software SDR!

Fonte: Springer