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D3- Tipi di Magneti

3 risposte in questa discussione

La parte più importante del tomografo RM è il magnete produttore di un campo magnetico statico, CMS, quanto più possibile omogeneo e stabile nel tempo.

I magneti maggiormente utilizzati in ambito diagnostico clinico generano campi di intensità compresa tra 0,2T e 2T 1 tesla= 10^4 (10000 Gauss) molto più intensi quindi del campo magnetico terrestre che è compreso tra 0,3 e 0,7 Gauss, ossia 0,000003-0,000007 Tesla!

L’omogeneità di un campo magnetico B è valutata in termini di ppm, ossia parti per milione, nel modo seguente:

In ambito clinico sono sufficienti omogeneità di 100 ppm valutate dentro un volume sferico con un diametro di 25-50 cm.

Basse omogeneità di campo fanno ridurre il numero di protoni eccitati da una certa RF e determinano immagini risultanti di scarsa qualità (basso S/R).

La stabilità temporale dell’intensità ed omogeneità del campo magnetico statico deve essere garantita soprattutto durante l’esecuzione dell’indagine. Essa viene misurata in ppm/ora. Da una scarsa stabilità originano immagini qualitativamente scarse e poco affidabili.

Le proprietà del CMS devono essere mantenute costanti all’interno del così detto volume utile, ossia nel volume racchiudente tutte le sezioni che devono essere acquisite.

Per ottenere e controllare l’omogeneità di campo in un volume utile più ampio possibile è necessario intervenire con sistemi di gradienti di campo aggiuntivi

Aumentando l’intensità del campo si ottengono rapporti segnale/rumore maggiori, accompagnati tuttavia da una minor capacità penetrativa delle onde RF che devono avere intensità elevata per raggiungere i tessuti di interesse.

Esistono tre tipologie di magnete e tutte e tre trovano impiego nel campo della tecnologia a RM:


  • magneti permanenti

  • magneti resistivi

  • magneti superconduttivi.

Ogni tipologia di magnete presenta dei vantaggi e degli svantaggi sia sul piano tecnologico che su quello dell’investimento monetario necessario per il loro acquisto e mantenimento.

Magneti permanenti

Sono costituiti da blocchi di materiali ad alta memoria magnetica (ferro, cobalto, nichel e leghe di questi ed altri elementi) che, una volta magnetizzati attraverso l’azione di una forte scarica elettrica, mantengono un campo magnetico stabile per un tempo indefinito. La qualità di questo tipo di magnete è misurata in termini di energia specifica, ossia di energia immagazzinata per unità di volume. Inizialmente i materiali usati erano ferriti, leghe di cobalto e terre rare, bario ceramico, mentre oggi si preferiscono leghe di neodimio-boro-ferro che hanno una maggiore energia specifica e un minor costo.

I magneti utilizzati principalmente hanno una struttura ad H o ad anello. La struttura ad H è aperta: i magneti sono posizionati sopra e sotto l’apertura per l’introduzione del paziente. La struttura ad anello è realizzata con magneti di forma trapezoidale .

I magneti permanenti presentano i seguenti vantaggi:


  • costo di acquisto relativamente basso

  • costo di gestione basso in termini di consumi energetici

  • riduzione dell’effetto proiettile poiché il campo magnetico ha orientamento verticale

  • ridotta dispersione del campo magnetico

Per contro si presentano i seguenti svantaggi:


  • bassa intensità di campo ( al massimo pari a 0,3 T)

  • peso elevato (10-15 tonnellate)

  • Difficoltà di omogeneizzazione del campo legata all’assemblaggio dei blocchi

fluttuazioni del campo alle escursioni termiche ambientali.

I magneti permanenti trovano impiego nelle risonanze così dette aperte a basso campo, in quanto il campo ottenibile è nell’ordine dei 0,3 Tesla, tali scanner RM vanno incontro ai pazienti con problemi di claustrofobia.

Magneti resistivi

Il campo magnetico è generato da un avvolgimento metallico percorso da una corrente elettrica (elettromagnete). Il campo magnetico generato è direttamente proporzionale alla corrente e al numero di spire da essa attraversate. La corrente incontra una resistenza intrinseca al filamento: viene dissipata energia sotto forma di calore (effetto Joule) che rende pertanto necessario un sistema di raffreddamento.

I magneti resistivi, compatibilmente con la dissipazione di potenza, possono generare al più campi di intensità pari a 0,3 T (con una dissipazione di potenza pari a 200 kW) e quindi trovano impiego nella realizzazione di macchine aperte a basso campo.

Gli elettromagneti in genere vengono realizzati con 4-6 bobine separate (split coils) disposte in modo da creare una geometria sferica alla quale corrisponde un CMS omogeneo. Tali bobine hanno forma circolare e sono ottenute con strisce di alluminio anodizzate. Esse sono inoltre racchiuse tra due piastre a corona circolare all’interno delle quali circola dell’acqua di raffreddamento.

Il CMS prodotto può avere delle disomogeneità dovute ad imperfezioni delle spire e ad un loro posizionamento non perfettamente simmetrico. Possono inoltre essere presenti fattori di disturbo prodotti dall’ambiente magnetico circostante.

Per rendere più uniforme il campo si devono impiegare bobine di taratura (shim coils), percorse da correnti indipendenti, che producono gradienti uguali e contrari a quelli da eliminare. La compensazione dei gradienti di campo è detta shimming del magnete e consiste in una serie di operazioni sia di tipo meccanico (regolazione della posizione reciproca delle bobine) sia di tipo elettrico (regolazione della corrente di alimentazione delle bobine di shim).

Gli elettromagneti di nuova generazione sono degli ibridi in quanto contengono un nucleo di ferro che mantiene la magnetizzazione anche in assenza della corrente.

Rispetto ai magneti permanenti hanno il vantaggio di pesare meno e lo svantaggio di costi di gestione superiori sia per l’impiego costante di corrente che percorre le bobine che per il sistema di raffreddamento.

Magneti superconduttori

Sono realizzati con spire di materiali superconduttori che, a temperature prossime allo zero assoluto, possono essere percorse da corrente senza dispersione di calore. I campi che vengono generati sono altissimi, nell’ordine del Tesla (1T, 1,5T, 2T e addirittura 3T).

Il metallo usato per le spire è un particolare conduttore che viene mantenuto al di sotto della sua temperatura di superconduzione (circa 4K ossia –269oC) da un sistema di raffreddamento che impiega criogeni (elio e azoto). I superconduttori consentono il flusso di corrente elettrica senza la produzione di calore in quanto non oppongono resistenza al movimento delle cariche.

La geometria ideale per questi magneti è quella solenoidale, realizzata con bobine di tipo split coils.

L’avvolgimento, che può raggiungere una lunghezza di oltre 20 km, è realizzato con fili di Nichel-Titanio (Ni-Ti) o Niobio-Titanio (No-Ti) intrecciati e incamiciati in una matrice di Rame ed è mantenuto ad una temperatura prossima allo zero assoluto (4,2 K, circa –269oC) per immersione in un bagno di elio liquido. In tal modo viene garantito il mantenimento delle proprietà superconduttive che consentono il passaggio di corrente senza dispersione di energia sotto forma di calore.

Per garantire la refrigerazione costante delle spire, l’avvolgimento e il bagno di elio sono contenuti in una struttura ermetica che funge da isolante termico: il criostato. Il criostato è una struttura disposta concentricamente all’avvolgimento a ed è costituita da schermi antiradianti raffreddati con azoto liquido (che ha un punto di ebollizione più alto dell’elio pari a circa 77 K) e/o con vapori di elio. Gli schermi, a loro volta, delimitano camere all’interno delle quali viene creato il vuoto. Il calore proveniente dall’esterno incrementerà la temperatura del gas senza aumentare l’ebollizione dell’elio liquido. I consumi con questi tipi di magnete variano intorno ai 0,4-0,5 litri/ora per l’elio e ai 2 litri/ora per l’azoto con una autonomia tra i due riemipimenti di 20-30 giorni. Per ridurre in consumi è stato introdotto un sistema che utilizza un refrigerante meccanico per mantenere gli schermi radianti a 20-100K. Questo dispositivo impiega, come fluido di refrigerazione, l’elio che fluisce in un circuito a se stante rispetto al magnete. Con questo accorgimento l’apparecchio ha un costo aggiuntivo di circa il 10% ma i consumi si riducono drasticamente: si passa ai 0,05 litri/ora per l’elio e si azzera il consumo di azoto.

Nei magneti di ultima generazione la camera di azoto liquido è stata sostituita da un dispositivo denominato testa fredda, costituito da un compressore che pressurizza costantemente l’elio liquido, mantenendolo a bassa temperatura, per consentirgli di raffreddare a sua volta due lamine metalliche che avvolgono le camere interne del magnete: con questo sistema aumentano le condizioni di freddo riducendo i consumi.

Il magnete superconduttivo viene fatto funzionare in modo continuo, cortocircuitando i terminali dell’avvolgimento con un interruttore, costituito da un filamento superconduttore che viene scaldato per portarlo allo stato resistivo e consentire così l’invio o la sottrazione di corrente nell’avvolgimento nella fase di carica e scarica. Il passaggio allo stato persistente avviene disattivando il riscaldamento così che il filamento passa dallo stato superconduttivo e chiude l’avvolgimento i cortocircuito.

Il CMS decade esponenzialmente con una costante di tempo tanto più lunga quanto più bassa è la resistenza complessiva dell’avvolgimento. Si ottengono omogeneità e stabilità di campo elevate (0,1 ppm/ora).

Una volta che il magnete è stato assemblato e installato, non è più possibile variare la posizione reciproca delle bobine che costituiscono il solenoide, poiché sono rigidamente fissate tra loro. Per realizzare il sistema di taratura dell’omogeneità di campo vengono impiegate bobine individuali costruite con tecnologia superconduttiva in alcuni casi e resistiva in altri.

Un evento importante che può manifestarsi nei tomografi con magneti superconduttivi è il quenching che consiste nel ripristino della resistenza nell’avvolgimento con conseguente scarica completa dell’energia immagazzinata nel magnete.

Il quench ha luogo quando si incrementano indiscriminatamente la corrente e il campo del magnete, o nel caso di espulsione massiccia di criogeni (elio e azoto). Durante il quench nell’avvolgimento di producono delle tensioni elevatissime (nell’ordine di migliaia di Volt) che possono formare archi elettrici tra le spire con effetti distruttivi. Per ovviare a tale possibilità si provvede ad incorporare l’avvolgimento in matrice di rame o ad installare appositi banchi di resistenza da connettere in parallelo all’avvolgimento all’atto del quench: in tal modo si crea una via preferenziale attraverso la quale dissipare l’energia che altrimenti provocherebbe effetti catastrofici.

La rottura della tubazione dei liquidi o gas criogeni all’interno della sala magnete, in caso di quench, provocherebbe lo spargimento degli stessi nel locale che renderebbe l’aria irrespirabile, congelerebbero gli eventuali tessuti umani con i quali venissero a contatto e, l’aumento di pressione all’interno della sala, potrebbe impedire, anche solo per breve tempo l’apertura della porta di accesso.

I magneti superconduttvi sono i più utilizzati grazie ai seguenti vantaggi:


  • alta intensità (0,5-2 T)


  • omogeneità e stabilità temporale anche per grandi volumi (FOV anche maggiori di 50 cm)


  • peso e ingombro contenuti

Gli svantaggi sono:


  • elevati costi di acquisto e gestione

  • elevato effetto proiettile essendo il campo magnetico orientato lungo l’asse z della macchina

  • insorgenza di fenomeni claustrofobici nonostante l’areazione, l’illuminazione ed altri accorgimenti.

Magneti ibridi

Riuniscono le tecnologie dei magneti resistivi e di quelli permanenti, consentendo di realizzare campi fino a 0,5 T. Sono realizzati con fili resistivi percorsi da corrente e avvolti attorno a magneti permanenti.

Il campo generato è verticale e ha poca dispersione. La configurazione geometrica è aperta e non occorrono criogeni per il raffreddamento. Tuttavia si ha un elevato consumo energetico e una notevole sensibilità alle variazioni di temperatura ambientale e alle fluttuazioni di corrente elettrica. Il peso del tomografo è inoltre elevato.

Qual è l’intensità ottimale del campo magnetico?

I sistemi con campi magnetici elevati consentono di ottenere una migliore risoluzione e possono essere usati in spettroscopia mentre quelli con campi magnetici deboli forniscono un miglior contrasto tissutale e sono meno costosi, inoltre spesso hanno configurazioni aperte che li rendono preferibili nel caso di pazienti claustrofobici

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scusate la domanda ignorante..ma i magneti superconduttivi spenti, ossia quando si spendono consolle e generatori della sala tecnica hanno il campo attivo?

io mi ricordo che il resistivo basso campo da spento non c'era

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scusate la domanda ignorante..ma i magneti superconduttivi spenti, ossia quando si spendono consolle e generatori della sala tecnica hanno il campo attivo?

io mi ricordo che il resistivo basso campo da spento non c'era

per abbassre il campo di un supercond va svuotato del criogeno e disalimentato.

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