Seminario Divulgativo - Sezione INFN Genova15 Giugno 2010

La quantificazione del sovraccarico di ferro è essenziale per il trattamento di malattie che inducono un sistematico deposito di ferro nel corpo.

Le terapie trasfusionali nei malati di talassemia o l’aumentato assorbimento del pferro dalla dieta nell’emocromatosi producono un eccesso di ferro che si deposita negli

organi endocrini, nel cuore e nel fegato dando origine a cirrosi epatica e a problemi cardiaci talvolta letalicardiaci, talvolta letali.

La biopsia epatica è una metodica invasiva per la misura della concentrazione di ferroLa biopsia epatica è una metodica invasiva per la misura della concentrazione di ferro epatico (Liver Iron Concentration-LIC). Questa misura è talvolta problematica sia per il

rischio connesso con la procedura che per l’errore di campionamento dovuto alle i l di i i d l i ll’ di ib i d l d i d l fpiccole dimensioni del campione e all’eterogenea distribuzione del deposito del ferro.

Magnete Pickup

BBrr

Δ+Br

Il flusso di campo magnetico che attraversa la superficieIl flusso di campo magnetico che attraversa la superficie del pickup è leggermente modificato dalle proprietà

diamagnetiche (principalmente acqua) e3

diamagnetiche (principalmente acqua) e paramagnetiche (ferro) dei tessuti.

I momenti magnetici dell’atomo di ferro sonoorientati casualmente in assenza di campo magnetico.g

In presenza di un campo magnetico B i momentir p p gmagnetici si allineano con esso.B

L’agitazione termica impedisce ai momentimagnetici di orientarsi completamente. C’è l i l lli t

Br

IL PARZIALE ALLINEAMENTO DEI MOMENTI MAGNETICI PROVOCA UNA

C’è comunque un loro parziale allineamento.

IL PARZIALE ALLINEAMENTO DEI MOMENTI MAGNETICI PROVOCA UNAVARIAZIONE DEL CAMPO MAGNETICO CHE È TANTO PIÙ INTENSA

QUANTO È PIÙ GROSSO L’ACCUMULO DI FERRO

4χMagneticatàSuscettiviBB≈

Δ

La suscettività nasce dal bilanciamento tra l’effetto di allineamento dei ti ti i l i i l l’ it i t i

Legge di Curiemomenti magnetici nel campo principale e l’agitazione termica

gg

T C) (p)

mKgK10 81.2(

2

35-

Fe ×⋅=χ/ TmKg /

p: momento magnetico efficace del ferro, espresso in magnetoni di Bohr.p: momento magnetico efficace del ferro, espresso in magnetoni di Bohr.Ione Fe3+ p = 5.9Ferritina-Emosiderina p ∼ 4

Normale < 0.5 mg/gg gLieve 0.5-1 mg/gModerato 1-2 mg/g

10

χ10χ 6

FeAcqua

BB

≈≈≈Δ −

5

Severo > 2 mg/g 10B

BBΔLe variazioni relative del campo magnetico attese sono dell’ordine della

suscettività magnetica χ del corpo.Per apprezzare le variazioni dovute al ferro in eccesso la sensibilità richiesta èPer apprezzare le variazioni dovute al ferro in eccesso la sensibilità richiesta èquindi dell’ordine di ppm.

Br

i i l i i à i ’Campo magnetico principaleLa simmetria, la stabilità meccanica e l’accurato controllo della temperatura del MID hanno portato ad una sensibilità migliore di parti

su 10-6 necessaria per rilevare la quantità di ferro di interesse

BBrr

6109 −−=Δ Il campo magnetico, vicino allasuperficie dell’acqua è 9 ppm piùAcqua

su 10 , necessaria per rilevare la quantità di ferro di interesse.

Tutti i componenti del MID lavorano a temperatura ambiente .piccolo del campo presente in assenza di campione.

Acqua p p

Il MID è installato presso il Centro della Microcitemia dell’Ospedale Il MID è installato presso il Centro della Microcitemia dell’Ospedale G lliG lli d F bb i 2005 i i i iù did F bb i 2005 i i i iù di 800800 i i ii i i

Il contributo del ferro alla variazione di campo magnetico è circa il 10%

GallieraGalliera e da Febbraio 2005 sono stati misurati più di e da Febbraio 2005 sono stati misurati più di 800 800 pazienti e circa pazienti e circa 150 volontari.150 volontari.

di campo magnetico è circa il 10% di quello dell’acqua.

BBrr 610−≈Δ

0.5

1.0

0.0-30 -15 0 15 30

cm

Schermo Schermo termicotermicotermicotermico

Pi kPi k MagneteMagnete

0m

PickupPickup MagneteMagnete

Rotaia

Asse magneticoAsse magnetico

1530cm

yz

Asse magneticoAsse magnetico

0.0

0.5

1.0 0

( )r PickupPickupxmax

( )g rg

r PickupPickup

I=38 A f=234 Hzgmax = 1500 V/m3

Il campo magnetico nella regione accessibile al paziente è minore di 1.9 10-2 T (CEI EN 60601-2-3, 1997-02)StrutturaStruttura 1.9 10 T (CEI EN 60601 2 3, 1997 02) StrutturaStruttura

Schermo Schermo termicotermico

Segnale di un ratto, misurato

i lcon una piccola versione di suscettometro, con e sen a locon e senza lo schermo termico

Magnete InternoMagnete Interno

9Costruzione dei magnetiMagnete Esterno

Magneti Pickup

10

Magneti Pickup

Il segnale di magnetizzazione del MID ha due possibili contributi: il l b l d l ll i t d ll’ di fsegnale basale del corpo e quello proveniente dall’eccesso di ferro.

μV] 6

8

30 gFe

MID

[μ

024

6.5 gFe

Fe

I i d d ll x [cm]egna

le M

4-20

Vuoto

Fe

In corrispondenza della regione epatica abbiamo creato un sovraccarico di La sensibilità è circa 100 nV, quindi la

x [cm]Se -4-20 -10 0 10 20

ferro equivalente a 6.5 g e 30 g di ferro

La sensibilità è circa 100 nV, quindi laminima quantità di ferro rilevabilecorrisponde a circa 270 mg (il ferrob l 400 )basale ∼400 mg).

8 8MANICHINO UOMO

46 30 g

Fe 46

PazienteV]

02

6.5 gFe

202

MID

[μV

-4-2

20 10 0 10 20

Vuoto-4-2

20 10 0 10 20

Volontario

gnal

e M

-20 -10 0 10 20 -20 -10 0 10 20

x [cm]

Seg

Il segnale basale si ricava utilizzando le misure di volontari privi di sovraccarico di ferro e le caratteristiche antropometrichedi sovraccarico di ferro e le caratteristiche antropometriche

della persona.

Il paziente è sdraiato supino su una barella con la quale vieneportato dentro e fuori l’area di misura del MID Un accuratoportato dentro e fuori l area di misura del MID. Un accuratoposizionamento del corpo fa sì che l’asse del campomagnetico possa attraversare il centro di massa del fegato.

Si posiziona la barella in modo tale che l’asse del campomagnetico cada in diverse posizioni rispetto al centro delcorpo.pSi ottiene così la scansione delle proprietà magnetiche dellapersona.

2[μV]

Si ottiene il sovraccarico di ferro nel fegato confrontando ilsegnale misurato con il segnale basale (attribuito alla personain base alle sue caratteristiche antropometriche). -2

0Misura

[μ ]

La scansione è eseguita in circa 15 min: tutto l’esame duracirca mezz’ora.

-4

2

20 10 0 10 20

Segnale basale

[cm]

-20 -10 0 10 20

1

2 [μV]

[cm]

-2

-1

0-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

[cm]

-5

-4

-3

-6

• Misura del segnale magnetico del paziente.Misurato

• Calcolo del segnale basale a partire dalle caratteristiche antropometriche del paziente.

1

2

3Misurato

• Il sovraccarico di ferro si ottiene dalla differenza tra in segnale misurato e quello basale. Viene considerata la differenza nella -1

0

1

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20[cm]

S l di 1posizione di centro di massa del fegato.

• Il sovraccarico di ferro si ottiene dividendo il t ib t l l d l f il l

-4

-3

-2

Segnale Basale

Segnale di 1 gdi ferro nel fegato

contributo al segnale del ferro per il segnale generato da 1 g di ferro distribuito nel fegato del paziente.

-5 [μV]

Viene considerato un fegato di geometria standard il cui volume varia

con il peso corporeo.p prdrg

Fegatog

rr∫ )(1χ

(a) Segnale misurato (b) Segnale basale

(a) Segnale misurato (b) Segnale basale

Il MID ha misurato una riduzione di ferro minore rispetto alla terapiaIl MID ha misurato una riduzione di ferro minore rispetto alla terapia.Una spiegazione è l’aumentato rate di assorbimento del ferro dal cibo

durante la terapia.

6

8

g] 6

8

rbito

a

[g]

2

4

6M

ID [g

2

4

6

Ferr

o as

sor

on la

die

ta

Terapia [g]

00 4 8 12Giorni

0 0 300 600 900 1200

F c

DURANTE LA TERAPIA IL PAZIENTE ASSORBE FERRO DAL CIBO.

Dall’analisi di questi pazienti otteniamo un rate di assorbimento di ferro dalla dieta diDall analisi di questi pazienti otteniamo un rate di assorbimento di ferro dalla dieta di 5 mg/giorno superiore al valore normale (circa 1mg/giorno).

Definizione dei sovraccarichi per il MID: < 1g non rilevabile; 1g - 3g moderato; > 3g graveg ; g g ; g g

250 Riepilogo delle misure eseguite con il MID di Genova

200

250

Total1260151%

p g g

150<1g51%

1g-3g36%>3g13%

Volontari

50

100 >3g13%

0

50

-4 0 4 8 12 16 20

g-4 0 4 8 12 16 20

La sensibilità attuale dello strumento (~ 1 g) di ferro dipende dall’errore con cui si esegue il calcolo del segnale basale.

Ad oggi il MID è in grado di rilevare sovraccarichi moderati: non è in grado di misurare sovraccarichi di lieve entità.

Il segnale basale può anche essere ottenuto per calcolo diretto conoscendo:

1. la geometria del corpo (misurata da un sistema laser);

2. il contributo al segnale di magnetizzazione per unità di volume ;

3. la distribuzione di suscettività del corpo sano. p

rdrgrrr

)r()( χ∫=Φ rdrgV

)r()( χ∫=Φ

zionemagnetizzadisegnale=Φ

corpodelvolume MID del peso funzione)( magnetica tàsuscettivi)r(zionemagnetizza di segnale

====Φ

Vrgr

rχ

corpo del volume =V

rdrgV

rrr)r()( χ∫=Φ

V

CampionamentoSagoma 3D del corpo

rdrgV

rrr)r()( χ∫=Φ

Magnete

Campionamento della )(rgr

VMagnete

PickupPickup

ZZXY

La sonda è stata movimentata sia nel piano YZ che lungo l’asse X; quest’ultimo movimento verrà eseguito sfruttando la movimentazione della

barella.

rdrgV

rrr)r()( χ∫=ΦIl waterman è il segnale di

magnetizzazione di un volume di acqua Vmagnetizzazione di un volume di acquacon la stessa geometria del corpo.

E’ t t ibil l l il l di ∫

Waterχχ ≡)r(r

E’ stato possibile calcolare il segnale di84 volontari che hanno eseguito il MID eche sono stati misurati con il laser.

rdrgV

Watermanrr

∫−⋅−=Φ )(109 6

0

1

2 [μV]

[cm]

3

-2

-1-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

-5

-4

-3

-6

A B 1

2 [μV]

[ ]1

2 [μV]A B

2

-1

0-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

[cm]

-1

0

1

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20[cm]

-4

-3

-2

-4

-3

-2

C D-6

-5

-6

-5

C D

0

1

2

20 15 10 5 0 5 10 15 20

[μV]

[cm]0

1

2

20 15 10 5 0 5 10 15 20

[μV]

[cm]

3

-2

-1-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

3

-2

-1-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

-5

-4

-3

-5

-4

-3

-6-6

La differenza tra waterman e segnale misurato è dovuta a :

1 al fatto che nel waterman sono considerate piene di acqua zone che in realtà sono1. al fatto che nel waterman sono considerate piene di acqua zone che in realtà sonovuote.

2. alla differenza tra la suscettività magnetica dei tessuti e quella dell’acqua.

[cm]

i

X[cm]

Sezione a livello epatico

3 [μV]

1

2[μV]

[cm]

PRISMIWaterman-Misura

La differenza tra il segnale del waterman equello misurato (84 volontari) è molto simileal segnale generato dai 2 prismi riempiti di-2

-1

0-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

[cm]

acqua.

-4

-3

2

Calcoliamo il segnale basale sottraendo al waterman il contributo medio delle zone vuote della popolazione misurata.

2 [μV]A B2 [μV]

-1

0

1

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20[cm]

A B-1

0

1

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

[cm]

-4

-3

-2

-4

-3

-2

-6

-5-6

-5

2 [ V] 2 [ V]

C D-1

0

1

2

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

[μV]

[cm]

-1

0

1

2

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

[μV]

[cm]

-4

-3

-2

1

-4

-3

-2

1

-6

-5

4

-6

-5

4

1 Costruzione di MID 2 per avere un apparato1. Costruzione di MID 2 per avere un apparatomarchiato CE.

2. Studio della conducibilità dei tessuti del corpo

3. Segnale basale:a aumento del numero dei volontari per migliorarea. aumento del numero dei volontari per migliorare

la statistica;b introduzione degli organi all’interno del corpob. introduzione degli organi all interno del corpo.

Fine

Back

PEZZI DELLA STRUTTURA CHE REGGERÀ MAGNETEE PICKUP

PANNELLI CHE COSTITUIRANNO LO SCHERMO TERMICO

Back

MAGNETE PICKUP

Back

1. Il campo magnetico alternato, applicato alcorpo umano per misurarne il segnalemagnetico ind ce la circola ione di piccolemagnetico, induce la circolazione di piccolecorrenti elettriche nel corpo.

2 Il MID misura contemporaneamente il2. Il MID misura contemporaneamente ilsegnale dovuto alle proprietà magnetiche delcorpo e quello dovuto alle correnti. Magnetizzazione

Eddy Current3. Questa proprietà potrebbe essere utilizzata

per avere informazione sulla presenza digrasso (steatosi) e permetterebbe lo studio

Eddy Current

grasso (steatosi) e permetterebbe lo studiodella conducibilità elettrica dei tessuti.

4. Anche in questo caso è necessario unqmodello che consenta di calcolare il segnaledelle correnti indotte in un corpo normalecon cui confrontare il segnale generato dallecorrenti indotte nel corpo del paziente.

Paziente affetto da fibrosi/cirrosi

Back

2

3 [μV]1

2 [μV]Con la milza 1

2 [μV]Senza la milza

1

0

1

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20-2

-1

0-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

[cm]-2

-1

0-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

[cm]

-3

-2

-1 [cm]

-4

-3

2

-4

-3

2

Magnetizzazione

-5

-4-6

-5

-6

-5

•Alla frequenza di lavoro del MID (234 Hz) il segnale

Eddy Current

MagnetizzazioneMagnetizzazioney

Br

Alla frequenza di lavoro del MID (234 Hz) il segnale di magnetizzazione e quello delle eddy currents sono sfasati tra di loro di un quarto di periodo.

gg

x

•Il segnale delle eddy currents NON è influenzato dal sovraccarico di ferro.

Eddy CurrentEddy Current

•J.F. Schenck, E. A. Zimmerman, “Review Article High-field magnetic resonanceimaging of brain iron: birth of a biomarker?,”N.M.R. Biomed, no. 17, pp. 433-445, 2004 “The concentration of iron in the tissues as free aqua ions is notsignificant”

Si ottengono gli organi interni del paziente adattando il suo torace a quello di un phantom di cui si conosce la distribuzione degli organi

Back

cui si conosce la distribuzione degli organi.

Phantom

CorpoCorpo

l h 1 d i i di i i i di i di id i d l i• Il phantom1 è stato ottenuto da un insieme di immagini segmentate di 2 individui adulti.• Il modello prevede di utilizzare la forma 3D del corpo misurata e la distribuzione degliorgani interni del phantom dopo essere stati adattati.

Il l b l i tti tt ib d di t ib i di tti ità i t

[1] I. Zubal, et al. “Computerized three-dimensional segmented human anatomy” Medical Physics, vol. 21, no. 2, pp. 299–302, 1994.

• Il segnale basale si ottiene attribuendo una distribuzione di suscettività a ciascuna partedel corpo.