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CORSO DI LAUREA IN TECNICHE DI RADIOLOGIA MEDICA, PER

IMMAGINI E RADIOTERAPIA

A.A. 2014 – 2015

Dosimetria in Risonanza Magnetica:

progettazione e realizzazione di un

dispositivo di rilevazione del campo

magnetico statico e misurazione

giornaliera all’operatore.

Relatore: Prof. Riccardo Biffi

Elaborato di Laurea di:

Victoria Mukhina

Matricola: 816349

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Indice

INTRODUZIONE 5

NOZIONI FONDAMENTALI 7 1.1. PRINCIPI FISICI DI RISONANZA MAGNETICA 7 1.2. IL SISTEMA A RISONANZA MAGNETICA 11 1.2.1. IL MAGNETE 12 1.2.2. SISTEMA DEI GRADIENTI DI CAMPO MAGNETICO 14 1.2.3. BOBINE PER GLI IMPULSI RF 15 1.2.4. IL COMPUTER 18 1.3. GRANDEZZE FISICHE E UNITÀ DI MISURA 18

ANALISI DEI RISCHI SANITARI IN RISONANZA MAGNETICA 21 2.1. CAMPO MAGNETICO STATICO 21 2.2. CAMPO MAGNETICO VARIABILE NEL TEMPO 24 2.3. CAMPI A RADIO FREQUENZA 25

IL REGOLAMENTO DI SICUREZZA IN RM 27 3.1. RIFERIMENTI NORMATIVI ITALIANI 28 3.2. LIMITI DI ESPOSIZIONE DEI LAVORATORI 30 3.3. LINEE GUIDA INTERNAZIONALI SUI LIMITI DI ESPOSIZIONE A CMS 32

OBIETTIVO DELLA TESI 35

MATERIALI E METODI 36 5.1. ARDUINO 37 5.2. DESCRIZIONE HARDWARE 39 5.3. DESCRIZIONE SOFTWARE 45 5.3.1. AMBIENTE DI SVILUPPO ARDUINO 45 5.3.2. LIBRERIE UTILIZZATE 47 5.3.3. PRESENTAZIONE CODICE 49 5.4. SITO DI RISONANZA MAGNETICA NEL REPARTO DI NEURORADIOLOGIA ALL’OSPEDALE MAGGIORE POLICLINICO DI MILANO 50 5.5. MISURAZIONE ALL’OPERATORE 52

RISULTATI 57

CONCLUSIONI 61

RINGRAZIAMENTI 63

BIBLIOGRAFIA (SITOGRAFIA) 64

APPENDICE 65

INDICE DELLE FIGURE 73

INDICE DELLE TABELLE 73

5

Introduzione

Le persone in tutto il mondo sono costantemente esposte a sorgenti di

radiazioni naturali o artificiali: le radiazioni sono in genere classificate in

ionizzanti e non ionizzanti, e in queste ultime rientrano i campi elettrici e

magnetici (EMF). È ormai noto che le radiazioni ionizzanti rappresentano

un rischio per la salute umana, tuttavia i possibili effetti dei campi

elettromagnetici sono ancora oggi oggetto di continue controversie.

La Risonanza Magnetica (RM) è una delle più diffuse sorgenti di campi

elettromagnetici essendo una tecnica diagnostica largamente utilizzata in

diversi campi della medicina. Grazie al fatto che non utilizza radiazioni

ionizzanti essa è ritenuta intrinsecamente sicura per il paziente. Tuttavia,

durante un esame RM il paziente è sottoposto a campi elettromagnetici di

diversa natura ed intensità che implicano la somministrazione di energia ai

tessuti biologici.

Quindi, l’interazione tra energia somministrata e tessuti biologici potrebbe

comportare rischi per la salute e deve quindi essere presa in considerazione.

Questi rischi sono legati a tutte le componenti di campo magnetico presenti

in RM (campo magnetico statico, gradienti di campo e campo magnetico a

radiofrequenza) a cui sono esposti sia i pazienti che lo staff operante

nell’ambiente RM.

Lo staff RM, soprattutto i tecnici che si occupano della preparazione e

assistenza del paziente, durante il lavoro giornaliero è continuamente

esposto in maniera prolungata al campo magnetico statico e spazialmente

eterogeneo presente in ogni momento nella sala RM. Inoltre, muovendosi

all’interno della stanza RM per espletare le loro funzioni, i tecnici sono

esposti a campo magnetico variabile lentamente nel tempo (< 1 Hz) che

6

induce correnti elettriche nel corpo. Nonostante non ci siano ancora

conferme sui possibili effetti nocivi sulla salute umana di questa corrente

indotta, la Comunità Europea ha redatto una Direttiva

(Direttiva 2004/40/EC) nella quale si pone un limite di sicurezza a questa

corrente espressa come densità di corrente indotta (mA/m2) nella testa o nel

tronco.

Nell'ʹelaborato si descrive la realizzazione e la messa in opera di un sistema

per il monitoraggio del campo magnetico statico di un sito di Risonanza

Magnetica all’Ospedale Maggiore Policlinico Ca’ Granda di Milano. I

campioni misurati e successivamente registrati su un’apposita scheda di

memoria SD potranno essere trasferiti su un PC per poter essere analizzati

tramite dei comuni programmi come Microsoft® Excel o Open Office Calc.

La realizzazione di questo progetto nasce dalla curiosità di verificare la

reale esposizione a campi magnetici statici del personale operante in RM

durante il turno di lavoro e di confrontare i dati ottenuti con i limiti previsti

dalla normativa.

7

CAPITOLO 1

Nozioni fondamentali

1.1. Principi fisici di Risonanza Magnetica

La Risonanza magnetica (RM) è una tecnica che usa potenti magneti e

radioonde per analizzare le strutture interne del corpo. Essa combina i

vantaggi delle altre tecniche di Imaging esistenti, senza tuttavia spartirne

gli svantaggi. Come la Tomografia Computerizzata fornisce immagini

tomografiche ed è dotato di eccellente risoluzione spaziale e di contrasto,

come l’Ecotomografia non usa radiazioni ionizzanti e produce immagini

multiplanari, come la Medicina Nucleare infine è in grado di fornire

informazioni sui processi metabolici a livello tissutale.

In natura i nuclei di alcuni elementi con numero dispari di protoni e/o

neutroni (come ad es.: 1H, 31P, 19F, 13C) sono dotati di spin intrinseco cioè

ruotano intorno a se stessi. Dato che ogni carica elettrica in movimento

produce un campo magnetico, anche questi nuclei, carichi elettricamente e

dotati di spin, sono associati ad un campo magnetico microscopico detto

momento magnetico nucleare o dipolo magnetico. In parole più semplici

ogni singolo nucleo dotato di spin può essere considerato come un piccolo

magnete.

L’immagine RM si basa sullo studio delle proprietà magnetiche del nucleo

dell’idrogeno o protone. L’idrogeno, infatti, rispetto agli altri elementi

utilizzabili in RM è il più abbondante nell’organismo, ed è quello che

produce segnale più intenso.

In assenza di alcun campo magnetico esterno, i momenti magnetici dei

singoli protoni o nuclei di idrogeno sono orientati casualmente, nello stato

8

di massimo disordine: pertanto la loro somma, magnetizzazione risultante

(M), è praticamente nulla. Se l’insieme dei nuclei viene posto in un campo

magnetico omogeneo di forte intensità (B0), essi si possono orientare

secondo la direzione del campo B0 , con verso parallelo o antiparallelo (Fig.

1).

Precisamente, per il nucleo di idrogeno, per il quale sono possibili solo due

livelli energetici quantici, poco più della metà dei momenti magnetici si

orienta nello stesso verso di B0 (orientamento parallelo), poco meno della

metà si orienta invece con il verso opposto (orientamento antiparallelo).

Le casuali interazioni termodinamiche che intercorrono tra dipoli magnetici

e macromolecole che li circondano determinano continua modificazione

dell’orientamento degli spin, che quindi oscillano tra la situazione a minore

energia e quella a energia più alta. Inoltre, sempre per effetto di B0 il

momento magnetico di ciascun protone comincia a ruotare, cioè a precedere

attorno alla direzione di B0. Il movimento di precessione di ogni elemento si

caratterizza per una velocità e per una frequenza definite. Quest’ultima è

funzione solamente dell’intensità del campo magnetico statico B0.

Lo stato di equilibrio può essere alterato mediante l’applicazione di onde

elettromagnetiche la cui frequenza sia uguale a quella della precessione

nucleare (frequenza di Larmor). Solo in tali condizioni si verifica il

fenomeno di Risonanza Magnetica, con passaggio di energia dalla

radiazione elettromagnetica al sistema di nuclei. La radiazione

elettromagnetica usata per provocare la Risonanza Magnetica dei nuclei di

idrogeno viene comunemente denominata radiofrequenza (RF). Nel campo

di imaging la RF viene applicata per tempi molto brevi (dell’ordine di

microsecondi) per cui si parla di impulsi RF.

L’applicazione di RF equivale all’applicazione di un secondo campo

magnetico perpendicolare a B0, detto B1, ha un’intensità molto minore a B0 e

9

ruota nel piano x,y perpendicolare a B0, ad una frequenza uguale a quella

della precessione nucleare, inducendo così il fenomeno di Risonanza

Magnetica Nucleare.

Orientamento dei

dipoli magnetici

nucleari

Schema per la somma

vettoriale dei dipoli

MM

risultante

In assenza di

B0

nessuna

In presenza di

B0

In presenza di

B0 e RF 90°

Fig. 1 – Tabella riassuntiva dei vettori di mm e MM.

La stimolazione RF, in condizioni di Risonanza provoca due fenomeni

simultanei. In primo luogo i nuclei di idrogeno tendono a precedere oltre

che intorno a B0 anche intorno a B1 ed in fase con esso; di conseguenza tutti i

nuclei non solo hanno la stessa frequenza, ma anche la stessa fase di

precessione (Fig. 2). In secondo luogo, alcuni protoni passano dal livello

energetico basso al livello energetico alto. Questi due fenomeni spostano la

Magnetizzazione risultante (M) dal suo allineamento con B0. M si allontana

dall’asse z seguendo la precessione nucleare; compie pertanto una

traiettoria a spirale. Più intenso e prolungato è l’impulso RF, maggiore è

l’angolo con cui M si allontana dall’asse z. A questa situazione corrisponde

la scomparsa di M sul piano longitudinale (ML) e la creazione di una

10

magnetizzazione trasversale (MT), rotante sul piano xy, ortogonale a z.

Fig. 2 -‐‑ Precessione libera (A) e in coerenza di fase (B)

Questo processo si verifica per impulsi a 90°, che consistono nell’invio di

un’onda radio alla frequenza di Larmor con ampiezza e durata tali da

mutare la Magnetizzazione longitudinale dalla sua posizione originaria fino

al piano trasverso xy (Fig.3).

Il sistema di spin, al finire dello stimolo esterno, tende a ripristinare le

condizioni iniziali, energicamente più favorevoli (rilassamento). Tale

riassetto nucleare comporta la cessione di energia e, quindi, una variazione

in Magnetizzazione Trasversa che, in quanto campo magnetico variabile

nello spazio, genera una forza elettromotrice (fem) in una bobina

opportunamente orientata, solitamente la stessa che ha inviato l’impulso,

posta alternativamente in condizione di trasmissione e di ricezione.

La fem indotta nella bobina rappresenta la base del segnale, che viene

chiamato Free Induction Decay (FID).

11

Fig. 3 -‐‑ Invio dell'ʹimpulso RF e creazione della MMT

Solo la Magnetizzazione Trasversa attraversa l’antenna ricevente e vi

genera la FID, potendo così essere rilevata e misurata, al contrario la

Magnetizzazione Longitudinale non genera alcun segnale e non è pertanto

misurabile direttamente.

1.2. Il sistema a Risonanza Magnetica

Il tomografo RM si configura come un sistema estremamente complesso. La

formazione dell’immagine in Risonanza Magnetica richiede un potente

campo magnetico, che sia anche uniforme e stabile, per magnetizzare

l’oggetto in esame. Sono inoltre richiesti gradienti magnetici, di più debole

intensità e rapidamente variabili nel tempo; un sistema per la

trasmissione/ricezione della radiofrequenza; ed un sistema di elaborazione

dati. Le apparecchiature che provvedono a ciascuna di queste esigenze

possono essere considerate come sottosistemi, integrati nell’unità RM.

L’impianto di RM deve inoltre essere ospitato all’interno di un sito idoneo a

contenere il campo magnetico generato. È evidente come l’apparecchiatura

a Risonanza Magnetica sia una macchina molto sofisticata, nella cui

progettazione e realizzazione sono coinvolte competenze multiple

elettrotecniche, elettroniche, informatiche e sistemistiche.

12

Le componenti del tomografo sono essenzialmente suddivisi in quattro

gruppi funzionali:

-‐‑ Magnete

-‐‑ Sistema di gradienti

-‐‑ Bobine RF

-‐‑ Computer

1.2.1. Il magnete

Il magnete ha il compito di generare il campo magnetico statico, o

principale, caratterizzato da intensità, omogeneità e stabilità temporale.

L’intensità di campo è misurata in Tesla (1 T= 10000 Gauss) e varia nei

sistemi di imaging attualmente disponibili tra 0,2 e 3 T, con larga diffusione

della fascia media (da 0,5 a 1,5 T), giudicata la più valida alla formazione di

immagini di buona qualità ed elevato contenuto diagnostico.

I magneti che sono utilizzati nei sistemi RM sono caratterizzati da un’alta

omogeneità. Piccole disomogeneità nel campo magnetico comportano

variazioni consensuali delle frequenze di precessione dei singoli spin,

rendendone impossibile la fine discriminazione spaziale.

Le apparecchiature RM sono dotate di sistemi di stabilizzazione e taratura

dell’omogeneità del campo magnetico: bobine di shimming.

I magneti utilizzati negli scanner RM devono essere inoltre caratterizzati da

un’ elevata stabilità nel tempo e possono essere di diverso tipo: permanenti,

resistivi, superconduttivi e ibridi.

A seconda del tipo di magnete cambiano i costi e le performance dello

scanner ed è necessario affrontare diverse questioni nell’ambito della

sicurezza e della gestione della sala magnete.

13

-‐‑ I magneti resistivi sono costituiti da un avvolgimento elettrico

percorso continuamente da corrente e raffreddato ad acqua. Per le

elevate potenze necessarie all’alimentazione del magnete, si possono

realizzare solo campi relativamente bassi: fino a 0,35 T. A loro

svantaggio c’è l’elevato consumo di energia elettrica, la necessità di

un sistema di raffreddamento ad acqua, e la loro alta sensibilità ai

disturbi esterni.

-‐‑ I magneti superconduttivi sono realizzati con spire di materiali

superconduttori che, a temperature prossime allo zero assoluto,

possono essere percosse da corrente senza dispersione di calore.

Generano un forte campo magnetico omogeneo dell’ordine dei Tesla

e trovano impiego per la massima parte sui sistemi classici a tunnel.

È indispensabile la presenza di un sistema di refrigeramento o

mantenimento della temperatura del magnete poiché la sua stabilità

termica si riflette sull’omogeneità del campo magnetico. Deve essere

tenuto al di sotto della temperatura critica in modo da avere una

resistenza praticamente nulla: il refrigeramento avviene con sistemi

ad elio liquido che, in caso di perdite, comportano rischi per pazienti

ed operatori.

-‐‑ I magneti permanenti sono costituiti da una serie di blocchi di

materiale ferromagnetico (può essere magnetizzato) con il quale si

possono realizzare solo campi magnetici relativamente bassi, fino a

circa 0.35 T. Impiegati soprattutto nei sistemi aperti a basso campo,

sono molto pesanti ma, a loro vantaggio, non richiedono liquidi

criogeni e non consumano energia elettrica per il mantenimento del

campo magnetico. Sono però molto sensibili alla temperatura e

devono essere costantemente riscaldati ad una temperatura 24° -‐‑ 32°

mentre l’ambiente circostante viene costantemente climatizzato a 23°

14

-‐‑ 25° per stabilizzare il flusso termico. Dal momento che le variazioni

della temperatura comportano un’instabilità del campo magnetico

con effetti importanti sulla qualità d’immagine, qualora si spegnesse

anche per poche ore l’impianto di climatizzazione della sala

magnete, si devono di conseguenza attendere diverse ore per

riottenere la necessaria qualità di campo magnetico. -‐‑ I magneti ibridi uniscono la tecnologia resistiva e quella permanente,

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 ha l’orientamento verticale e ha poca dispersione.

La configurazione geometrica è aperta e non occorrono liquidi

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. Inoltre il peso

dello scanner è molto elevato.

1.2.2. Sistema dei gradienti di campo magnetico

Il sistema di gradienti ha lo scopo di aggiungere al campo magnetico statico

un campo magnetico variabile, crescente in modo lineare nelle tre direzioni

dello spazio, cosicché a ciascun voxel corrisponda costantemente una

frequenza caratteristica di risonanza e, quindi, di emissione. I gradienti di

campo vengono generati e opportunamente attivati dalle bobine resistive,

allocate nel tunnel del magnete principale, e introducono variazioni di fase

e di frequenza nel moto degli spin, consentendo la codificazione spaziale

del segnale di risonanza proveniente dai singoli voxel, ordinati per righe e

colonne.

Ciascun gradiente è generato da una coppia di bobine, di varia forma,

disposte una di fronte all’altra, in ciascuna delle quali circola corrente con

15

direzione opposta. Nello spazio compreso tra le bobine si genera così un

gradiente magnetico.

Per ottenere prestazioni ottimali i gradienti magnetici devono avere alcuni

parametri fondamentali:

-‐‑ la potenza, espressa in milliTesla per metro (almeno 10 mT/m);

-‐‑ la velocità di salita, espressa in millisecondi (meno di 1 ms per

raggiungere la massima intensità richiesta per ciascun impulso);

-‐‑ il duty-‐‑cycle, che indica la crescita percentuale di un gradiente fino

alla massima potenza;

-‐‑ slew-‐‑rate, che indica il rapporto fra la massima potenza e tempo

necessario al raggiungimento di 100 per cento del duty-‐‑cycle ed è

espresso in mT/m/ms.

Il vero cuore di un sistema per immagini con Risonanza Magnetica è

costituito dal sottosistema dei gradienti, dalle cui prestazioni dipendono le

prestazioni dell’intero sistema.

1.2.3. Bobine per gli impulsi RF

Le bobine per gli impulsi RF sono i componenti di un tomografo RM

necessari a trasmettere l'ʹenergia d'ʹeccitazione ai nuclei in esame, deviandoli

dal loro stato d'ʹequilibrio allineato al campo magnetico principale (B0).

Agiscono in coordinazione con il sistema dei gradienti e sono delle vere e

proprie antenne che cedono energia alla frequenza di risonanza agli spin

nucleari (trasmissione) e rivelano il segnale di FID (ricezione).

Potenzialmente ogni bobina può sia trasmettere sia ricevere i segnali RF, ma

nei tomografi RM di nuova generazione il compito di trasmissione del

segnale è affidato ad una bobina che è posta fissa all’interno del gantry del

magnete ed ha il compito di inviare gli impulsi RF prodotti dal generatore

16

di forma d’onda e amplificati dall’amplificatore di potenza. Questa bobina è

chiamata Body Coil ed è spesso utilizzata sia come emittente sia come

ricevente per lo studio di volumi ampi come il distretto addominale e

toracico.

Le bobine di ricezione possono avere grandezza e morfologia variabili in

relazione al distretto corporeo d’interesse. In generale, esse possono essere

suddivise in tre categorie: le bobine convenzionali (di volume e di

superficie), le bobine in quadratura e le phased-‐‑array.

Le bobine convenzionali hanno la forma di un cilindro cavo, all’interno del

quale deve essere posto il volume oggetto di studio. Esse ricevono il segnale

RM dall’intero volume in esame in maniera direttamente proporzionale a

quanto sono riempite.

Le bobine di superficie invece ricevono il segnale solo da strutture

superficiali contigue con un decadimento quadratico del segnale

all’aumentare della distanza. Possono essere di diversa tipologia: piatte,

circolari, avvolgenti o endocavitarie.

Le bobine di quadratura, che possono essere, analogamente a quelle

convenzionali, di volume o di superficie, permettono l’acquisizione

simultanea della fase negativa e positiva del segnale RM mediante due

canali di ricezione sfasati di 90° con un sensibile aumento del rapporto

segnale-‐‑rumore.

Infine le bobine di ricezione phased-‐‑array sono costituite da più antenne di

superficie poste in parallelo fra loro. Ciascuna riceve indipendentemente i

segnali RF provenienti dal proprio settore di pertinenza ed esaminati in

successione con un ritardo prestabilito. Le informazioni ricevute da ogni

singola bobina sono successivamente elaborate e sommate alle altre in

modo tale da ottenere un’unica immagine globale. L’immagine ottenuta è

caratterizzata da un buon rapporto segnale-‐‑rumore nonostante un FOV

17

molto ampio.

Oggi sono comunemente utilizzate le bobine phased-‐‑array che sfruttano i

vantaggi sia delle bobine in quadratura (migliore rapporto segnale-‐‑rumore)

sia delle bobine di superficie (miglior dettaglio).

È importante sottolineare che qualunque sia il tipo di magnete impiegato, è

necessario provvedere ad una adeguata schermatura dello stesso. In

qualsiasi edificio esiste una notevole quantità di materiali ferromagnetici

che, se situati in prossimità del tomografo RM, possono provocare

distorsioni del campo, degradando considerevolmente la qualità

dell’immagine ottenibile. Dal l’altro lato, il campo magnetico generato dal

magnete può interferire con il funzionamento di apparecchiature elettriche,

meccaniche ed elettroniche poste nell’ambiente circostante, nonché creare

situazioni di potenziale pericolo per chi si trovi a circolare in prossimità

della stanza ove l’apparecchiatura è installata.

La schermatura è realizzata mediante una gabbia di Faraday che racchiude

la sala magnete. Una sua buona tenuta si riflette sui parametri propri

dell’immagine.

Fig. 4 -‐‑ Struttura della sala magnete e della gabbia di Faraday

18

1.2.4. Il computer

Il computer costituisce la parte centrale del sistema RM e controlla, tramite

apposite interfacce, tutte le operazioni eseguite. Il computer organizza tutte

le fasi dell’esame e i successivi passaggi, quali sintonizzazione delle bobine,

digitalizzazione dei segnali analogici ricevuti, effettuazione della

Trasformata di Fourier, ricostruzione e visualizzazione delle immagini.

Dopo il magnete rappresenta l’elemento di maggior costo dell’intero

sistema. Necessita di grande potenza di calcolo e di grande capacità di

memoria. Provvede infatti, dopo amplificazione, campionamento e

conversione analogico-‐‑digitale del segnale ricevuto, a presentare

l’immagine in scala di grigi sul video-‐‑monitor e ad archiviare i dati

numerici nella memoria centrale; può infine elaborare i dati numerici

immagazzinati nella memoria centrale (postprocessing dell’immagine).

Una componente essenziale del computer è costituita dall’array processor

appositamente progettato per il trattamento dei dati grezzi mediante

Trasformata di Fourier.

Per incrementare l’efficienza dell’apparecchiatura, sono spesso presenti due

console separate: una destinata alla gestione delle operazioni di esecuzione

dell’esame, l’altra dedicata alla presentazione ed elaborazione delle

immagini per la diagnosi.

1.3. Grandezze fisiche e unità di misura

Mentre i campi elettrici sono associati alla presenza di cariche, i campi

magnetici sono la manifestazione dell’interazione tra cariche elettriche in

movimento (corrente elettrica). Anche i campi magnetici possono esercitare

forze fisiche sulle cariche elettriche, ma soltanto quando tali cariche sono in

movimento. Un campo magnetico può essere rappresentato come un

19

vettore e può essere espresso in due modi: come induzione magnetica B o

come intensità di campo magnetico H. B ed H sono espressi rispettivamente

in tesla (T) e in ampere al metro (A m-‐‑1 ).

Nel vuoto, e con buona approssimazione nell’aria, B e H sono collegati dalla

relazione:

( 1 )

La costante di proporzionalità è chiamata permeabilità magnetica nel

vuoto ed ha come valore numerico ed è espresso in henry al metro

(H m-‐‑1). Quindi, per descrivere un campo magnetico in aria, o in materiali

non magnetici (compresi i materiali biologici), è sufficiente specificare

soltanto una delle grandezze fisiche B o H.

L’intensità della forza F che agisce su una carica elettrica q che si muove con

una velocità v in una direzione perpendicolare a un’induzione magnetica B

è data dall’espressione:

( 2 )

La direzione della forza (forza di Lorentz) è determinata dal prodotto

vettoriale della velocità della carica per l’induzione magnetica ed è perciò

sempre perpendicolare alla direzione del moto della carica elettrica. Di

conseguenza, l’interazione di un campo magnetico con una carica elettrica

produrrà un cambiamento di direzione del moto della carica, ma mai un

cambiamento di velocità. I campi magnetici statici non depositano energia

nei tessuti.

L’induzione magnetica, misurata in tesla (T), viene accettata come la più

appropriata quantità da collegare agli effetti dei campi magnetici. Il flusso

d’induzione magnetica attraverso una determinata superficie è uguale al

prodotto dell’area di quest’ultima per la componente del vettore induzione

magnetica normale alla superficie stessa.

B = µ 0H

µ 0

4π ×10-7

F = q(v×B)

20

Nella Tabella I vengono riassunte le grandezze fisiche relative ai campi

magnetici e le loro unità di misura.

Grandezza Simbolo Unità Corrente I ampere (A)

Densità di corrente J ampere al metro quadrato (A m-‐‑2)

Intensità di campo magnetico

H ampere al metro (A m-‐‑1)

Flusso magnetico weber (Wb o Tm2)

Induzione magnetica

B tesla (T)

Permeabilità henry al metro (H m-‐‑1).

Permeabilità dello spazio libero

Tabella I – Grandezze fisiche relative ai campi magnetici

Φ

µ

µ 0 4π ×10-7

21

CAPITOLO 2

Analisi dei rischi sanitari in Risonanza

Magnetica

Lo sviluppo clinico della Risonanza Magnetica è piuttosto recente, in Italia

solo dagli anni ’80 è iniziata l’installazione in massa nei presidi ospedalieri.

Nonostante la RM non presenti emissione di radiazioni ionizzanti al pari di

altre metodiche di diagnostica per immagini, è necessario tener conto dei

rischi connessi ad altri aspetti fisici, campo magnetico statico, campi

magnetici variabili nel tempo e i campi elettromagnetici a radiofrequenza.

Inoltre ci sono anche rischi legati alla struttura dello scanner RM, quali

l’introduzione in sala magnete di oggetti metallici e l’utilizzo di liquidi

criogeni per il raffreddamento dei magneti superconduttivi, oppure, per il

paziente, rischi dovuti allo svolgimento dell’indagine RM, come l’elevato

rumore acustico durante l’esame e l’utilizzo di mezzi di contrasto.

Nei seguenti capitoli verranno descritti i principali rischi a cui sono

sottoposti i lavoratori operanti in sala magnete, quali Tecnici Sanitari di

Radiologia Medica (TSRM), Medici Radiologi, Infermieri Professionali,

Ausiliari Socio-‐‑Sanitari (ASS) e Fisici Medici.

2.1. Campo Magnetico Statico

Un impianto RM per uso clinico e di ricerca genera un campo magnetico

statico che può variare da 100 mT a più di 10 T. Questi valori sono superiori

a quelli del campo magnetico statico terrestre che varia da 30 a 70 µμT.

Nella moltitudine di elementi presenti in natura si può effettuare una prima

22

e grossolana distinzione che individua tre categorie: quelli (la maggior

parte) che sono totalmente indifferenti all'ʹazione di un campo magnetico

(diamagnetiche), quelli che manifestano comportamenti magnetici in

presenza di un opportuno campo e quelli in cui il comportamento

magnetico si riscontra anche in assenza di campo.

Le sostanze che hanno comportamento diamagnetico sono, nell'ʹesperienza

comune, "ʺnon magnetiche"ʺ come l'ʹacqua, la maggior parte delle sostanze

organiche (DNA, oli, plastiche) e alcuni metalli come il mercurio, l'ʹoro, il

rame, l'ʹargento ed il bismuto.

Tutti i materiali che non sono caratterizzati da una magnetizzazione

permanente possono essere classificati tramite la suscettività. La suscettività

magnetica χ viene definita come rapporto tra:

χ =MH

( 3 )

dove:

-‐‑ M è la magnetizzazione del campione di materiale;

-‐‑ H è il campo magnetico a cui il materiale è sottoposto.

Essa è una grandezza adimensionale ed indica il grado di magnetizzazione

di un materiale posto in un campo magnetico H esterno di una data

ampiezza. Per sostanze diamagnetiche la suscettività assume valori molto

piccoli ed è di segno negativo, in quanto la magnetizzazione stessa di tali

materiali è negativa.

La suscettività della maggior parte dei tessuti umani è compresa tra −7.0 ·∙

10−6 e −11.0 ·∙ 10−6.

I campi magnetici statici possono avere diversi tipi di effetti che possono

rivelarsi potenziali cause di rischio sanitario: effetti diretti (dovuti ad

interazione del campo magnetico con il sistema biologico), ed effetti

23

indiretti dovuti alle forze che si esercitano su vari tipi di oggetti, impianti e

dispositivi presenti nel corpo del paziente o localizzati nelle vicinanze del

magnete.

Gli effetti diretti si possono dividere in due categorie:

-‐‑ Effetti a livello molecolare e cellulare

Sono riconducibili all’orientamento di sistemi molecolari e ai moti di

traslazione indotti dal campo su molecole diamagnetiche,

paramagnetiche e ferromagnetiche. Sistemi molecolari diamagnetici,

come il DNA, i bastoncelli della retina e i globuli rossi falciformi,

sono dotati di suscettività magnetica anisotropa e tendono ad

allinearsi lungo la direzione del campo statico, contrastati però

dall’agitazione termica. Tali effetti di orientamento potrebbero

teoricamente indurre cambiamenti patologici ma questi rimangono

al di sotto del limite di rilevanza.

-‐‑ Interazioni elettrodinamiche

Il campo magnetico statico interagisce, mediante la forza di Lorentz,

con i flussi elettrolitici generando correnti indotte e, per effetto di

Hall, differenze di potenziale.

L’interazione di campo magnetico statico con cariche in movimento

può indurre nell’uomo alterazioni su parametri fisiologici quali la

conduzione nervosa, i potenziali e le correnti indotte associate al

flusso sanguigno, e sul flusso sanguigno stesso.

Sulla base delle conoscenze attuali è opinione diffusa che l’esposizione ai

campi magnetici statici non comporti un rischio sanitario per livelli di

induzione magnetica fino a 2 T.

Per quanto riguarda invece gli effetti indiretti della presenza di un elevato

campo magnetico statico bisogna tener conto delle interazione

24

magnetomeccaniche con gli oggetti ferromagnetici sia esterni (come forbici,

bisturi, bombole di ossigeno e barelle) che interni al corpo umano.

Gli oggetti metallici se posti nelle vicinanze del magnete, possono acquisire

velocità tale da diventare dei veri e propri proiettili e costituire un pericolo

non solo per i pazienti, ma anche per gli operatori sanitari presenti nella

sala.

L’elevato campo magnetico statico interagisce inoltre con gli oggetti

metallici posti all’interno del corpo umano, quali impianti e le protesi. Essi

possono traslare e/o ruotare e provocare un eccessivo riscaldamento ai

tessuti circostanti. L’entità di questi effetti indesiderati è data dal tipo del

metallo, dal tipo di impianto e dalla zona dove è posto.

I pazienti portatori di pacemaker hanno un’assoluta controindicazione

all’esame RM.

Per prevenire gli incidenti è necessario informare il personale dei rischi,

esporre una segnaletica opportuna, far compilare ai pazienti un

questionario adeguato ed effettuare un’ulteriore verifica con il metal detector

prima di far entrare il paziente in sala magnete.

2.2. Campo Magnetico variabile nel tempo

Oltre al campo magnetico statico ogni tomografo a RM usa i campi

magnetici variabili nel tempo per le codifiche spaziali (di fase e di

frequenza) che possono variare tra 6-‐‑8 mT/m fino a 30-‐‑40 mT/m e oltre.

I rischi connessi all’esposizione a tali campi generati dalle bobine di

gradiente interessano principalmente i pazienti o i volontari che stazionano

nella sala magnete durante l’esame.

La grandezza usata per indicare i limiti di esposizione è dB/dt . Essa indica

quanto varia l’intensità del campo magnetico dalla situazione in cui i

gradienti sono spenti a quando sono accessi e viceversa.

25

Le limitazioni sull’esposizione ai campi magnetici variabili nel tempo sono

basate sugli effetti delle correnti indotte sulle membrane delle cellule del

sistema nervoso centrale e dei muscoli. Infatti nervi, muscoli e vasi

sanguigni si comportano come dei conduttori e in presenza di un campo

magnetico variabile nel tempo si avranno quindi delle correnti indotte in

accordo con la legge di Faraday.

Le correnti elettriche indotte dai campi magnetici variabili nel tempo nei

tessuti possono dare luogo principalmente a due tipi di effetti:

1) la stimolazione dei tessuti eccitabili muscolari e nervosi

2) il riscaldamento dei tessuti

Il primo, per i valori tipici di dB/dt, sovrasta il secondo di tipo termico, che

risulta essere trascurabile. Gli effetti di stimolazione possono cominciare a

verificarsi per densità di corrente superiore a 100 mA/m2. Per valori di

densità di corrente superiori a 1 A/m2 nella regione cardiaca potrebbe

insorgere la fibrillazione ventricolare.

È noto che elevati valori di dB/dt, come ad esempio nelle tecniche di fast

imaging (Echo Planar Imaging), possono causare la stimolazione di nervi

periferici o l’apparizione di effetti luminosi sulla retina.

2.3. Campi a Radio Frequenza

Gli impulsi a Radio Frequenza (RF) sono utilizzati in ogni tomografo a RM

e servono a generare il segnale che verrà misurato durante ogni scansione.

Solo una piccola parte dell’energia a RF trasmessa viene assorbita dai nuclei

di idrogeno: la maggior parte è assorbita con altri meccanismi e dissipata

sotto forma di calore. Il riscaldamento dei tessuti è dovuto principalmente

alle correnti indotte nel corpo del paziente ed è quindi maggiore sulla

superficie corporea. Se il sistema di regolazione termica del paziente non è

in grado di dissipare il calore prodotto la temperatura corporea si innalzerà.

26

La grandezza dosimetrica che meglio riesce a quantificare l’assorbimento di

energia elettromagnetica nei tessuti è il SAR (Specific Absorption Rate). Il SAR

rappresenta la potenza assorbita per unità di massa di tessuto (Watt/kg).

Se la massa rappresenta la massa dell’intero corpo si parla di SAR mediato

sul corpo intero (WBSAR), che fornisce informazioni generali sul

sovraccarico complessivo cui è sottoposto il sistema termoregolatore. Per la

distribuzione del SAR nelle varie parti del corpo è più indicato pesare in

base alla densità, conducibilità e il valore massimo del campo elettrico.

Il SAR è una variabile complessa che dipende dalla frequenza di risonanza,

dal tipo e dal numero di impulsi RF, dall’angolo di ribaltamento, dal tempo

di ripetizione TR, dal tipo di bobina RF utilizzata, dal volume del tessuto

contenuto nella bobina, dalla configurazione della regione anatomica,

dall’orientamento del corpo.

Alcuni organi, come gli occhi e le gonadi, per le loro caratteristiche fisiche,

sia termiche che elettriche, hanno ridotte capacità di dissipare il calore.

Pertanto costituiscono siti in cui potenzialmente si verificano più facilmente

effetti dannosi.

Per evitare in parte il riscaldamento dei tessuti è necessario che le

condizioni ambientali della sala magnete siano adeguate ed in particolare la

temperatura non deve superare i 22°C e l’umidità non deve essere al di

sopra il 50%.

La normativa italiana fissa i valori massimi per l’esposizione ai campi RF: il

SAR al corpo intero può essere tale da innalzare la temperatura del paziente

al massimo di 0,5°C. In alcuni casi, previa la valutazione del medico, è

consentito un innalzamento di 1°C.

27

CAPITOLO 3

Il regolamento di sicurezza in RM

L’esposizione dei lavoratori al campo magnetico statico è degna di

attenzione soprattutto per quanto riguarda il tempo dedicato all’operazione

di posizionamento del paziente. Praticamente tutte le apparecchiature

hanno i comandi per l’azionamento del lettino posizionati sul frontale della

macchina, dove il campo è comunque non trascurabile. Ciò comporta

un’esposizione sicuramente non irrilevante, agli arti e al corpo e quindi la

necessità da parte dell’Esperto Responsabile di una valutazione finalizzata

al rispetto di quanto sancito nei limiti previsti dalla legislazione vigente in

materia di limiti di esposizione dei lavoratori: in particolare sulla base delle

apparecchiature presenti e delle procedure operative e organizzative del

servizio RM e, soprattutto, l’Esperto Responsabile deve indicare quale sia il

massimo carico di lavoro che un operatore addetto al posizionamento dei

pazienti in sala RM possa sostenere.

Mediamente per il posizionamento di ogni paziente sono richiesti, da parte

dell’operatore, dai tre ai cinque minuti. Tale operazione è svolta dal addetto

con il corpo intero in una zona con campo magnetico che varia a seconda

del tipo di apparecchiatura. Durante tale operazione le mani dell’operatore

stazionano per circa un minuto alla pulsantiera del lettino, anche in questo

caso a campo magnetico variabile a seconda del sistema.

Buona prassi è quella di segnalare con delle strisce adesive a terra le zone

dove il valore del campo magnetico raggiunge 200 mT e dare istruzioni al

personale per minimizzarne la presenza all’interno, individuando il carico

di lavoro massimo compatibile con il rispetto dei limiti di esposizione

28

specificati nella tabella III.

Il datore di lavoro, sulla base degli atti propri del Medico Responsabile del

sito e dell’Esperto Responsabile della sicurezza deve garantire:

-‐‑ la formalizzazione di un elenco relativo al personale autorizzato ad

accedere, ovvero ad operare, all’interno del sito RM

-‐‑ la sorveglianza medica per tutto il personale in elenco, alla quale

deve fare riscontro il giudizio di idoneità personale e specifico

rilasciato dal medico competente, che deve essere rinnovato con

periodicità annuale

-‐‑ il rispetto di procedure specifiche per le varie fasi del processo

diagnostico che siano compatibili con il regolamento di sicurezza

-‐‑ l’emanazione di un regolamento di sicurezza che individui per tutte

le categorie di soggetti coinvolti in un idoneo protocollo

comportamentale

-‐‑ la formazione/informazione, anche ai sensi degli articoli 21 e 22 del

d.lgs. 626/94 e s.m.i. e da ripetersi con una periodicità stabilita

opportunamente sulla base di specifiche esigenze.

3.1. Riferimenti normativi italiani

In Italia, le apparecchiature a RMN per uso medico o di ricerca sono

regolate da una specifica normativa che prevede la messa in sicurezza

dell'ʹimpianto ed idonee misure protezionistiche per gli operatori ed i

pazienti. Nella Tabella II sono riportati i riferimenti normativi, gli articoli

attualmente vigenti e quelli abrogati:

Decreti Articoli e allegati vigenti Articoli abrogati

D.M. 29/11/85 -‐‑ tutti gli articoli

D.M. 02/08/91 articolo 7 e allegati da 1 e 6 1,2,3,4,5 e 6

D.M. 03/08/93 articoli 2, 4, 5 ed allegati A e B 1 e 3

D.P.R. 542/94 tutti gli articoli -‐‑ Tabella II

29

Esistono, inoltre sentenze della Corte Costituzionale interpretative delle

norme. Nel regolamento emanato con il D.P.R. 542/94 sono individuate e

classificate in gruppi le apparecchiature diagnostiche a RMN che devono

essere autorizzate da parte del Ministero o della Regione e quelle che non

necessitano di autorizzazione per l’installazione e l’uso.

I diversi regimi autorizzativi dipendono dal valore del campo statico di

induzione magnetica dell’apparecchiatura e dalla possibilità di eseguire

esami diagnostici sull’intero corpo o sui soli arti. Alcuni tipi di

apparecchiature RM, in particolare quelle ad alto campo magnetico statico

(tra 2 e 4 Tesla), sono autorizzate all’installazione ed all’uso dal Ministero

della Salute, mentre invece le RM con più basso campo magnetico (fino a 2

Tesla) sono soggette ad autorizzazione Regionale.

Il DPR 542/94 oltre ad identificare un Medico Responsabile del presidio nel

suo complesso, prevede le figure del Medico Responsabile dell’attività

dell’impianto (aspetti medici) e dell’Esperto Responsabile della sicurezza

dell’impianto (aspetti fisici).

La figura del Medico Responsabile dell’impianto è sempre richiesta mentre

quella dell’Esperto Responsabile della Sicurezza è obbligatoria per le

apparecchiature che necessitano di autorizzazione.

I compiti del Medico Responsabile dell’impianto e dell’Esperto

Responsabile della Sicurezza sono riportati negli allegati del DM 02/08/91.

La protezione e sorveglianza delle persone esposte comprende la stesura,

da parte dell’Esperto Responsabile in collaborazione con il Medico

Responsabile, di un Regolamento di sicurezza che dovrà contenere anche le

indicazioni di tutti i casi di possibile controindicazione all’analisi RMN e/o

all’esposizione al campo magnetico statico, ai campi elettromagnetici

lentamente variabili e ai campi a radiofrequenza generati durante il

funzionamento dell’apparecchiatura nonché i potenziali rischi derivanti

30

dall’uso.

Si prevede poi che il sito ospitante l’apparecchiatura RM comprenda due

aree:

-‐‑ Zona ad accesso controllato. Area nella quale i valori misurati di

campo magnetico disperso sono pari o superiori a 0,5 mT. Includono

in pratica la sala magnete, soprattutto nel caso di apparecchiature

che generano campi di limitata intensità, ma possono estendersi

oltre. Le linee isomagnetiche a 0,5 mT devono essere comunque

comprese all’interno dei locali ed aree di proprietà del presidio

stesso.

-‐‑ Zona di rispetto. Area nella quale i valori misurati di campo

magnetico disperso sono compresi tra 0,1 e 0,5 mT. Sono

abitualmente rilevabili in locali accessori del sito. La norma impone

comunque che le linee isomagnetiche a 0,1 mT siano contenute

all’interno del comprensorio del presidio.

Alla zona ad accesso controllato è interdetto in assoluto l’accesso a portatori

di stimolatori cardiaci. Detta zona deve essere delimitata da barriere fisiche

atte ad impedire l’ingresso accidentale di persone non autorizzate.

Va apposta opportuna segnaletica indicante la presenza di campo

magnetico, con chiara esplicitazione delle categorie di persone per le quali è

vietato o controindicato l’ingresso, ed il divieto di introduzione di materiale

ferromagnetico.

3.2. Limiti di esposizione dei lavoratori

La Normativa vigente prevede dei limiti di esposizione per gli operatori che

prestano costante servizio in presenza di intenso campo magnetico

disperso, al fine di garantire la riduzione del rischio. Tali limiti sono

regolamentati dal D.M.02/08/1991 (allegati 1 e 4) [1]: esso pone dei limiti

31

superiori sulla durata massima dell’esposizione giornaliera in base

all’intensità del campo magnetico B e alla parte del corpo esposta (corpo

intero o arti). In particolare:

Parte esposta Intensità del

campo magnetico

disperso [T]

Durata massima

dell’esposizione

giornaliera

Corpo intero 0,2 1 ora

Corpo intero 2 15 min

Arti 2 1 ora

Arti 4 15 min

Tabella III

Laddove possibile, è buona norma che l’esposizione non sia continuativa,

ma frazionata, alternandosi con i colleghi nelle mansioni che possono

comportare l’esposizione.

Per evitare esposizioni indebite sia al paziente che al personale operante nel

sito, nell’applicazione della risonanza magnetica meritano una particolare

attenzione i seguenti aspetti:

-‐‑ Gli esami con RM in vivo dovrebbero essere effettuati solo quando vi

è un potenziale vantaggio clinico per il paziente.

-‐‑ Si dovrebbe eseguire una valutazione dei rischi e dei benefici

dell’esame con risonanza magnetica.

-‐‑ Si dovrebbe tenere conto dei vantaggi e degli svantaggi della

risonanza magnetica rispetto ad altre tecniche diagnostiche.

-‐‑ Nel caso in cui gli esami con risonanza magnetica facciano parte di

un progetto di ricerca, questo deve essere guidato da principi etici; si

dovrebbe ottenere il consenso informato del paziente.

-‐‑ Gli utilizzatori di dispositivi a risonanza magnetica devono essere

adeguatamente addestrati sui principi e sull’impiego degli apparati,

32

sulle indicazioni e controindicazioni per l’uso, sulla necessità di

mantenere dei registri, sugli aspetti di sicurezza e sulle precauzioni.

-‐‑ I produttori dovrebbero fornire una documentazione completa sui

livelli di esposizione dei pazienti relativamente ai loro apparati, e

queste linee guida di sicurezza dovrebbero essere da loro tenute in

considerazione nella progettazione dell’apparecchio e nella sua

collocazione, in modo tale che i livelli di esposizioni ai campi

magnetici ed elettromagnetici siano entro i limiti raccomandati per i

pazienti.

3.3. Linee guida internazionali sui limiti di esposizione a CMS

I vari Paesi stabiliscono le proprie normative nazionali di esposizione ai

campi elettromagnetici. Comunque, la maggior parte di questi standard

nazionali si basa sulle linee guida emanate dall'ʹICNIRP (International

Commission on Non-‐‑Ionizing Radiation Protection). Questa organizzazione

non governativa, ufficialmente riconosciuta dall'ʹOrganizzazione Mondiale

della Sanità (OMS), valuta i risultati scientifici di tutto il mondo. Basandosi

su una approfondita revisione della letteratura, l'ʹICNIRP produce delle

linee guida che raccomandano dei limiti di esposizione. Queste linee guida

vengono riviste periodicamente ed aggiornate quando necessario.

Un limite normativo non rappresenta una demarcazione precisa tra

sicurezza e rischio. Non esiste un singolo valore sopra il quale l'ʹesposizione

diventa pericolosa per la salute; invece, il potenziale rischio per la salute

umana aumenta gradualmente con i livelli di esposizione più alti. Le

normative indicano che, secondo le conoscenze scientifiche, sotto un certo

valore di soglia l'ʹesposizione ai campi elettromagnetici è sicura.

Sono stati condotti numerosi studi sui potenziali effetti biologici dei campi

magnetici statici, analizzando diversi parametri tra cui l’orientamento delle

33

cellule, la crescita cellulare, l’attività metabolica e l’espressione genica. Nel

complesso, questi studi non forniscono evidenze convincenti di effetti

nocivi per esposizioni a campi magnetici con densità di flusso fino a diversi

tesla. Studi di laboratorio su animali indicano risposte di avversione al

campo, e tendenza ad evitarlo, per intensità di circa 4 T o più; si pensa che

tali risposte abbiano origine nel vestibolo.

Campi superiori a circa 0,1 T inducono potenziali di flusso specialmente nel

cuore e attorno ad esso, nonché in altri grossi vasi sanguigni, ma la loro

rilevanza sanitaria non è chiara, né si sono osservati effetti sulle funzioni

cardiovascolari, sullo sviluppo fetale, sulla cancerogenesi e su altri

parametri, in conseguenza di esposizioni fino a 8 T.

Negli studi di laboratorio sull’uomo non si sono osservati effetti notevoli

sui parametri fisiologici, per esposizioni a campi magnetici fino a 8 T. Vi è

qualche indicazione di effetti sulla coordinazione tra occhi e mani e sulla

sensibilità al contrasto visivo. Campi superiori a 2-‐‑3 T possono provocare

effetti sensoriali temporanei come nausea, vertigini, gusto metallico e

fosfeni, durante il movimento degli occhi o della testa; la sensibilità varia da

individuo a individuo e gli effetti si possono minimizzare o eliminare

muovendosi lentamente attraverso il campo.

Vi sono pochi dati epidemiologici su effetti sanitari a lungo termine in

persone esposte a campi statici, e non c’è nessuno studio su gruppi a

esposizione potenzialmente alta, come gli operatori addetti a risonanza

magnetica.

Ulteriori dettagli possono trovarsi in: “Guidelines on limits of exposure to

static magnetic fields. Health Physics 96(4): 504-‐‑514; 2009.”

In quanto al nostro paese, facente parte dell’Unione Europea, è necessario

considerare anche la legislazione Europea. Il 26 giugno 2013 è stata

pubblicata la Direttiva 2013/35/UE del Parlamento europeo e del Consiglio

34

sulle disposizioni minime di sicurezza e di salute relative all’esposizione dei

lavoratori ai rischi derivanti dagli agenti fisici (campi elettromagnetici). Fa

riferimento alla Direttiva “generale” 89/391/CEE sulla salute e la sicurezza

nei luoghi di lavoro e abroga la direttiva 2004/40/CE.

La direttiva è stata approvata il 20 giugno dal Consiglio dei ministri

dell’occupazione e delle politiche sociali dell’Unione Europea e pubblicata

in Gazzetta Europea L 179 del 29 giugno 2013.

La Direttiva stabilisce prescrizioni minime di protezione dei lavoratori

contro i rischi riguardanti gli effetti biofisici diretti e gli effetti indiretti noti,

provocati a breve termine dai campi elettromagnetici.

Nel testo, inoltre, sono presenti nuovi criteri in merito a:

-‐‑ VLE (valori limite di esposizione), “valori stabiliti sulla base di

considerazioni biofisiche e biologiche, in particolare gli effetti diretti

acuti e a breve termine scientificamente accertati, ossia gli effetti

termici e l’elettrostimolazione dei tessuti”;

-‐‑ VLE relativi agli effetti sanitari, “VLE al di sopra dei quali i

lavoratori potrebbero essere soggetti a effetti nocivi per la salute,

quali il riscaldamento termico o la stimolazione del tessuto nervoso o

muscolare”;

-‐‑ VLE relativi agli effetti sensoriali, “VLE al di sopra dei quali i

lavoratori potrebbero essere soggetti a disturbi temporanei delle

percezioni sensoriali e a modifiche minori delle funzioni cerebrali”.

Gli Stati membri dovranno conformarsi alle disposizioni di tale Direttiva

entro il 1 luglio 2016.

Per quanto riguarda la normativa italiana, è attualmente vigente la

normativa del Titolo VIII, capo IV del DLgs. 81/08 relativa agli agenti fisici

(il rumore, gli ultrasuoni, gli infrasuoni, le vibrazioni meccaniche, i campi

elettromagnetici, le radiazioni ottiche ecc).

35

CAPITOLO 4

Obiettivo della Tesi

L’obiettivo principale di questo lavoro di tesi è quello di misurare la reale

esposizione ai campi magnetici statici del personale operante nel sito RM

durante il turno di lavoro al fine di controllare il rispetto dei limiti previsti

dal D.M.02/08/1991.

Su tale necessità verrà sviluppato e realizzato un dispositivo di rilevazione

ad hoc impiegando componentistica certificata e con adeguate

caratteristiche tecnologiche che al contempo soddisfino le necessita di

spending review della pubblica amministrazione. Il contesto macro

economico impone di prestare la massima attenzione ai costi e alle reali

necessità, il progetto tiene conto di questi aspetti e si propone come un

apparecchio utile, semplice da usare e dal costo produttivo sostenibile.

Lo strumento permetterà di rilevare in ogni istante il valore di campo

magnetico al quale l’operatore si trova esposto nella stanza RM. I dati

saranno memorizzati su un supporto interno di memoria e potranno essere

scaricati a fine turno su un calcolatore per la successiva elaborazione. Il

dispositivo, di piccole dimensioni per poter essere indossato dall’operatore,

dovrà essere compatibile con l’ambiente di RM.

Inoltre verrà sviluppato un software per la gestione, elaborazione e

l’archiviazione dei dati.

Infine, si studierà la stabilità e l’uniformità del sistema di rilevazione

personale e si analizzeranno i dati ricavati da una settimana di controllo

continuo sul personale tecnico.

36

CAPITOLO 5

Materiali e Metodi

Dalla necessità di effettuare delle valutazioni di cui al precedente capitolo

ha origine l’idea dell’implementazione di un modulo capace di effettuare la

trasduzione dell’induzione del campo magnetico in grandezze elettriche ed

effettuarne la conversione analogico/digitale. Oltre a queste funzioni base si

aggiunge il fatto che il modulo deve essere in grado di salvare un numero

elevato di campioni, e che questi possano essere facilmente consultabili a

fine giornata lavorativa.

Il dispositivo hardware che meglio risponde alle esigenze richieste è la

piattaforma open-‐‑source Arduino, sulla quale è montato un

microcontrollore ATmel ATmega328P: esso fornisce convertitori

analogico/digitali integrati a 10 bit di risoluzione, numerose periferiche

programmabili e porte di I/O tramite le quali è possibile dialogare con

periferiche esterne, come la scheda di memoria SD dedicata al salvataggio

dei dati e un display LCD su cui visualizzare informazioni utili. Arduino

integra inoltre la possibilità di collegarsi ad un PC tramite porta USB, e

questo permette di rendere facilmente disponibili i dati campionati dal

microcontrollore.

La scelta dei sensori ha portato ad un prodotto della Allegro Microsystems,

precisamente al modello A1301 e A1302.

Infine si è deciso di utilizzare una shield per leggere la scheda di memoria

SD su Arduino, un modulo di sviluppo e prototipazione open-‐‑source basato

su microcontrollore, per la presenza di un apposito slot per la scheda di

memoria e per la semplicità di programmazione.

37

5.1. Arduino

Il nome Arduino deriva dal nome di un bar di Ivrea (che richiama a sua

volta il nome di Arduino d'ʹIvrea, primo re d'ʹItalia dal 1002 al 1014)

frequentato da alcuni dei fondatori del progetto.

Arduino è una piattaforma open-‐‑source, basata su risorse hardware e

software flessibili e di facile utilizzo. Pertanto tutte le informazioni

sull'ʹhardware e i progetti relativi sono reperibili in rete in modo che ognuno

possa creare la propria copia o una versione modificata in base alle

esigenze. É pensata per gli utenti con poca esperienza nel mondo di

elettronica e di programmazione, infatti, grazie alla ricca documentazione e

alle numerose librerie permette di prendere confidenza con questi

strumenti con estrema facilità; il tutto è reso ancora più agevole dai costi

molto accessibili e dalla licenza open-‐‑source.

Fig. 5 -‐‑ Scheda Arduino UNO

Per l'ʹapplicazione descritta in questa tesi è stato utilizzato Arduino UNO.

La scheda monta un microcontrollore (MCU -‐‑ MicroController Unit) ATmel

ATmega328. È il nucleo centrale di tutto il sistema ed ha una velocità di

16MHz, una memoria flash da 32KB per la programmazione, una SRAM da

2KB e una memoria EEPROM da 1KB.

Specifiche tecniche:

38

Microcontrollore: ATmega328

Numero di Input/Output digitali: 14 (di cui 6 output PWM)

Numero di Input Analogici: 6

Memoria: 32KB; 2KB SRAM; 1KB EEPROM Velocità di Clock: 16MHz

Link alla pagina ufficiale: http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno

La scheda possiede 14 pin digitali programmabili di input/output e 6 input

per l’acquisizione ed elaborazione di segnali analogici.

È presente inoltre un altro chip AtMega16U2, programmato come

convertitore USB-‐‑Seriale. Grazie a questo chip l’Arduino connesso ad un

computer tramite USB può essere immediatamente riconosciuto come

periferica senza configurazioni particolari.

La scheda funziona con una tensione in ingresso di 5V che può essere

fornita o direttamente dalla connessione USB o tramite un connettore per

l’alimentazione diretta con una tensione in ingresso che può arrivare fino a

9V. In caso siano collegati sia il cavo USB sia il connettore di alimentazione,

la scheda è capace di scegliere automaticamente la fonte di alimentazione

esterna.

Arduino si può estendere attraverso le cosiddette “shield”, schede plug-‐‑in

aggiuntive che si possono montare sui pin della scheda principale per

ampliarne le funzionalità.

All’hardware presente sulla scheda viene affiancato un ambiente di

sviluppo integrato (IDE -‐‑ Integrated Development Envinronment)

multipiattaforma, che rende possibile la scrittura di programmi (più

correttamente firmware) in maniera facilitata grazie all’uso di una vasta

collezione di librerie. (Figura 6)

39

Fig. 6 -‐‑ Interfaccia con cui sviluppare il software per Arduino

Il linguaggio di programmazione per questo ambiente di sviluppo viene

chiamato Wiring, ed è una derivazione dei più famosi C e C++.

5.2. Descrizione hardware

La soluzione prevista per questo progetto consiste nella realizzazione di un

dispositivo con le schede applicative plug-‐‑in, note come “shields” Arduino,

dove viene implementato un programma capace di fornire tutte le

caratteristiche necessarie al modulo datalogger. L’hardware che verrà

presentato è l’insieme dei componenti utilizzati nella realizzazione del

modulo che provvede a soddisfare le esigenze sopracitate; lo schema a

blocchi è rappresentato in Figura 7.

40

Fig. 7 -‐‑ Schema a blocchi

Le funzionalità della piattaforma si possono estendere in maniera semplice

grazie all’utilizzo delle “shield”, moduli compatibili con il modello di

Arduino UNO. Così come Arduino, le “shield“ sono hardware open source e

possono essere utilizzate in contemporanea sulla stessa scheda,

impilandone una sull’altra, detto in gergo “a panettone”.

Per il nostro prototipo abbiamo bisogno dei seguenti componenti:

-‐ Scheda Arduino UNO

-‐ 1 monitor LCD 16x2

-‐ 1 sensore di campo magnetico ad effetto Hall

-‐ 2 diodi a led (uno rosso ed uno verde)

-‐ 1 LCD shield

-‐ 1 Datalogging shield by Adafruit

-‐ Pila a 9V

-‐ Cavi di collegamento

Per quanto riguarda le dimensioni fisiche del nostro rilevatore personale la

massima lunghezza, compreso tutto il modulo e l’estensione per la pila di

41

alimentazione, è di 11cm mentre l’altezza può variare in base a quali e

quante “shield” decidiamo di lasciare. Considerando che il dispositivo

debba essere pratico e di dimensioni portabili con un peso adeguato,

abbiamo deciso di togliere la LCD shield nel progetto finale. In quanto per

l’operatore non è indispensabile sapere il valore istantaneo del campo

magnetico statico, ma la misura dell’esposizione totale giornaliera e/o

mensile. Riduciamo di conseguenza l’altezza del dispositivo a 3,4cm.

Di seguito la descrizione in breve dei componenti principali:

-‐ LCD shield: permette ad un scheda Arduino di visualizzare

informazioni su un display LCD con scritta bianca e

retroilluminazione blu. Grazie alla presenza dei 5 pulsanti è possibile

implementare progetti con menù di controllo visualizzati sul display

LCD e la cui gestione avviene tramite la pressione dei 5 pulsanti,

ciascuno dei quali numerato da 1 a 5. A completare la dotazione

della scheda sono presenti un trimmer per la regolazione del

contrasto del display ed un pulsante per il reset della scheda

Arduino sottostante. La scheda è completa dei connettori ufficiali per

shield Arduino, in modo da rendere possibile l’accesso ai rimanenti

segnali Arduino non utilizzati da questa shield.

Per le misurazioni sperimentali la scelta è quasi obbligata su questa

shield per la necessita di visualizzare le risposte nel tempo reale del

sensore di campo magnetico.

-‐ Sensore di campo magnetico: Un aspetto fondamentale è la

rilevazione vera e propria del campo. Per poter misurare il campo

magnetico statico serve un sensore ad effetto Hall. Un campo

magnetico causa una deviazione dal loro percorso degli elettroni,

determinando una differenza di potenziale in un conduttore, questo

effetto è chiamato effetto Hall. Il sensore riporta un valore di

42

tensione proporzionale al campo magnetico.

La scelta cade su un prodotto della Allegro MicroSystems, sensore

lineare A1301 o A1302 ad effetto Hall. Essi sono ottimizzati per

fornire con precisione una tensione di uscita proporzionale al campo

magnetico applicato. Se non è applicato nessun campo magnetico, il

sensore darà il valore 2,5V in uscita, assumendo che la tensione

d’ingresso è di 5V. Il valore oscillerà tra 0V e 5V secondo la polarità

magnetica, con una velocita di 2,5 mV/Gauss per A1301, e 1,3

mV/Gauss per sensore A1302. La risoluzione massima del sensore

A1302 risulta maggiore, per tale motivo si è scelto di effettuare le

misurazioni sperimentali con quest’ultimo.

Prima di misurare direttamente il campo magnetico, è necessario

trovare la tensione d’uscita del trasduttore quando non è vicino al

magnete in modo da calibrare la misurazione.1 Utilizzeremo il valore

ottenuto (NOFIELD) per compensare il valore in uscita durante la

misurazione in presenza di magnete (raw). La compensazione è

effettuata applicando la semplice formula:

compensated = raw− NOFIELD ( 4 )

Leggeremo il valore in uscita utilizzando uno degli ingressi analogici

di Arduino e la funzione analogRead(). Tale funzione restituisce un

valore tra 0 (0V) e 1023(5V) ovvero 0,0049V per ogni incremento. La

formula per convertire i valori(units) della funzione analogRead() in

Gauss è quindi:

G =0,0049•compensated

0,0013= 3, 77•compensated

( 5 )

1 Vedere lo sketch nel listato n°3 “Test sensore” in appendice

43

Per comodità i valori in Gauss verranno trasformati in milliTesla. 10

Gauss = 1 mTesla.

Fig. 8 – Sensore ad effetto Hall A1302

-‐ Datalogging shield: con un’unica shield si integra sia il circuito RTC

(Real Time Clock) sia la scrittura su SD card, risparmiando una

shield che incide in termini di dimensioni del prodotto finale.

L’Adafruit ha inoltre predisposto una piccola parte formata da

basetta millefori in cui si possono collegare componenti esterni come

i sensori, i diodi a led e le resistenze risparmiando anche la

protoshield.

In quanto la datalogging ha sia la componente RTC sia quella SD

Card che possono essere utilizzate separatamente, il primo test da

effettuare è su entrambe le componenti in modo da verificare il loro

funzionamento indipendentemente l’una dall’altra. 2

Le schede di memoria Secure Digital, o SD, sono nate per consentire

a una serie di dispositivi di avere a disposizione delle memorie

intercambiabili, permanenti e a basso costo. È importante notare che

2 Vedere lo sketch nel listato n°1 “Test e configurazione RTC” e listato n°2 “Test Scheda SD” in appendice

44

le memorie Flash, così come la memoria di programma del nostro

Arduino, hanno un numero limitato di cicli di cancellazione/scrittura

e non sono quindi da considerare come qualcosa da usare in modo

permanente.

Fig. 9 -‐ Datalogging shield di Adafruit

L’interfaccia per SD card funziona con schede formattate con file

system FAT16 e FAT32 e un apposito circuito traslatore previene i

danni alla scheda.

Per quanto riguarda la componente RTC , essa consente di avere un

orologio preciso di sistema, sgravando la CPU dal calcolo e dalla

gestione dei dati orari e liberando spazio nella memoria di

programma.

-‐ Diodi a led: la scelta di usare due diodi led, uno rosso e uno verde, è

apparsa necessaria nel momento in cui si è deciso di monitorare la

scrittura sulla scheda di memoria. Led rosso si accende ogni volta

45

che si effettua la scrittura sulla scheda (ogni secondo). Led verde

indica il buon funzionamento della scheda di memoria.

5.3. Descrizione software

5.3.1. Ambiente di sviluppo Arduino

Abbiamo a disposizione una piattaforma di sviluppo (nome tecnico: IDE,

Integrated Development Environment) che permette di scrivere il codice

attraverso il quale verranno impartite al microcontrollore gli “ordini” da

eseguire e le risposte da fornire ad un dato stimolo dell’ambiente.

Arduino nasce dal progetto Wiring e di quel progetto non solo ha preso “in

prestito” gli intenti ma anche gli strumenti, in particolare il software

dell’IDE, che è, nella sua forma attuale, una derivazione diretta dell’IDE di

Wiring.

È un'ʹapplicazione sviluppata in Java, derivante da quella creata per il

linguaggio di programmazione Processing. L'ʹIDE è anche multipiattaforma

infatti, può essere utilizzato su Windows, Linus e Mac OS-‐‑X. Questo

ambiente di sviluppo è stato concepito per utilizzatori a digiuno dallo

sviluppo software quindi semplice ed intuitivo.

Per semplificare la stesura del codice, l’editor di testo, incluso all’interno

dell’IDE, integra il controllo delle parentesi, la formattazione automatica e il

syntax highlighting, il quale visualizza il testo con differenti colori e font in

base alle regole sintattiche del linguaggio di programmazione. Grazie a

questo editor è possibile inoltre compilare ed eseguire il programma creato,

senza l’utilizzo della riga di comando o di programmi esterni.

L’ambiente di sviluppo include una libreria scritta in C che rende molto

semplice l’implementazione delle operazioni input/output. All’utente,

infatti, viene richiesto di definire due sole funzioni, una

chiamata setup() che stabilisce quali sono le funzioni dei pin utilizzati dal

46

“dispositivo interattivo” e l’altra, chiamata loop(), che invece contiene i

veri e propri “comandi” e verrà eseguita in continuazione dal

microcontrollore.

Per la realizzazione del nostro progetto è stata utilizzata la versione 1.6.3

dell’ambiente di sviluppo.

Fig. 10 – Menu principale dell’ambiente di sviluppo Arduino 1.6.3

I bottoni presenti nella barra degli strumenti da sinistra a destra, illustrati in

figura 10, offrono un rapido accesso alle operazioni di base, quali:

-‐ Verifica: compila il programma per la verifica degli errori;

-‐ Carica: compila e carica il programma sulla scheda Arduino;

-‐ Nuovo: apre un nuovo file vuoto;

-‐ Apri: apre un file esistente;

-‐ Salva: salva il file corrente;

-‐ Monitor seriale: apre una schermata della porta seriale (un tool che

viene usato per leggere in diretta i dati che Arduino invia tramite

seriale, se è programmato per farlo);

47

5.3.2. Librerie utilizzate

Sul sito ufficiale di Arduino è presente una utile reference3 che raccoglie tutte

le strutture, le variabili, le costanti e le funzioni che si possono utilizzare per

programmare la scheda di prototipazione. Per ciascuna di esse sono

presenti esempi di implementazione.

Il software di Arduino include inoltre una serie di Librerie che permettono

di estendere rapidamente il codice e forniscono funzionalità aggiuntive

rapidamente implementabili. Dal menu di Arduino si può selezionare una

delle librerie che verrà aggiunta in automatico allo sketch aperto con un

comando del tipo #include <nomelibreria.h>.

Le librerie già incluse nel software di Arduino permettono di sfruttare

alcune funzioni specifiche del microcontrollore (ad esempio la

memorizzazione di dati nella EEPROM) o forniscono il set di comandi

necessari ad interfacciare Arduino con una delle shield ufficiali.

Di seguito verranno analizzate le librerie impiegate nella realizzazione del

software per il dispositivo di rilevazione.

Una caratteristica indispensabile per il progetto è la possibilità di espandere

Arduino tramite l’uso di shield. La maggior parte di queste schede

aggiuntive sono però progettate per compiere una funzione specifica, non

programmabile. Esistono alcuni metodi che permettono di comunicare con

altri dispositivi utilizzando come canale di trasmissione dati i protocolli

seriali (I2C, SPI o RS 232).

Questo rende possibile demandare ad una scheda slave funzioni di

elaborazione laboriose, che non si vogliono far eseguire alla scheda master.

La Libreria Wire dispone di tutte le funzioni necessarie alla realizzazione

Master-‐‑Slave tra due schede Arduino. Essa nasce proprio per la gestione di

3 http://arduino.cc/en/Reference/HomePage

48

tutti quei dispositivi elettronici che sono stati sviluppati con la

tecnologia I2C per comunicare su due soli fili con altri dispositivi digitali.

Lo scopo è quello di ridurre la complessità del cablaggio per il collegamento

fra dispositivi digitali e, nello specifico, fra dispositivi master come un

microcontrollore, e dispositivi slave come sensori di pressione, memorie EE-‐‑

PROM, sensori di campi magnetici, orologi in tempo reale e molto altro. La

libreria permette di far assumere ad Arduino il ruolo di Master o Slave, di

stabilire la comunicazione per il trasferimento di dati e di gestire il flusso

della comunicazione stessa. Questa libreria eredita alcune funzioni dalle

altre librerie che gestiscono flussi dati in lettura e scrittura, sono state

modificate le istruzioni di lettura e scrittura che cambiano da send e receive a

write e read. Il numero di bit gestiti per gli indirizzi dalla libreria sono sette,

con l’ottavo che è utilizzato per definire se l’operazione è in lettura o

scrittura. Nel caso lo sketch usi indirizzi con l’ottavo bit valorizzato, questo

sarà scaricato dalla libreria.

Per il progetto abbiamo l’esigenza di avere un dispositivo che permette di

tenere traccia del tempo e della data, poiché a fine turno di lavoro è

richiesto il recupero delle informazioni raccolte. Avere un circuito che

garantisca, anche in mancanza di alimentazione, un riferimento temporale

sicuro è fondamentale.

Il modulo utilizzato è RTC basato sull’integrato DS1307. Le sue

caratteristiche tecniche sono le seguenti

Caratteristiche Conteggio in secondi, minuti, ore, giorno della

settimana, giorno del mese, mese, anno.

Interfaccia Bus I2C

RAM 56 byte aggiuntivi di memoria utente

Tabella IV – Caratteristiche tecniche DS1307

49

La libreria RTClib, sviluppata da JeeLab, permette di rilevare ed impostare

la data e l’ora attuale del RTC.

Un’altra libreria importante è la Libreria SPI: SPI sta per Serial Peripheral

Interface ed è un protocollo seriale sincrono, utilizzato dai microcontrollori

per comunicare rapidamente con uno o più dispositivi periferici a breve

distanza. Può anche essere utilizzato per la comunicazione tra due

microcontrollori. Per questa applicazione la libreria SPI serve a far

comunicare il microcontrollore con la scheda SD, e verrà utilizzato dalla

libreria SD quindi non direttamente nel codice.

La Libreria SD definisce due classi diverse, ciascuna delle quali mette a

disposizione delle funzioni dedicate ai due principali aspetti

dell’interazione con la memoria, ovvero la classe SD per accedere alla

scheda e manipolare i suoi file e le cartelle e la classe File dedicata alla

lettura e alla scrittura dei dati all’interno di un file. Il fatto che le due classi

siano separate permette di operare nel modo corretto, usando la classe SD

per aprire uno o più file e la classe File per operare su ciascuno di essi. Il

limite da tener presente: la libreria può gestire un solo file aperto alla volta.

L’ultima è la Libreria LiquidCrystal, già presente tra le librerie standard,

consente ad Arduino di controllare il display LCD. La libreria prevede la

creazione di un’istanza della classe LiquidCrystal, specificando anche i pin

digitali di Arduino seguendo uno ordine preciso, ma flessibile, per

consentire di cablare il display nel modo più comodo ed efficace.

5.3.3. Presentazione codice

In questo paragrafo verrà fatta la breve descrizione del codice scritto4 per

Arduino, in modo da poter comprendere i passaggi logici delle funzioni

basi del nostro prototipo.

4 Vedere lo sketch nel listato n°4 in appendice

50

Funzione setup(), come detto nel capitolo 5.3.1., è una funzione che viene

invocata una volta all’avvio della scheda Arduino, per questo motivo

all’interno di questa funzione vengono impostati i pinMode e inizializzata

la comunicazione seriale.

All’accensione del dispositivo si ha il bisogno di alcuni controlli preliminari,

quali verifica del funzionamento del RTC e inizializzazione della scheda

SD. Quest’ultimo serve a far capire all’utente, tramite il led verde

lampeggiante, se persiste un problema con la lettura e/o scrittura della

scheda SD, può semplicemente indicare il mancato inserimento della

scheda di memoria nell’apposito slot.

Nella funzione loop(), che verrà chiamata ripetutamente, si legge ogni

secondo il campo magnetico statico dai sensori, richiamando la funzione

analogRead() sul pin A1 per il sensore A1301 e sul pin A2 per il sensore

A1302. Vengono poi adattati i dati di lettura tramite calcoli, descritti nel

paragrafo 5.2.

Infinte dopo ogni lettura, i dati vengono scritti su di un file chiamato

“cms.txt”, richiamando la funzione SD.open(“cms.txt”, FILE_WRITE).

5.4. Sito di risonanza magnetica nel reparto di Neuroradiologia

all’Ospedale Maggiore Policlinico di Milano

Il cuore del sito RM è costituito da più sale magnete in cui sono posizionati i

sistemi RM. In ambito ospedaliero, il sito RM non coincide con le sale

magnete in cui si trovano i tomografi RM ma è costituito da diversi locali

necessari sia per la preparazione del paziente e per la gestione delle

emergenze sia per il funzionamento stesso dei sistemi RM e per l’effettivo

svolgimento dell’esame (Figura. 8).

51

Fig. 11-‐‑ Sito di RM dell'ʹOspedale Maggiore Policlinico di Milano. Padiglione Monteggia.

Tutto il sito è considerato “Zona ad accesso controllato” e al suo interno

sono previsti:

-‐‑ la sala comandi in cui si trovano le consolle RM

-‐‑ le sale magnete

-‐‑ i locali tecnici

-‐‑ gli spogliatoi e i locali WC

-‐‑ gli studi refertazione

-‐‑ studio funzionale

-‐‑ deposito

All’interno della “Zona ad accesso controllato” solo la sala magnete ed il

locale tecnico risultano interessati da campi magnetici dispersi superiori a

0,5 mT (5 Gauss). Tutti gli altri locali sono interessati da campi con intensità

inferiore a 0,5 mT ma, in alcune zone, superiori a 0,1 mT, pertanto sono da

considerarsi “Zona di rispetto”.

La sala d’attesa e l’accettazione amministrativa, sono invece previsti al di

fuori della “Zona ad accesso controllato” per garantire la massima sicurezza

nella gestione dei pazienti e degli eventuali accompagnatori.

52

Il personale che opera nel sito RM è costituito da diverse figure

professionali: Tecnici Sanitari di Radiologia Medica (TSRM), Medici

Radiologi, Infermieri Professionali, Ausiliari Socio-‐‑Sanitari (ASS) e Fisici

Medici.

I sistemi RM-‐‑Imaging presenti nel sito dell’Ospedale Maggiore Policlinico

nel reparto di Neuroradiologia e illustrati in Figura 8 sono un Philips

ACHIEVA da 1,5 Tesla (15.000 Gauss) Nova dual e un Philips ACHIEVA a

3,0 Tesla X-‐‑series. Tutti e due i sistemi hanno il magnete superconduttivo ed

è pertanto presente un sistema di refrigeramento ad elio liquido.

Analizzando le linee isomagnetiche, in aria libera, relative ai campi

magnetici statici dispersi, nelle zone circostanti l’installazione si hanno le

situazioni di seguito descritte.

Sul piano orizzontale: la curva isomagnetica di 0,5 mT, in aria libera, è

completamente contenuta nella Zona ad accesso controllato. La zona

esterna con cui confina longitudinalmente la sala magnete è da considerarsi

di terrapieno.

Sul piano verticale: non sussistono problemi per la zona sottostante poiché

la sala magnete giace su terrapieno. L’area sovrastante è attualmente

occupata da depositi. Poiché, in aria libera, tali locali risulterebbero

interessati da campi magnetici dispersi dell’ordine di 0,1 mT, è stata

provvista la messa in opera di una schermatura passiva in corrispondenza

del soffitto della sala magnete.

5.5. Misurazione all’operatore

Nel nostro lavoro con l’ausilio del prototipo costruito è stato possibile

misurare i valori di intensità di campo ai quali sono sottoposti gli operatori

sanitari che svolgono il loro turno lavorativo in risonanza magnetica

durante l’esecuzione di diverse tipologie di esami, nello specifico encefalo e

53

rachide lombo-‐‑sacrale.

Prima di tutto, al fine di validare i risultati del monitoraggio sugli operatori,

si sono effettuate misure ripetute di campo magnetico in posizioni fisse e si

è valutata la stabilità e l’uniformità della risposta del prototipo. È

importante che l’apparecchio risponda in modo coerente ad un fissato

valore di campo magnetico: se ciò non si dovesse verificare questo sarebbe

indice di un malfunzionamento del sensore ad effetto Hall.

Per l’analisi della stabilità e dell’uniformità della risposta del sistema, si

sono inizialmente effettuate misure ripetute del campo magnetico statico in

4 posizioni fisse nella sala magnete da 1,5 T. Ci siamo limitati alla sala

magnete da 1,5T in quanto al momento delle misure sperimentali sulla

macchina da 3T veniva effettuata la manutenzione in seguito al quench.

Unità di rilevazione una volta posta in posizione, ha monitorato il campo

magnetico per un tempo pari a 30 secondi, sufficiente a registrare 30 valori:

di questi si è considerato il valore medio. Questa procedura è stata ripetuta

per cinque volte ottenendo quindi cinque valori medi di campo magnetico

in ogni posizione. Da questi si è calcolato il campo magnetico medio Bm sui

cinque set di misure.

Nella Tabella V sono riportati i risultati ottenuti: A150, B120, C100 e D55 sono

rispettivamente le posizioni a 150 cm, 120 cm, 100 cm e 55 cm dal gantry sul

lettino della Philips ACHIEVA da 1,5 Tesla.

A150

[mT] B120

[mT] C100

[mT] D55

[mT]

1 7,5 19,5 37,47 174,71

2 7,5 19,87 38,99 175,02

3 7,88 20,62 39,59 177,28

54

4 7,84 19,87 38,32 179,09

5 7,88 20,22 38,63 178,02

Tabella V -‐‑ Misure di campo magnetico 1,5 T

Per garantire la ripetibilità del posizionamento, è stato utilizzato un

semplice metro da sarto. Il prototipo è stato posizionato in piano, sul lettino

del sistema RM, utilizzando come riferimento la bobina head ed il laser per

la centratura presente sul tomografo.

Fig. 12 -‐ Posizionamento rilevatore

Con il termine uniformità della risposta si indica la capacità di un sistema

di dare la medesima risposta per una serie di stimoli equivalenti.

Per verificare questa caratteristica si è calcolata la media dei valori di campo

magnetico registrati reiteratamente alla stessa distanza Bm e si è ricavato lo

scarto percentuale dalla media del valore minimo misurato e di quello

massimo (Tabella VI).

55

Wmin = (Bm-Bmin)•100Bm

( 6 )

Wmax = (Bmax−Bm)•100Bm

( 7 )

Bm [mT]

Bmin [mT]

Wmin [%]

Bmax [mT]

Wmax [%]

ERσ [%]

A150 7,72 7,1 2,84 7,88 2,07 0,18

B120 20,01 19 2,57 19,87 3,01 0,37

C100 38,60 37 3,88 39,75 2,97 0,74

D55 178,73 166,5 7,40 186,75 3,85 2,36

Tabella VI

Dalla Tabella VI risulta che l’uniformità della risposta del dispositivo è

verificata entro il 8% del campo magnetico misurato.

Lo scarto percentuale aumenta molto nella posizione D55, in quanto il

campo magnetico statico è decisamente più alto, il dispositivo viene

maggiormente attirato dal magnete e pertanto ogni minimo movimento del

dispositivo equivale a un importante scostamento di misura.

Per valutare la stabilità, e quindi quantificare la variazione nel tempo della

risposta di un sistema al medesimo stimolo, si è considerata la deviazione

standard σ e il relativo valore medio Bm, e si è ricavato l’errore relativo ERσ

percentuale corrispondente ad ogni valore di campo magnetico. Esso risulta

sempre minore al 3% della misura.

Dopo queste valutazioni preliminari si è proceduto con l’analisi

dell’esposizione al campo magnetico statico degli operatori durante la

pratica clinica.

I tipi di esami che si è scelto di monitorare sono: RM encefalo e RM rachide

56

lombo-‐‑sacrale.

Per comodità dell’operatore, tutto il modulo è stato racchiuso dentro una

scatola di plastica di spessore di 0,2 cm circa, in modo da evitare di

impigliarsi dentro la tasca della divisa e di danneggiare il circuito. Per

verificare se la scatola alteri la rilevazione del campo magnetico da parte

del sensore sono state effettuate delle misure nelle modalità simili a quelle

descritte nella verifica di stabilità e dell’uniformità, ma con il modulo

chiuso. Le misure hanno dimostrato un decremento del campo di induzione

del 3,5% rispetto alle letture effettuate a circuito aperto.

In ogni caso secondo la formula n°5 descritta nel paragrafo 5.2. si evince che

il valore massimo ottenibile dal sensore ad effetto Hall A1302 è di 1911,39

Gauss, valore che corrisponde a 191,13 mT. Valore decisamente basso per

un campo magnetico di 1,5 T. Tuttavia osservando la tabella VI si nota che

neppure alla distanza di 55 cm dal gantry, distanza verosimilmente

attribuibile alla posizione del operatore durante la centratura del paziente,

si arriva al valore di saturazione. Pertanto si è deciso, cautelativamente, di

attribuire il valore massimo del campo magnetico statico (1500 mT) nel caso

dovesse capitare di ottenere il valore di 191,13 mT. Perché ciò

significherebbe che il sensore si è avvicinato al gantry fino a saturazione ed

è pertanto giusto considerare che l’operatore in quel caso sia stato esposto

all’intensità di campo magnetico superiore a 200 mT.

57

CAPITOLO 6

Risultati Nella tabella VII sono riportate le misure dei tempi medi di permanenza (s)

degli operatori per varie tipologie di attività, ricavati dai dati delle

misurazioni effettuate nei 5 giorni lavorativi.

Tipo di attività Encefalo Rachide LS

Posizionamento 90 s 60 s

Centratura 6 s 15 s

Dimissione 45 s 30 s

Totale 141 s 105 s

Tabella VII -‐ Tempi medi di permanenza nella sala RM

Si nota chiaramente come siano variabili i valori dei tempi di esposizione

durante l’esecuzione degli esami.

Considerando i limiti di legge già citati sopra, la durata massima

dell’esposizione ad un campo magnetico >200 mT è di 1 ora al giorno.

Ipotizziamo un numero di esami pari a 20 esami al dì otteniamo un tempo

di esposizione di 3 minuti/esame, tempi effettivamente prossimi a quelli

reali necessari al posizionamento del paziente.

Nelle Figure 13, 14, 15 e 16 Sono illustrati i grafici dell’andamento del

campo magnetico in funzione del tempo per ciascuna attività monitorata.

Confrontando i due grafici di posizionamento paziente per esame RM

Encefalo e Rachide LS si evince che il tempo necessario per l’esame Encefalo

è maggiore, questo è dovuto al cambio bobina head e il posizionamento del

58

paziente. I picchi massimi però sono inferiori, nei primi 40 secondi

caratterizzano i movimenti dell’operatore nella sala RM durante il cambio

bobina, dal cinquantesimo secondo circa l’operatore si avvicina

notevolmente al gantry per posizionare il paziente e centrare la bobina con

il laser luminoso.

Fig. 13 -‐ Esposizione durante posizionamento del paziente per esame di encefalo

Fig. 14 -‐ Esposizione durante posizionamento del paziente per esame di rachide LS

59

Fig. 15 -‐ Esposizione durante dimissione del paziente dopo un esame encefalo

Fig. 16 -‐ Esposizione durante dimissione del paziente dopo un esame rachide LS

Come mostrano i grafici durante l’esecuzione degli esami il TSRM è

sottoposto a forze di campo variabili e dipendenti da fattori poco

costanti. La distanza e la posizione che l’operatore occupa all’interno della

sala magnete, e il tempo di permanenza in essa, dipendono dal tipo di

paziente (collaborante, deambulante, claustrofobico, ansioso ecc.), dal tipo

60

di esame da eseguire e dalle conoscenze del paziente inerenti all’esame.

Per questi motivi le misure sopra indicate sono riferite ad esami effettuati

su pazienti “ideali”, pertanto i tempi e l’esposizione al campo magnetico

statico possono variare se effettuate in altre condizioni.

61

CAPITOLO 7

Conclusioni Dal mio punto di vista il prototipo del dosimetro personale così sviluppato

non è un punto di arrivo ma fornisce una base efficace per sviluppare e

progettare un apparecchio ulteriormente perfezionato. È infatti ancora

possibile migliorare il progetto partendo innanzitutto dalla sostituzione del

sensore A1302 con uno più sensibile a campi magnetici statici elevati.

Risolto il problema del fondo scala si può implementare nuove funzionalità

al framework, come ad esempio la connessione Wi-‐‑Fi, introducendo così

l’oggetto nell’ambiente di Internet Of Things. Un ulteriore possibile sviluppo

potrebbe prevedere di aggiungere altri due sensori ad effetto Hall a 90°

nelle direzioni cartesiane ed associare eventualmente un giroscopio per

semplificare la misura, ricavando l’esatta posizione dell’operatore nella sala

magnete.

L’assemblaggio fisico ha richiesto una notevole quantità di tempo, per

diverse ragioni: prima fra tutte, l’affacciarsi a un nuovo mondo di

elettronica immerso in quello di elettromagnetismo.

Nonostante numerosi imprevisti, una volta entrati nell’ottica corretta e

avendo un’adeguata visione d’insieme si riesce a gestire tutti i dettagli.

Questo progetto ha permesso di monitorare l’esposizione degli operatori al

campo magnetico statico, mediante un controllo continuo durante la

giornata lavorativa.

Il primo passo è stato studiare la stabilità e l’uniformità della risposta del

sensore. Il dispositivo ha una stabilità superiore al 98% nel range tra 100 mT

– 1500 mT e l’uniformità risulta migliore del 92%.

I risultati delle prove condotte sugli operatori durante l’esecuzione degli

62

esami clinici hanno evidenziato che gli operatori, quando si trovano

all’interno della sala magnete, trascorrono la maggior parte del tempo in

punti della sala caratterizzati da bassi valori di campo magnetico,

rispettando di conseguenza i limiti di esposizione al campo magnetico

statico contenuti negli allegati 1 e 4 del D.M. 02/08/91.

Nonostante ciò è importante adottare delle manovre che possono ridurre

ulteriormente l’esposizione del personale tecnico al campo magnetico

statico. La prima strategia da attuare è quella di permanere all’interno della

sala magnete minor tempo possibile svolgendo fuori dalla sala magnete

tutte le operazioni che non necessitano della presenza del paziente

all’interno della sala, e quindi anche dell’operatore.

All’interno della sala magnete il tecnico dovrebbe mantenere la maggiore

distanza possibile dal magnete, compatibilmente con le attività da svolgere.

Ultimo accorgimento, ma non meno importante, tutte le operazioni di

centratura del paziente e di posizionamento delle bobine possono essere

effettuate distendendo al massimo le braccia in modo da allontanare la testa

e il tronco dal centro del magnete, risparmiando l’esposizione di

quest’ultime a scapito degli arti.

Osservando questi piccoli accorgimenti, che dovrebbero far parte delle

abitudini quotidiane di tutti i tecnici di radiologia che svolgono la loro

attività nella diagnostica di risonanza magnetica, si otterrebbe un

importante risparmio di esposizione.

63

Ringraziamenti Nel concludere il mio percorso di formazione accademica il mio pensiero va

a tutti coloro che – in modi e misure diverse – lo hanno reso possibile,

sostenendomi in ogni momento.

È doveroso da parte mia ringraziare il Prof. Biffi, per avermi dato la

possibilità di affrontare un progetto stimolante e per avermi indicato

sempre la giusta soluzione ai problemi che si sono presentati.

Ringrazio tutti i tecnici di radiologia, infermieri e dottori, per la loro

preziosa collaborazione e la costante pazienza durante tutto il periodo di

tesi.

Un grazie speciale è destinato a mio marito Massimo, perché mi è sempre

stato vicino, aiutandomi e confortandomi nei momenti difficili.

Infine ringrazio tutta la mia famiglia, per il sostegno morale durante questi

tre anni.

64

Bibliografia (sitografia) [1] Cei, L. (2011). Tecniche di Tomografia Computerizzata e di Risonanza Magnetica. Roma: Società Editrice Universo. [2] http://www.cis.rit.edu/htbooks/mri/inside.htm [3] Gruppo di lavoro in Risonanza Magnetica. (2004). Raccomandazioni per l’assicurazione della qualità in risonanza magnetica. Report AIFM N°2. [4] http://www.chrisruckman.com/ancfaq2.htm [5] http://www.ispesl.it/linee_guida/comparto_o_settore/2009LG-‐‑RdS-‐‑RM.pdf [6] Decreto Ministeriale 02/08/91, Autorizzazione all’installazione e all’uso di apparecchiature diagnostiche a risonanza magnetica (http://www.gazzettaufficiale.it/) [7] Mazzucato, F. (2009). ANATOMIA RADIOLOGICA Tecniche e metodologie in radiodiagnostica (Terza edizione ed., Vol. 3). Padova: PICCIN. [8] Campurra, G. (2008). Il rischio da campi elettromagnetici negli ambienti di lavoro. (Testo unico sicurezza del lavoro). [9] Vanzulli, A., & Torricelli , P. (2013). Manuale di RM per TSRM. Vermezzo, Milano: POLETTO EDITORE srl. [10] Michele Menniti (2014) Arduino e le tecniche di programmazione dei microcontrollori ATMEL. Progettazione e realizzazione di circuiti in stand-‐‑alone. Futura Group srl. [11] Mazzoldi, P., Nigro, M., Voci, C. (2005). Elementi di Fisica – Elettromagnetismo – II edizione. Napoli: Edises s.r.l. [12] http://www.icnirp.org/en/publications/index.html [13] Farrag, S.I.: “A Numerical Computational Method of MRI Static Magnetic Field for an Ergonomic Facility Design Guidelines” (Biomed. Eng. Dept., Modern Univ. for Technol. & Inf., Cairo, Egypt) [14] Philip Chadwick: “Assessment of electromagnetic fields around magnetic resonance imaging (MRI) equipment.” (2007, London)

65

Appendice /* *** versione 0.8 Ardu1 con LCD *** *** by rickysax e mvictoria *** ** 6 luglio 2015 ** ***** Test e configurazione della Real Time Clock **** */ // Date and time functions using a DS1307 RTC connected via I2C and Wire lib #include <Wire.h> #include "ʺRTClib.h"ʺ RTC_DS1307 RTC; void setup () { Serial.begin(9600); Wire.begin(); RTC.begin(); if (! RTC.isrunning()) { Serial.println("ʺRTC is NOT running!"ʺ); // following line sets the RTC to the date & time this sketch was compiled // uncomment it & upload to set the time, date and start run the RTC! //RTC.adjust(DateTime(__DATE__, __TIME__)); } } void loop () { DateTime now = RTC.now(); Serial.print(now.year(), DEC); Serial.print('ʹ/'ʹ); Serial.print(now.month(), DEC); Serial.print('ʹ/'ʹ); Serial.print(now.day(), DEC); Serial.print('ʹ 'ʹ); Serial.print(now.hour(), DEC); Serial.print('ʹ:'ʹ); Serial.print(now.minute(), DEC); Serial.print('ʹ:'ʹ); Serial.print(now.second(), DEC); Serial.println(); Serial.print("ʺ since 1970 = "ʺ); Serial.print(now.unixtime()); Serial.print("ʺs = "ʺ); Serial.print(now.unixtime() / 86400L);

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Serial.println("ʺd"ʺ); // calculate a date which is 7 days and 30 seconds into the future DateTime future (now.unixtime() + 7 * 86400L + 30); Serial.print("ʺ now + 7d + 30s: "ʺ); Serial.print(future.year(), DEC); Serial.print('ʹ/'ʹ); Serial.print(future.month(), DEC); Serial.print('ʹ/'ʹ); Serial.print(future.day(), DEC); Serial.print('ʹ 'ʹ); Serial.print(future.hour(), DEC); Serial.print('ʹ:'ʹ); Serial.print(future.minute(), DEC); Serial.print('ʹ:'ʹ); Serial.print(future.second(), DEC); Serial.println(); Serial.println(); delay(3000); }

Listing 1

/* *** versione 0.8 Ardu1 con LCD *** *** by rickysax e mvictoria *** ** 7 luglio 2015 ** **** test SD card Adafruit SD shield **** */

#include <SD.h> #include <SPI.h>

// set up variables using the SD utility library functions:

Sd2Card card; SdVolume volume; SdFile root;

// Adafruit SD shields and modules: pin 10

const int chipSelect = 10;

void setup() { // Open serial communications and wait for port to open:

Serial.begin(9600); while (!Serial) {

; // wait for serial port to connect. Needed for Leonardo only }

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Serial.print("ʺ\nInitializing SD card..."ʺ); pinMode(10, OUTPUT); // change this to 53 on a mega

// we'ʹll use the initialization code from the utility libraries

// since we'ʹre just testing if the card is working!

if (!card.init(SPI_HALF_SPEED, chipSelect)) { Serial.println("ʺinitialization failed. Things to check:"ʺ); Serial.println("ʺ* is a card is inserted?"ʺ); Serial.println("ʺ* Is your wiring correct?"ʺ); Serial.println("ʺ* did you change the chipSelect pin to match your shield or module?"ʺ); return; } else { Serial.println("ʺWiring is correct and a card is present."ʺ); }

// print the type of card

Serial.print("ʺ\nCard type: "ʺ); switch (card.type()) { case SD_CARD_TYPE_SD1: Serial.println("ʺSD1"ʺ); break; case SD_CARD_TYPE_SD2: Serial.println("ʺSD2"ʺ); break; case SD_CARD_TYPE_SDHC: Serial.println("ʺSDHC"ʺ); break; default: Serial.println("ʺUnknown"ʺ); }

// Now we will try to open the 'ʹvolume'ʹ/'ʹpartition'ʹ -‐‑ it should be FAT16 or FAT32

if (!volume.init(card)) { Serial.println("ʺCould not find FAT16/FAT32 partition.\nMake sure you'ʹve formatted the card"ʺ); return; }

// print the type and size of the first FAT-‐‑type volume

uint32_t volumesize; Serial.print("ʺ\nVolume type is FAT"ʺ); Serial.println(volume.fatType(), DEC); Serial.println(); volumesize = volume.blocksPerCluster(); // clusters are collections of blocks volumesize *= volume.clusterCount(); // we'ʹll have a lot of clusters volumesize *= 512; // SD card blocks are always 512 bytes Serial.print("ʺVolume size (bytes): "ʺ);

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Serial.println(volumesize); Serial.print("ʺVolume size (Kbytes): "ʺ); volumesize /= 1024; Serial.println(volumesize); Serial.print("ʺVolume size (Mbytes): "ʺ); volumesize /= 1024; Serial.println(volumesize); Serial.println("ʺ\nFiles found on the card (name, date and size in bytes): "ʺ); root.openRoot(volume);

// list all files in the card with date and size

root.ls(LS_R | LS_DATE | LS_SIZE); } void loop(void) { }

Listing 2

/* *** versione 0.8 Ardu1 con LCD *** *** by rickysax e mvictoria *** * 6 luglio 2015 * * test +2 sensori +condensatore sensore * * +resistenza di pulldown sensore 2 * */ void setup() { //Init Seriale Serial.begin(9600); } void loop() { delay(500); int val_ADC = analogRead(1); //invio il dato acquisito al pc Serial.print("ʺSensore 1: "ʺ); Serial.println(val_ADC); int val_ADC2 = analogRead(2); //invio il dato acquisito al pc Serial.print("ʺSensore 2: "ʺ); Serial.println(val_ADC2); }

Listing 3

/* *** versione 1.4 Ardu1 compatibile con LCD *** *** by rickysax e mvictoria *** * 2 ottobre 2015 * * salvataggio automatico in continuo su SD * * +2led +2 sensori +condensatore sensore * * +resistenza di pulldown sensore 2 * * +pulsanti configurati tipo press any key *

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* per cambiare su display le letture dei 2sensori * */ #include <LiquidCrystal.h> #include <Wire.h> #include "ʺRTClib.h"ʺ #include <SPI.h> #include <SD.h> LiquidCrystal lcd(7, 6, 5, 4, 3, 2); //def. la RTC e imposto il nome file RTC_DS1307 RTC; File myfile; // #define NOFIELD 505L // Analog output with no applied field, calibrate this // Uncomment one of the lines below according to device in use A1301 or A1302 // This is used to convert the analog voltage reading to milliGauss #define MILLIGAUSS 1953L // For A1301: 2.5mV = 1Gauss, and 1024 analog steps = 5V, so 1 step = 1953mG #define MILLIGAUSS2 3756L // For A1302: 1.3mV = 1Gauss, and 1024 analog steps = 5V, so 1 step = 3756mG int corrcms = 505; int corrcms2 = 516; int inputPin = A0; // buttons array analog input uint16_t inputValue = 0; // value read from buttons array void setup() { pinMode(13, OUTPUT); //13 Led rosso errore scrittura SD pinMode (1, OUTPUT); //1 Led verde SD funziona Serial.begin(9600); lcd.begin(16, 2); lcd.setCursor(0,0); Wire.begin(); RTC.begin(); if (! RTC.isrunning()) { Serial.println("ʺRTC is NOT running!"ʺ); } if (!SD.begin(10)) { Serial.println("ʺerrore init SD card ;-‐‑x "ʺ); digitalWrite(13, HIGH); return; } Serial.println("ʺinit SD card pronta :-‐‑) "ʺ); if (!RTC.isrunning()) { Serial.println("ʺRTC non funziona!"ʺ); RTC.adjust(DateTime(__DATE__, __TIME__)); } }

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void loop() { // check buttons status inputValue = analogRead(inputPin); if (inputValue < 100 && inputValue >= 0) inputValue = 1; else if (inputValue < 250 && inputValue > 150) inputValue = 2; else if (inputValue < 470 && inputValue > 370) inputValue = 3; else if (inputValue < 670 && inputValue > 570) inputValue = 4; else if (inputValue < 870 && inputValue > 770) inputValue = 5; else if (inputValue <= 1023 && inputValue > 950) inputValue = 0; // set the RTC timestamp DateTime now = RTC.now(); lcd.setCursor(0, 1); if (now.hour() < 10) { lcd.print("ʺ0"ʺ); } lcd.print(now.hour(), DEC); // HOUR lcd.print("ʺ:"ʺ); if (now.minute() < 10) { lcd.print("ʺ0"ʺ); } lcd.print(now.minute(), DEC); // MINUTES lcd.setCursor(6, 1); if (now.day() < 10) { lcd.print("ʺ0"ʺ); } lcd.print(now.day(), DEC); // DAY lcd.print('ʹ-‐‑'ʹ); if (now.month () < 10) { lcd.print("ʺ0"ʺ); } lcd.print(now.month(), DEC);//MONTH lcd.print('ʹ-‐‑'ʹ); lcd.print(now.year(), DEC); //YEAR int raw = analogRead(A1); // range 0.. 1023 long compensated = raw -‐‑ corrcms; // adj misura per CMS non applicato long gauss = compensated * MILLIGAUSS / 1000; // adj scala a Gauss float mTesla = gauss / 10; int raw2 = analogRead(A2); // range 0.. 1024 long compensated2 = raw2 -‐‑ corrcms2; // adj misura per CMS non applicato long gauss2 = compensated2 * MILLIGAUSS2 / 1000; // adj scala a Gauss float mTesla2 = gauss2 / 10; // update display text set to press any key if (inputValue == 1 || inputValue == 2 || inputValue == 3 || inputValue == 4 || inputValue == 5) {

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lcd.setCursor(0, 0); lcd.print ("ʺS1: "ʺ); lcd.print(raw); lcd.print("ʺ,"ʺ); lcd.print(gauss); lcd.print("ʺG,"ʺ); lcd.print(mTesla, 0); lcd.print("ʺ mT "ʺ); delay(200); } else { lcd.setCursor(0, 0); lcd.print ("ʺS2: "ʺ); lcd.print(raw2); lcd.print("ʺ,"ʺ); lcd.print(gauss2); lcd.print("ʺG,"ʺ); lcd.print(mTesla2, 0); lcd.print("ʺ mT "ʺ); delay(200); } // CMS output // SD write RTC and CMS values myfile = SD.open("ʺcms.txt"ʺ, FILE_WRITE); if (myfile) { digitalWrite(1, HIGH); myfile.print(now.day()); myfile.print("ʺ/"ʺ); myfile.print(now.month()); myfile.print("ʺ/"ʺ); myfile.print(now.year()); myfile.print("ʺ,"ʺ); myfile.print(now.hour()); myfile.print("ʺ:"ʺ); myfile.print(now.minute()); myfile.print("ʺ:"ʺ); myfile.print(now.second()); myfile.print("ʺ,"ʺ); myfile.print(raw); myfile.print("ʺ,"ʺ); myfile.print(gauss, 4); myfile.print("ʺ,"ʺ); myfile.print(mTesla, 4); myfile.print("ʺ,"ʺ); myfile.print(raw2); myfile.print("ʺ,"ʺ); myfile.print(gauss2, 4); myfile.print("ʺ,"ʺ); myfile.print(mTesla2, 4);

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myfile.println("ʺ"ʺ); myfile.close(); digitalWrite(1, LOW); //cambio stato al led verde } //visualizzazione sul monitor seriale Serial.print(now.day()); Serial.print("ʺ/"ʺ); Serial.print(now.month()); Serial.print("ʺ/"ʺ); Serial.print(now.year()); Serial.print("ʺ,"ʺ); Serial.print(now.hour()); Serial.print("ʺ:"ʺ); Serial.print(now.minute()); Serial.print("ʺ:"ʺ); Serial.print(now.second()); Serial.print("ʺ,"ʺ); Serial.print(raw); Serial.print("ʺ,"ʺ); Serial.print(gauss, 4); Serial.print("ʺ,"ʺ); Serial.print(mTesla, 4); Serial.print("ʺ,"ʺ); Serial.print(raw2); Serial.print("ʺ,"ʺ); Serial.print(gauss2, 4); Serial.print("ʺ,"ʺ); Serial.print(mTesla2, 4); Serial.println("ʺ"ʺ); delay(1000); } // loop

Listing 4

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Indice delle figure Fig. 1 – Tabella riassuntiva dei vettori di mm e MM. ________________________________________________ 9 Fig. 2 -‐‑ Precessione libera (A) e in coerenza di fase (B) ______________________________________________ 10 Fig. 3 -‐‑ Invio dell'ʹimpulso RF e creazione della MMT ______________________________________________ 11 Fig. 4 -‐‑ Struttura della sala magnete e della gabbia di Faraday _____________________________________ 17 Fig. 5 -‐‑ Scheda Arduino UNO _______________________________________________________________________ 37 Fig. 6 -‐‑ Interfaccia con cui sviluppare il software per Arduino ______________________________________ 39 Fig. 7 -‐‑ Schema a blocchi ______________________________________________________________________________ 40 Fig. 8 – Sensore ad effetto Hall A1302 _______________________________________________________________ 43 Fig. 9 -‐ Datalogging shield di Adafruit ______________________________________________________________ 44 Fig. 10 – Menu principale dell’ambiente di sviluppo Arduino 1.6.3 ________________________________ 46 Fig. 11-‐‑ Sito di RM dell'ʹOspedale Maggiore Policlinico di Milano. Padiglione Monteggia. _______ 51 Fig. 12 -‐ Posizionamento rilevatore _________________________________________________________________ 54 Fig. 13 -‐ Esposizione durante posizionamento del paziente per esame di encefalo _______________ 58 Fig. 14 -‐ Esposizione durante posizionamento del paziente per esame di rachide LS ____________ 58 Fig. 15 -‐ Esposizione durante dimissione del paziente dopo un esame encefalo __________________ 59 Fig. 16 -‐ Esposizione durante dimissione del paziente dopo un esame rachide LS ________________ 59

Indice delle tabelle Tabella I – Grandezze fisiche relative ai campi magnetici __________________________________________ 20 Tabella II -‐ Riferimenti normativi italiani ___________________________________________________________ 28 Tabella III -‐ Limiti di esposizione _____________________________________________________________________ 31 Tabella IV – Caratteristiche tecniche DS1307 _______________________________________________________ 48 Tabella V -‐‑ Misure di campo magnetico 1,5 T ________________________________________________________ 54 Tabella VI -‐ Analisi uniformità e stabilità ___________________________________________________________ 55 Tabella VII -‐ Tempi medi di permanenza nella sala RM ____________________________________________ 57

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