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RISONANZA MAGNETICA E RISONANZA MAGNETICA E DISPOSITIVI MEDICI DISPOSITIVI MEDICI IMPIANTABILI ATTIVI IMPIANTABILI ATTIVI (pacemaker, defibrillatori, stimolatori neurali, impianti cocleari) Eugenio Mattei – Reparto di Bioingegneria Cardiovascolare – Ospite post doc.

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RISONANZA MAGNETICA E RISONANZA MAGNETICA E DISPOSITIVI MEDICI DISPOSITIVI MEDICI IMPIANTABILI ATTIVI IMPIANTABILI ATTIVI

(pacemaker, defibrillatori, stimolatori neurali, impianti cocleari)

Eugenio Mattei – Reparto di Bioingegneria Cardiovascolare – Ospite post doc.

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Progetti di ricerca per giovani ricercatori

• 1. La ricerca Innovativa, intesa alla acquisizione di nuove conoscenze ed a favorire lo sviluppo anche nuove conoscenze ed a favorire lo sviluppo, anche in fase precoce, di innovazioni potenzialmente trasferibili nella pratica dei servizi sanitari.

• 2. La ricerca Valutativa, finalizzata a fornire conoscenze e strumenti per il governo clinico e l’ottimizzazione della dimensione organizzativa dei l’ottimizzazione della dimensione organizzativa dei servizi.

• 3. La ricerca sulle problematiche socio-sanitarie pemergenti finalizzata a produrre nuove conoscenze e fornire soluzioni appropriate per l’SSN l SSN.

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L’impatto socio-sanitario

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ICD

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“Each year approximately 1 million people worldwide are implanted with a pacemaker

Year

“Each year, approximately 1 million people worldwide are implanted with a pacemaker, hundreds of thousands of whom may be able to benefit from an MRI scan. A study published in Circulation shows that an MRI procedure is requested by a physician for 17 percent of pacemaker patients within 12 months of device implant. Every three minutes in p p p p ythe U.S. and every six minutes in Europe, a patient is denied an MRI scan due to the presence of an implantable cardiac device” (Medtronic website)

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Risonanza magnetica e dispositivo impiantabile attivo

• Effetto meccanico: Momento torcente generato dal campo statico sulle

• Effetto interferente:

componenti ferromagnetiche del dispositivo.

Alterazioni del corretto Effetto interferente:funzionamento del dispositivo ad opera del campo RF e di gradiente.

• Effetto termico: Aumento della temperatura nei tessuti causato delle perdite resistive conseguenti p gal fenomeno di induzione di corrente sulle componenti metalliche del dispositivo da parte del campo RF.

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“Electromagnetic noise induced during the MRI was detected as ventricular fibrillation and nearly caused inappropriate shocks. Charge time during MRI was prolonged. The battery indicator switched to “end of life,” but this was reversed by capacitor reformation It is still uncertain whether radiofrequency current heating at capacitor reformation. It is still uncertain whether radiofrequency current heating at the electrode tip caused the increased pacing threshold or if this would have occurred independently of the MRI” J. of Pacing and Clin. Electr., Volume 25, No. 9.

“Neither inhibition of PM nor heating of the electrode poses real risks. So far, weh i d i ht ti t 12 ti i MRI t i d d ith t bl ”

November 17 2008: the first pacemaker and lead system to be designed and

have examined eight patients 12 times in MRI triggered mode without problems” Europace 7, 353e365 - 2005.

November 17, 2008: the first pacemaker and lead system to be designed and tested in patients for safe use in MRI systems under specified conditions becomes commercially available in Europe and under clinical evaluation in the U.S.

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RISONANZA MAGNETICA E RISONANZA MAGNETICA E PACEMAKER/ICD

Riscaldamento indotto da Riscaldamento indotto da campo RF su elettrocateteri

E. Mattei, M. Triventi, G. Calcagnini, F. Censi, W. Kainz, H. I. Bassen, P. Bartolini. Temperature and SARE. Mattei, M. Triventi, G. Calcagnini, F. Censi, W. Kainz, H. I. Bassen, P. Bartolini. Temperature and SAR measurement errors in the evaluation of metallic linear structures heating during MRI using fluoroptic® probes. Physics in Medicine and Biology, 2007 Mar 21;52(6):1633-46.

E. Mattei, M. Triventi, G. Calcagnini, F. Censi, W. Kainz, G. Mendoza, H. I. Bassen and P. Bartolini.E. Mattei, M. Triventi, G. Calcagnini, F. Censi, W. Kainz, G. Mendoza, H. I. Bassen and P. Bartolini. Complexity of MRI induced heating on metallic leads: experimental measurements of 374 configurations. BioMedical Engineering OnLine 2008, 7:11.

G. Calcagnini, M. Triventi, F. Censi, E. Mattei, P. Bartolini, W. Kainz, H. Bassen In-vitro investigation ofG. Calcagnini, M. Triventi, F. Censi, E. Mattei, P. Bartolini, W. Kainz, H. Bassen In vitro investigation of pacemaker lead heating induced by magnetic resonance imaging: the role of the implant geometry. J Magn Reson Imaging. 2008 Oct;28(4):879-86.

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• Misure Sperimentali

SIMULATORI DI TRONCO

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Simulatore di tronco allestito con una griglia in PVC per il fissaggio del pacemaker e per il posizionamento delle sonde di temperaturap p p p

Sonde in fibra ottica a fluorescenza (Luxtron) per la misura di temperatura ( ) p pin ambiente RF.

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Simulatori di Tronco con PM posti all’interno di scanner di MRI clinici e da laboratorio (solo bobina RF)( )

F d d D Ad i i t tiFood and Drug Administration

Center for Devices and Radiological Health

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Esempi di incrementi di temperatura durante MRItemperatura durante MRI

Fili metallici

Elettrocateteri di PM

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Modello numerico FDTD di bobina RF per RM e Human VisibleHuman Visible

FEMLAB - COMSOL MULTIPHYSYCS SEMCAD X - SPEAG

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Human Visible integrato con modello di pacemaker e di t ib i di SAR i lt tdistribuzione di SAR risultante

Punta dell’elettrocateterepacemaker Punta dell’elettrocatetere

Scala di colori in dB li tnormalizzata

a 2000 W/kg

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Problematiche Aperte

• Analizzare altri dispositivi impiantabili attivi

Problematiche Aperte

• Analizzare altri dispositivi impiantabili attivi (stimolatori neurali, impianti cocleari,…)

• Studiare i meccanismi e valutare il danno cellulare indotto dalla deposizione di energia termicaindotto dalla deposizione di energia termica

• Valutare anche effetti non termici (interferenza su Valutare anche effetti non termici (interferenza su funzionamento del dispositivo)

• Perfezionare gli aspetti modellistici (es. modello elettrico del PM))

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Danno cellulare da stress termico“a basse dosi”

• “Cumulative Equivalent Minutes at 43°C” (CEM43) concept could be used to assess possible tissue damage related to implant heating because the CEM43 is a well established concept and values are because the CEM43 is a well established concept and values are available in the literature for most tissues” (Journal Of Magnetic Resonance Imaging 26:450–451 - 2007)

• “Much of the tissue sensitivity data came from therapeutic hyperthermia studies and, although some studies examined a broad range of time-temperature combinations, many were conducted only at time-temperature combinations severe enough to assure the desired effect (i.e., cell killing)”(Journal Of Magnetic Resonance Imaging 26:1182–1185 - 2007)

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Possibili obiettivi del progetto di ricerca

• Studiare i meccanismi e valutare il danno cellulare indotto dalla deposizione di energia termica

• Estendere lo studio anche ad altri dispositivi impiantabili attivi (stimolatori neurali, impianti cocleari,…)( , p , )

• Valutare anche effetti non termici (interferenza su funzionamento del dispositivo)dispositivo)

• Studiare gli effetti di nuovi sistemi di RM (bobine dedicate a ti l i di t tti t i i i t ti i ≥ 3T)particolari distretti anatomici, campi statici ≥ 3T)

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Attuali CollaborazioniAttuali Collaborazioni

• Reparto di Bioingegneria Cardiovascolare (P. Bartolini, G. Calcagnini, F Censi, M. Triventi)(P. Bartolini, G. Calcagnini, F Censi, M. Triventi)

• Center for Devices and Radiological Health –Food and Drug AdministrationFood and Drug Administration

• IRCCS S. Lucia (1.5 T, 3 T)