Effekte der Hochfrequenzabsorption bei der Magnetresonanztomografie

Abstract

Die technische Weiterentwicklung der Magnetresonanztomografie und das sich erweiternde Indikationsgebiet insbesondere der interventionellen MRT erfordern weitergehende Untersuchungen über mögliche Wechselwirkungen der elektromagnetischen Felder mit dem Patienten und ggf. vorhandenen Instrumenten und Implantaten. Die größte Gefahrenquelle geht dabei von der Wärmewirkung in oder in der Umgebung elektrisch leitfähiger Strukturen durch das elektromagnetische Hochfrequenzfeld aus. Das Ziel dieser Arbeit war es, die verschiedenen Mechanismen der Wärmeentstehung während der Magnetresonanztomografie systematisch mittels Infrarotthermografie zu untersuchen. Es wurden dazu drei MRT-Scanner unterschiedlicher Grundmagnetfeldstärken verwendet. Das elektromagnetische Hochfrequenzfeld kann Gewebe sowohl direkt als auch indirekt durch eine zusätzliche Anwesenheit von metallischen Leitern erwärmen. Zur Messung der direkten Erwärmung erfolgten zunächst in vitro Untersuchungen an verschiedenen Flüssigkeiten unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeiten. Hierbei fand sich ein deutlicher Zusammenhang zwischen der elektrischen Leitfähigkeit und der Energieabsorption. Der Bezug zur klinischen Anwendung wurde durch eine Studie an MR-tomographisch untersuchten Personen hergestellt, bei der sowohl die Hauttemperatur mittels Infrarotthermografie und fiberoptischer Temperaturmessung quantifiziert als auch das subjektive Wärmeempfinden und die physiologische Antwort des Organismus erfasst wurde. Die Studie wurde an sechs Teilnehmern in einem 3 T Scanner durchgeführt. Als Schlussfolgerung lässt sich feststellen, dass sich unter den hier verwendeten Parametern bei der Verwendung eines 3 T Scanners im oberen Bereich des first level mode kein signifikantes Risiko durch eine thermische Belastung zu erwarten ist. Zur Betrachtung der indirekten Gewebeerwärmung durch Interaktion des Hochfrequenzfeldes mit metallischen Leitern wurden zunächst einfache Modelle herangezogen, die aufgrund ihrer Geometrie im Besonderen in der Lage sind, in das HF-Feld einzukoppeln. Dabei wurde im Speziellen auf die beiden Wellenkomponenten des Hochfrequenzfeldes, das magnetische B1-Feld und das elektrische E1-Feld eingegangen und die jeweiligen Interaktionsmechanismen getrennt voneinander betrachtet. Es folgten infrarotthermografische Messungen an komplexeren Gegenständen aus den Bereichen der Medizin und des Alltags. Dabei wurden zum Teil potentiell gefährliche Temperaturerhöhungen in deutlicher Abhängigkeit von den induktiven Eigenschaften, Resonanzeigenschaften, Orientierung und Position der metallischen Leiter gemessen. Es wurde gezeigt, dass die Vielzahl der möglichen Einflussgrößen und die Komplexität der MRT eine Abschätzung möglicher Gefahren durch Erwärmung sehr erschwert. Diese Arbeit schafft durch die Betrachtung der grundlegenden Interaktionsmöglichkeiten des elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes ein vermehrtes Verständnis für denkbare Risiken. In den verschiedenen Experimenten konnte außerdem gezeigt werden, dass die Infrarotthermografie bei der Überprüfung von potentiellen Erwärmungen in der MRT eine sinnvolle Ergänzung zur fiberoptischen Messmethode darstellt.

The technical development of Magnetic Resonance Imaging and the expanding application area especially in interventional MRI request further studies about interactions between the electromagnetic fields and the patient, present instruments or implants. The main source of danger is the heating in or around electric conducting structures induced by the electromagnetic high frequency field. The purpose of this study was to examine the different kind of heating mechanisms during Magnetic Resonance Imaging systematically using infrared thermography. Therefore three MRI scanners of different static magnetic fields were used. The electromagnetic field is able to heat tissue both in a direct and indirect way, if a metallic conductor is present at the same time. In order to measure the direct heating, in vitro tests with different fluids of different electrical conductivity were initially used. A direct correlation between the electric conductivity and the absorption of energy was found. Referring to the clinical application, a study of persons undergoing Magnetic Resonance Tomography was performed recording the skin temperature-using infrared thermography and fiber optic thermometers- as well as the individual thermal sensation and the physiological answer of the organism. The study was conducted with six attendees in a 3 T scanner. As a result it was shown that no significant risk is to be expected by thermal load when using a 3 T scanner in the first level mode. The observation of indirect tissue heating via the interaction of high frequency field with metallic conductors was first performed using simple technical models, which are able to tune in the electromagnetic field due to their geometrical features. Therefore the two components of the high frequency field, the magnetic B1-field and the electric E1-field and their ways of interactions have been studied separately. After that thermographic measurements were run on more complex medical devices and common items. As a result, potential dangerous heating is possible in a high dependency of the inductive and resonant properties, orientation and position of the metallic conductor. It was shown that the multiplicity of influencing variables and the complexity of MRI complicate the evaluation of potential risks of heating. This study creates a bigger understanding about possible risks by looking at the basic ways of interactions of the electromagnetic high frequency field. In the different experiments infrared thermography was a reasonable supplement to fiber optic methods to check possible heating during Magnetic Resonance Imaging.