Online NMR-Thermometrie für eine regionale HF-Tiefenhyperthermie

(abgeschlossen)

Ziel

Es soll eine simulierte HF-Hyperthermie von Phantomen mit einer online-Temperaturkontrolle mittels 3 Tesla-NMR-Thermometrie durchgeführt werden.

Medizinische Bedeutung

Die Tiefenhyperthermie wird in Ergänzung zu konventionellen Therapieverfahren der Onkologie eingesetzt. Durch eine kontrollierte Temperaturerhöhung des Tumors auf 40−42^oC für ca. eine Stunde soll eine Sensibilisierung des Tumors für die Radiotherapie und/oder Chemotherapie erreicht werden. Das Verfahren wird in mehreren europäischen Kliniken angewendet.
( UniversitätsklinikumTübingen, Erasmus Universität Rotterdam)

Methode

Die Protonenresonanzfrequenz- Methode (PRF-Methode [1]) beruht auf der Temperaturabhängigkeit (Dn/n_o = - 0,0107 ppm/ ^oC, n_o= 125,32 MHz bei B_o=2,94T) der Präzessionsfrequenz (Larmorfrequenz) der zur MR-Bildgebung benutzten Wasserprotonen. Die Messung der Temperaturverteilung im MR- Tomographen erfolgt mit einer Gradientenecho-Sequenz. Dabei wird die Phase der transversalen Magnetisierung in einem Volumenelement (Voxel) vor (Referenzmessung) und während der Hyperthermie ermittelt. Im inhomogenen Gewebe eines Patienten ist jedoch die Messgenauigkeit auf Grund von Bewegungs- und Perfusionsartefakten limitiert. Da die PRF- Methode keine absolute Bestimmung der Temperaturen erlaubt, kann sie nur zur Messung von zeitlichen Änderungen der Temperaturverteilung verwendet werden. Dabei lässt sich eine Messunsicherheit von etwa ± 2 ^oC erreichen. 
Besonders aussichtsreich für die Bestimmung örtlicher Temperaturverteilungen im menschlichen Körper ist die so genannte Thermosondenmethode. Dabei wird die starke Temperaturabhängigkeit der ¹H-Resonanzfrequenz eines paramagnetischen Kontrastmittels (Dn/n_o = −0,12 ppm/ ^oC) ausgenutzt. Durch Vergleich mit der Resonanzfrequenz von Wasser kann bei diesem Verfahren die Temperatur absolut bestimmt werden. Auf Grund der begrenzten anwendbaren Dosis des Kontrastmittels bei Patienten ist die NMR Signalintensität bei Anwendungen in vivo jedoch sehr gering.

Ergebnisse

Die Thermosondenmethode wurde an der PTB mit temperierbaren Prüfkörpern (Phantomen) untersucht und die erzielbare Genauigkeit bestimmt [2]. Die ermittelte Temperaturverteilung konnte mit einem faseroptischen Temperaturmessgerät an ausgewählten Positionen im Phantom mit einer Genauigkeit von ± 0,5 ^oC bestätigt werden.

Die PRF-Methode wurde in der PTB zur Simulation einer Tiefenhyperthermie eines HF-geheizten körpergroßen Phantoms in einem 3-T-MR-Tomographen (MEDSPEC 30/100, BRUKER GmbH) angewendet. Damit konnte die prinzipielle Kompatibilität eines Hyperthermie-Systems mit einem Hochfeld-MR-Tomographen demonstriert werden.

Das Phantom besteht aus einem inneren, elliptisch geformten, mit elektrisch leitfähiger Agarose gefüllten Zylinder und einem umgebenden Wasserbolus mit oktogonalen Außenflächen und 8 äußeren Schächten längs der Zylinderachse. Gegenüberliegende Schächte an den Enden der langen (2a) und kurzen (2b) Achse des elliptischen Querschnitts enthielten elektrischen Dipol- Antennen (Water Coated Dipole- Antenna, WACOA [3]). Das Phantom wurde typisch für 1 Stunde im MR-Tomographen erwärmt und während der MR-Thermometrie wurde die HF-Heizung des Phantoms für die Messzeit von 6 s unterbrochen (intermittierender Betrieb). Zur Bestimmung absoluter Temperaturverteilungen wurde eine Kalibration mit vier in das Phantom eingebrachten faseroptischen Temperatursensoren durchgeführt. Verglichen mit einer Einzel-Antenne kommt es bei Verwendung von n Einzelantennen an Stellen konstruktiver Interferenz der elektromagnetischen Wellen zu einer n²-fachen Überhöhung der Leistungsdichte. Damit lassen sich lokale Temperaturerhöhungen im Phantom erzielen. Bei Änderung der relativen HF-Phase bei der Ansteuerung von Antennenpaaren konnte eine räumliche Änderung der Temperaturverteilung im Phantom nachgewiesen werden.

Kooperationen

Literatur

1. J. De Poorter, C. De Wagter, Y. De Deene, C. Thomsen, F. Stahlberg, E. Achten
   Noninvasive MRI Thermometry the Proton Resonance Frequency (PRF) Method: In Vivo Results in Human Muscle
   Magn. Reson. Med. 33, 74-81 (1995).
   
   
2. R. Noeske
   Anwendung der Hochfeld-(3-Tesla)-NMR- Tomographie:
   Abbildung des menschlichen Herzens und NMR-Thermographie an Phantomen für eine Tiefenhyperthermie
   Dissertation, FU Berlin
   
   
3. W. Wlodarczyk, J. Nadobny, P. Wust, G. Mönich, P. Deuflhard, R. Felix
   Systematic design of antennas for cylindrical 3D phased array hyperthermia applicator.
   Proc. IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, Orlando, 1999

Eigene Veröffentlichungen

• W. Wlodarczyk, M. Hentschel, P. Wust, R. Noeske, N. Hosten, H. Rinneberg, R. Felix
  Comparison of four magnetic resonance methods for mapping small temperature changes.
  Phys. Med. Biol.44, 607-24 (1999).
  
  
• R. Noeske
  Anwendung der Hochfeld-(3-Tesla)-NMR- Tomographie:
  Abbildung des menschlichen Herzens und NMR-Thermographie an Phantomen für eine Tiefenhyperthermie
  Dissertation, FU Berlin
  
  
• W. Hoffmann, K. H. Rhein, F. Wojcik, R. Noeske, F. Seifert, W. Wlodarczyk, H. Fähling, P. Wust, H. Rinneberg
  Performance and use of current sheet antennae for RF-hyperthermia of a phantom monitored by 3 tesla MR-thermography
  Int. J. Hyperthermia 18, 454-71 (2002).
  
  
• P. Wust, R. Beck, J. Berger, H. Fähling, M. Seebass, W. Wlodarczyk, W. Hoffmann, J. Nadobny
  Electric field distributions in a phased-array applicator with 12 channels − Measurements and numerical simulations.
  Med. Phys. 27, 2565 (2000).

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