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MR-Messtechnik

Arbeitsgruppe 8.11

MR-Spulenbau: Simulation, messtechnische Charakterisierung und Patientensicherheit


Ziel dieser Aktivitäten ist die Entwicklung und messtechnische Charakterisierung von Hochfrequenzspulen für die Hochfeld- und Ultrahochfeld-MRT, insbesondere von mehrkanaligen (pTx) Spulen für das parallele Senden. Mit dem Einsatz dieser HF-Spulen-Arrays gelingt es, die Verteilung des hochfrequenten magnetischen B1-Felds besser zu kontrollieren, um z. B. die Verteilung des Anregungsfeldes B1+ im menschlichen Körper zu homogenisieren bzw. an bestimmten Positionen im Körper zu maximieren.

Hierzu werden die einzelnen Sendespulen kohärent mit unterschiedlichen HF-Amplituden und Phasen angesteuert. Bedingt durch diese Art der Ansteuerung sind sowohl die räumliche Verteilung der spezifischen Absorptionsrate (SAR) im Körper als auch die damit verbundene lokale Erhöhung der Gewebetemperatur von einer Vielzahl von Parametern abhängig. Die Gewährleistung der Patientensicherheit z. B. entsprechend der Norm IEC 60601-2-33 stellt daher eine große metrologische Herausforderung dar.  Darüber hinaus ist die sicherheitstechnische Bewertung metallischer Implantate im pTx-fähigen MRT Gegenstand der aktuellen Forschung der Arbeitsgruppe mit Auswirkungen auf die Weiterentwicklung der relevanten Standards IEC 60601-2-33 und  ISO TC 10974 .

Zur umfassenden Charakterisierung von pTx-Spulen muss daher die örtliche Verteilung der spezifischen Absorptionsrate im Körper und die damit verbundenen maximalen Temperaturerhöhungen für verschiedene Ansteuerbedingungen des zu charakterisierenden pTx-Arrays mit ausgefeilten Simulationsverfahren berechnet und die für die Patientensicherheit relevanten Kenngrößen ermittelt werden.

Die Validierung von Simulationsrechnungen erfolgt entweder durch in-situ Messungen im MRT oder durch Bench-Messungen im HF-Labor.  Dazu wurde insbesondere im Rahmen des EMRP-Projektes HLT06 'MR Safety' eine neuartige metrologische Infrastruktur entwickelt. Dabei kommen sowohl MR-basierte als auch Sensor-basierte Messverfahren zum Einsatz. Die in-situ Kalibrierung von 'time domain' E- und H-Feld Messsonden im MRT mittels MR-TEM-Zelle ist dabei ausschlaggebend für die metrologische Qualität der Modell-Validierung.

 

 

Abb.1: Vergleich von gemessener (a) und berechneter (b) |B1+|-Verteilung für ein 4-Kanal-CSA-Array, bei dem nur das obenliegende Element mit 1 kW Sendeleistung getrieben wurde. Daneben (c) zum Vergleich die gegenläufig rotierende Komponente |B1-|. Nach einer globalen Skalierung der Simulationsdaten mit einem Faktor 1.08 stimmen diese quantitativ mit dem Experiment überein. Unten: horizontaler (d) und vertikaler (e) Schnitt durch die |B1+|-Verteilungen.

 

Abb.2: Aufbauten für die messtechnische Charakterisierung von MR-Spulen im MRT. Dazu zählen diverse Phantome, Messdatenerfassungssysteme  für MR-kompatible faseroptische E-und H-Feldsonden sowie MR-kompatible Kalibriereinrichtungen.

 

Abb.3: MR-TEM-Zelle zur in-situ Kalibrierung faseroptischer E- und H-Feldsonden im MRT. Im unteren Kompartiment befindet sich in einem Styroporblock eine kleine mit Wasser gefüllte Kugel. Über eine Flipwinkelmessung im MRT können die transversalen E- und H-Feldkomponenten im oberen Kompartiment der TEM-Zelle auf das gyromagnetische Verhältnis von Wasserprotonen rückgeführt werden. Die MR-TEM-Zelle ist breitbandig (bis 500MHz) und damit für alle derzeit relevanten MRT-Feldstärken geeignet.

 

Links:

Abb.4: Wellenleiter (60 cm Durchmesser) zur Messung der Fernfeldabstrahlung von MR-Spulen für die 7T-MRT. Bei Frequenzen von ca. 300 MHz wird ein signifikanter Teil der an einer MR-Spule anliegenden HF-Leistung abgestrahlt. Für eine zuverlässige sicherheitstechnische Bewertung ist die Bestimmung der kompletten Leistungsbilanz einer MR-Spule erforderlich.

Rechts:

Abb.5: MR-kompatible HF-Stromzange mit faseroptischem Signalaufnehmer zur in-situ Messung im MRT von HF-Strömen in metallischen Implantaten.  Das Design der HF-Stromzange basiert auf einer Rogowski-Spule mit geschlitztem HF-Schirm. Die Kalibrierung im MRT erfolgt mit einer speziellen HF-Spule die über die MR-TEM-Zelle mit einem kalibrierten HF-Signal angesteuert wird.

 

Links:

Abb.6: 2-Kanal pTx-Kopfspule für die 7T MR Spektroskopie. Die Spule ist für den Einsatz am Menschen zugelassen und gestattet die Erzeugung von |B1+|-Feldern von bis zu 45µT im Hinterkopf.

Rechts:

Abb.7: 4-Kanal pTx-Herzspule für die 7T MRT.

 

Abb.8: 8-Kanal pTx-Kopfspule für die 7T MRT. Die Spule gestattet die Erzeugung von |B1+|-Feldern von bis zu 50µT im Großhirn eines Menschen und ist daher besonders für die MR Spektroskopie geeignet.

 

Abb.9: Messaufbau mit 8-Kanal pTx-Kopfspule für 7T zur Bestimmung der B1+-Felder (Amplitude und Phase) aller Spulenkanäle mit einem faseroptischen Time-Domain H-Feldsensor.

 

Abb. 10: Korrelation von maximaler lokaler SAR (psSAR10g - peak spatial SAR gemittelt über 10g) mit der maximalen Temperatur im Gehirngewebe für die 8-Kanal 7T pTx-Kopfspule. Dabei wurden 500 verschiedene Ansteuervektoren mit einer totalen Vorwärtsleistung von 8W (rote Quadrate) bzw. einer maximalen Leistung von 1.5W pro Kanal (schwarze Quadrate) betrachtet. Der Ansteuervektor mit der höchsten psSAR10g führt nur zu einer moderaten Erwärmung des Hirngewebes während der Messung.

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Ausgewählte Literatur

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