RF Felder und Sicherheit der Ultrahochfeld MRT im Körperstamm

Die Bildgebung in der Ultrahochfeld-MRT (UHF-MRT) bei Feldstärken von 7 Tesla bietet diverse Vorteile wie beispielsweise ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), höhere spektrale Auflösungen, oder in vielen Fällen auch einen stärkeren Kontrast zwischen unterschiedlichen Geweben oder zwischen Gewebe und Gefäß. Gleichzeitig bringt die UHF-MRT aber auch diverse Probleme mit sich, welche meist in der höheren Frequenz der elektromagnetischen (EM) Radiofrequenz-Pulse (RF-Pulse) begründet sind.

Die Frequenz der RF-Pulse steigt linear mit der Feldstärke an, wodurch sich die Wellenlänge verkürzt und bei einer Feldstärke von 7 Tesla im menschlichen Gewebe bei etwa 11 cm liegt. Dies führt zu räumlich variierenden Amplituden und Phasen der magnetischen (B₁⁺) und elektrischen (E) Komponente des RF Anregungsfeldes. Das inhomogene B₁⁺-Feld führt zu räumlich variierenden Flipwinkeln und damit zu inhomogenem Bildkontrast. In ungünstigen Fällen kann es bis zu lokalen Auslöschungen des Signals kommen, wie beispielsweise in der Abbildung gezeigt ist. Gleichzeitig führt das heterogene elektrische Feld zu einer lokal variierenden spezifischen Absorptionsrate (SAR), welche ein sicherheitsrelevanter Parameter ist.

Abb. 1: Gradientenecho Herzbildgebung (cine) bei 7 Tesla vor (links) und nach (rechts) B₁⁺ Shimming.

Um eine heterogene Flipwinkelverteilung und hohe SAR-Werte zu vermeiden, können mehrkanalige Sendespulen (Tx) in Kombination mit parallelen Übertragungsverfahren (pTx), wie z. B. statischer und dynamischer pTx, verwendet werden. Bei der Anwendung solcher pTx-Methoden am menschlichen Körper müssen jedoch die physiologischen Variationen durch Atem- und Herzbewegungen berücksichtigt werden. Diese beeinflussen nicht nur die resultierenden Flipwinkelverteilung, sondern auch das zugrunde liegende E- und B₁⁺-Feld. Ein Schwerpunkt der Arbeitsgruppe liegt daher auf der Messung der B₁⁺-Felder im Körperstamm und der Abschätzung der entsprechenden E-Felder mittels EM-Simulationen. In beiden Fällen wird die Atembewegung berücksichtigt.

Messung der B₁⁺-Felder im Körperstamm bei 7 Tesla

Die Magnetfeldkomponente B₁⁺ des RF-Pulses ist für die Anregung der Kernspins verantwortlich. Daher führt ihre räumliche Variation direkt zu Variationen der Signalamplitude und der Kontrastbildung bei der MRT. Während die Messung bzw. Kartierung des B₁⁺-Feldes im Gehirn bei 7 Tesla bereits etabliert ist, scheitern dieselben Techniken im Körperstamm oft aufgrund unterschiedlicher Ursachen. Diese sind der hohe Leistungsbedarf, die Empfindlichkeit gegenüber dem Blutfluss und vor allem die langen Scanzeiten, wodurch die Messung nicht unter Luftanhalten durchführbar ist. Daher ist die Kartierung des B₁⁺-Feldes im Körper eine große Herausforderung und ein Fokus der Arbeitsgruppe, wobei verschiedene Methoden zur Messung des B₁⁺-Feldes in vivo im Körperstamm bei 7 Tesla untersucht werden. Eine aktuelle Arbeit der Arbeitsgruppe ermöglichte es, die dreidimensionalen B₁⁺-Feldkarten einzelner Sendeelemente einer mehrkanaligen Tx-Spule als Funktion des Atemzyklus zu approximieren, wie es in Abbildung 2 dargestellt ist. Dies ermöglicht die Entwicklung von RF-Impulsen für einen Atemzustand (Einatmen oder Ausatmen) oder von RF-Impulsen, die unempfindlich gegenüber Atembewegungen sind. Darüber hinaus ermöglichte die Technik die Untersuchung von kalibrierungsfreien Pulsen, die im Abschnitt RF-Pulsdesign (hier Link) skizziert werden. Die Arbeitsgruppe untersucht darüber hinaus Methoden zur Verbesserung der Präzision von B₁⁺-Karten.

Abb. 2: 3D B₁⁺-Verteilung als Funktion des Atemzyklus für die 8 verschiedenen Tx-Kanäle der verwendeten pTx-Körperspule.

Abschätzung des E-Feldes und der SAR

Das E-Feld gibt Aufschluss über sicherheitsrelevante Größen, wie die SAR und die durch den RF-Puls verursachte Temperaturerhöhung. Der SAR-Wert quantifiziert die im Körper pro Zeit deponierte Energiemenge und ist dadurch mit der Temperaturerhöhung des Körpers verknüpft. Höhere Felder führen zu kürzeren RF-Wellenlängen, was typischerweise zu einer lokaleren Deposition der RF-Energie führt. Dies führt zu einer lokalen Erwärmung, die oft als "Hot Spot" bezeichnet wird. Im Gegensatz zum B₁⁺-Feld ist das E-Feld in-vivo nicht direkt messbar, daher werden die resultierenden E-Feldverteilungen über EM-Simulationen quantifiziert. Solche Simulationen beinhalten ein Modell des menschlichen Körpers wie auch ein EM-Modell der RF-Spule.

Abb. 3: EM-Simulationsaufbau mit einem Körpermodell und einem RF-Spulenmodell unter Verwendung des Softwarepakets Sim4Life (ZMT Zurich MedTech AG, Zürich, Schweiz).

Aktuelle Arbeiten innerhalb der Arbeitsgruppe [4,5] untersuchen die SAR in EM-Simulationen für verschiedene Positionen innerhalb des Atemzyklus. Diese zeigen Fluktuationen der Hot-Spot-Positionen und Variationen der SAR-Amplitude über den Atemzyklus. Solche Simulationen sind hilfreich, um die Risiken abzuschätzen und die RF-Leistungsgrenzen für In-vivo-Körperstammanwendungen bei UHF festzulegen.

Literatur:

1. Dietrich S, Aigner CS, Kolbitsch C, Mayer J, Ludwig J, Schmidt S, Schaeffter T, Schmitter S. 3D Free-breathing multichannel absolute B₁⁺ Mapping in the human body at 7T. Magnetic resonance in medicine 2021;85:2552–67 doi: 10.1002/mrm.28602.
2. Ladd ME, Bachert P, Meyerspeer M, Moser M, Nagel AM, Norris, DG, Schmitter S, Speck O, Straub S, Zaiss M. Pros and cons of ultra-high-field MRI/MRS for human application. Progress in nuclear magnetic resonance spectroscopy 2018;109:1–50 doi: 10.1016/j.pnmrs.2018.06.001.
3. Schmitter S, Wu X, Ugurbil K, van de Moortele P-F. Design of parallel transmission radiofrequency pulses robust against respiration in cardiac MRI at 7 Tesla. Magn Reson Med 2015;74:1291–1305 doi: 10.1002/mrm.25512.
4. Schön N, Petzold J, Seifert F, Aigner CS, Metzger G, Ittermann B, Schmitter S. Impact of respiration on B₁⁺ field and SAR distribution at 7 T using a novel EM simulation setup. In: Proc. Intl. Soc. for Magn. Reson. Med. 29; Abstract 1120: 2020.
5. Schön N, Seifert F, Metzger G, Ittermann B, Schmitter S. Investigation of respiration-induced changes of the scattering matrix by EM simulations and a breathing body model. In: Proc. Intl. Soc. for Magn. Reson. Med. 30; Abstract 3342: 2021.