Sicherheitsaspekte bei der interventionellen MRT

ORIGINALARB EIT

Sicherheitsaspekte bei der interventionellen MRT Arnulf Oppelt", loannis Delakis 2 1 Sieme ns Medical Solutions , Erlangen 2 MagNET. Imperial College , London

Zusa mmenfass ung Wegen ihres hoh en Weicht eilkontrasts wird die Ma gn etresonanzio mographie zunehme nd zur Fiihrung und Kontroll e von minimal -invasiven Eingriffen und ne urolog ischen Operationen verwe nde t. Dabei muss neben den iiblich en vorsichrsmafina hme n bei einer Mlcl- Untersuchung den Belan gen der MR-Kompatibilitiit. der Lokali sa tionsgenauigkeit der interv en tionellen lnstrumente und der ge ometrischen Bildtreue Beachtung geschenkt werden . Als neue Anwetulung der interventionellen MR zeich nen sich intra vaskuliire Ein gr iffe ab , bei denen elektrisch leitende , lange Struktu ren wie Fiihrungsdriihte, Kath eter und min iaturisierte Spulen mit ihren Zul eitun gen unt er MR-Kon trolle in BllIlgefiij3e geschoben werde n. Auf di esen Strukturen kiinnen reson ante Strom e und hoh e elektrische Feldstii rken an den Le iterenden entstehe n. di e verb renn ungen bewirken kiinnten.

Schlilsselwdrter: Magnet ische Resonan z. Interventi on . Sicherh eit , Artefakt, Antenn eneffekt Abstr ac t Because of its high soft -tissue contrast, Ma gn eti c Resonance Imaging (MRI) is used increasingly fo r guidance and control of minimal invasive and neurological surgical pro cedures. Besides common pre cautions during an MRI investigation. special attention has to be paid to the cons equences of MR compat ibility, accura cy of loca lisat ion of int erv entional tools and geometrical distortions. As a new application of interventional MR intravascular procedures are developing that invol ve the int rodu ction ofguide wires. catheters and miniaturized coils with their leads into the blood vessels. Resonant currents and high electric fi elds can develop lit the conducto r ends. possibly caus ing burning lesions.

Keywords: Magnetic resonance. intervention. safety, artifacts. antenna effect

Einleitung Weil sc honende r fu r den Paticn tcn und wirtsc haftlicher flir das Gesundheitswe sen haben minimal-invasive Eingriffe stetig zugenommen. Dabei spielt die medizinisehe Bildgebung eine e ntsc heide nde Rolle, so wohl fur die Fiihrung (guida nce) der Instrumente als auch fur die .. berw achung (mo nitoring) des Eingriffs. Ais Modalitat fur bildgestiitzte Interventionen wird neben Rontgen. CT oder UltraschaIl zunehmend die Magne tresonanztomographie (MRT) verwendct, weil sic Bilde r mit hervorragendcm Weichteilkontrast und guter Darstellung der Gefabe liefert. Auch das Fehlen ionisierender Strahlung ist bei der zune hmenden Kritik an dieser Energ iefonn ein Argu ment. A us die sen Grunde n wurde n die primar fur radiolog ische Diagnost ik cntwickelten Mk -Gera te schon bald fur die KontroIle intervcntioneIler Eingriffe wie z. B. Biop-

Z. Med . Phys. 12 (2002) 5-15 © Urban & Fischer Verlag

htlp:llwww.urbanfischer.de/journ alslzmedphys

sie n, Thermoablation von Tumoren odcr gar neurochirurgische Prozedu ren eingeset zt [1- 8). Die rasc he tcchni sche Entwicklung von MR-Anlagen und deren immer breit er werd end er Einsatz haben dazu gcfuhrt, Sicherheit und Qualitat intensive Aufmerksamk eit zu widmen. die in verse hiedc ncn Empfeh lungen und onnen ihren iedersc hlag gefunde n haben [9- 11). Die se Regeln ge lten naliirlich auch fur die intervcntio neIle MR, bei der dariib er hinaus die einge setzten interventioneIlen Werkzeu ge cincn Einfl uss auf die Patien tcnsichcrh eit haben konnen. Zud em halt sich bei MR-gefiihrten Inter vent ionen das rncdizinische Personal langer unmittclb ar am Mk-Gerat au f, so dass tiberleg t werden muss. ob hierdur ch kurz- und langfristig ein Gcsundhcitsrisi ko entsteht. Bei der MRT ge lange n bekannt lich 3 Felder gleichzeitig zur Anwe ndung. das mag netische Grundfeld nonn alerweise

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Sicheme itsaspekte bei der interventionellen MRT

in der Gr c lsen ordnung zwisc hen 0,2 und 1,5 T, da s ge schal tete magn et isch e Gradientenfeld und das clektromagnetisehe Hoc hfreq ue nzfeld. Bei den biol ogi sch cn Au swirkungen dieser 3 Felder muss man unt crscheid cn zwisc hen wohlverstandenen Risik cn auf Grund de s physiologisch e n Einflusses der ph ysikalisch en Effekte Ind uktio n, Lorentzk rafte und Abso rp tion, auf die aue h in dieser Zeit seh rift bereit s eingegange n [ 12] wurde, und potenti el len Ri siken meist a uf molckularcr Eb ene r13, 14]. Negative A usw irkunge n let zter er a uf den men sch liche n Organi smus wurde n aber bisher nicht naehgewiesen. so dass sich z. B. die Regeln der Berufsgenossenschaft elektromagnet isch e Feld er be lreffe nd . die auc h fur da s medizini sche Person al beim Aufen thalt an de r MR -Anlage anzu we nde n sind, an den physik ali sch verslandene n Gefahrdungen or ienticren [ 15J. Ein weiterer Faktor der A rbeitssiche rhe it ste llt die Gcr auschbelasrun g durch das Sc ha lten der G radi enten bei dauerndem Aufe nthalt am Mk-Gerat dar. Au ch hierfur lasse n sic h Vo rschriften der Beru fsgenossen sch aft anwende n [ 16]. Der aktue lle Stand de s Einflusses rnag nc tisc he r Resonan zproze d urcn auf Gesundheit und S icherheit w ird vo n ve rsc hiede nen Exp erten in [ 17] zusa mme ngefasst. Ocr vo rlieg e nde Aufsa tz bcschaftig t s ich mil den A spck ten , die beim Einb ringe n med izini sch er Instrument e in den MR- Raum eine Ro lle sp ielen und ge ht au f di e Effekte ein, die bei der MR-gefiihrten Interve ntio n zu beaehten si nd. Wie bercit s oben ziticrt, ex istie rt zu diesem Th ema zahlrei ch cs Schri ftturn , d ieser Beitrag besch ran kt sich des haIb auf die Zu sammenfassung der ph ysi kali sch en Ursac he n. Eine relativ neu e An we nd ung ist j edoc h di e intravas kularc MR- Interven tion , bei de r man der mogli ch en Aufheizung leitfahiger Ftihr ung sd rahte und Katheter Bea chtung sc henke n mu ss. Diesern Th ema wird wegen der Akt ualitat ein breit er er Raum eingeraumt. Bei der Mk-gefuhrten Int e rvention mu ss man zw isc hen 3 Fallen urucr sch cidcn , dem Eintluss des MR-Tom ogr aphen auf zusatzlich a nge wa ndte medizinisch e Werkzeu ge, dem Eintl uss des Zubeh or s a uf den MR-To mog raphe n und dem Eintl uss der Zu sat zau srti stung au f den Eing riff, wo be i die beiden erstc n Fail e un ter dem Beg riff Mk-Kompatibilirat zu sa mmengefasst werden ko nne n [18 J. Der Ge sichtsp unkt de s Einfl usses auf den rncdi zin isch en Ein griff hin gegen betrifft im Wesentl ich en d ie Genaui gk eit de r Lokali sati on MR -kompa tibler ln strumente im MR -Bi ld.

MR-Kompatibilitat FUrdie inte rve ntio ne lle MR konncn ve rsc hicdc ne zusatzlic he Gerate in die Na he der M R-Anlage ge brac ht we rde n, z. B. elektrisch aktive fur Laser-, Hf- ode r Kryoablati on , fur Na rkose und Beatmung oder fur die S teue ru ng des MR -Tomog raphe n du rch int er aktive Bildkon troll e, abe r auc h passive, w ie Bio psien ad eln und Katheter. Die damit verbunde ne n Problem e si nd di e gleiche n, wie sic au ch bei der diagn osti schen MR auftret e n, wo ja auc h Zubeh or wie E KG- Ge ra te und In-

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je kto ren fur Kon trastmitt el ei ngesetzt we rde n. Sie werd en durch eine vo m Herstell er durch zu fiihr en de Risik oan alyse adressie rt und d urch Sich ers tel lun g der Mk- Kompatibilitat

gelost. Ein Gerat ode r ln strumeru gil t als MR -k ompatibel , we nn bei der Benutzung fiir de n Icstgclcg tcn Z weck kein e Ris iken uuftreten und die Funktion des Mk-Gerats nich t beeintrach tigt wi rd. Weil ge ne re lle Normen Iiir die Mk-Kornpatib ilitat noch fehl en . kann beim Her stell er der Mk-Gerate naeh Du rch ftihrun g geeigne ter Tests ei ne Besch eini gung e inge ho lt we rde n. di e die Unbe de nk lichkeit der Benutzun g des Gerat s mil de r MR -Anl age bcstati gt. A is Beisp iel zcig t Tab e llc I. wie dab ei je nach Verw endungszweck MR -kompatibl e Instrume nte kategorisiert werden , wo bei dann je nach Kate gorie unt er sch iedlich e Kriteri en betrachtet werden .

Ein fluss des sta tische n Magnetfeldes Die bekannteste Wirku ng cines Mk-Gerats a uf med izinisch e Instrume nte, die in die Nah e des M agn eten ge brac ht wor de n, si nd die Kra fte auf ferro magne tisc he Te ile (m issi le effec t) . W iihrcnd im homogen cn ma gnetisch en Fe ld nur ei n Drehmomen t wir kt, da s da s Teil parallel ZUIll Fe ld a us richte t, tritt in inho mogene n Feldern ci ne Kraft a uf, die prop ortional zu r A nderung bzw. zum G rad ienten des magn eti sch en Feldes ist und in Ri chtun g des Ma gnctzcntrums w irkt, Bei mod ernen , geschirmte n supraleite nde n Magn eten nimmt das ma gneti se he Streufeld in etwa mi t der funften Poten z der Entfernung ab und bctragt bei 4 m Abs ta nd vo m Magnetze nt rum nur noe h das 10-fac he de Er dm agn etfcldes. D icscs ge ringe St reu feld erlaubt z. B. eine n vo llwertige n Op e rat ion st isch direkt a m Magn eten a nz ubringe n [ 19]. Es kann m it no rrnalem Werkze ug o periert werde n, zu r Bi ldko ntroll e wi rd der Ti sch vo r di e M agn et offnung geschwe nkt und der Pati e nt in gewohnte r Weise in den Ma gn eten ge fahren . Beim Arbeit cn mit medizi nisc he n Instrument en im M agne te n mu ss grollte Vorsicht wa lte n. Ein mag net isc her Eisenklot z w ird 2 m vo r der M agn etoffnun g nur mi l e twa einem Zehntel se ines Ei gen gewicht s angezoge n. in 1m Abstan d ab er sc ho n mit mehr al s der Hal ftc, Schwere Ge genstande lassen sic h dann nich t meh r halten und werden geg e n den Magnet katapultiert . Se lbst wenn sich kein e Person en in der Flugb ahn befinden und zu S chaden komrnen , w ird du rch so lche Vorfall e meist sowohl de r Magne t als au ch der katapultiert c Gegen stand da uerhaft besch adi gt , Wen iger spektakular wirkt das statisc he Magne tfeld au f in die Na hc gebracht e elektriseh e Gerate, deren Eisen keme in Tran sformatorcn , Relais und Elek tro mo tore n magn etisch saltigen. Erho hte Strom aufnahme, Feh lfu nkti on und Durchbren nen vo n Sicherungcn kan n die Foige sein. Kath od en strahl en in An zeigeger aten we rde n ab gelenkt, was zu Anzeigcverzerrunge n und Fehlfunktion fuhrt; Filame nte in Rohren und G ltihlampen brennen infolge de r au f s ie einwirken de n Loren tzkrafte leieht er du rch . Magnetische Aufze ichnungs medie n werden gcloscht. Wei l beweglich e Te ile magn et isiert werden ,

$ icherhe itsaspc kte bei der inlerventionellen MRT

Tabelle I a Kategorisierung M'R-k ompatibler Geriite und Instrumente zwecks Ausstellung einer Kompatibilitiitsbescheinigun g in Verbindung mit Mlc-Systemen der Siemens AG. Kate gorie

aktivl pass iv

innerhalbl au13erhalb

p

2

a

3

a

a

Verbin dung zum MR-Gerat

o s 0,1 S/m und IX I ~ 5 .10- 5

medizinischer Anwendungszweck'

Patientenkontakts

Implantat

Beispiel

rnoqlich

s

nein

rnoqlich

moglich

Gehorschutzkapsel

ja

n.a.

nei n

nein

nein

Drucker

nein

> rnoqllch

nein

nein

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Leuchte Stereotaxierahmen

p

rnoqlich

> rnoqllch

ja

ja

nein 3

5

a

moqlich

> moql ich

rnoq llch

rnoqlich

nein

Patien tenOberwachung

6

p,a

nein

>

nein

ja

ja3

Schrittmacher

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o X

=spez ifische Leittahiqkeit = relative magnetische Suszeptibilitat

Anmerkungen : 1 Geme int ist ein Anwendungszweck, der der Diagnose und/oder Behandlung des Patienten im Zusammenhang mit der MR-Anwendung dient. 2 Geme int ist: In Kontakt mit dem Patienten oder in dessen unmitlelbarer Nahe, wahrend er sich im Magneten bel indet. 3 Zahnimplantate mit o undloder IX I li ber dem angegebenen Grenzwert sind der Kategor ie 4 zuzuor dnen .

Tabelle Ib Punkte der Kompatibilitiitspriifung (ausz ugsweise) entsp rechend den Kategorien in Tabelle l a. PrOfgegenstand

2 H W Datenblatt , Designbeschreibung Gebrauchsanweisung, ggf. weitere produktbegleitende Unterlagen Konto rmitatserklarunq (CE) , FDA -Zulassung Einhaltung der EMV-No rm Risikoanalyse Schn ittste llenspezifikat ion Mechanische Kornpat ibllttat Reinigungsmog lichkeit Magnetisc he Suszeptibilitat Magnetische Krafte Stat ische mag netische Storunq (Hornoqenitat, Bildverzeichnung) Dynam ische magnetische Storunq Grad ienten-Wirbelstrome Elektrische l.eittah iqke it HF-Eigenschafte n (GOte, Leist)ung, SIR , Abschattungen ) Elektromagnetische Sto rstrah lunq (Artefakte, Rauschen , VV) MR-Stummhe it Meta llisc he Frerndkorper Erk larunq des Herstellers Ober durchgefOhrte SW-Tests Syste mtes t (aquivalent) Integ rationstest (aqulvals nt) stat ische Streufeldunempfindlichke it gepulste Streufeldunempfindl ichkeit HF-Feld-Unempfindl ichke it Erwa rrnunq du rch HF-Fe ld Ab leitstrommessung

2

S

Kategorie 3 4

5 H

W

W

x

x

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5 S

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1 - Nicht bei Artikeln fUr den einma ligen Gebrauch

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Sicherheitsaspekle bel der mtervent lonellen MRT

ka nn eine Fe hlfunktion im Zusa tzgerat bestehenbleiben, se lbst wenn es wied er aus dem Einfluss des Magneten entfernt wird. Das starke Streufcld unmittel bar vor einem MR-Magneten induzicrt bei raseher Bewegung in elektrisch leitenden Flachen oder Schleifen Wirbelstrornc. Durch die auftreten den Lo rentzkrafte wird ci ne schnelle Bewegu ng behindert . Dieser Effe kt ist allerdings nur bei sehr gro Ben Strukturen (Sc hleife n mit Durchmcssern grofle r als 10 ern) bem erkbar. Neben den Au swirkungen der M R-An lage auf die in den MR -Raum eingebrachten Gerate diirfen diese umgekehrt nicht die Funktion der MR-Anlage beeintrachtigcn, d. h. bcziiglich des Magn etfeldes, dass die Hornogenitat des Grundfeldes nicht vers chlechtert werden darf. Zw ar kann man im Allgemeinen dav on ausgehen, dass die s solange nich t der rail ist, wie a uch keine Krafte auf das Gerat wirk en , doch lasst sich die s bei Ge ge nstande n, die in der Niihc des Magneten fest montiert werden , wie z. B. Operationslampen , oft nicht fcststcll en . Die Hersteller der MR -Tomographen konncn den Eintl uss in der Nahe des Magncten festmontierter Gegenstand e auf die Feldhomogenitat simulieren und durch Shim-MaBnahmen ausgleichen.

Einfluss von Gradienten- und HF-Feldern AuBcr dcrn statische n Ma gnetfeld konnen auch die Gradien te n- und Hochfrequen z ( HF)-Fe lde r des Mk-Gerats Au swirku ngen auf Zubehor hab en und des sen elektrisch e Sch altkreise bee influ ssen . Diese selbst diirfcn kein storendcs HF -S ignal ab geben, das irn M R-Bild zu Art e fakten fiihrt oder gar den Empfan gsver stark er der MR-Anlage tibc rstcue rt. Beid e Eintliisse mu ssen durch sorgfaltige HF-Abschi rmung unt erbunden werden . Aufmerksamkeit ist immer ang ebracht , wenn Instru mente unmittelbar mit dem Paticntcn in Kont akt kornmcn konncn, Zu satzlich zu den Erforde rnisse n der Biokompatibi litat und de m Einhalle n de s minimalen Ab leit stroms ist sicherzus tellen . dass die Hf'- und Gr adi entenfelder in leitenden Strukturen keine S trom e induzieren , die zu Erwarm ung und Vcrbrennu ngen Iiihrcn konncn. Bei langen Drahten, z: B. EKG-Zuleitungen, besteht die Mo glichkeit, dass sich stehende elektro magnetische We llen aufbauen (A ntenneneffe kt), die zu lokalen Verbrennungen fuhre n, wenn der Draht mit dem Patienten in Kontak t kornmt [20 ,21]. Bisher konnte die ser Effekt leicht unterbunden werden, indem so lche Drahte hochohmig ausgefiihrt oder mi t Mantelwellensperren ve rse he n wurden. Sei t kur zern zeichnet sich jedoch als neue Anwendung der interventionellen MR die Verfol gung vas kularer Ei ngriffe abo bei de nen man auf die bei der Ron tgenIntervention bewahrten met alli schen Ftlhrungsdrahte und Kaihctcr zurtickgrcifen mo ch te . Ob die s in jedem Faile gcfahrlos mo glich is!' ist noch offe n.

Antennenefl'ekt 1m Gegen satz zu e iner Biopsienadel ist nam lich die elektri sc hc Lange I cines Fiihrungsd raht es odcr mctallischcn Kathc-

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tors irn Gewcbe bei einer MR-Frequenz von 64 MHz (e ntsprec hend einem Gru nd fcl d von 1,5 T ) in dcrselben G rollenordnung wie die halbe Wel lc nlange A des die Kernresonanz anregenden Hochfrequenzfeld es.

A

c

1= - == - - - 2 2 f lOGewelle c:

f: lOGcwclle:

V

(I )

Lichtgcschwindigkeit Frequenz Dielektri zitatskonstant e im Geweb e

so dass sich resonante St rome aus b ilden konnen, di e zur Erwarm ung fiihr en. auch wenn die Leiter nich t zu eine m Ring ges chlossen sind [22 . 23 ]. Bei einem in einem Iliissigkcitsgefulltcn Roh r al s Modell fur e in Blutgefaf stecke nde n Fiihrungsdraht wurden Temperaturerhohungen uber 30 K bcobachtet [24 ], wenn sich die Drahtspitzc cinern Ver sc hluss de s Rohrs nahert, der ein e Steno se sim uliert. Die Beobachtung, da ss ei n teilwei se irn Gewebe, teilwei se in Luft sich befindlicher Fiihrungsd rah t sich ha uptsachlich am freien Ende erwa rmt, konnte durch ein einfaches 2-Kammer-Modell interprcti crt wcrdcn [25) . da s 2 gcko ppelle Reson an zkrei se annirnmt. Der Resonanzkrcis, der dem irn Gewebe steckenden Fiihrungsdraht cntspricht, wi rd starker gcdampft al s der in Luft, so dass in dern au s dcm Geweb e herausragenden Drahtstlick hoh ere Strome auftreten . Wie im Anhang naher ausgefuhrt, kann ein elektri scher Leiter im Gewebe, z. B ein Fuhr ungsdraht , ein Katheter oder aueh die Zu lci tung zu den Elck trodcn cines Hc rzschrittmacher s, als Wellen leit er angesehen werden, in dem ele ktrisc he Hf'-Fcldcr einen Strom induzicrcn. Abbi ldu ng I zci gt die typische n elektri sehen HF -F eldkomponenten ein es Sendereso nator s fUr Hochfeld-Mk-An lagen, die in den We llenleiter einkoppeln, wenn sich der Draht au Bcrhalb de s Zcntrurns de s Magneten in der Nahe de s Resonators befindet. Mit ciner quantitati ven aber plau siblen Ann ahme (Abb. 2) iiber den Verlauf der elektrische n Hf-Feldstark en Ell, E..L parallel und senkrec ht zum Well enleiter wu rde di e Abhangigkeit der sic h am Leiterende au sbi ldenden spezifis chen Lei stungsabsorption (SA R: specific ab sorption rate ) als Funktion de r Drahtlange Iilr unt erschiedliche Urngcbungen bcr cchnct, Sci physiologis cher Ko ch salzlo sun g ergibt sich ein deutliches Maximum. des sen Lage der Lange de s Senderesonators de s MR-Geriits entspricht, eine geanderte Lan ge de s Resonator s versehiebt da s Maximum der SAR (Abb. 3) . Die erwartete 1J2-Resonanz de s Leiters deutet sich nur als kleine Erho hung vo r dem Maximum an. Bei einem Leiter in Luft ergibt die Rcchnung hin gegcn cin e sc harfe Rc sonanz bei 192 em e ntsprechend 1J2 , und die SAR am Lei terende ist um me hr als 2 Grollen ordnungen grober als bei eine m Leit er in Kochsa lzlos ung . Die dampfende Wirkung der U mgebung au f di e Leiterresonanz wird so offensichtlich. Zur experimcntellen Ubcrprilfung di escs thcoretisch cn An satzes wurde ein Filhrun gsdraht in ein em Kasten mit phy-

Sicherheitsaspekt e bei der interventionellen MRT

Abbildung I Typische elektrische HF Feldkomponenten des Senderesonators einer 1.5-T-MR -Anlage. die in einem linearen Leiter einen Strom in dutieren.

. . - -:,

r--"l

(a)

o

-0.5

0.5 m

-+- z

(b)

0.5 m

-0.5

--+ z

Abbildung 2 Qualitativer Verlauf der parallelen (a) lind der senk rechten (b) elektrischen Hli-Feldkomponente zweier verschieden lange r Senderesonatoren (50clI/und 75em ).

SAR I bE

/" /

I~

i'; b 1

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\ "\ "'"<,

o

05

-----.--

1m

[Xahtlange

1.5

Abbildung 3 Berechn eter Verlauf der SAR (specific absorp tion rate) am Ende eines linearen Leiters in elektrisch leitender Umgebung als Funktion der Drahtldn ge bei 2 verschiedenen Senderesonatorliingen (a: 50 em, b: 75 em). Parameter: to = 2 ][ 64 MHz. (J = 0.2 S/I/I. e = 80.

Abbildung 4 Me ssanordnung zur Beoba chtun g der Temp era tu rerhiihung all/ Ende eines Draht es in einem Wasserbad info lge des Sendefeldes eine r 1,5-T-Anlage.

siologisc her Koch salzlosun g aufgehangt und in de r ahe des Senderesonators in ei nem 1,5 -T-Mk-Gerat platziert (A bb. 4). Ftir MR-Pu lssequen zen mit hoher Leistung wie Tru eFISP und Tu rbo Spin Ec ho wurde die Tcmperatu rvert eilung langs de s Drahtes mit ei ne rn flu oro-optischen Th ermometer bei verschi edenen Leiterlangen unt ersucht . Die Ternp craturerhohung an den Leiterenden betru g max imal we nige Ke lvin und stimrnte als Funktion der Leiterlange qu alit ati v mil der bere chneten SAR tibcrein [26] (Abb. 5). Ob wohl wegcn Warrnek on vekt ion und -leitun g die sic h ei nstellende Te mpe ratur kein unrnittelbares Ma G filr die umgeset zte Lcistun g [27 ] ist, war der beob ach tete unrn ittel bare zeitliche Anstieg der Temperatur nach Start en der MR -Pul ssequ en z in quali tativer Ube rei nsti mmung mit der rechneri sch en Vorh ersage . Solche Untersuch unge n sind hilfreich zum Verstandni s des Ant enn eneffekt s, sc hlieBen aber kein eswegs aile Abh ang igkciten ein. Insbe sondere inhornogen e Leiterumgebungen bedtirfcn noch gena uerer theoreti scher und cx perime nteller Untersuc hunge n.

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Sicherheitsaspekte bei de' interventionellen MRT

Eine Defi nit ion alle r Ums tande , unter de ncn sich ein Draht aufheize n kann , steh t noch aus. lnfolgedessen ist es nicht ausreich en d , ein intervernionelles Wer kzeu g w ie ei nen Fuhrungsd raht, einen Kathet e r, eine Zu le itung zu ei ner vaskulare n Spule als sic her bezllg lich Erwarmung anzuse he n, selbst wenn im Ex per ime nt kein e Erwarm ung beob achtet wurde. Hie rzu sind we itcre thcor et isch e und ex pcri me nte llc Un tersuc hungen crfo rdc rlic h. Interessante Ansa tzc sind die Begr en zun g des Leiter stroms durch f-ilter [28]. die Vermeidun g lan ge r Leite r durch Nutz ung von para mag netisc h besc hichte ten G lasfasern [29 ) oder die optisch ges cha lte te elektrische Verstimm ung der Reson anzfrequ en z [30] wa hrend des Sen den s.

Lokalisation

Seh ich t nicht ausre iehe nd . Die vorwiegend fur MR -A nwen dungen aus Titan oder Ede lstahl hergestellten Nadeln si nd jedoch im Gegen satz zum di arn agnetisehen Geweb e pararnagnetise h. Die Na de l er ha lt info lge dicses Su szcptibilita tsunter schi eds gegenuber dern um geb enden Gewebe die zusa tz liehe Magne tis ieru ng L\M L\M = L\XI-I .

(2)

H : magn etisch e Fe ldst arkc im Gew eb e, die ei n schwaches aber nicht vern ach lassigbares Zu sat zmagnet feld im urngeb enden Geweb e erzeugt [31 , 32 ). Betraeht et man ci ne Na del als unen dlich lan gen Zyli nder mit Radi us ro, ergibt sic h ftlr d ieses Feld (bzw. di e z- Komponente paralle l zum G rundfel d )

(3) Die Positioni erung med izi nisch er Instrument e w ie Na deln, Sonden und Katheter im Patient e n unter MR-Bildkontrolle wirft info lge de r Wech sel wirkung d ieser Instrumente mit dern Mk-Gerat zusa rzlic he siche rheitsrelevante Fragen auf. die durch Ein ha lten der Mk-K ompatib ilitat allein nicht beant wortet we rde n. Konkret ste llt sieh di e Frage naeh der Gena uigkei t, mit dcr ei n Instrument im Pat ien t lok ali siert und posit io nie rt werde n ka nn. Die Z ube ho rind ustrie bietet be reits ei n breites Sp ektrum MR-k ompatibl e r Instrument e an, die im MR- Bil d auf Grund des fehle nden Sign als sichtbar we rden. Doch ist allein de r Teilvolume n-E ffe kt fUr die Lokal isieru ng ei ner dunnen Biop sienadel vo n Z. B. 1,2 rnrn Durchmesser in ci nc r 5 mm die ken

Temperatur / K 9 8

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(4)

Bo: Flu ssdi chtc des Grund fe ldes

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80

Drahtlanqe / em Abbildung 5 Beob acht ete Temperaturerhiihung ill der A nordnu ng na ch Abb . 4 bei Start einer TruelilSle-Sequen zfiirunter-

schiedliche Drahtldngen. Der eingezeichnete theoretische verlaufder SA R wurde den Messwe rten entsp rechend skaliert.

10

wenn die Nadelae hse senkree ht zu m Magnetfe ld ste ht. Ste ht die Na de lae hse parall el zurn Feld . verse hw indet hingegen das Z usatzfeld (mi t Ausna hme an den Nade lende n). Das vo n der Na de lmag net isieru ng hcrriihrcnde Z usa tzfeld stort lokal d ie Homogen itat des Grundfeld es und die Linea ritat der rnagnet isch en Fel dgr adi ent en und fiihrt ZlI ty pise hen unubersehbaren Bild artefakten (Abb. 6a,b. 7), die dann allerdings ei ne ins Geweb e gestoche ne Nad el erst sichtbar rnachen. Form und St ark e des S uszept ibi litat sartefakts hdngen ab vo n R ichtung und Starke des G ru ndfe lde s und der magneti schen G radi ent en fel der sowie vo n de r Pul ssequ en z [33 , 34] . Irn Prinzip sind 9 versc hiedene Kom bin at ionen von Nadel, Gradien ten und Grun dfe ldausri ch tung mit unter sch icdlichcm Artefaktverha lten rnogl ich (Tabelle 2). Ge nerell ist die Verzerrung L\r um so klei ner. je gro flcr die Abb ild ung sg radien ten G sind

In Richtung des Au slesegradien te n ist die loka le Bildvcrzerrung grolier a ls in R ich tun g des Ph asenkodi ergradi enten . Be i e iner Spin-Ec ho -Seq ue nz werden St ell en im Bil d , an denen sic h der suszeptibi litatsbed ingte Grad ient vorn A us lese grad ient subt ra hiert. hell. wo er sic h addie rt, du nkel (A bb. 6) , ei n se nk rec hter Schnitt durc h die Nadel ergib t ein en typischen Pfeilsp itzcn- Artcfakt. Bei Gradientenec hos eq ue nzen ist die Verzei chnung grofsc r als bei Sp in-Ech o-Sequenzen , we il die De ph asieru ng der Magne tisierung du rc h das Ma gnetfeld del' magn et isier ten Nadel nic ht refoku ssiert w ird (Abb. 7) . D ie d urch den Suszcptibi litatsartefakt bed ingte Nichtlinearitat i rn Bild kann in A uslcseriehtu ng je nach G radientenstar ke zu ei ner sc hei nbaren Vcrse hieb ung der Nadelposi-

Sicherheitsaspekte bei der interve ntionellen MRT

Abbildung 6a Die Ma gn etisierun g ei-

ner Nadel bewirkt ein magn etisch es Zusatzfeld im Gew ebe. Dieses Feld [iihrt ZlI lokal er Gradientenverstiirkung oder -abschwiichung, die zu Bildve rzerrungen und lntensitiitsver-

iinderun gen Anlass geben. Bei einem senkrechten Schnitt durcli die Nadel mit einer Spin-Echo-Sequenz erg ibt sich ein pfeilftirmiger Artefakt, der im Verglei ch zur wahren Lage der Nadel vers ch ob en ist. (110: Induktlonskon stant e )

Nadel

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-+

. ,»:

Gz Z+ABt

. 0.

a

b

Abbildung 6b Sus zeptibilitiitsartefakt bei einem Schnitt liings durch die Nad el mit einer Spin-Echo-Sequenz. Das Bild kann als Projektion des Pfeilspit zenartefakts in Abb. 6a interpretiert werden.

Abbildung 7 Suszeptibilitiitsartefakt bei einem Schnitt tangs dutch die Nad el III it Spin-Echo-Sequent; (a) ttnd Gradi entenEcho-Sequenz (b). Gleiche Feld - und Gradientenorientierung \Vie Abb. 6.

lion im Vergleich zum tatsac hlichcn a rt urn meh rere mrn ftihren. Bci bestimmten Ausrichtungen von Nadel. Grundfeld und Ausles egradient kann es auc h vorkornrncn, da sich die Bilder von adel und umliegendem Gewebe in entgegengesetzte Richtungen verschieben (siehe z. B. schematische Gradientcnverlaufe in Abb.6a). Dies bedeutet zwar nicht, dass die Position der Nadel unmittelbar ZUIll umgcbenden Gewebe, z. B. der Lasion , falsch angezeigt wird, denn die Nade l liefert ja kein Signal, jedoch wird der Abstand zu einem Zie lpunkt quantitativ verfal scht. Das Vorschieben einer Nadel im

Gewebc muss also mit Bildkontrolle ilberwacht werden und darf nicht allein auf Grund des dem Bild entnommenen Abstands erfolgen. Dies ist auch deswegen nicht crlaubt, weil heutige MR-Tomographen keine eichpflichtigen Messinstrumente im Sinne der Medizinproduktebetreibervcrordnung sind. Zur Planung und Durchflihrung von Biopsicn werden mit unter Navigationssys terne verwendet, bci denen mit 1'0sitionssensoren der art des Nade lha lters und die Richtung der adel festgc stellt und als Trajcktorie ins Bild cinge-

II

Sicherheitsaspekte bei der interventionellen MRT

Tabelle 2 Suszeptibilitiitsart efakte einer Nadel bei verschiedenen Orientierungen ill Bezug auf Grundfeld, Schicht- lind A II Slesegradient, Es wird niclu weiter unterschieden, ob ein Gradient parallel oder antiparallel zum Grundfeld steht, wodurch noch einmal verschiedene Arrefakte verursacht werden konnen.

B

Ausrichtung

B

t+

A ;I I

A I

Bild der Nadel Artefakt

G Lese

-~

G Lese

B

A ;I I

-..

G Lese

B

-.. ;I -.. A

G Lese

I

t

B

B

B -~

G Lese

-.. -~

+

G Lese

-.. ;I -~

G Lese

A

-~

;I

I

G Lese

B

-.. --.. ;I

G Lese

G SChichl

GSChicht

GSChiCht

G SChichl

GSChiCht

Ouerschnitt

Langs -

l.a nqs -

Ouer-

O uer-

l.anqs-

t.anqs-

l.anqs-

l.anqs-

schnitt

schnitt

schnitt

schn itt

schnitt

schnitt

schnitt

schnitt

Verbrelte rung der

Nadelspitze

Nade lspitze

[33, 34]

Kuge lformige Achttorrn iqe SpeerspitNadelspitze zenartefakt

[33]

[31]. verschoben in Lese richtung

GSChicht

GSChichl

B

GSchicht

SpeerspitVerschoVerschoVerschozenartefakt, bene Sch icht bene bene Sch icht, Ver- Schicht, verschoben Verb reite in Leserichtung

rung de r Nadel

breiterung u. Verschiebung de r Nade l in Le-

Verbreiterung der Nadel

GSChiCht

Verschobene Sc hicht , Verbre iterung u. Versch iebung der Nadel in Lese rich tung

se richtung

ze ichnet werden. Bei spiclswci se sind refl ektie rende Kugeln am Nadelhalt er angebracht, die mit infrarotem Licht beleuchtet, von zwei CCDs detektiert we rde n. Au s dem ste reo s kopisc he n Winkel , unter dem di e Kugeln ersc he ine n, wer den Po sition und Au srichtung des Nadelhalters berechnet. Hicrbei muss bcdacht werdcn, da ss am Rande de s Hornoge nit at sgebi et s des definicrtcn Abbildungsgebiets der MR -An lage a uf Grund von Inhornogenitat en de s Grundfeldes und von Nichtlinearitaten der magnetischen Abbildungsgradien-

8

6 4

2

o

o

5

10

15

20

Rad ialer Abstand vom Zentrum (em)

Abbildung 8 Mittlere Abweichun g zwischen detn von der Anlage im Bild angezeigten lind dem tatsdchlichen Orr einer Nadelspitze als Funktion des Abstandes ZUl li Magnetzentrum bei einer 0,2-T-Anlage.

12

ten bereit s erheblich e Bildverzeichnungen auftre ten k6nn en (A bb. 8) . Die vom Navigaiionssystem an gezeigt e Tr ajektorie kann deshalb von der ab gebildeten Lagc dcr Nad el im Geweb e stark abweichen. Auch hier ist ei ne Ubcrwa chung durch die im Bild unmittel bar sichtba re Position der ad elspi tze in Bezug auf die unmittelbar e Umgebung un ve rz ichtbar.

Schlussfolgerung Bei der Sicherh eit der interven tionellen MR rnusscn neben den bei j eder Intervention aus med izini scher und hygienischer Sieht zu beaeht enden Ma13nahmen zusatz lich d ie anerka nnten Sicherhcit srichtlinien der di agnosti seh en MR befolgt werden. Da bei der Inte rvention Instrumcnt e benutzt und evtl. Implantate eingesetzt werd en, ist der MRKornpatibilitat besonderc Aufmerksamkeit Zl1 widmen. Die Kombination von MR-B ildgebung und Intcrvention fiihrt zwangs laufig auf das Problem der Lok ali sierungsg enaui gkeit intervention eller Instrument e im MR -B ild . Feld inhomogcnitaten und Gr adientennichtlinearit aten am Bildrand er schweren die Instrumcntenfiihrung iiber qu antitative Absta nde und Winkel, die s ist be sonders beim nun after disku tierten Ein satz von Robotern Zl1 beachten. Au ch fiihrt di e 10 kale BiId verzerrung du reh den Su szeptibilitatsartefakt zur U nscharfe. ma cht jedoch das interventionelle Instrument er st siehtbar. Bei MR -gefiihrten intravasku laren Eingriffen tritt da s Problem der lokalen Uberhitz ung an lan gen met alli sehen Strukturen wie Fuhrungsdrahten auf. Die Bedingungen hierfiir sind

Sicherhe itsaspek te bei der intervenl ionellen MAT

du = Ell (z) - (R' + juil,' ) i dz

C'cdtlElldz

-..

~ I

lu R'dz

L'dz

C'dz

~ = jwC~ heff E.l (z ) -

i+di

u+du i+di

dz

Durch Di fferen zier en fo lge n die durch die ei nkoppe lnde n elektrise he n Fe lder etwas mod ifizierten Leitungs- ode r Teleg raphe ng le ichungen 135]

-d

2u

dz 2

, = dEII(z . C c' Zh E ( ) - you --) - JYw - efT~ .l Z dz

2

Abbildung 9 Elektrische Ersatzschaltung eines kurzen Ab schnittes eines linea ren Leiters (Fiihrungsdraht. Katheter) aus verteilten Kapazltaten. lndu ktivitiiten und Widerstiinden. in den elektrische HF-Felder einkoppe ln. ( C 'c: Koppelkapazitiit pro Ldngeneinheit zwischen Leiter und Resonator, he/r-" Abstand zwisc hen Resonator und Leiter; R '.1.', G ', C ': Widers tands -, lnduktivittits-, Leitfii higkeits- und Kapaziuitsbelag des Leiters).

(5)

(G' + j ooC') u

. C' h dE.l(z) -d ,j -YO,).=JOO c eff - - -

dz'

dz

-

-

Y E' n ( z )

(6)

E~oo2 + j O-!lOO

(7 )

Y

mit der Ausbreit ungskonsta nten Y

y2 = (R' + j co L' ) (G' + j m C' ) '" -

und dem komplexen Leitungswellenwiderstand Z Z2 = R '+ jooL' '" . G ' + jooC'

(8)

. 0-

E- J

-

= ~r llo: rnagn eti seh e Perm eabilitat. im Gc wc bc ist Jlr'" I = 10,£0: Dielek trizitatskon stant c, im Ge web e ist Cr '" 80 0: ele ktrise he Lc itfahigkcit, im Blu t ist 0 '" 0.6 S/m j =v=T

~

viclfaltig un d hiingen neben der Pul ssequen z vo n Drahtl ange und Dr ahtdu rchmesser abo vo n der Posit io n des Dr aht es im MR -G er iit un d der Ein ko pp lu ng vo n Hoch frequenzen ergie aus dem Sen dereson ato r und vo n de r Umgeb ung des Drahtes. Sol an ge kein e zuvc rlassigc M eth ode ge funde n ist , die Strome auf dem Draht zu beg ren zen , bed eutet deren Benutzun g im MR-Geriit mit Pati ent en irnmer eine Gefahr. Fiir diese Pro bleme werden abc r versc hiede ne Losun gen di sk utiert. di e vo m Einbringen von M antelwel lcnfi ltern tiber op tisch geste ue rte Ve rst immung bis zu nicht leit enden Fuhrungsdrahten rcich en. Ei ne allgemei n anerka nnte Losung gi bt es noch nicht , doch lasst sich das Probl em natiirlich im me r c ntsc ha rfen, we nn nur Pul ssequ en ze n mit nied riger H F-L eistun g ei ngesctzt werden.

Anha ng Ei ne lin ear e le ite nde St ruktur in ei ne r M R-Anlage kann in An alogi e zu cinern Well en leiter durch eine e lektrische Ersa tzscha ltung besehrieben worde n, di e aus ve rtei lte n Induktivitate n, Kapazi tat en und W ider standen bes te ht. In diese St ru ktur ko ppeln di e pa ra llel en E ll' und e nkree hte n Ej Kompon enten de el ektriseh en Hoeh frequ en zfeldes ( Kre isfreq ue nz (0) ein (A bb. 9). die so wo hl vo n der S endespule ausgehe n als a ue h in fol ge des Induktion sgeset zes mit de m hoeh frequent en magn et ise hen Weeh sel feld B I vc rkniipft s ind. Es erg ibt s ich e in Paar ge ko ppel ter Differentialgleiehungen fur Strom i und Spannung u auf dem Well enl eiter als Funktion der Ausbreitu ngsriehtung z:

10

Bci Kenntn is der elektriseh en Feldkompon cn ten E ll. E.l konnen S trom und Spannung auf dcm Well enl eit er berechnct we rde n. Fur den Strom fo lgt als homogen e Losung der Differcntialg leiehun g (6)

(9) und als part ikul are Losung

.I p() y z = ~ Z

f -E,11(k) . C 'h -, ex p (jk' z )d k. - JOO k- + r

f j kkE.l+i(k) exptj kzj dk 2

c

eff

( 10)

mit E1 1(k); E 1 (k ) als Fouriertran sformierten der Fe ld kompon enten E11(z). E.l(z) . A is Ge samtlosun g e rgi bt sie h di e Summe (I I)

wo be i die unbekannten Ko nstanten A und B du rc h die Ran dbedingung ( 12)

festgeIegt sind. Di e Sp annung entlan g des Leit er s fol gt dann aus GI. (5 ).

13

Sicherheitsaspekte bei der interventionellen MRT

Da dcr elektrische Widerstand des Leiter s als ve rnachlassigba r irn Vergleich zu den ande ren ve rtei lte n Imp ed anzen an gesehe n we rde n kann, ist eine direkte Erw armung des Drah ts durch de n ind uzie rtcn Wcch selstr om ausz usc hlie Ben. Die elek tri sc he Leistung wird vielmehr im umge be nden Ge webc umgcsctzt. in dem das den Le iter urngebende elektrische Feld Er eine Stro md icht e erzeugt. die das Ge web e erwarm t, Zu r Berech nun g sci das magn cti schc Feld in der Na he des Le ite rs (Abs ta nd r)

H (z.r) = i(z) 'P 2m

( 13)

betrac htet, aus de m s ic h mi t de n M axwellsch en Gl eichungen unm itte lbar a i(z)

az

E,(z) = - ..,-----=.-=--2m (a + j ms)

( 14)

erg ibt. D ie im Gewebe um gesetzte e lekt risc hc Lcistung pro Masscn cinheit SAR (Specific Ab sorption Rate ) folgt zu

( (5) O"Ocwcbc:

p:

elektrische Leitfahi g keir des Ge web es Dichte des Ge webes

wobei alle rdings die dircktc n Bcit rage der ele ktrisc he n Feld ko mp on ent en Ell und E.L nich t bcrii cksichtigt sind. Fur die unmittelbare Nac hbarsc haft a m Draht werden diese hier ve rnac hlassig t. O bige Bet racht un g bezieh t sic h auf einen une ndli ch lange n Leit e r. Zur Besc hrc ibu ng des elektrische n Feldes an den Leiterenden we rde n diese als kleine Kugeln rnodellie rt, urn die sich die ele ktrisc he Feldstarkc E(± I)", u (± ~ )ro r-

(16)

(r.Abs ta nd vo m Leit ere nde ) ausb ildet. An de n Lei tere nde n ist ei ne deut lich e E rho hung der elektrisc he n Fcldstarke und da mit der lokale n Erwa rmung zu erwarte n.

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14

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