Bestandsaufnahme zu Risiken durch statische
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Übersicht 293 Bestandsaufnahme zu Risiken durch statische Magnetfelder im Zusammenhang mit der Ultrahochfeld-MRT Survey of Risks Related to Static Magnetic Fields in Ultra High Field MRI Autoren H. E. Möller1, D. Y. von Cramon1, 2 Institute 1 Key words " biological effects ● " safety ● " static magnetic fields ● " ultra high field MRI ● eingereicht 3.12.2007 akzeptiert 6.2.2008 Bibliografie DOI 10.1055/s-2008-1027227 Online-Publikation: 2008 Fortschr Röntgenstr 2008; 180: 293 – 301 © Georg Thieme Verlag KG Stuttgart · New York · ISSN 1438-9029 Korrespondenzadresse Prof. Harald E. Möller Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften Stephanstraße 1a 04103 Leipzig Tel.: ++ 49/3 41 99 40-2 12 Fax: ++ 49/3 41 99 40-2 21 [email protected] Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften, Leipzig Max-Planck-Institut für neurologische Forschung, Köln Zusammenfassung Abstract ! ! Im Bereich der Magnetresonanztomografie (MRT) werden deutliche Verbesserungen der Sensitivität aufgrund der aktuellen Entwicklung von sogenannten Ultrahochfeld-Systemen, also von Human-Tomografen mit einer Magnetfeldstärke von mindestens 7 T, erwartet. Gegen diesen Nutzen muss der Betreiber eventuell bestehende Risiken abwägen, da derartige Anlagen gegenwärtig nicht als Medizinprodukt für den Einsatz am Menschen zugelassen sind. Die vorliegende Übersichtsarbeit präsentiert eine detaillierte Betrachtung potenzieller Wirkungen statischer Magnetfelder auf untersuchte Personen, auf das an der Anlage tätige Personal sowie auf die allgemeine Öffentlichkeit unter Berücksichtigung aktueller Normen und Richtlinien. Nach dem derzeitigen Kenntnisstand sind keine Schädigungs- oder Erkrankungsrisiken mit der Anwendung statischer Magnetfelder von 7 T am Menschen zu erwarten, sofern bekannte Kontraindikationen für MRT-Untersuchungen beachtet werden. Die vorliegenden Daten über Feldwirkungen erlauben es nicht, Schwellwerte für gesundheitsschädliche Effekte exakt anzugeben. Andererseits zeigt die bisherige Erfahrung mit Ultrahochfeld-Untersuchungen, dass transiente Phänomene wie Schwindelgefühle, Übelkeit, ein metallischer Geschmack oder Magnetophosphene zunehmend beobachtet werden. Dabei sind es offenbar insbesondere Bewegungen im Feld bzw. im Gradienten des Streufelds, die zu nachweisbaren Effekten führen. Davon abgesehen besteht weiterhin ein Bedarf an systematischen Untersuchungen möglicher Wechselwirkungsmechanismen bei Exposition durch statische Magnetfelder im Zusammenhang mit der Anwendung der MRT. In magnetic resonance imaging (MRI), substantial improvements with respect to sensitivity are expected due to the development of socalled ultra high field scanners, i. e., wholebody scanners with a magnetic field strength of 7 T or above. Users of this technology need to evaluate this benefit for potential risks since commercially available systems are not certified as a medical device for human use. This review provides a detailed survey of static field bioeffects related to the exposure of subjects being scanned, to occupational exposure, and to exposure of the general public under consideration of current standards and directives. According to present knowledge, it is not expected that exposure of human subjects to static magnetic fields of 7 T implies a specific risk of damage or disease provided that known contraindications are observed. The available database does not permit definition of exact thresholds for harmful effects. However, experience from previous application of ultra high field MRI indicates that transient phenomena, such as vertigo, nausea, metallic taste, or magnetophosphenes, are more frequently observed. In particular, movements in the field or the gradient of the fringe field seem to lead to detectable effects. Besides such observations, there is a strong demand for systematic investigation of potential interaction mechanisms related to static field exposure during MRI examinations. Möller HE, von Cramon DY. Bestandsaufnahme zu Risiken… Fortschr Röntgenstr 2008; 180: 293 – 301 Heruntergeladen von: Thieme E-Books & E-Journals. Urheberrechtlich geschützt. 2 294 Abkürzungen ! BG = Berufsgenossenschaft BOLD = blood oxygen level dependent EKG = Elektrokardiogramm HF = Hochfrequenz ICNIRP = International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection IEC = International Electrotechnical Commission MR = Magnetresonanz MRS = Magnetresonanz-Spektroskopie MRT = Magnetresonanztomografie SAR = spezifische Absorptionsrate SNR = Signal-zu-Rausch-Verhältnis (signal-to-noise ratio) SSK = Strahlenschutzkommission Einleitung ! Basale Hirnfunktionen spielen sich auf einer Submillimeterskala sowie im Subsekundenbereich ab. Gegenwärtig vermag kein bildgebendes Verfahren derart detaillierte Informationen simultan zu liefern. Deutliche Verbesserungen der Sensitivität gegenüber dem bisher erreichten Stand – und damit neue Optionen für die Neurowissenschaften – werden für die Magnetresonanztomografie (MRT) aufgrund der aktuellen Entwicklung von sogenannten Ultrahochfeld-Systemen (Human-Tomografen mit einer Magnetfeldstärke1 von 7 T oder darüber) erwartet [1]. Trotz hoher Kosten und nach wie vor bestehender technologischer Herausforderungen ist daher aktuell ein sprunghafter Anstieg bei der Installation entsprechender Geräte zu beobachten. So befinden sich gegenwärtig bereits mehr als 30 Anlagen in den Vereinigten Staaten, Europa, Japan und Südkorea in Betrieb oder sind verbindlich bestellt (mindestens zehn dieser Systeme werden demnächst in Deutschland, Österreich und der Schweiz verfügbar sein). Die MRT wird seit Anfang der 1980er-Jahre in der medizinischen Diagnostik eingesetzt. Sie basiert auf der Ausrichtung der schwachen magnetischen Dipolmomente bestimmter Atomkerne (meist Wasserstoffkerne) in einem starken statischen Magnetfeld. Durch Einstrahlung eines Hochfrequenz(HF-)Felds (Ultrakurzwellen-Bereich) kann diese Ausrichtung gestört werden. Gleichzeitig wird eine Kohärenz der Kerndipolmomente erzielt, wobei sich mittels einer geeigneten Spule („Antenne“) ein elektrisches Induktionssignal nachweisen lässt. Zur Ortskodierung werden dem statischen Feld magnetische Gradientenfelder überlagert. Durch mathematische Verfahren lassen sich aus den Daten Schnittbilder oder Volumendarstellungen rekonstruieren. Ergänzend liefert die MagnetresonanzSpektroskopie (MRS) mittels einer Frequenzanalyse der Signale chemische Informationen und damit Rückschlüsse über regionale metabolische Prozesse. Zu den besonderen Vorteilen aller Magnetresonanz-(MR-) Verfahren zählen ihre Nichtinvasivität und die Vermeidung ionisierender Strahlung. In einer Umfrage unter führenden amerikanischen Internisten wurden die MRT und RöntgenComputertomografie als die bedeutendste medizinische Innovation der vergangenen 30 Jahre bewertet [2]. 1 Vereinfachend wird hier anstelle der physikalisch korrekten Bezeichnung „magnetische Flussdichte“ (Einheit Tesla) die auch in der Fachliteratur übliche Bezeichnung „magnetische Feldstärke“ verwendet. Gegenwärtig besitzt kein kommerziell erhältliches Ultrahochfeld-System die CE-Kennzeichnung, da die zugrunde liegende europäische Norm [3] derzeit einen Grenzwert von maximal 4 T für den kontrollierten Betrieb festlegt. Ein Einsatz entspricht daher formal nicht den Voraussetzungen nach dem deutschen Medizinproduktegesetz (MPG) [4]. Sofern keine entsprechende Ausnahmegenehmigung durch die zuständige Bundesoberbehörde vorliegt, sind Untersuchungen am Menschen als „klinische Prüfung“ [5, 6] durchzuführen. Notwendig sind hierzu ein Ethikkommissionsvotum und der Abschluss einer Probandenversicherung. Eine alternativ praktizierte Vorgehensweise geht von der Sichtweise aus, dass MRT-Untersuchungen zum ausschließlichen Zweck der Grundlagenforschung durch das Medizinproduktegesetz nicht berührt werden. Nach Erfahrung der Autoren wird diese Einschätzung jedoch nicht generell durch die zuständigen Aufsichtsbehörden akzeptiert. Die in jedem Fall obligatorische Risikoanalyse und -bewertung erfordert eine detaillierte Betrachtung der Wirkung statischer Magnetfelder und deren Bedeutung für die MRT. Nachfolgend wird eine Bestandsaufnahme zum gegenwärtigen Kenntnisstand über Risiken statischer Magnetfelder präsentiert. Potenzielle Auswirkungen auf untersuchte Probanden (freiwillige Versuchspersonen oder Patienten), auf das an der Anlage tätige Personal sowie auf die allgemeine Öffentlichkeit werden unter Berücksichtigung aktueller Normen und Richtlinien diskutiert. Erwartungen an die Ultrahochfeld-MR ! Bei der MRT des menschlichen Gehirns wächst das intrinsische Signal-zu-Rausch-Verhältnis (signal-to-noise ratio, SNR) annähernd linear mit der Magnetfeldstärke [7]. Im Vergleich zu einem klinischen Hochfeld-Gerät mit einem 3T-Magneten resul" Abb. 1). tiert im Idealfall für 7 T die 2,3-fache Sensitivität (● Zudem werden Techniken der parallelen Bildgebung bei größeren Feldstärken zunehmend effizienter, womit Flexibilität im Design optimierter Aufnahmestrategien gewonnen wird [8]. Für die MRS gelten analoge Überlegungen. Messungen an Kernen mit geringerer Empfindlichkeit, die von potenziell großer biochemischer Relevanz sind (z. B. Kohlenstoff-13), werden praktikabler [9]. Hinzu kommt eine verbesserte spektrale Auflösung, sodass die Aussagekraft für metabolische Fragestellungen in doppelter Hinsicht gesteigert wird. Ein besseres SNR ermöglicht einen Auflösungsgewinn bei der anatomischen Bildgebung und damit (evtl. auch zusammen mit veränderten Kontrasteigenschaften) eine verbesserte Darstellung der Gewebetexturen des Gehirns. Dies schließt Informationen über Hirngefäße bis ca. 100 µm Durchmesser ein. Ein Grund sind stärkere intrinsische Magnetfeldgradienten im Bereich der abgebildeten anatomischen Strukturen wie z. B. der venösen Gefäße [10]. Die arterielle MR-Angiografie profitiert neben dem allgemeinen Sensitivitätsgewinn von verlängerten Relaxationszeiten (verbesserte Unterdrückung des Hintergrundsignals bei Time-of-Flight-Techniken [11]), sodass eine Auflösung bis ca. 100 µm sowie die Möglichkeit zur direkten Visualisierung der Blutflussdynamik in Arteriolen erwartet werden. In ähnlicher Weise profitieren Messungen der zerebralen Perfusion (Submillimeterauflösung). Bei der Abbildung neuronaler Aktivierung auf der Grundlage des Blood-oxygenlevel-dependent-(BOLD-)Kontrasts bewirken intrinsische Magnetfeldgradienten um Blutgefäße eine lokale Frequenzver- Möller HE, von Cramon DY. Bestandsaufnahme zu Risiken… Fortschr Röntgenstr 2008; 180: 293 – 301 Heruntergeladen von: Thieme E-Books & E-Journals. Urheberrechtlich geschützt. Übersicht Übersicht 295 schiebung, die linear von der Blutoxygenierung abhängt und die effektive transversale Relaxationszeit T 2* verkürzt. Dieser Effekt skaliert nach Ergebnissen von Ogawa et al. [12] für größere Gefäßradien (> 8 µm) linear (Regime der statischen Mittelung) und für kleinere Gefäßradien (≤ 8 µm) quadratisch mit der Feldstärke (Regime der dynamischen Mittelung). Wegen der supralinearen Feldabhängigkeit für den mikrovaskulären Signalbeitrag (also aus der unmittelbaren Nachbarschaft zur aktivierten Neuronenpopulation) resultiert bei wachsender Feldstärke neben dem generellen Kontrastanstieg auch eine verbesserte Lokalisierung [13, 14]. Als Alternativen zum BOLDKontrast sind spezifischere MR-Techniken zur Kartierung von Hirnfunktionen, die direkter auf die neuronalen Prozesse zielen oder eine präzisere Charakterisierung der hämodynamischen Reaktion gestatten, von anhaltendem Interesse. Ein zentrales Problem solcher Ansätze (z. B. auf der Grundlage von Transportphänomenen, Metabolismus oder Multiquantenkohärenzen) ist ihre geringe Empfindlichkeit, was den Einsatz von Ultrahochfeld-Geräten attraktiv macht. Gleiches gilt für die Entwicklung hochspezifischer Kontrastmittel zur sogenannten molekularen Bildgebung (z. B. Darstellung von Amyloidplaques bei der Alzheimer-Krankheit, Visualisierung von Zellmigration oder Entwicklung spezifischer Tumormarker). Abgesehen von neurologisch-neurowissenschaftlich motivierten Fragestellungen deuten sich auch für die UltrahochfeldMRT anderer Körperregionen (z. B. Gelenke [15]) Erfolg versprechende Ergebnisse an. Generelle Risikoquellen, Normen und Richtlinien ! Zu den potenziellen Gefährdungen, die generell mit dem Betrieb einer MR-Anlage verbunden sind, zählen Expositionen durch das statische Magnetfeld, durch zeitlich veränderliche Magnetfelder, durch hochfrequente elektromagnetische Felder sowie durch den von der Gradientenspule verursachten Lärm. Bei dem kernphysikalischen Primärprozess, der der eigentlichen Signalerzeugung zugrunde liegt (also der Anregung der im statischen Magnetfeld polarisierten Kernmomente durch HF-Einstrahlung) werden nur geringste Energiebeträge umgesetzt. Nimmt man ein Hirngewicht von 1300 g und einen Wassergehalt von 80% an, so beträgt die im gesamten Gehirn unter Anwendung eines 90°-Pulses bei 7 T durch das Spinsystem aufgenommene Energie ca. 160 µJ. Dies entspricht selbst bei einer kurzen Repetitionszeit von 100 ms einer unter Sicherheitsaspekten unerheblichen Leistungsdeposition von lediglich 0,0012 W/kg. Die tatsächlich im Gewebe absorbierte HF-Leistungsdichte (die spezifische Absorptionsrate, SAR) ist allerdings bedeutend größer, da einerseits durch die hochfrequenten Magnetfelder Wirbelströme im Gewebe induziert werden und weiterhin die durch die HF-Spule unvermeidlich mitproduzierten elektrischen Felder kapazitiv in das Gewebe einkoppeln [16]. Insgesamt wächst die SAR annähernd quadratisch mit der Frequenz (also auch quadratisch mit der Feldstärke), wobei der Wert zudem stark von der verwendeten HF-Spule abhängen kann. Neben dem Problem einer Erwärmung durch das HF-Feld muss ferner die Möglichkeit peripherer Stimulationen durch die gepulsten Gradientenfelder betrachtet werden. Zur Beurteilung der Sicherheit von Probanden sind Normen mit Richt- und Grenzwerten der International Electrotechnical Commission (IEC) [3] und Empfehlungen der Strahlenschutzkommission (SSK) [17] heranzuziehen. Bezüglich der Exposition des an der Anlage tätigen Personals sowie der allgemeinen Bevölkerung existieren Standards und Regeln der International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP) [18, 19] und der Berufsgenossenschaft (BG) [20]. Nach den Sicherheitsnormen der IEC fallen Magnetfeldstärken bis 2 T unter die „normale Betriebsart“, der Bereich zwischen 2 T und 4 T unter die „kontrollierte Betriebsart erster Stufe“ und Felder oberhalb von 4 T unter die „kontrollierte Betriebsart zweiter Stufe“ [3]. Abgesehen von der Stärke des statischen Magnetfelds werden alle anwendbaren Anforderungen der normalen Betriebsart bzw. der kontrollierten Betriebsart erster Stufe für MR-Geräte gemäß der Norm IEC/EN 60 601-2 – 33:2002 [3] durch kommerzielle Ultrahochfeld-Anlagen erfüllt. Die Einhaltung dieser Norm wird durch den Gesetzgeber als Nachweis für die Erfüllung grundlegender Sicherheitsanforderungen der Medizinprodukterichtlinie [21] angesehen [16]. Die nachfolgende Betrachtung beschränkt sich daher auf die Wirkung des statischen Magnetfelds. Ein Risikopotenzial besteht dabei grundsätzlich hinsichtlich der Wirkung auf magne- Möller HE, von Cramon DY. Bestandsaufnahme zu Risiken… Fortschr Röntgenstr 2008; 180: 293 – 301 Heruntergeladen von: Thieme E-Books & E-Journals. Urheberrechtlich geschützt. Abb. 1 T1-gewichtete Bilder des Gehirns (MPRAGE; Repetitionszeit 3,64 s; Inversionszeit 1,1 s; Aufnahmedauer 11:36 min; nominelle Auflösung 0,69 × 0,69 × 0,69 mm3) aufgenommen a bei 3 T und b bei 7 T, wobei jeweils kommerzielle 8-KanalArray-Spulen (unterschiedlicher Bauart) eingesetzt wurden. Das SNR im frontalen Marklager beträgt 51 bei 3 T bzw. 107 bei 7 T. Der mittlere Anstieg um einen Faktor 2,1 entspricht näherungsweise dem erwarteten Wert (Faktor 2,3) bei Annahme einer linearen Abhängigkeit des SNR von der Feldstärke. (Quelle: Die FT-Aufnahme wurde freundlicherweise durch Prof. Robert Turner zur Verfügung gestellt.) 296 Übersicht tisierbare Objekte in der Umgebung der MR-Anlage oder auf Implantate und medizinische Geräte sowie hinsichtlich biologischer Effekte. Während die Probanden der maximalen Betriebsfeldstärke der Anlage ausgesetzt werden, befindet sich das Bedienpersonal während der eigentlichen Untersuchung i. d. R. nicht im Untersuchungsraum und ist dann nur dem Streufeld des Magneten ausgesetzt. Erfahrungen aus dem klinischen MR-Einsatz Bislang wurden weltweit mehr als 300 Millionen MR-Untersuchungen am Menschen durchgeführt [22]; täglich kommen mehr als 50 000 weitere hinzu [23]. Dies betrifft allerdings überwiegend den Bereich der klinischen Diagnostik bei Feldstärken bis zu 3 T (etwa 20 000 Systeme weltweit, davon ca. 7000 in Europa). Die Zahl von Messungen bei mindestens 4 T liegt bei einigen tausend weltweit. Seit 1998 liegen mit der Inbetriebnahme von Geräten an der Ohio State University in Columbus (8 T) sowie an der University of Minnesota in Minneapolis (7 T) nennenswerte Erfahrungen aus UltrahochfeldUntersuchungen am Menschen vor. Die maximale Feldstärke gegenwärtig betriebener Anlagen liegt bei 9,4 T; ein Humansystem mit einem 11,7T-Magneten ist in Saint-Aubon/Saclay bei Paris (Commissariat à l'Energie Atomique) geplant. Am Leibnitz-Institut für Neurobiologie in Magdeburg wurde 2004 das erste europäische 7T-Gerät in Betrieb genommen. Bei 7 T oder darüber wurden seit 1998 mehr als 1000 Personen untersucht. Zudem gibt es tierexperimentelle Studien bei bedeutend stärkeren Feldern (bis zu 17,6 T). Sieht man einmal von Unfällen im Zusammenhang mit der Projektilwirkung ferromagnetischer Objekte, die fahrlässig in den Bereich eines MR-Magneten gebracht wurden, oder von bekannten Kontraindikationen2 ab [23, 24], so wurden für den Zeitraum von 25 Jahren bei MR-Untersuchungen bislang weder akute noch chronische Schädigungen von Menschen durch die statische Magnetfeldexposition oder sonstige Expositionen berichtet. Exogene Faktoren ! Die wahrscheinlich bedeutendste Gefährdung für Personen im unmittelbaren Umfeld des MR-Magneten ist die durch Projektile. Paramagnetische und besonders ferromagnetische Objekte erfahren translatorische Kräfte in Richtung zunehmender Feldstärke. Diese Kraft hängt vom Produkt der Magnetfeldstärke B0 mit dem lokalen Feldgradienten ∂B0 /∂z und von der Substanzmenge, hier ausgedrückt durch das Volumen V, ab [23]: ⭸B 0 V F = φF µ B 0 ⭸z 0 (1) " Abb. 2. Feldverläufe für einen 7T-Ganzkörpermagneten zeigt ● Ein einfacher Kugelschreiber wird in diesem Feld auf eine Geschwindigkeit von mehreren hundert km/h beschleunigt! Auf nichtsphärische oder magnetisch anisotrope Objekte wirkt zudem ein Drehmoment proportional zum Quadrat der Feldstärke, das zu einer Ausrichtung des Objekts im Feld führt. Für ein 2 Abb. 2 Verlauf der magnetischen Feldstärke B 0, des Gradienten ∂B0 /∂z sowie des Produkts B0 (∂B0 /∂z) als Funktion des Abstands vom Isozentrum entlang der Magnetfeldachse (z-Richtung) für einen 7T-Ganzkörpermagneten. Der grau unterlegte Bereich repräsentiert Positionen innerhalb des Magnettunnels. Um transiente Phänomene wie Schwindelgefühl oder Übelkeit zu minimieren, sollte die Feldvariation bei Bewegungen der Patientenliege weniger als 2 T/s betragen [21], was bei einer Begrenzung auf Geschwindigkeiten von maximal 20 cm/s erreicht wird. Ellipsoid, dessen Hauptachse in einem Winkel θ zur Feldrichtung orientiert ist, findet man [23]: T = φT V 2 sin θ cos θ µ 0 B0 (2) In Gl. (1) und (2) bezeichnet µ0 die magnetische Feldkonstante, und φF und φT sind dimensionslose Proportionalitätskonstanten, die von der magnetischen Suszeptibilität und der Geometrie des Objekts abhängen. Im Fall elektrisch leitfähiger Objekte müssen zusätzlich entsprechend der Lenzschen Regel Dämpfungskräfte berücksichtigt werden, die bei einer Bewegung im Magnetfeld auftreten („Wirbelstrombremse“). Die Minimierung der Gefährdung durch Kraftwirkungen erfordert eine sorgfältige, regelmäßige Schulung des Personals. Kräfte und Drehmomente im statischen Magnetfeld können auch auf bestimmte Prothesen, Shunts, Clips, Schrauben und andere Implantate wirken. Entsprechend allgemein geltender Kontraindikationen müssen daher Personen mit derartigen Implantaten von MR-Untersuchungen ausgeschlossen werden, solange keine Studien existieren, die eine Unbedenklichkeit für die betreffende Magnetfeldstärke belegen [25]. Herzschrittmacher können ferromagnetische Reed-Relais-Schalter besitzen, die bereits bei sehr geringen Feldern (0,5 mT) aktiviert werden. Träger solcher Schrittmacher oder ähnlicher Geräte dürfen daher den abgegrenzten Kontrollbereich nicht betreten. Tätowierungen oder permanente Make-ups enthalten z. T. kleinste Eisenoxidpartikel, die sich im Magnetfeld orientieren und dabei zu Hautirritationen oder Schwellungen führen können [23]. Wenngleich dies keine unmittelbare Gefährdung darstellt, sollten Träger von permanenten Make-ups oder Tätowierungen über eventuelle Auswirkungen informiert und die Notwendigkeit einer Untersuchung sorgfältig erwogen werden. Hierzu zählen insbesondere das Tragen inkompatibler elektronischer Hilfsmittel (z. B. Herzschrittmacher, Neurostimulatoren oder Insulinpumpen) oder sonstiger inkompatibler Implantate aus Metall oder unbekannten Substanzen oder Metallsplitter im Körper. Möller HE, von Cramon DY. Bestandsaufnahme zu Risiken… Fortschr Röntgenstr 2008; 180: 293 – 301 Heruntergeladen von: Thieme E-Books & E-Journals. Urheberrechtlich geschützt. ! Übersicht ! Aufgrund der sehr geringen magnetischen Suszeptibilität biologischer Gewebe (typisch sind Werte zwischen –7 × 10–6 und –11 × 10–6 [26]) ist ihre Wechselwirkung mit statischen Magnetfeldern schwach, wodurch eine relativ große, inhärente Sicherheit bedingt ist [23]. Zu transienten Phänomenen, die bei Feldstärken oberhalb von 4 T insbesondere beim Einbringen/ Herausholen des Probanden in den/aus dem Magneten oder bei schnellen Kopfbewegungen zunehmend auftreten, zählen Schwindelgefühle, Übelkeit, ein metallischer Geschmack oder Magnetophosphene (Wahrnehmung von Lichtblitzen) [27]. Derartige Effekte verschwinden meist unmittelbar nach der Bewegung (also nach Beendigung der Tischbewegung bei Erreichen des Isozentrums des Magneten oder nach Beendigung der Feldexposition). In Einzelfällen wurden auch länger anhaltende Schwindelgefühle (ca. 30 min) beobachtet. In einer kürzlich erschienenen Studie bei 7 T an 102 Personen wurde die Untersuchungsdauer (im Mittel 73 min) von mehr Probanden (zehn Fälle) als „sehr unangenehm“ eingestuft als ein aufgetretenes Schwindelgefühl (fünf Fälle) [28]. Gelegentliche Berichte über Kopfschmerz, Kribbeln oder Taubheitsgefühle erwiesen sich anhand von Kontrollexperimenten bei abgeschaltetem Magnetfeld als nicht signifikant [27]. Eine experimentelle oder theoretische Basis für kumulative biologische Effekte bei Menschen aufgrund der Exposition durch statische Magnetfelder gibt es nicht [3]. Bei Affen und Hunden wurde bei 1,5 T keine Auswirkung auf Herz- oder Kreislauffunktionen beobachtet [29]. Eine Untersuchung der Herzfunktion bei Schweinen zeigte keine negativen Effekte auf linksventrikulären Druck, Auswurffraktion oder kardiale Enzyme bei 8 T [30]. Bislang ergaben sich keine sicheren Anzeichen für eine direkte Auswirkung statischer Felder bis 10 T auf Zellwachstum oder Genotoxizität [31, 32]. Geringfügig vermehrte DNA-Einzel- oder -Doppelstrangbrüche (Rattenhirn) wurden nach Exposition durch niederfrequente Magnetfelder (60 Hz) beobachtet und hängen möglicherweise von der gleichzeitigen Präsenz freier Radikale ab [33]. Andere Autoren [34] fanden dagegen keine Anzeichen für DNA-Schädigungen bei Exposition durch ein statisches Feld von 3 T. Die embryonale Entwicklung von Fröschen blieb nach Exposition durch ein 8T-Feld unbeeinflusst [35]. Bisherige Studien zur Reproduktion sind uneinheitlich [36]. Narra et al. [37] berichteten eine 15-prozentige Reduktion der testikularen Spermien von Mäusen am 16. und 26. Tag nach 30-minütiger Exposition (1,5 T), während Tablado et al. [38, 39] keine Auswirkungen auf Spermienproduktion, -reifung oder -beweglichkeit bei Mäusen infolge kurzzeitiger oder kontinuierlicher Feldexposition (35 Tage bei 0,7 T) fanden. Bei einer epidemiologischen Studie an weiblichem MR-Personal, die insgesamt 1915 Frauen einschloss, wurde keine Korrelation der Feldexposition mit Schwangerschaftsabbrüchen, Unfruchtbarkeit, Frühgeburten oder Untergewichtigkeit bei Geburt gefunden [40]. Bei Untersuchungen an 25 Testpersonen wurden, abgesehen von einer geringfügigen Erhöhung des systolischen Blutdrucks um 3 % (dies ist weniger als die normale Variation infolge orthostatischer Änderungen), keine Auswirkungen auf Körpertemperatur, Herz- oder Atemfrequenz, Elektrokardiogramm (EKG) oder Blutoxygenierung beobachtet [41, 42]. Berichte über das vorübergehende Auftreten von Schwindel, Metallgeschmack und Konzentrationsproblemen waren allerdings häufiger unter Arbeitern in der MR-Magnetfertigung als in einer Kontrollgruppe, wobei tendenziell ein Anstieg mit der Expositionsdauer so- wie mit zunehmender Bewegungsgeschwindigkeit im Feld bestand [43]. Für denkbare Bioeffekte infolge des statischen Magnetfelds werden insbesondere die nachstehend erläuterten Mechanismen diskutiert. Kräfte und Drehmomente Diamagnetische Materialien erfahren eine Kraft in Richtung abnehmender Magnetfeldstärke. Ueno und Iwasaka [44] beobachteten mit einem 8T-Horizontalmagneten mit sehr kleiner Öffnung, dass Wasser in einer flachen Schale zu beiden Seiten aus dem Bereich des Isozentrums herausgedrückt wurde („MosesEffekt“). Eine Abschätzung der resultierenden Venendruckerhöhung führt allerdings selbst für 10 T auf weniger als 3 mmHg im Bereich der Füße, was um mehr als eine Größenordnung unter dem normalen hydrostatischen Druck bei stehender Haltung (ca. 90 mmHg) liegt [26]. Auch Berechnungen für vollständig desoxygenierte Erythrozyten als Beispiel für besonders eisenreiche Strukturen ergeben nur geringe Kräfte [26]. Legt man die Daten für den 8T-Magneten der Ohio State University [24] zugrunde, so ergibt sich eine maximale Wirkung von weniger als 16 % der Gravitationskraft. Wenngleich derartige Abschätzungen [26] nahe legen, dass die anisotrope magnetische Suszeptibilität von normalen Erythrozyten nicht groß genug ist, um Orientierungseffekte in größeren Gefäßen zu bewirken, wurden kürzlich bei Messungen an der quergestreiften Hautmuskulatur (Hamster) Reduktionen der Erythrozytengeschwindigkeit in Kapillaren bis zu 40% in Magnetfeldern oberhalb von 0,5 T beobachtet [45]. Ob dieser Effekt von der Orientierung der Kapillaren im Feld abhängt oder zu signifikanten Blutflussänderungen beim Menschen führen kann, ist gegenwärtig unklar. Auswirkung auf Nervenleitung Auf eine elektrische Ladung q, die sich mit einer Geschwindigkeit v bewegt, wirkt im Magnetfeld die Lorentz-Kraft " Abb. 3): (● FL = q v B0 sin θ (3) Prinzipiell kann der damit verbundene Hall-Effekt die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Aktionspotenzialen beeinflussen. Die Art der Änderung hängt von der relativen Orientierung der Nervenfaser zum statischen Magnetfeld und dessen Stärke ab. Allerdings wäre ein Feld von 24 T notwendig, um die Nervenleitungsgeschwindigkeit um lediglich 10% zu ändern [46]. Bewegungsinduzierte Ströme und magnetohydrodynamische Effekte Wenn Ionenlösungen (z. B. biologische Gewebe) im Magnetfeld bewegt werden (z. B. beim Einbringen des Probanden in das Magnetfeld, bei schnellen Kopfbewegungen oder aufgrund interner Prozesse wie Blutfluss, Herzschlag oder Atembewegung) wird ein zusätzliches elektrisches Feld aufgebaut. Besonders bekannt ist die Verstärkung der T-Wellen im EKG bei Personen, die Feldern oberhalb von etwa 0,3 T ausgesetzt sind. Während der Systole wird durch das bewegte Herz und den Blutfluss eine Spannung ξ gemäß ξ = FL d q (4) " Abb. 3; d bezeichnet den Gefäßdurchmesser), die zu erzeugt (● T-Wellen-Artefakten führt [47]. Die betreffenden Personen zeigen allerdings unmittelbar nach Verlassen des Magnetfelds ein Möller HE, von Cramon DY. Bestandsaufnahme zu Risiken… Fortschr Röntgenstr 2008; 180: 293 – 301 Heruntergeladen von: Thieme E-Books & E-Journals. Urheberrechtlich geschützt. Biologische Effekte 297 Übersicht scher Reaktionen im Säugerorganismus zu erwarten: Abschätzungen der Aktivierungsenergien für den oben genannten Fall zeigen, dass ein 4T-Feld die Gleichgewichtslage bei der Sauerstoffbindung an Hämoglobin weniger beeinflusst als eine Temperaturänderung um 0,01 K [23]. Sensorische Effekte Abb. 3 Auf bewegte Ladungsträger im Blut (oder anderen Ionenlösungen) wirkt im statischen Magnetfeld B0 die Lorentzkraft FL, die senkrecht zur Strömungsgeschwindigkeit und senkrecht zur Magnetfeldachse orientiert ist. Dabei wird eine Spannung ξ („Flusspotenzial“) aufgebaut. Daneben resultiert eine magnetohydrodynamische Bremskraft Fm, die dem Blutfluss entgegengerichtet ist. Sie entsteht dadurch, dass das induzierte elektrische Feld E einen lateralen Ionenstrom senkrecht zu B0 bewirkt, der mit dem Magnetfeld wechselwirkt. normales EKG-Bild [48]. Die IEC [3] nimmt an, dass durch die Verstärkung der T-Wellen bei 7 T keine Sicherheitsprobleme resultieren. Für statische Felder bis 10 T sind keine Probleme durch induzierte Spannungen in der Aorta zu erwarten [49]. Die unter solchen Bedingungen resultierenden Stromdichten im Bereich des Sinoatrialknotens (max. 220 mA/m2) liegen deutlich unter endogenen Werten (1000 mA/m2) infolge der natürlichen Herzak" Abb. 3 veranschaulicht, dass auf das mit einer Getivität [29]. ● schwindigkeit v fließende Blut eine zusätzlich zu überwindende magnetohydrodynamische Bremskraft [50] 2 Fm = σ v B 0 sin θ (5) wirkt. Dabei bezeichnet σ die elektrische Leitfähigkeit des Bluts und θ den Winkel zwischen der Gefäßachse und dem statischen Magnetfeld. Die so resultierende Blutdruckerhöhung ist allerdings extrem gering (0,2% bei 10 T) und daher ohne Bedeutung [51]. Theoretische Abschätzungen ergaben eine Reduktion des Blutflusses in der Aorta um weniger als 5 % bei 10 T [29]. Flusspotenziale, die in den Koronarien generiert werden, besitzen entgegengesetzte Polarität auf gegenüberliegenden Herzseiten. Dadurch könnte eine elektrische Heterogenität verstärkt und so das Risiko von Reentry-Arrhythmien erhöht werden [52]. Wenngleich bislang entsprechende Effekte bei Feldern bis zu 8 T nicht beobachtet wurden, sind hierzu systematische Untersuchungen dringend notwendig. Auswirkungen auf Enzymreaktionen Prinzipiell könnte die Präsenz eines starken statischen Magnetfelds zu Änderungen von Umsatzraten oder Gleichgewichtslagen biochemischer Reaktionen führen, z. B. wenn sich die magnetischen Suszeptibilitäten der Edukte und Produkte deutlich unterscheiden. So entstehen bei der Sauerstoffabspaltung von diamagnetischem Oxyhämoglobin die paramagnetischen Moleküle Sauerstoff und Desoxyhämoglobin. Aufgrund thermodynamischer Überlegungen sind jedoch bei Körpertemperatur für statische Felder unterhalb von 10 T keine signifikanten Auswirkungen auf Umsatzraten oder Gleichgewichtslagen biochemi- Die Wahrnehmung von sogenannten Magnetophosphenen wurde gelegentlich berichtet, wenn der Proband in einem abgedunkelten Raum die Augen schnell bewegt. Dies wird auf den Diamagnetismus der retinalen Stäbchenzellen zurückgeführt, auf die im Magnetfeld ein schwaches Drehmoment wirkt [3, 24]. Dieses Drehmoment ist jedoch nach Berechnungen von Schenck [26] gegenüber den viskosen Kräften der umgebenden Flüssigkeit unbedenklich. Schnelle Kopfbewegungen im Feld können Schwindel und ein Übelkeitsgefühl wie bei der Reisekrankheit bewirken [27, 53]. Eine mögliche Erklärung hierfür sind bewegungsinduzierte Spannungen und Druckschwankungen in den Bogengängen des Innenohrs, die über der Wahrnehmungsschwelle von Schwindel liegen. Ein zusätzlicher Beitrag entsteht offenbar aufgrund des Unterschieds in den magnetischen Suszeptibilitäten des Gleichgewichtsorgans und seiner Umgebung [53]. Der gelegentlich beschriebene Metallgeschmack resultiert nicht von einer Metallfreisetzung aus Amalgamfüllungen oder Zahnersatz [54, 55], sondern beruht wahrscheinlich auf elektrolytischen Vorgängen im Speichel oder in der extrazellulären Flüssigkeit durch schwache induzierte elektrischen Ströme auf der Zunge [55]. Bei Bewegungen des Körpers im Bereich starker Gradienten des statischen Magnetfelds (z. B. bei Bewegungen der Patientenliege oder ganz allgemein, wenn Personen durch den Untersuchungsraum gehen) werden im Körper elektrische Felder induziert. Numerische Simulationen deuten an, dass für einen ungeschirmten 7T-Magneten bei einer Lineargeschwindigkeit von 80 cm/s Werte erreicht werden können, die an der Stimulationsschwelle peripherer Nerven liegen [56, 57]. Typische Geschwindigkeiten der Patientenliege sind allerdings deutlich langsamer (< 20 cm/s). Prophylaktisch sollten Probanden und das Personal angewiesen werden, schnelle Bewegungen im Untersuchungsraum entsprechend der Devise „langsamer ist besser“ zu vermeiden. Sensomotorische und kognitive Effekte Untersuchungen an Arbeitern in der Fertigung und Qualitätskontrolle von MR-Magneten zeigten keine signifikanten Auswirkungen auf kognitive Tests [43]. Ebenso waren Ergebnisse kognitiver Tests an Probanden, die direkt im Anschluss an eine Exposition durch Felder bis zu 9,4 T vorgenommen wurden, unbeeinflusst [30, 42, 58, 59]. Sensomotorische Untersuchungen zeigten dagegen geringfügige, offenbar temporäre Beeinträchtigungen (z. B. der Auge-Hand-Koordinierung und der Kontrastempfindlichkeit im Nahbereich), wenn die Tests während der Feldexposition durchgeführt wurden [60, 61]. Die beobachteten Auswirkungen wurden von den Autoren als nicht klinisch relevant eingestuft. Hier besteht ein offensichtlicher Bedarf an weiteren systematischen Studien. Arbeitsschutz ! Die gepulsten Gradientenfelder und die HF-Felder sind außerhalb des MR-Magneten vernachlässigbar klein und außerhalb Möller HE, von Cramon DY. Bestandsaufnahme zu Risiken… Fortschr Röntgenstr 2008; 180: 293 – 301 Heruntergeladen von: Thieme E-Books & E-Journals. Urheberrechtlich geschützt. 298 des Untersuchungsraums praktisch immer durch weitere Abschirmungsmaßnahmen (Faradayscher Käfig) nochmals gedämpft (typisch sind Schirmdämpfungen von 90 dB). Für beide Felder resultiert damit keine besondere Belastung für das an der Anlage tätige Personal im Routinebetrieb und die allgemeine Bevölkerung. Durch integrierte Schalldämpfungsmaßnahmen kann eine Begrenzung der Lärmbelästigung außerhalb des Untersuchungsraums auf höchstens 55 dB (A) sichergestellt werden. Eine Abgrenzung des statischen Magnetfelds als kontrollierter Bereich ist durch die Wände des Untersuchungsraums automatisch gewährleistet. Durch eine zusätzliche magnetische Raumabschirmung (typisch für einen 7T-Ganzkörper-Magneten sind 200 – 400 t Eisen) kann erreicht werden, dass das statische Magnetfeld außerhalb des Untersuchungsraums weniger als 3 mT beträgt. Der von der SSK [17] bzw. der ICNIRP [18, 19] empfohlene Spitzenwert für eine Dauerexposition der allgemeinen Bevölkerung von 40 mT wird daher innerhalb des allgemein zugänglichen Bereichs weit unterschritten. Im Hinblick auf den Arbeitsschutz legen die berufsgenossenschaftlichen Regeln gegenwärtig einen Mittelwert für 8 h von 212 mT (gemittelt über den gesamten Körper) sowie Spitzenwerte von 2 T für Kopf und Rumpf sowie 5 T für Extremitäten fest [20]. Im Bereich von Wissenschaft und Forschung werden bei Expositionen von maximal 2 h/d Spitzenwerte von 4 T für Kopf und Rumpf bzw. 10 T für Extremitäten als zulässig erachtet. Der größten Feldexposition ist das Bedienpersonal bei der Lagerung der Probanden ausgesetzt. Dabei befindet sich die lagernde Person mit allen Körperteilen außerhalb des Magnettunnels. Zur Minimierung der Magnetfeldexposition ist bei der obligatorischen Schulung darauf hinzuweisen, nicht den Kopf oder andere Körperteile in den Magnettunnel zu stecken. Für " Abb. 2 gezeigten Beispiel beträgt das maximale Feld das in ● außerhalb des Magneten etwa 2,0 T an der vorderen bzw. hinteren Tunnelkante (ca. 182 cm Abstand vom Isozentrum) und fällt nach außen weiter ab. An einem typischen Standort bei Lagerung des Kopfs in einer Kopfspule beträgt der axiale Abstand vom Isozentrum etwa 220 cm; hier resultiert ein Magnetfeld von 1 T. Innerhalb des Tunnels erreicht das Feld nach etwa 45 cm einen Wert von 5,0 T. Bei sachkundiger Lagerung können die zugelassenen Spitzenwerte damit eingehalten werden. Der durch die BG formulierte Grenzwert einer über 8 h gemittelten Feldexposition von 212 mT für das Bedienpersonal ist gegenwärtig nicht zufriedenstellend überprüfbar, da eine anerkannte Magnetfelddosimetrie fehlt. Geht man für den " Abb. 2 gezeigten Feldverlauf vom unrealistischen Fall in ● („worst case“) einer permanenten Exposition durch ein statisches Feld von 2,0 T entsprechend des Maximalwerts außerhalb des Magnettunnels aus, so wird bei Begrenzung des Aufenthalts im Untersuchungsraum auf höchstens 50 min die Einhaltung des Grenzwerts sichergestellt. Dies ist angesichts typischer Lagerungszeiten von einigen Minuten im Routinebetrieb (d. h. unter der Annahme, dass das Personal während der eigentlichen Untersuchung an der Steuerkonsole der Anlage sitzt) zu erreichen, wenn gegebenenfalls die Zahl der Untersuchungen pro Arbeitstag für jeden Mitarbeiter begrenzt wird.3 Die Exposition durch das statische Magnetfeld während der Wartung (z. B. bei der Positionierung geeigneter Phantome bei Messungen zur Qualitätssicherung) oder beim Nachfüllen von Kryogen (flüssiges Helium) sollte näherungsweise mit der Exposition des Bedienpersonals vergleichbar sein, solange keine aufwendigen Installationen oder Reparaturen im Untersuchungsraum oder Arbeiten im Magnettunnel erforderlich werden. Bei den Auflagen zum Arbeitsschutz wurden in der Richtlinie 2004 / 40/EG [62] durch die Europäische Kommission sogenannte Expositionsgrenzwerte und Auslösewerte für die berufsbedingte Exposition durch elektromagnetische Felder festgelegt, die sich an entsprechenden Vorgaben der ICNIRP [19] orientieren. Die Umsetzung wurde kürzlich auf den 30.4.2012 verschoben, um die Einarbeitung wesentlicher Änderungen in Bezug auf die Anwendung der MRT zu ermöglichen. Problematisch in der bisherigen Fassung (Stand Januar 2008) ist insbesondere, dass während Bewegungen im Streufeld eines Magneten Stromdichten induziert werden können, die nach Modellrechnungen [56, 57] bereits für 1,5T-Anlagen bei Geschwindigkeiten von 0,7 m/s (die normale Gehgeschwindigkeit beträgt 1,5 – 2 m/s) oberhalb der Expositionsgrenzwerte von 40 mA/m2 (Mittelwert) bzw. 56,6 mA/m2 (Spitzenwert) für Felder bis 1 Hz liegen [63]. Zur Einhaltung der Expositionsgrenzwerte müsste bei einer Geschwindigkeit von 1 m/s ein Sicherheitsabstand vom mindestens 1m zu einem ungeschirmten 7T-Magneten (Abstand zum Kryostatenrand) eingehalten bzw. bei geringerem Abstand die Geschwindigkeit entsprechend reduziert werden [57]. Unter diesen Vorgaben wären Hochfeld- oder Ultrahochfeld-Untersuchungen nicht praktikabel. Schlussfolgerungen ! Nach dem derzeitigen Kenntnisstand sind keine Schädigungsoder Erkrankungsrisiken mit der Anwendung statischer Magnetfelder von 7 T am Menschen zu erwarten, sofern bekannte Kontraindikationen für MR-Untersuchungen beachtet werden. Die bisherigen Daten über Feldwirkungen erlauben es nicht, Schwellwerte für gesundheitsschädliche Effekte exakt anzugeben [17]. Selbst die hinsichtlich der geforderten Auflagen besonders restriktive Richtlinie 2004 / 40/EG [62] konstatiert, dass „… zurzeit keine ausreichenden wissenschaftlichen Nachweise über mögliche schädliche Wirkungen durch Einwirkung von statischen Magnetfeldern vorliegen“. Die Bewertung der Feldexposition durch verschiedene Organisationen ist demzufolge sehr uneinheitlich: So erachtet die SSK eine Exposition von Kopf oder Rumpf bis 2 T als unbedenklich [17] und empfiehlt eine Überwachung der Kreislauffunktionen bei Überschreitung, die ICNIRP nennt einen Wert von 4 T [64], während die U. S. Food and Drug Administration (FDA) Felder sogar bis 8 T für Erwachsene und Kinder ab dem ersten Monat nicht als „significant risk“ einstuft [65]. Aufgrund von theoretischen Modellen und experimentellen Daten bis 7 T kommt die IEC zu der Schlussfolgerung [3], „…dass es nur geringe oder gar keine Anzeichen von schädlichen Effekten durch statische Magnetfeldexposition gibt. Theoretische Bedenken beginnen bei nicht weniger als 10 T.“ Andererseits zeigt die bisherige Erfahrung mit UltrahochfeldUntersuchungen, dass transiente Phänomene wie Schwindelgefühle, Übelkeit, ein metallischer Geschmack oder Magnetophosphene zunehmend beobachtet werden. Dabei sind es offenbar besonders Bewegungen im Feld bzw. im Gradienten des Magnetfelds, die zu nachweisbaren Effekten führen. Davon abgesehen 3 Für interventionelle MR-Untersuchungen, bei denen auch während der Bildaufzeichnung ein Aufenthalt des Personals im Untersuchungsraum notwendig ist, resultieren allerdings massive Einschränkungen. Möller HE, von Cramon DY. Bestandsaufnahme zu Risiken… Fortschr Röntgenstr 2008; 180: 293 – 301 299 Heruntergeladen von: Thieme E-Books & E-Journals. Urheberrechtlich geschützt. Übersicht Übersicht besteht weiterhin ein Bedarf an systematischen Untersuchungen möglicher Wechselwirkungsmechanismen insbesondere im Hinblick auf sensomotorische Beeinträchtigungen, Reentry-Arrhythmien oder induzierte Stromdichten bei der Exposition von Probanden oder Personal durch statische Magnetfelder. 21 22 23 Danksagung 24 ! Wir danken Prof. Kamil Ugurbil für Informationen zu biologischen Effekten statischer Magnetfelder, Prof. Mark Ladd für Diskussionen über gesetzliche Rahmenbedingungen sowie Prof. Robert Turner und Dr. Robert Trampel für die Überlassung der in Abb. 1 gezeigten 7T-MRT-Aufnahme. 25 26 27 Literatur 1 Hu X, Norris DG. Advances in high-field magnetic resonance imaging. Annu Rev Biomed Eng 2004; 6: 157–184 2 Fuchs VR, Sox HC. Physicians' views of the relative importance of thirty medical innovations. Health Aff 2001; 20: 30–42 3 Europäische Norm EN 60 601-2-33. 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