Simulation des HF-Feldes in Implantaten
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Auf dem Weg zur Beherrschung der Gefahren Simulation der Wechselwirkungen des HF‐Feldes mit Implantaten Prof. Dr. Waldemar Zylka © Dr. Waldemar Zylka Professor der Physik und Medizintechnik Fachhochschule Gelsenkirchen Fachbereich Physikalische Technik Schauen wir mal, woraus der Körper besteht … Wasser H2O Fett –CH2 – Das häufigste Atom im menschlichen Körper ist … Wasserstoff © Prof. Dr. Waldemar Zylka 1H 14.APT Seminar der DRG, Münster Auf dem Weg zur Beherrschung der Gefahren 18. Juni 2o1o MRT – Magnetische Resonanztomograpie Energie und Bewegung eines 1H spins – Larmor Frequenz Energie (QM Bild) B=0 B=B0 © Prof. Dr. Waldemar Zylka E Bewegung (Kassisches Bild) 14.APT Seminar der DRG, Münster Auf dem Weg zur Beherrschung der Gefahren 18. Juni 2o1o © Prof. Dr. Waldemar Zylka α=90° & 180° : Multiple Spin Echos. 14.APT Seminar der DRG, Münster Auf dem Weg zur Beherrschung der Gefahren 18. Juni 2o1o Resonanz & Specific Absorption Rate SAR Abhängigkeit von der Frequenz SAR Power / Mass MRI © Prof. Dr. Waldemar Zylka Taken from: N.Leitgeb, Springer, 2000 14.APT Seminar der DRG, Münster Auf dem Weg zur Beherrschung der Gefahren Frequenz 18. Juni 2o1o Numerische Elektrodynamik Das Rezept der Modellierung Modell der Objekte - Draht, Implantat, Phantom, Körpermodell, … - Material mit elektrischen Attributen μ, є, σ (Function der Frequenz) Umgebung - PML (Perfectly Matched Layer) um Unendlich zu modellieren - Material mit elektrischen Attributen μ, є, σ Modell von MRT Komponenten - B0, Gradienten, HF Spulen, Geometrie, Material, … Mesh und numerischer Solver © Prof. Dr. Waldemar Zylka - Meshing von Raum und ggf. Zeit: FEM, FDTD, FITD, MoM, … - Solver der Maxwell Gleichungen 14.APT Seminar der DRG, Münster Auf dem Weg zur Beherrschung der Gefahren 18. Juni 2o1o Numerische Elektrodynamik © Prof. Dr. Waldemar Zylka Maxwell Gleichungen und Definition SAR (Specific Absorbtion Rate) є Permittivity , μ Permeability, σ conductivity 14.APT Seminar der DRG, Münster Auf dem Weg zur Beherrschung der Gefahren 18. Juni 2o1o Wärmeleitungsgleichung In Gewebe – vorgeschlagen durch Pennes Wärmequelle = EM Verluste (SAR) Bluttransport © Prof. Dr. Waldemar Zylka Lokales Wärmetransportkoeffizient 0. Ordnung Approximation 14.APT Seminar der DRG, Münster Auf dem Weg zur Beherrschung der Gefahren 18. Juni 2o1o Numerische Elektrodynamik Modelldetails – Beispiel: Resonanzfrequenz eines Implantats Implantat Spule (5 Windungen, l=11mm, d=9mm, Kupferdraht d=0,5mm) Kondensator als ein Passives Element C=90,2pF Umgebung Box (vacuum, sonst Kurzschluss mit dem Hintergrund) Oberfläche als PML: Fläche absorbiert das Feld (Model einer unendlichen Umgebung) Meshing: adaptives Mesh – viel mehr Element, wo sie nötig sind © Prof. Dr. Waldemar Zylka Anregung durch eine elektromagnetische Welle, zirkulare Polarisation 14.APT Seminar der DRG, Münster Auf dem Weg zur Beherrschung der Gefahren 18. Juni 2o1o Numerische Elektrodynamik Ergebnisse – Beispiel: Elektromagnetische Felder © Prof. Dr. Waldemar Zylka PC 1,6GHz, Pentium 4, 1,5GB, 25min, 15.284 Tetraeders, 4 adaptive passes 7 Std. 10min/freq, 314.901 Tetraeders, 6 adaptive passes 14.APT Seminar der DRG, Münster Auf dem Weg zur Beherrschung der Gefahren 18. Juni 2o1o Resonanz © Prof. Dr. Waldemar Zylka Ergebnisse – Beispiel: Resonanzfrequenz eines Implantats f=43,1MHz, Q=61,6 14.APT Seminar der DRG, Münster Auf dem Weg zur Beherrschung der Gefahren 18. Juni 2o1o Phantome © Prof. Dr. Waldemar Zylka Geometrie ASTM 14.APT Seminar der DRG, Münster Stenschke et al: Torso Auf dem Weg zur Beherrschung der Gefahren 18. Juni 2o1o Phantome (homogen) © Prof. Dr. Waldemar Zylka Einfluss der Geometrie auf SAR Distribution SAR Verteilung für 1T, 2T und 3T 14.APT Seminar der DRG, Münster Auf dem Weg zur Beherrschung der Gefahren 18. Juni 2o1o Phantom mit Inhomogenität (Implant) © Prof. Dr. Waldemar Zylka SAR & Temperaturverteilung SAR Verteilung 14.APT Seminar der DRG, Münster Auf dem Weg zur Beherrschung der Gefahren Temperatur Verteilung 18. Juni 2o1o HF Spulen – Modellierung einer „body coil“ © Prof. Dr. Waldemar Zylka Modell, B1 Feld, Phantom 14.APT Seminar der DRG, Münster Auf dem Weg zur Beherrschung der Gefahren 18. Juni 2o1o Phantom mit Inhomogenität (Draht 20cm) © Prof. Dr. Waldemar Zylka Einfluss der Geometrie auf SAR Messung (potentiell) 14.APT Seminar der DRG, Münster Auf dem Weg zur Beherrschung der Gefahren 18. Juni 2o1o HF Spulen – Modellierung einer „body coil“ © Prof. Dr. Waldemar Zylka Berücksichtigung elektrischer Schaltungen 14.APT Seminar der DRG, Münster Auf dem Weg zur Beherrschung der Gefahren 18. Juni 2o1o Modellierung mit einem Schaltungssimulator Co-Simulation der Felder und Schaltungen Circuit designer Field calculator Circuit designer Complete frequency spectrum of the HF coil © Prof. Dr. Waldemar Zylka The circuit designer is co-linked with the electromagnetic calculator 14.APT Seminar der DRG, Münster Auf dem Weg zur Beherrschung der Gefahren 18. Juni 2o1o Körpermodell in einer HF Spule – Closed design Bird cage Spule – normierte SAR Ergebnisse für 1T und 3T © Prof. Dr. Waldemar Zylka Hotspot 14.APT Seminar der DRG, Münster Auf dem Weg zur Beherrschung der Gefahren 18. Juni 2o1o Auf dem Weg zum Verständnis :: work in progress … Modellierung von realistischen MRI Spulen : body coil, head coil, … Verschiedene Implantate, Feldstärken bis 7T Inhomogenes Gewebe: generische & individuelle Körpermodelle Elektromagnetische Felder, Energiedeposition (SAR) Temperatur-Karten(Spots), Wärmeleitung in der Zeit Co-simulation von elektrischen Schaltungen und elektromagnetischen Felder © Prof. Dr. Waldemar Zylka Individuelle Simulation von Patient (mit Implantat) VOR dem MRT Scan !? 14.APT Seminar der DRG, Münster Auf dem Weg zur Beherrschung der Gefahren 18. Juni 2o1o Mein Dank geht ... … an meine Studenten © Dr. Waldemar Zylka Sascha Schwarzer, Jens Stenschke, Dan Li, Xixi Zhang, Maike Thomann, Jing Meng, Tatsiana Malechka, Sylvia Samjic-Peimann, Sami Kotrahe, Christian Koch, Stephan Euting Und weitere, zur Zeit im Labor … Contact Details Prof. Dr. Waldemar Zylka Professor of Physics and Medical Engineering University of Applied Sciences Gelsenkirchen Germany © Dr. Waldemar Zylka [email protected]
