Instrumente

MR-kompatible Materialien und Instrumente
Ansprechpartner:
Prof. Dr. Dr. Fritz Schick
Dipl.-Phys. Frank Eibofner
Hintergrund
Die Kernspintomographie gewinnt bei der Interventionellen Radiologie als bildgebendes
Verfahren zur Gewebedarstellung und bei der Navigation immer mehr an Bedeutung. Die
interventionelle Arbeit in einem Hochfeldmagneten stellt jedoch besondere Anforderungen an
die eingesetzten Systeme und Instrumente. Neben den Sicherheitsaspekten und der Praxis
(Handhabung der Instrumente in einem engen Arbeitsfeld) stellt die MR-Bildgebung neue
Anforderungen an die Materialien, die zur Herstellung der interventionellen Instrumente
eingesetzt werden. Verschiedenste Faktoren wie magnetische und elektrische Eigenschaften
der verwendeten Materialien, die Geometrie der Instrumente sowie der Einfluss von
Bearbeitungsverfahren während der Herstellung der Instrumente werden berücksichtigt. In
einem seit drei Jahren laufenden Projekt werden verschiedene Metalle, Kunststoffe und
Keramiken auf ihre Eigenschaften im Hochfeldmagneten untersucht. Besonderes Augenmerk
wird hierbei auf die Darstellung im MR-Tomogramm gelegt.
Die Möglichkeiten der minimal-invasiven Mikrochirurgie (MIC) mit bildgebender Kontrolle
hängen nach dem heutigen Stand der Technik wesentlich von der Entwicklung und
Verfügbarkeit Magnet-Resonanz-Tomographie(MRT)-tauglicher Instrumente und Prozeduren
ab. Herkömmliche chirurgische Instrumente aus Edelstahl führen aufgrund ihrer hohen
Suszeptibilität zu einer unzulässigen Abbildungsstörung in der MRT-Bildgebung (sog.
Artefaktbildung) und zu möglichen Kraftwirkungen im Magnetfeld, was deren intraoperativen
Einsatz ausschließen würde.
Voraussetzung für den MRT-kontrollierten Einsatz von Instrumenten in der MIC ist deren
nahezu 1:1 getreue Abbildung im MRT-Bild. Erst damit wird eine Operation (OP) unter
gleichzeitiger Kontrolle möglich. Hierzu ist es notwendig, Instrumente zu entwickeln, die
einerseits aus MR-kompatiblen Werkstoffen bestehen, andererseits in ihrer mechanischen
Belastbarkeit den üblichen Edelstahlinstrumenten zumindest nahe kommen.
Da die Weichteilkontrastdarstellung eine ausgesprochene Domäne der MRT ist, stellt hierbei
der zukünftige alternative Einsatz MRT-kontrollierter und navigierter Instrumente eine
wesentliche Verbesserung dar. Entsprechend gilt es, für diese MIC-Anwendungen speziell
MRT-taugliche Navigationsinstrumente zu entwickeln.
Methoden
In einem standardisierten Versuchsaufbau können Instrumente und Rohmaterialien auf ihr
Verhalten bei der MR-Bildgebung untersucht werden. Die zu untersuchenden Probestücke
werden dabei bei konstanten Bedingungen in einem Gadolinium-dotierten Wasserphantom
gemessen und anschließend hinsichtlich ihres Artefaktverhaltens beurteilt. Die Probekörper
können bei Feldstärken von 0,2 / 1,5 / 3 Tesla mit verschiedenen Sequenztypen, darunter 2Dund 3D-Gradientenecho-Sequenzen, Turbospinecho- und herkömmliche Spinecho-Sequenzen,
sowie schnelle Fluoroskopiesequenzen, die in der interventionellen Routine gebräuchlich
sind, gemessen werden.
Die wichtigsten relevanten Parameter, sind im Folgenden aufgelistet:
Materialanforderungen:
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Niedrige Suszeptibilität (χGewebe ≈ -10-5 und χTiAl6V4 ≈ +182 • 10-6)
Niedrige Leitfähigkeit
Hohe Festigkeit (Zugfestigkeit Ti: 300-600N/mm2)
Hohe Oberflächenhärte (Edelstahl:Rockwellhärte: 46 RW)
Geometrie der Proben
MRT-Messparameter:
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Grundfeld B0: 1,5 und 3 Tesla (Larmorfrequenz 65 und 130 MHz)
Orientierung von Read/Phase/Slice-Richtung zum B0-Grundfeld
Flipwinkel: 10° - 180°
Echozeiten TE: 3 - 150 ms
Repetitionszeiten TR: 5 - 6000 ms
Voxelgröße 0,5 x 0,5 x 0,5 mm3 - 2 x 2 x 10 mm3
Gradientenfelder Gx, Gy, Gz: 2-60 mT/m
Bandbreite für die HF-Anregung (10mm Schicht): 100 - 1000 Hz (abhängig von Gz)
Auslesebandbreite: 30 - 1000 Hz/Pixel (abhängig von Gx)
Gradientenschaltzeit: 1 - 100 ms
Dauer von HF-Pulsen: 1 - 20 ms
Amplitude des HF-Feldes (Größenordnung): 50 µT
Messzeiten für aussagekräftige Aufnahmen: 10 s - 20 min.
Herstellern von Interventionssystemen und Instrumenten kann eine breite Palette zur
Optimierung der Produkte angeboten werden.
Æ speziell Stents in der MRT
Ansprechpartner:
Prof. Dr. Dr. Fritz Schick
Hintergrund
In der Angioplastie werden intravaskuläre Stents bzw. Stent-Grafts zunehmend als
Gefäßersatz oder zur Restenoseprophylaxe eingesetzt. Die eingesetzten Stents müssen über
einen längeren Zeitraum beobachtet werden, um Lageveränderungen oder
Okklusionen/Proliferation sowie Strukturschädigungen rechtzeitig erkennen zu können.
Bislang werden diese Nachuntersuchungen mittels Computertomographie (CT) und
Ultraschall vorgenommen. Aufgrund der hohen Strahlenbelastung für den Patienten bei CTUntersuchungen bietet sich die Kernspintomographie zunehmend als alternative Methode der
Bildgebung an. Materialbedingte Artefakte können die Darstellung in der MRT jedoch stark
beeinträchtigen und einen Blick in das Lumen der Stents verwehren. Auch das Erkennen von
Gewebeveränderungen im Bereich des Stents wird durch Artefakte in der
Kernspintomographie gestört.
Studien
Auch die als MR-kompatibel deklarierte Implantate und Instrumente aus paramagnetischen
Metallen können unter Umständen ausgedehnte Suszebtibilitätsartefakte in der MRT
verursachen. In unserer Arbeitsgruppe wurden systematische Untersuchungen des
Signalverhaltens bei Stents verschiedener Hersteller durchgeführt und veröffentlicht. Dabei
wird eine Vielzahl von Parametern in Betracht gezogen:
- Unterschiedliche Grundfeldstärken der Tomographen:
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1,5 Tesla (Magnetom SONATA, Siemens; Erlangen)
3,0 Tesla (Magnetom SKYRA, Siemens; Erlangen)
- Unterschiedliche Sequenztypen:
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2D- und 3D-Gradientenecho-Sequenzen
Spinecho- und Turbospinecho- Sequenzen
- Verschiedene Orientierungen der Stents in Bezug auf das statische Magnetfeld B0
- Materialspezifische und physikalische Eigenschaften der Stents in Bezug auf die
Artefaktbildung:
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verschiedene Legierungen
Geometrie und Design
Oberflächeneigenschaften
Abschirmeffekte durch induzierte Wirbelströme
Weitere Aspekte, die bei den Studien beachtet werden, betreffen Sicherheitsaspekte wie z.B.
Aufwärmung der Implantate im Magnetfeld, Sichtbarkeit von Frakturen (Stegbrüche bei
Materialermüdung bzw. bei mechanischer Belastung).
Weiterführende Überlegungen werden in Bezug auf Stents ohne Möglichkeit zur Ausbildung
von Ringströmen sowie auf sogenannte partiell resonante Stents unternommen, die die
eingestrahlte Hochfrequenz ins Innere transferieren.