Numerische Simulation für sichere MRT-Untersuchungen

HF-Erwärmung: physikalischer Hintergrund und Relevanz

Im MRT (Magnetresonanztomografie) werden Wasserstoffkerne mittels Hochfrequenzpulsen angeregt, deren Frequenz von der Magnetfeldstärke abhängt. Typische klinische Systeme arbeiten bei 64 MHz (1,5 Tesla) oder 128 MHz (3 Tesla). Aufgrund höherer Bildauflösungen werden vermehrt auch sog. Ultra-High-Field-Systeme (UHF) gebaut, diese finden bisher allerdings hauptsächlich in der Forschung Anwendung. Aufgrund der enormen Anschaffungs- und Betriebskosten sowie dem hohen baulichen Aufwand ist der Einsatz in der klinischen Praxis derzeit auf wenige Spezialkliniken begrenzt.

Leitfähige Implantate können diese HF-Felder aufnehmen und wirken dabei wie Antennen. Abhängig von Länge, Geometrie und Ausrichtung entstehen lokal erhöhte elektrische Feldstärken, insbesondere an Implantatenden. Diese Effekte können zu einer relevanten Erwärmung des umliegenden Gewebes führen und müssen daher sicher bewertet werden.

Normtests und ihre Grenzen in der Praxis

Die Bewertung der HF-bedingten Erwärmung erfolgt heute meist nach ASTM F2182 (für passive Implantate wie orthopädische Platten oder künstlichen Gelenkersatz). Ergänzend gilt für aktive Implantate mit Stromversorgung, etwa Schrittmacher, die ISO/TS 10974. Das Implantat wird in einem gewebeäquivalenten Phantom untersucht und die Temperatur an definierten Punkten über einen bestimmten Zeitraum, beispielsweise 360 Sekunden, gemessen.

Diese Methode ist etabliert, bildet jedoch reale Bedingungen nur eingeschränkt ab: Messungen sind punktuell, Gewebe wird homogen angenommen und physiologische Effekte wie Perfusion fehlen. Zudem sind MRT-Systeme und spezialisierte Prüflabore stark ausgelastet, was Entwicklungs- und Zulassungsprozesse verlängert. Im schlimmsten Fall führt es dazu, dass eine Prüfung nicht stattfinden kann und Implantathersteller ein potenziell sicheres Implantat als „MR-unsafe“ einstufen müssen, wodurch Patienten der Zugang zur wichtigen Diagnostik unnötigerweise verwehrt wird.

Forschung an der OTH Amberg-Weiden: Simulation als Ergänzung

An der OTH Amberg-Weiden wird untersucht, wie elektromagnetische und thermische Simulationen diese Prüfungen sinnvoll ergänzen können. 

Birdcage-Spule zur Hochfrequenzanregung mit Phantomaufbau nach ASTM F2182 und Kalibrier-Stab in Ansys HFSS. | © Joshua Igl, OTH Amberg-Weiden

Studien werden unter anderem mittels normnaher Prüfaufbauten digital nachgebildet. Dazu werden in Ansys HFSS geeignete Spulensysteme, sogenannte Birdcage-Spulen, entwickelt und deren Resonanzverhalten auf die entsprechende Betriebsfrequenz getuned. In die Spule werden die zu untersuchenden Objekte, eingebettet in ein gewebeäquivalentes Modell, eingebracht und hinsichtlich elektrischer Feldverteilungen analysiert. Die resultierenden Leistungsverluste können anschließend in Ansys Icepak überführt werden, um die daraus resultierenden Temperaturveränderungen abzuleiten. Hierzu werden transiente Simulationen durchgeführt.

Neben den genannten Phantomen, welche in der Regel anatomisch unspezifisch (rechteckiger Plexiglasbehälter) die Eigenschaften von homogenem Muskelgewebe nachahmen, können in der Simulation auch Human Body Modelle verwendet werden. Die differenzierte Modellierung umliegender Gewebeeigenschaften und deren anatomisch korrekte Geometrie ermöglichen eine realitätsnähere Abbildung der Temperaturänderungen.

Vorteile für Hersteller, Aufsichtsbehörden und Patienten

Im Gegensatz zu experimentellen Prüfungen, die nur wenige diskrete Messpunkte erfassen, bietet die Simulation eine vollständige Analyse des Untersuchungsvolumens. Auch wenn eine rein numerische Prüfung in den Normen derzeit noch nicht vorgesehen ist, können dadurch in der Praxis bereits Worst Case Szenarien frühzeitig und systematisch identifiziert werden, der experimentelle Prüfaufbau entsprechend angepasst und dadurch beschleunigt werden. Dies ermöglicht den Herstellern einen vereinfachten Zulassungsprozess und letztendlich mehr Patienten den Zugang zu einer wichtigen Diagnostik.

Transiente Temperatursimulation zeigt den HF-induzierten Wärme-Hotspot am Ende des orthopädischen Hüftimplantats in einem homogenen Körpermodell. | © Joshua Igl, OTH Amberg-Weiden

Durch weitere Forschung an detaillierteren Modellen sollen die Prüfungen in Zukunft weniger konservativ werden, neue Mitigationsstrategien entwickelt und somit noch mehr Patienten der Zugang zu einer sicheren MRT-Diagnostik ermöglicht werden. Die neue Generation der UHF-Systeme führt dazu, dass der Prüfbedarf weiter ansteigt und birgt u. a. durch deutlich kürzere Wellenlängen neue Herausforderungen, bei deren Erforschung die Simulation eine wichtige Rolle spielt. Gerade daher ist es wichtig, die Effizienz der Prüfprozesse weiter zu steigern. Bestenfalls können zukünftig sogar rein simulative Prüfverfahren in die Normen integriert werden, um den Prüfaufwand zu minimieren.