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7  Materialuntersuchungen im MRT-Magnetfeld

Dieser Abschnitt stellt grundlegende wissenschaftliche Untersuchungen im MR-Tomographen vor, die zur Realisierung des Biopsiesystems wesentlich beigetragen haben. Schwerpunkte setzten hierbei Experimente zur Ermittlung magnetfeldinduzierter Effekte und des Störverhaltens von technischen Werkstoffen und der in Kap. 6.5 vorgestellten Ultraschallmotoren auf die Bildgebung.

7.1 Bildgebende Einflußfaktoren magnetische/elektrische Kompatibilität

Zur Erzielung der diagnostischen Vorteile (hohe Sensitivität, gute Weichteilabbildung) der MR-Mammographie, ist eine ausreichend hohe Schnittbildqualität notwendig, die wesentlich von der Magnetfeldhomogenität und dem Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) abhängt. MR-Schnittbilder basieren dabei auf Interaktionen zwischen selektierbaren, gerätespezifischen und indikationsspezifischen Parametern. Allgemeines Ziel dabei ist, MR-Schnittbilder mit kurzen Akquisitionszeiten und hohen Nutzsignalen, wie auch einer hohen räumlichen Auflösung bei ausgezeichnetem Kontrast zu erhalten. Negative Effekte wie Rauschen und Bildartefakte, die sich z.B. in Verzerrungen oder Signalauslöschungen äußern können, reduzieren dagegen die diagnostische Verwertbarkeit. Insbesondere korreliert die Bildqualität der MRT-Untersuchung in hohem Maße mit den zusätzlich zu dem Patienten eingebrachten Materialien, die unter Umständen zur Ausführung von MRT-gesteuerten Eingriffen notwendig sind. Zwei wesentliche Faktoren sind hierbei von großer Bedeutung:

  1. Magnetische Kompatibilität.
  2. Elektrische/elektromagnetische Kompatibilität.

Die magnetische Kompatibilität steht im direkten Zusammenhang zur magnetischen Suszeptibilität χm (siehe Kap. 7.1.2). Je nach der Größe des Suszeptibilitätswertes erfahren Materialien mehr oder weniger große Kraftwirkungen oder verursachen mehr oder weniger ausgeprägte Bildverzerrungen und -störungen, mitunter noch aus weiterer Umgebung. Bei der elektrischen oder elektromagnetischen Kompatibilität müssen Interaktionen der Hochfrequenzenergie, der Gradientenschaltungen sowie elektromagnetische Einflüsse berücksichtigt werden. Ein Gerät kann durch die HF-Energie des MR-Tomographen gestört werden und andererseits können HF-Emmissionen eines Gerätes oder induzierte Materialströme die Charakteristik eines MR-Systems bzw. das Meßergebnis beeinflussen [ 52 ] .

7.1.1 Betrachtungen zum Signal/Rausch-Verhältnis (SNR)

In der MR-Tomographie stellt sich das Hintergrundrauschen als limitierender Faktor bei der Detektion der schwachen MR-Signale dar. Die Helligkeit eines jeden Pixels im MR-Schnittbild ist durch die Signalintenstät des korrespondierenden Voxels in der Gewebeschicht festgelegt. Zusätzlich zu den gewebespezifischen schwachen Meßsignalen detektiert die MR-Empfangsspule auch HF-Rauschsignale des umliegenden Gewebes, die zu einer Abschwächung des Nutzsignales und damit auch der Signalintensität führen. Dadurch lassen sich benachbarte anatomische Strukturen mit geringen Kontrastdifferenzen, sowie kleine suspekte Areale nur noch schwer abgrenzen. Die Ursache für das Rauschen basiert zum großen Teil auf kleine elektrische Ströme innerhalb der zu detektierenden Schichten des Patienten (Abhängig von der elektrischen Leitfähigkeit, der Temperaturen und der Länge der Strompfade), sowie auf Widerstandsrauschen (thermisches Rauschen) der Empfängerspulen und elektromagnetische Einstrahlungen durch externe Rauschquellen [ 11 , 77 ].

Abb. 57 : Externe Rauschquellen beeinflussen den SNR-Wert.


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Für ein vorhandenes MR-System hängt der Einfluß des Signal/Rausch-Verhältnisses auf die Bildqualität von mehreren Faktoren ab, z.B. Anzahl der Pixel Ni, Voxelgröße wi, Anzahl der gemittelten Signale pro Voxel (NSA), Bandbreite Δf. Diese Parameter stehen in folgendem mathematischen Zusammenhang zum SNR.

mit 4kTR= konst.

Zur quantitativen Beurteilung MR-tomographischer Schnittbilder stellt der SNR-Wert eine häufig verwendete Vergleichsgröße dar.

7.1.2 Magnetisierung von Stoffen in externen Magnetfeldern

Materialien aus denen medizinische Instrumente, Hilfeinrichtungen für Diagnostik und Therapie oder auch Implantate aufgebaut sind, lassen sich einem bestimmten Stoffmagnetismus zuordnen. Werden derartige Gegenstände aus technologischen Gründen oder durch den Patienten selbst in ein „ungestörtes“ Magnetfeld mit der magnetischen Grundinduktion B0 eines MR-Tomographen gebracht, ändert sich nach [ 35 ] die magnetische Flußdichte über die stoffabhängige Permeabilitätszahl μr wie folgt.

Die durch die Materie zusätzlich hervorgerufene magnetische Flußdichte wird als magnetische Polarisation J bezeichnet und ist folgendermaßen definiert.

Der Ausdruck μr —1 kennzeichnet dabei die magnetische Suszeptibilität χm, welche das Verhältnis von Polarisation J, hervorgerufen durch Materie im Magnetfeld, sowie der magnetischen Flußdichte B0 ohne Materie beschreibt. Wird an einem z.B. MRT-System außer dem Einbringen von Materie nichts geändert, dann bleibt der eingeprägte Strom in der Hauptfeldspule konstant und damit auch die Feldstärke. Für die Magnetisierung eines Materials im externen magnetischen Feld gilt dann:

Die magnetische Induktion im Material wird dann zu:

Je nach magnetischer Suszeptibilität lassen sich dabei alle Materialien in Stoffgruppen einteilen:

Tab. 5 : Magnetische Hauptstoffgruppen

ferromagnetisch

μr >>1, χm >> 1

paramagnetisch

μr > 1, 10-6 < χm < 10-2

diamagnetisch

μr < 1, —10-4 < χm < —10-9

7.1.3 DIN EN 60601-2-33 - Materialien im MRT-Magnetfeld

Die DIN EN 60601-2-33 legt die Sicherheitsnormen für medizinische diagnostische MR-Tomographen fest und weist auf die Gefahren beim Umgang mit ferromagnetischen und metallischen Materialien in der Nähe starker Magnetfelder, die durch starke Anziehungskräfte und unerwünschte Rotationen dieser Materialien entstehen können, hin.


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Die Anziehungskraft und/oder Rotation, die ein Magnet auf einen aus ferromagnetischem Material bestehenden Gegenstand ausübt, entsteht durch Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld und der induzierten Magnetisierung im Gegenstand. Diese Kraft hängt deshalb vom Wert und der Höhe der räumlichen Schwankungen des Magnetfeldes, den spezifischen Eigenschaften des Materials sowie von der Masse und Form des Gegenstandes ab. Analog hängt die Rotation, die ein Magnet in einem Gegenstand erzeugt, von denselben Größen ab. Ein Gegenstand wird somit stets eine Rotation erfahren, wenn er nicht zum Feld vollkommen ausgerichtet ist, während eine Anziehungskraft nur dann erwartet wird, wenn das Feld ungleichförmig ist. Ungeachtet dessen, daß die auf einen Gegenstand ausgeübte Kraft von seiner magnetischen Eigenschaft und von den räumlichen Magnetfeldschwankungen abhängt, legt die Norm einen Grenzwert fest, da die Messungen des statischen Feldes leichter ausführbar sind. Die Anziehungseffekte erlangen gewöhnlich an Bedeutung, wenn das magnetische Randfeld stärker als 3 mT ist [ 17 ].

Werden Fremdmaterialien in das Magnetfeld des MR-Tomographen eingebracht, so ändert sich die Homogenität des MRT-Magnetfeldes gemäß den spezifischen Materialeigenschaften. Befinden sich diese Feldinhomogenitäten in der Nähe des Untersuchungsbereiches, können störende Bildartefakte die Folge sein, deren Größe und Ausdehnung von der Intensität der induzierten Störfelder abhängen. Um diese Bildartefakte zu vermeiden oder auf ein Minimum zu begrenzen, muß die Materialauswahl sehr sorgfältig erfolgen. Beim gegenwärtigen Stand der Technik eignen sich hierfür in erster Linie para- und diamagnetische Werkstoffe, die Metalle oder nicht-metallische Werkstoffe sein können. Ferromagnetische Werkstoffe aus z.B. Eisen, Kobalt oder Nickel sind als MR-Inkompatibel anzusehen, da sie auf Grund ihrer hohen magnetischen Suszeptibilitäten im starken MRT-Magnetfeld erhebliche Feldlinienstörungen sowie magnetischen Kraftwirkungen herbeiführen.

7.2 Effekte von para- und diamagnetischen Werkstoffen im MRT-Isozentrum

Ausgehend von den Problemen die sich bei der Lagerung von Fremdmaterialien im Isozentrum eines MR-Tomographen ergeben, stellt dieser Abschnitt Methoden und Ergebnisse von experimentellen Untersuchungen hinsichtlich des Störeinflusses von para- und diamagnetischen Werkstoffen auf die Schnittbildqualität in einem geschlossenen 1,5-Tesla MRT vor. Das primäre Ziel dieser Arbeiten lag in der quantitativen Erfassung suszeptibilitätsbedingter Bildartefakte von Konstruktionswerkstoffen um die Anwendbarkeit der Werkstoffe für das spulenintegrierte Biopsiesystem abzuschätzen. Verschiedene Arbeitsgruppen beschäftigten sich mit materialspezifischen Bildartefakten, aus der Literaturrecherche gingen jedoch nur wenige relevante Informationen für diese Arbeit hervor [ 61 , 63 , 76 , 83 ]. Erste Ergebnisse zu den zahlreich durchgeführten Untersuchungsreihen (> 500) wurden publiziert [ 73 ].

7.2.1 Material und Methodik

Die Experimente erfolgten im Isozentrum eines 1,5T-MRT. Als Sende- und Emfangsspule diente die Body-Coil. Zur Beurteilung des sequenzabhängigen Artefaktverhaltens wurden 3 klinisch relevante Sequenztypen für die MR-Mammadiagnostik (Spin-Echo, Gradienten-Echo und Echo-Planar-Imaging) verwendet. Die Sequenzparameter zeigt die Tab. 6. Für die in dieser Arbeit vorgestellten Untersuchungen wurden handelsübliche para- und diamagnetische Werkstoffe verwendet, zu denen metallische und nicht-metallische Rundmaterialien mit einem Durchmesser von ca. 20 mm und einer Länge von 50 mm zählten. Die Materialauswahl gibt die folgende Abbildung wieder.

Abb. 58 : Aufteilung der untersuchten Materialgruppen

a) Para- und diamagnetische Metalle, Nicht-Metalle,
b) Polymere und EP-Harz,
c) Glaskeramik Macor® (46%SiO2, 17%MgO, 16%Al2O3, 10%K2O,7%B2O3, 4%F), Buchenholz.


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Die Darstellung der Materialeffekte erfolgte mit einem runden Messphantom aus Plexiglas (Philips), in dem sich zusätzlich zum Nachweis von Bildverzerrungen Bohrungen an seiner Stirnseite befanden. Durch die große Phantomfläche von ca. 380 mm, die den MRT-Tunnel fast vollständig ausfüllte, bestand die Möglichkeit mehrere Proben simultan zu untersuchen. Das Phantom hatte eine Tiefe von 100mm, so dass sich das Artefaktausmaß auch über mehrere Schnittebenen untersuchen ließ. Die im Phantom befindliche Flüssigkeit ergab Relaxationszeiten von T1=1950 ms und T2=319 ms bei einer Feldstärke von B0=1,5 Tesla. Mit Hilfe eines Plexiglasgestells ließ sich das Phantom sowohl in vertikaler als auch horizontaler Ebene optimal im MRT-Isozentrum positionieren. Mit den eigentlichen Messungen wurde zur Beruhigung der Phantomflüssigkeit (Vermeidung von Inhomogenitäten) nach ca. 30 Minuten nach der Aufstellung des Phantoms begonnen. Das Phantom zeigt die nächste Abbildung.

Abb. 59 : Das verwendete Meßphantom zur Abbildung der Materialeffekte

Maße: Ø ≈ 380mm, Breite ≈ 100mm (Fa. Philips).

Zur Optimierung der Messzeiten wurden die vordefinierten MR-Sequenzen modifiziert (Anzahl der Schichten 40 → 20, Schichtbreite 3 → 6).

Tab. 6 : Ausgewählte MR-Sequenzen und Parameter für die Materialexperimente.

 

FOV
[mm]

RFOV
[%]

Matrix

TE
[ms]

TR
[ms]

Flip-Angle
[°]

Slices

Slice-Th
[mm]

Scanzeit
[min]

SE (2D)

400

100

256 x 256

15

270

90

20

6

3:16

FFE * (3D)

400

100

256 x 256

4,6

7,3

25

20

6

0 : 33

EPI (2D)

400

100

256 x 256

9,3

18

31

20

6

0 : 26

* FFE (Fast-Field-Echo) entspricht einer GE (Gradienten-Echo)-Sequenz

Vor Beginn der eigentlichen Messungen wurde ein Referenzscan (ohne Materialien) für jede, der in Tab. 6 angegebenen MR-Sequenzen, durchgeführt. Die Schnittbildorientierung erfolgte unverändert für alle Messreihen in transversalen Ebenen, wie die Abb. 60 zeigt. Nach diesem Planungsbild verlief die erste Schicht entlang der caudal gelegenen Randzone des Phantoms. Diese entsprach auch gleichermaßen der materialzugewandte Seite.

Abb. 60 : Transversale Schnittbildführung durch das Philips-Phantom

die erste Schicht liegt kaudal und entspricht der Materialseite.


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Gemäß Abb. 61, konnten mehrere metallische oder nicht-metallische Proben gleichzeitig untersucht werden, wenn die ausgehenden Materialeffekte (Bildartefakte) sich im Schnittbild nicht überlagerten. Durch ließen sich die Untersuchungszeiten verkürzen und ein direkter Vergleich zwischen den einzelnen Materialien anstellen. Die Materialien wurden entlang der 3 Raumachsen auf einer flachen Plexiglasplatte ausgerichtet und berührten mit der entsprechenden Seite die Außenwand des Phantoms. Der gewählte Abstand zwischen den Stäben hing vom Artefaktausmaß ab und betrug 6 - 15 cm. Zur Vermeidung von Drehbewegungen durch elektromagnetische Effekte während der Bildgebung wurden diese an der Plattenoberfläche fixiert. Ein paar Beispiele hierzu zeigt die folgende Abbildung.

Abb. 61 : Untersuchungslagen der metallischen und nicht-metallischen Probekörper am Phantom.

7.2.2 Ergebnisse der Materialuntersuchungen

Je nach Materialkategorie zeigten sich unterschiedlich stark ausgeprägte Bildartefakte im Phantom, die überwiegend als Signalauslöschungen oder Aufhellungen im MR-Schnittbild auftraten. Die metallischen Proben, insbesondere die aus Edelstahl und Messing, verursachten dabei die stärksten Signalauslöschungen, wobei Aluminium und besonders Bronze im Vergleich die geringsten Artefakte produzierten. Bei den nicht-metallischen Materialgruppen konnte deutlich geringere Artefakte und überwiegend nur in den ersten beiden Schnittebenen festgestellt werden. In der Schnittebene 3 und 4 traten keine signifikanten Störungen mehr auf. Ebenfalls deutlich zu beobachten war das sequenzabhängige Artefaktverhalten. Insofern zeigte die Spin-Echo (SE)-Sequenz die geringste Artefaktanfälligkeit. Die Gradienten-Echo-(GE)-Sequenz und besonders die Echo-Planar-Imaging (EPI)-Sequenz verursachten zum Teil erhebliche Bildartefakte.

In welcher Weise sich die Artefakte im Schnittbild präsentierten zeigen die Schnittbilder der Abb. 63. Dargestellt sind die transversalen Ebenen 1 und 2 in Abhängigkeit der Probenausrichtung und Materialkombinationen. Zum Vergleich dienen die Referenzbilder aus der Abb. 62 für eine materialfreie Messung. Die Auswertung erfolgte mit der Software MRIcro, wobei für die Signalverteilung (SI) im Schnittbild folgendes Farbschema gilt.

Abb. 62 : Referenzbilder des Meßphantoms (1-te Schnittebene) mit Signalwertverteilung.

 

 


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Abb. 63 ff.: Materialspezifische Artefakte im Messphantom in der 1-ten und 2-ten Schnittbildebene.


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Zum quantitativen Vergleich wurden die Artefaktflächen der ersten Schnittebene bestimmt, da diese bei allen Materialien (außer Edelstahl) am größten waren. Hierzu wurde eine ROI (Region Of Interest) um die Artefaktbereiche mit stark geschwächtem oder erhöhtem MR-Signal platziert. Artefakte die sich überlagerten (Titan und V4A in der y-Position) wurden durch wiederholte Einzelmessungen separat ermittelt. Bei der Probe aus glasfaserverstärktem Epoxdharz (GF) konnten bei allen Messungen keine ausgeprägten Artefakte festgestellt werden. Es konnte jedoch eine große Artefaktabhängigkeit bei den restlichen Proben vom verwendeten Sequenztyp festgestellt werden, siehe Abb. 64.

Abb. 64 : Artefaktflächen unterschiedlicher metallischer- und nicht-metallischer Werkstoffe in Abhängigkeit ihrer Ausrichtung am Phantom und vom verwendeten Sequenztyp.

Die Artefaktflächen bei der Materialausrichtung entlang der x-Achse korrespondieren in etwa mit den Flächen der y-Ausrichtung, weshalb keine gesonderte Darstellung erfolgte. Festgestellt wurde, dass die Artefaktausmaße deutlich vom MR-Sequenztyp abhängen und in der Sequenzreihenfolge SE→ GE (FFE)→ EPI zunehmen. Der Vergleich zeigt auch, dass Bronze und Aluminium metallische Werkstoffe mit geringem Störungsausmaß sind. Die Signalauslöschungen für die Edelstahlprobe sind jedoch signifikant und betragen ein Vielfaches der anderen Materialien, insbesondere bei der EPI-Sequenz, die sich als sehr artefaktanfällig präsentierte. Eine Gegenüberstellung der Schnittbildfolge für die Edelstahlprobe, Abb. 65, zeigt den großen Einflußbereich dieser Probe, wobei das maximale Ausmaß an Störungen in der 3-5 Schnittebene (18-30 mm vom Randabstand) ermittelt wurde.

Abb. 65 : Artefaktausmaß der Edelstahlprobe in Abhängigkeit der transversalen Schnittbilder.


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Die Auswertung der Artefaktfläche erfolgte bis zur 17-ten Schnittebene, da das Phantom am kranial gelegenen Randbereich mit Flüssigkeit gefüllte Referenzbohrungen und keine einheitliche Fläche mehr aufwies. Ferner war die 18-te Schnittebene, aufgrund der begrenzten Phantombreite, die zuletzt verifizierbare Schicht. Bei einem Vergleich dieser Schnittebenen mit einer Referenzansicht zeigten sich bei der SE-Sequenz keine Abbildungsartefakte mehr, doch waren deutliche Verzerrungen der Referenzbohrungen im Phantom zu erkennen. Eine wesentlich höhere Bildartefaktanfälligkeit wird bei der GE- und EPI-Sequenz nach Abb. 66 ersichtlich. Die runde Artefaktfläche leitet sich entsprechend der Probenausrichtung in z-Richtung ab, aus der eine symmetrische Homogenitätsstörung in Feldlinienrichtung des MR-Magneten resultiert.

Abb. 66 : Verzerrungen und Bildartefakte bei der Edelstahlprobe (z-Ausrichtung) in der 18-ten Schnittebene des Phantoms bei der SE-, FFE- und EPI-Sequenz im Vergleich zu einer Referenzschicht ohne Fremdmaterial.

Bei einer weiteren Untersuchung wurden die transversalen Schnittebenen ermittelt, bei denen keine Bildartefakte mehr beobachtet werden konnten, siehe Abb. 67. Zusätzlich zum visuellen Eindruck diente das Signal- zu-Rauschverhältnis (SNR) als Bewertungskriterium. Der SNR-Wert läßt sich aus dem als Mittelwert der Signalintensität im Phantom IPhantom und der Intensitäts-Standardabweichung sRauschen des umgebenden Rauschfeldes nach folgender Gleichung bestimmen:

Damit die Intensitäts- und Rauschwerte hinsichtlich des zu ermittelnden SNR-Wertes gleichmäßig ausgewertet werden konnten, wurde sowohl in das Meßobjekt als auch in das umgebende Rauschfeld ein uniformes Meßfenster gelegt. Die Größe der ROI im Phantom entsprach der Artefaktfläche, die des Rauschfeldes der Umrandung des Phantoms. Eine Untersuchungsschicht wurde als artefaktfrei bewertet, wenn das Verhältnis zwischen dem SNR-Wert mit Material und der sequenzabhängigen Referenzschicht kleiner 5% war:

Abb. 67 : Transversale Schnittebenen (Schichtdicke= 6mm) für artefaktfreie Bilder bei unterschiedlichen Materialproben in Abhängigkeit ihrer Lage am Phantom und der verwendeten MR-Sequenzen.


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Der Abstand der sich aus der Anzahl der Phantomschnittbilder bis zum artefaktfreien Bild ergibt ist gleichbedeutend mit dem Mindestabstand zwischen der Materialprobe und dem Phantom bis zum artefaktfreien ersten Schnittbild. Diese Tatsache wurde experimentell nachgewiesen und ist für die Anwendbarkeit von Gegenständen wie z.B. Punktionsplatten in direkter Nähe des zu untersuchenden Objektes von Bedeutung.

7.2.3 Diskussion zu den Materialuntersuchungen

Diese Untersuchung hatte das Ziel, die Anwendbarkeit unterschiedlicher para- und diamagnetischer Materialien im MR-Tomographen zu ermitteln und die Bildgebung auf den Einfluß unterschiedlicher Sequenzen hin zu verifizieren. Alle verwendeten metallischen und nicht-metallischen Probenkörper ließen sich dabei ohne nennenswerte magnetische Kraftwirkungen im MRT-Isozentrum positionieren. Kraftwirkungen konnten während der Bildgebung durch Rotation der Probekörper festgestellt werden. Für die konstruktive Anwendung dieser Werkstoffe gibt es unter Berücksichtigung der Mindestabstände zum Untersuchungsobjekt keine besonderen Einschränkungen, der Materialeinfluß auf die Bildgebung sollte jedoch im Einzelfall geprüft werden.

Bei retrospektiver Betrachtung der durchgeführten Untersuchungen konnten im Vergleich mit Referenzbildern unterschiedliche Bildstörungen, wie Konturverzerrungen, partielle Bildaufhellungen- und Verdunkelungen wie auch totale Signalauslöschungen beobachtet werden. Ferner zeichneten sich je nach Materialart unterschiedlich große Artefaktausmaße in den Schnittbildern ab. Im Rahmen der Auswertung wurden die Bildveränderungen der transversal angelegten Schnittbilder von der ersten Schicht bis zur artefaktfreien Schicht weiterverfolgt. Das beobachtete Ausmaß der Schnittbildstörungen läßt sich dabei in vier Kategorien einteilen:

  1. sehr stark: extreme Artefakte und Signalabschwächungen über große Bereiche,
  2. stark/mittel: prägnante Artefakte in kleineren Bereichen, partielle Signalabschwächungen,
  3. schwach: geringe Artefakte, teilweise gerade noch zu erkennen,
  4. sehr schwach: Bildveränderungen, die nicht mehr signifikant sind, aber eventuell noch dem zugefügtem Material zugeschrieben werden können.

Sehr starke Bildartefakte mit größerem Ausmaß zeigten sich bei den Metallproben aus Edelstahl und Messing. Zu den Materialien mit prägnanten starken Auslöschungen, jedoch geringeren Gesamtausmaßes zählen die Materialproben aus Titan, Kupfer und Aluminium. Schwache Artefakte bildeten sich insbesondere bei Bronze und den nicht-metallischen Materialproben. Eine Ausnahme machte hierbei die Probe aus EP-Harz mit zugesetzten Glasfasern, bei der, bis auf leichte Schatten in der FFE-Sequenz, keine auffälligen Artefakte wahrgenommen werden konnten. Ergänzend konnte festgestellt werden, dass die größten Abweichungen zur Referenzschicht zum größten Teil in der ersten und zweiten Phantom-Schnittebene vorlagen. Die Ausnahme hierbei machte die Edelstahlprobe, bei der die maximalen Artefaktausmaße je nach MR-Sequenz erst in der 3-5 Schnittebene (Eindringtiefe ≈ 18-30 mm) auftraten. Diese Erscheinung läßt sich vermutlich auf die hohe Permeabilität dieses Werkstoffes und eine resultierende elliptische oder keulenförmige Feldlinienverzerrung zurückführen.

Abb. 68 : Gemessene magnetische Suszeptibilitäten der verwendeten Materialproben.


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Zur Klärung des Einflußverhaltens der verwendeten Materialien auf die Bildgebung wurde die magnetischen Suszeptibilität dieser Werkstoffe ermittelt. Die in der Abb. 68 gezeigten Resultate beziehen sich auf Messungen mit einer Gouy´schen Waage an der PTB Braunschweig und auf Untersuchungen mit einer Faraday-Waage an der Technischen Universität Berlin.

Bei einem Vergleich der gemessenen Suszeptibilitätswerte nach Abb. 68 mit den Schnittbildartefakten aus Abb. 63 läßt sich approximativ eine sehr gute Korrelation zwischen diesen Werten feststellen. Aus diesem Zusammenhang läßt sich schließen, dass die ermittelten Bildartefakte in hohem Maße aus den Materialsuszeptibilitäten und den daraus induzierten Feldinhomogenitäten resultieren. Es ist jedoch nicht auszuschließen, dass auch die Induktion von Wirbelströmen während der Schaltphasen der MRT-Gradienten (Induktionsstörungen durch zeitlich veränderliche Felder) einen Einfluß auf die Bildgebung ausübt, insbesondere bei elektrisch guten Leitern wie z.B. Aluminium oder Kupfer. Dieser Effekt muß jedoch von weit geringerer Bedeutung sein als der Einfluß der magnetischen Suszeptibilität, da die Differenz des Artefaktausmaßes zwischen dem paramagnetischen Aluminium und den diamagnetischen Polymermaterialien, die geringere Suszeptibilitätswerte aufweisen, nicht signifikant ist.

Fremdmaterialien im MRT-Magnetfeld bewirken Homogenitätsstörungen und sind von mehreren Parametern wie z.B. von der der Art des Werkstoffs, dessen Lage bzw. Anordnung im Magnetfeld und dessen Geometrie bzw. Masse abhängig. Wie in einer weiteren Untersuchung [ 73 ] festgestellt wurde, nimmt die Feldhomogenität unabhängig von der Werkstoffart bei einer Profil-Querausrichtung (Transversale x-y-Ebene) zu, längsausgerichtete Profile (z-Achse) bewirken in Bezug auf den gesamten Untersuchungsbereich und bei gleicher magnetischer Suszeptibilität ein geringeres Störungsausmaß, da weniger Feldlinien durch das Material abgelenkt werden.

Als ein weiteres Ziel dieser Untersuchung sollte die Stabilität unterschiedlicher MR-Sequenzen unter dem Einfluss der Fremdmaterialien geprüft werden. Grundsätzlich ließen sich deutliche Qualitätsunterschiede zwischen den einzelnen Sequenztypen erkennen. Es konnte nachgewiesen werden, dass die SE-Sequenz für die von den Proben verursachten Feldverzerrungen am unanfälligsten ist und die EPI-Sequenz am empfindlichsten mit den größten Artefaktausmaßen reagiert. Ferner konnte über das gesamte Probenspektrum eine höhere Abbildungsqualität bei der SE-Sequenz verzeichnet werden. Bei einem Vergleich der verwendeten MR-Sequenzen zeigte sich insbesondere bei der hoch paramagnetischen Edelstahlprobe, dass sowohl die schnelle FFE(GE)-Sequenz als auch die EPI-Sequenz noch zu überlagerten Artefakten bzw. Auslöschungen in der letzten Untersuchungsschicht des Meßobjektes führte. Bei der SE-Sequenz konnte zwar eine geringfügige Konturverzerrung (Fehler der Ortskodierung durch lokale Feldverzerrungen infolge der Materialsuszeptibilitäten) festgestellt werden, die Schichtdarstellung des Phantoms war jedoch überlagerungsfrei. Diese Tatsache läßt sich durch folgenden Zusammenhang erklären. An den Grenzflächen unterschiedlicher Suszeptibilität, verursacht durch die in das MRT-Magnetfeld eingebrachten Materialproben, verändert sich die magnetische Induktion, wodurch ein lokales Gradientenfeld erzeugt wird. Diese lokalen Feldgradienten führen über eine ortsabhängige Veränderung der Kern-Präzessionsfrequenz zur Dephasierung der Spins und damit zu einer Verkürzung der T2-Relaxationszeit zu T2*, wodurch zum einen gewebespezifische Differenzierungsprobleme auftreten können und zum anderen vollständige Signalauslöschungen möglich sind. Wegen der zeitlichen Konstanz der durch Suszeptibilitätsübergänge hervorgerufenen Gradientenfelder können Artefakte zum Teil durch einen 180°-Impuls (SE-Sequenz), nicht aber durch Gradientenumkehr kompensiert werden (schnelle GE- und EPI-Technik). Durch zeitlich aufeinander folgende 180°-Impulse wird eine mehrfache Synchronisierung von Protonendephasierungen (Folge der Feldinhomogenitäten) während des Zerfalls der Quermagnetisierung erreicht, mit dem Ziel, eine genauere Ermittlung bzw. Differenzierung der T1/T2-Relaxationszeiten ergo den damit verbundenen gewebespezifischen Signalintensitäten eines Voxels zu erhalten. Meßtechnisch kann diesem Phänomen aber noch durch Verkürzung der Echozeit (kürzere Spindephasierung) und durch eine kleinere Voxelgröße (Minimierung der mittleren Feldinhomogenität pro Voxel) entgegengewirkt werden.

Schlußfolgerungen

  1. Eine Anwendung der untersuchten para- und diamagnetischen metallischen und nicht-metallischen Werkstoffe im MRT-Isozentrum ist prinzipiell möglich, zur Sicherstellung artefaktefreier Schnittbilder sollte jedoch ein Mindestabstand für die in den Untersuchungsbereich eingebrachten Materialien zum Untersuchungsobjekt berücksichtigt werden, der je nach Komplexität des MR-integrierten Materials oder Systems einer separaten Prüfung unterzogen werden sollte.
  2. Das Störverhalten auf die Bildgebung ist materialspezifisch und unterliegt in hohem Maße der magnetischen Suszeptibilität χm⇒ Je größer die magnetische Suszeptibilität χm, desto größer sind die Feldverzerrungen und somit das Artefaktausmaß im materialnahen MR-Schnittbild, unabhängig davon, ob es sich um einen para- oder diamagnetischen Werkstoff handelt.[Seite 62↓]
  3. In Anlehnung an bereits publizierte Ergebnisse eigener Vorarbeiten beeinflussen weitere Faktoren wie Form, Größe, Lage und Orientierung der Materialien im Magnetfeld maßgeblich das Artefaktverhalten [ 73 ] .
  4. Als MR-günstige Materialien sind Aluminium, Bronze und insbesondere die untersuchten nicht-metallischen Werkstoffe anzusehen. Materialien aus Edelstahl, Messing, Titan, Kupfer sollten wegen ihrer größeren Artefaktneigung nur bedingt und mit größerem Sicherheitsabstand eingesetzt werden. Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass sich die Untersuchungen nur auf einen kleinen Werkstoffbereich beziehen und andere Legierungstypen bzw. Werkstoffzusammensetzungen ein abweichendes Artefaktverhalten zeigen können.
  5. Die Art der verwendeten MR-Sequenz beeinflußt in hohem Maße die Schnittbildqualität und die Bildakquisitionszeit. Geringe Artefakte und hohe Abbildungsqualitäten sind von einer Spin-Echo-Sequenz (SE), kurze Akquisitionszeiten, jedoch höhere Artefaktausmaße sind von einer Gradienten-Echo-Sequenz (GE) oder Echo-Planar-Imaging-Sequenz (EPI) zu erwarten. Auf Grund ihrer schnellen Akquisitionszeit und den mittleren Artefaktausmaßen im Vergleich zu den beiden anderen Sequenztypen stellt die GE (FFE)-Sequenz die effektivste Sequenz dar.

7.3 Bremswirkungen rotierender Körper im MRT-Magnetfeld

Aus weiterführenden Materialuntersuchungen ging hervor, dass die Dreh- bzw. Rotationsbewegungen metallischer Gegenstände im MRT-Magnetfeld von unterschiedlich großen Gegenmomenten begleitet waren, deren Untersuchung das Ziel dieser Aufgabe war. Auf die Ursache hierfür, die in der Induktion von Wirbelströmen im Leitermaterial zurückzuführen ist, soll kurz eingegangen werden.

Theorie

Werden ausgedehnte leitende Körper in einem statischen Magnetfeld bewegt oder sind sie ruhend wechselnden Magnetfeldern wie z.B. Gradientenfeldern ausgesetzt, so werden in dem Leiter durch eine induzierte Spannung, sogenannte Wirbelströme induziert. Diese Wirbelströme hemmen nach der Lenzschen Regel durch ihr magnetisches Gegenfeld die Bewegung und wirken wegen der Proportionalität zur Geschwindigkeit v ähnlich wie die Reibung fester Körper in Flüssigkeiten (Newtonsches Reibungsgesetz). Die Größe der induzierten Spannung u ind geht aus dem Induktionsgesetz hervor, das nach [ 35 ] wie folgt definiert ist:

An: Flächenanteil senkrecht zu den Feldlinien, B: magnetische Induktion, N: Windungszahl

Für die Bewegung eines Leiters durch ein zeitlich unveränderliches Magnetfeld ist dB/dt=0 und N=1, so das gilt:

l: Leiterlänge, s: Bewegungsstrecke, v: Geschwindigkeit des Leiters im Magnetfeld

Die Gegenkraft, die von dem Leiter ausgeht wird als Lorentz-Kraft bezeichnet und ist maximal, wenn die Geschwindigkeit senkrecht zum magnetischen Feld verläuft:

Q: elektrische Ladung dQ=Idt,

wird der Leiter senkrecht zum magnetischen Feld bewegt, so folgt für die Lorentz-Kraft:

Zwischen der Größe der Wirbelströme und der elektrischen Leitfähigkeit besteht eine proportionale Abhängigkeit, so dass allgemein gilt: „Je leitfähiger das Material, umso stärker die Wirbelströme“. Obwohl diese Tatsache bekannt ist, konnten keine Literaturangaben über das Wirbelstrom- und Bremsverhalten von technischen Werkstoffen im MRT-Magnetfeld gefunden werden. Von besonderem Interesse wurde diesbezüglich eine Versuchsreihe respektive des Rotationsverhaltens leitfähiger Rohre [Seite 63↓]im 1,5T-Magnetfeld durchgeführt. Hintergrund dieser Untersuchung lag im Auffinden geeigneter Werkstoffe für schnell rotierende Antriebselemente wie z.B. für Zahnriemenscheiben, mit einem mimimalem Bremsmoment zur Vermeidung von Überbeanspruchungen der empfindlichen Piezomotoren.

7.3.1 Material und Methodik

Für diese Untersuchung wurden fünf Metallrohre mit unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit, siehe nachfolgende Tabelle, verwendet. Die äußeren Abmaße betrugen: l=40mm, Da=30mm, Di=26mm.

Tab. 7 : Untersuchte Metallrohre im MRT-Magnetfeld.

Aluminium

Messing

Bronze

Kupfer

Edelstahl

AlMgSi 0,5 F22

CuZn37 F45

CuSn8

Cu-F30

V2A (1.4301)

Gemäß Abb. 69 wurde für diesen Versuch eine Meßeinrichtung entwickelt, bei der das Probenrohr über einen Drehkörper mit Glaskugellager im Magnetfeld des MR-Tomographen um einen ortsfesten Punkt (A) rotieren konnte. Die Rotation selbst erfolgte mittels Schwerkraft über ein Fallgewicht aus Kunststoff (m≈ 40g), welches über ein dünnes Seil mit dem Drehkörper verbunden war. Für die Bereitstellung einer gewählten Abwicklungslänge h von ca. 250 mm wurde das Seil auf den Drehkörper (Æ≈ 40mm) aufgewickelt. Am Außenrand des Drehkörpers waren vier um 90° versetzte Bohrungen, zur Transmission eines Lichtstrahles ausgehend von einer optischen IR-Sensor-Empfängereinheit (Gabellichtschranke Typ: EE-SX1042, Fa. Omron), untergebracht.

Abb. 69 : Links: Prinzipielle Darstellung der Versuchseinrichtung,
rechts: Realisierter Messaufbau am MR-Tomographen

(gestrichelte Linie kennzeichnet den Meßort im Isozentrum).

Der gesamte Aufbau wurde auf eine Grundplatte montiert, die mit dem MRT-Tisch verbunden war. Die Messungen selbst erfolgten im MRT-Isozentrum in der Art, dass die Proben quer zur Längsachse des Magnetfeldes ausgerichtet wurden, da in dieser Position die größten Bremswirkungen resultierten. Nach erfolgter Anfangsausrichtung (erstes Sensorsignal in der oberen Endlage) wurden die diskreten Fallzeiten während der Abwicklungsphase zwischen den eintreffenden Sensorsignalen, mit Hilfe eines programmierten Messdatenerfassungssystems gemessen. Das Messsystem selbst befand sich außerhalb des MRT-Raumes und war über eine lange abgeschirmte Leitung mit dem Sensor verbunden.

7.3.2 Ergebnisse

Aus den Versuchen gingen unterschiedliche Bremsverhalten der Materialien im MRT-Magnetfeld hervor. Zum Vergleich der Messwerte aus diesen Versuchsreihen wurde die gleiche Messreihe außerhalb des Magnetfeldes wiederholt. Die Abb. 70 zeigt eine Gegenüberstellung beider Meßreihen. Demnach resultiert bei den verwendeten Metallrohren ohne Einfluß des starken Magnetfeldes näherungsweise [Seite 64↓]der gleiche Bewegungsablauf über die gesamte Meßstrecke. Erwartungsgemäß steigt die Geschwindigkeit mit zunehmender Abrollstrecke an, da hier keine größeren Störfaktoren auf die Bewegung einwirken bis auf einen geringen Reibungsanteil, der jedoch bei Kugellagern im allgemeinen als klein angesehen werden kann. Die verkürzte Meßzeit des Aluminiumrohres läßt sich vermutlich durch die geringere Massenträgheit θRohr begründen, da Aluminium um ca. 1/3 leichter ist als die übrigen Rohrwerkstoffe (Bsp.: ρAlu.≈ 2,7 Kg/dm3/ ρMessing.≈ 8,4 Kg/dm3).

θRohr: Massenträgheitsmoment, m: Masse = ρ×V (Dichte x Volumen),
R: Rohraußendurchmesser, r: Rohrinnendurchmesser

Den Einfluß des äußeren Magnetfeldes im Vergleich zu den Referenzmessungen (Abb. 70a) und auf die Abwicklungsgeschwindigkeit (Abrollstrecke über die Messzeit) macht die Abb.70b deutlich

Abb. 70 : oben: Referenzmeßkurven für rotierende Metallrohre ohne Magnetfeld, unten: Meßkurven für rotierende Metallrohre im 1,5T-Magnetfeld.

Wie bereits während des Abwicklungsvorganges im MRT beobachtet wurde, unterliegen die Rohre mit der höheren elektrischen Leitfähigkeit (Wirbelstrombildung) einem hohen Brems- oder Gegenmoment MBrems (siehe Tab. 8). Dieser Effekt konnte besonders bei den Rohren aus Kupfer, Aluminium und Messing beobachtet werden, wobei das Kupferrohr im Vergleich zur Referenzmessung sogar eine um den Faktor 200 reduzierte Winkelgeschwindigkeit (v~ω) aufwies. Günstigstere Rotationseigenschaften bzw. die geringsten Bremsmomente konnten im Vergleich zu den anderen Materialien mit der Probe aus Bronze und insbesondere aus Edelstahl ermittelt werden. Beim Edelstahlrohr zeigte sich fast kein Unterschied zur magnetfeldfreien Messung.


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Tab. 8 : Leitfähigkeitswerte der verwendeten Metallrohre.

Werkstoff

Edelstahl

Bronze

Messing

Aluminium

Kupfer

elektr.Leitfähigkeit γ [m/Ωmm2]

≈ 1,4

≈ 8

≈ 17

≈ 36

≈ 57

7.3.3 Fazit

Diese Untersuchung hat ergeben, dass die aufbauenden Gegenmomente rotierender Körper in einem starken Magnetfeld in hohem Maße von der elektrischen Leitfähigkeit und damit von der Wirbelstrombildung abhängen. Wesentliche Nachteile die bei einer falschen Werkstoffwahl hierdurch entstehen, sind die Notwendigkeit erhöhter Antriebsleistungen rotierender Motoren wie auch herabgesetzte dynamische Wirkung rotierender Systeme. Auf der anderen Seite kann das Gegenmoment vorteilhafterweise zum Abbremsen oder Dämpfen rotierender Systeme genutzt werden. Lassen sich Werkstoffe rotierender Systeme mit höherer elektrischer Leitfähigkeit wie z.B. Aluminium aus konstruktiven Gründen oder zur Minimierung von Bildartefakten nicht ersetzen, dann bleibt noch die Möglichkeit, eine Minimierung der Wirbelströme durch Modifizierung der Bauteilgeometrie (z.B. Ausdünnen des Rotationskörpers, Einbringen von Schlitzen oder Bohrungen) oder durch Werkstoffkombination (beispielsweise durch Oberflächenbeschichtung) zu erreichen.

7.4 Effekte eines Piezomotorsystems im MRT- Untersuchungsraum

Obwohl die piezoelektrischen Motoren aufgrund ihres speziellen Aufbaus bzw. Funktionsprinzips für den Betrieb in starken Magnetfeldern geeignet sind, war zu Beginn dieser Arbeit nicht bekannt, welchen Einfluß dieses Motorsystem auf die MR-Bildgebung ausüben könnte. Im Rahmen dieser Arbeit wurde diese Fragestellung näher untersucht und erste Ergebnisse von einer Gegenüberstellung zweier Piezomotoren (Honda Electronics, Shinsei) publiziert [ 91 ] . Da der Shinsei-Motor sich dabei durch günstigere Leistungswerte und eine zuverlässigere bidirektionale Betriebsweise auszeichnete, wurde dieser als Antrieb des Positioniersystems gewählt und weiter untersucht. Insofern behandelt dieses Kapitel folgende Schwerpunkte:

  1. Materialeinfluß eines Shinsei-Motors auf die MRT-Bildqualität (Artefaktverhalten),
  2. Abstrahlungseigenschaften eines eingeschalteten Shinsei-Motorsystem,
  3. Krafteinfluß auf den Motor durch das externe MRT-Magnetfeld.

7.4.1 Einfluß der Piezomotormaterialien auf die MRT-Bildqualität

Der Shinsei-Piezomotor vom Typ USR-45 NM (siehe Kap.6.5) ist eine vom Standardmodell modifizierte Bauart aus „nicht-magnetische“ metallischen Materialien. Bei der Integration des Motors in das MRT-Isozentrum muß daher mit einer Feldhomogenitätsstörung gerechnet werden. Ein Großteil der Motorteile besteht aus Aluminium (Gehäuse, Rotor) und unterschiedlichen Bronzelegierungen (Stator, Abtriebswelle, Feder), das federseitige Kugellager besteht aus Edelstahl. Für die Entwicklung des Biopsiesystems stand zunächst der Störeinfluß dieses Motors auf die Schnittbildgebung im Vordergrund, wobei insbesondere der Abstand zwischen dem Piezomotor und der nächstgelegenen MR-Untersuchungsschicht zum Erhalt eines artefaktfreien Schnittbildes interessierte.

Material und Methodik

Die Vorgehensweise der im Folgenden vorgestellten Untersuchungen lehnt sich von der Methodik her an die der Materialprobenuntersuchung (Kap.7.1) an. Als Sende- und Empfangsspule wurde wieder die Body-Coil des Philips-MRT verwendet, zum Vergleich des MR-sequenzabhängigen Störverhaltens kamen die drei gleichen Sequenztypen mit identischen Parametern (Tab. 6) zum Einsatz. Als Messphantom wurde diesmal eine Flasche mit einer Gd-Mn-Lösung (0,011mmol Gd/l, 0,157 mmol Mn2+/l) der Fa. Schering verwendet, deren Relaxationszeiten im Bereich des menschlichen Gewebes (T1=660ms, T2=60ms) lagen. Während der Versuchsdurchführung lag das Phantom ortsfest im Isozentrum. Sowohl der Piezomotor als auch das Phantom befanden sich auf einer Messplatte, auf der sich Markierungen in 10 mm Abständen zu Ausrichtung des Motors in der z-Richtung befanden und die mit dem MRT-Tisch verbunden war, siehe Abb. 71. Zur Vermeidung möglicher Kabeleinflüsse während der Bildgebung wurde der Motor ohne Ansteuerungsleitung aufgestellt.


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Abb. 71 : Versuchsanordnung zur Ermittlung des Artefaktausmaßes eines Piezomotors im stromfreien Zustand.

Zum Vergleich der MR-Schnittbilder wurde zunächst ein Referenzscan (ohne Motor) für jede Messsequenz in transversalen Schnittbildebenen durchgeführt, wobei die erste Ebene durch den kaudal gelegenen Phantomrand verlief (siehe Abb. 71). Die Versuchsreihen mit aufgestelltem Motor begannen mit einem Abstand z=0 mm zum Phantom. Der Motor wurde während der gesamten Untersuchung flach ausgerichtet (Motorachse nach oben) und mit der Messplatte zur Vermeidung von Bewegungen während des Scanvorgangs fest verbunden. Nach der Platzierung des Motors erfolgten nacheinander drei Messungen mit unveränderter transversaler Schnittbildführung. Da sich bei kleinen Abständen zum Phantom größere Bildartefakte im Schnittbild zeigten, wurden die darauf folgenden Messungen in größeren Messabständen (50 mm) entlang der positiven z-Achse durchgeführt, bis sich ein schnittbildabhängiger SNR-Wert von ≥ 90% zum Referenzwert einstellte. Die ausgewertete Messfläche (ROI: Region of Interest) entsprach in etwa dem Phantomquerschnitt.

Ergebnisse

Ausgewertet wurde jeweils die erste transversale Schnittebene des MR-Datensatzes. Die drei Referenzbilder ergaben unterschiedliche Rauschwerte (Standardabweichungen der verwendeten Sequenzen im Rauschfeld: SDSE= 15,74; SDGE= 56,16; SDEPI= 34,43), die Signalintensitäten waren annähernd identisch. Wie die Abb. 72 zeigt, machten sich in unmittelbarer Nähe des Motors zum Phantom (z-Distanz= 0 bis 5cm) erhebliche sequenzabhängige Artefakte im MR-Schnittbild bemerkbar. Mit zunehmender Distanz zwischen dem Motor und dem Phantom verringerten sich erwartungsgemäß die Störungen bzw. Bildartefakte. Das Ausmaß der Störungen in Abhängigkeit des Motorabstandes zum Phantom gibt die Abb. 72 wieder. Die Signalabschwächungen werden hierbei über die ermittelten SNR-Werte der jeweiligen Messebenen und MR-Datensätze repräsentiert.

Abb. 72 : Ermitteltes Signalverhalten in Abhängigkeit der MR-Sequenz, der Referenzmessung und des Messabstandes Motor-Phantom.


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Bei der Spin-Echo-Sequenz (SE) machten sich Signalauslöschungen und Konturverzerrungen bemerkbar. Bei der Gradienten-Echo-Sequenz (GE) zeigten sich zudem ein erhöhtes Rauschen, die EPI-Sequenz brachte starkes Rauschen, sowie erhebliche Konturverzerrungen und Bildauslöschungen hervor. Bezugnehmend auf das Bildrauschen ließ sich feststellen, das die EPI-Sequenz wesentlich empfindlicher auf die Materialstörung reagierte als die GE-Sequenz. Zum Vergleich gibt die Tab. 9 die Rauschverhältnisse der ersten Schnittebene in Bezug auf das Referenzbild für einen Meßabstand z=0 wieder.

Tab. 9: Sequenzabhängige SNR-Werte für den Meßabstand z=0 in der ersten Schnittebene.

SE-Sequenz

GE (FFE)-Sequenz

EPI-Sequenz

1,76

5,88

10,19

In einer weiteren Darstellung (Abb. 73) werden die gemessenen SNR-Werte prozentual über einen gemeinsamen Referenzwert (100%) aufgetragen. Durch diesen relativen Vergleich wird das Sequenzverhalten in Abhängigkeit des Messabstandes nochmal deutlich. Der Vergleich zeigt, das die SE-Kennlinie am schnellsten ansteigt und bereits bei einem Messabstand von ca. 15 cm über 90% des SNR-Refrenzwertes erreicht. Zudem konnten auch keine Konturverzerrungen im Schnittbild mehr beobachtet werden. Bei der GE- und EPI-Sequenz zeigte sich eine höhere Störempfindlichkeit, jedoch erreichen beide Kennlinien bei einem Messabstand von ca. 30 cm mit guter Näherung die Schnittbildqualität des Referenzbildes.

Abb. 73 : Vergleich des Sequenzverhaltens durch Relativierung der SNR-Werte auf einen gemeinsamen Referenzwert (100%).

Fazit

Die Bauteile des Shinsei-Piezomotors bewirken aufgrund ihrer materialspezifischen Suszeptibilitäten Veränderungen der Magnetfeldhomogenität, wodurch in unmittelbarer Untersuchungsnähe mit erheblichen Bildartefakten (Auslöschungen, Verzerrungen) und einem stark reduzierten Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu rechnen ist. Wie bereits festgestellt wurde, ist das Störungsausmaß sequenzabhängig und nimmt mit zunehmendem Abstand des Prüfkörpers vom Untersuchungsobjekt ab. In Bezug auf die verwendeten MR-Sequenztypen konnte wieder eine Empfindlichkeitszunahme (Störanfälligkeit) in der Reihenfolge SE-, GE- und EPI-Sequenz beobachtet werden. Die Begründung hierfür wurde im Kapitel 7.2.3 gegeben. Als konstruktives Richtmaß kann ein Mindestabstand (Phantom-Motor), ab dem die Schnittbilddarstellung unter Verwendung dieser MR-Sequenzen als störungsfrei bezeichnet werden kann, von ca. 30-35 cm für einen nicht-aktivierten Piezomotor angegeben werden. Dieser Abstand ließe sich sicherlich verringern, wenn z.B. die Motor-Gehäuseteile aus einem weniger suszeptiblen Werkstoff, wie z.B. aus Bronze oder aus Kunststoff (zusätzliche Kühlung erforderlich) bestehen würden.


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7.4.2  Störverhalten eines aktiven Piezomotorsystems auf die MRT-Bildqualität

Im Rahmen der Testreihe mit dem Shinsei-Motorsystem interessierte außerdem das Störungsausmaß eines aktiven Motorsystems auf die Bildgebung. Insbesondere sollte die Frage geklärt werden, ob ein aktiver Motorbetrieb im MRT-Isozentrum auch eine online-Bildgebung ohne Störungen erlaubt.

Abb. 74 : Testsystem (Shinsei USR-45 NM) mit elektrischen Eckdaten.

Bei einem ersten Versuch wurde das Motorsystem mit dem vom Hersteller gelieferten Motorkabel (Länge= 8m) auf den MRT-Tisch gelegt, die Stromversorgung lag neben dem Tisch. Der Motor wurde gemäß der stromlosen Untersuchung nach jeder MR-Sequenzfolge (Tab. 6) in kleinen Abständen in vom Untersuchungsobjekt entfernt, jedoch während der Untersuchung mit seiner maximalen Drehzahl von ca. 130 min-1 betrieben. In Übereinstimmung an eine erste Publikation [ 91 ] machte sich über einen grossen Messabstand (Motor-Phantom) ein starkes Rauschen in allen MR-Schnittbildern der verwendeten Messequenzen bemerkbar. Das Rauschen verringerte sich zwar mit zunehmenden Messabständen, jedoch betrug der Abstand für ein näherungsweise rauschfreies MR-Schnittbild weit mehr als 1,5 m, unabhängig vom MR-Sequenztyp. Eine Online-Bildgebung wäre unter diesen Bedingungen nicht durchführbar, so dass zusätzliche Maßnahmen, z.B. durch Abschirmung des Motorsystems und günstigere Leitungsverlegung getroffen werden müssten.

Die Ursache für die Verschlechterung des SNR-Wertes bzw. das starke Rauschen liegt in der elektromagnetischen Störung durch das aktivierte Motorsystems begründet. Diese Tatsache konnte durch eine direkte Pegelmessung im Isozentrum über das Messsystem des MRT-Scanners unter Verwendung eines Philips-Serviceprogramms nachgewiesen werden. Hierbei wurde festgestellt, dass eine Zunahme des Hintergrundrauschens bereits durch das Aktivieren des Controllers ohne Zuschaltung des Motors vorliegt. Nach dem Einschalten des Motors konnte zusätzlich eine erhöhte Rauschbildverdichtung und eine geringfügige Zunahme des Rauschpegels registriert werden. Um dies zu verdeutlichen zeigen die folgenden Bilder die gemessenen prozentualen Anteile des Hintergrundrauschens in Abhängigkeit des jeweiligen Zustandes am Motorsystem.

Abb. 75 : Rauschpegel in Abhängigkeit des Motorsystemzustandes.


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In einem weiteren Schritt wurde versucht, das im Schnittbild verstärkt auftretende Hintergrundrauschen einzugrenzen. Wie sich zunächst herausstellte, war die Schnittbildqualität in hohem Maße von der Lage der verwendeten Motorleitung am MRT-Tisch abhängig. Untersucht wurden zwei Leitungsanordnungen, die für das Biopsiesystem praktisch in Frage kamen. Die Abb.7-19 zeigt die verwendete Versuchsanordnung. Für jede Leitungsanordnung (Zustand und ) wurden die drei möglichen Motorsystemzustände: System „Aus“, Controller „An“ und Motor “An“, untersucht. Der Motorcontroller wie auch das Netzteil befanden sich diesmal in größtmöglicher Entfernung vom MRT-Gerät, so dass der Motor unter Berücksichtigung der Leitungsanordnung und dessen Länge noch innerhalb des MRT-Isozentrums bei einem definierten Abstand von a= 150 mm zum Phantom positioniert werden konnte. Zum Nachweis des Störeinflusses entlang der z-Richtung wurde mit der schnellen Gradienten-Echo-Sequenz (Tab. 6) in coronaren Schnittebenen gescannt. Vor den eigentlichen Messungen erfolgte ein Referenzscan ohne Motor.

Abb. 76 : Ermittlung des Störungsausmaßes des Shinsei-Motorsystems in Abhängigkeit von zwei unterschiedlichen Leitungsanordnungen am MRT.

Das Ergebnis dieser Untersuchung wird durch die coronaren Schnittbilder (mittlere Untersuchungsschicht) nach Abb. 77 und durch den Vergleich der ermittelten SNR-Werte repräsentiert. Demnach bewirkt das Einschalten des Motorsystems in beiden Fällen ein starkes Rauschen in den Schnittbildern. Die Variante 2 zeigt aber ein besseres SNR-Verhältnis und für alle Systemzustände noch erkennbare Phantomkonturen. Sie wäre demzufolge als die günstigere vorzuziehen, wobei zusätzliche Abschirmungsmaßnahmen vermutlich noch bessere Ergebnisse liefern könnten. Die am unteren Rand des Phantoms sichtbare Auslöschung ist auf die Materialsuszeptibilitäten des Motors zurückzuführen.

Abb. 77 : Schnittbildeffekte eines Piezomotorsystems in Abhängigkeit von zwei unterschiedlichen Motorleitungsanordnungen am MRT.


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Unter Berücksichtigung der besseren Leitungsanordnung ‚ wurde eine erneute Messreihe angesetzt. Für diesen Versuch wurde das Motorsystem im Originalzustand mit einem abgeschirmten System verglichen um herauszufinden, ob sich die vom Motorsystem ausgehenden EM-Störungen durch Netzfilter und Abschirmungsmaßnahmen reduzieren lassen. Dazu wurde der Motorcontroller in eine abgeschirmte Box aus umwickelter Aluminiumfolie gelegt und die Motorleitung mit einem speziellen Abschirmgeflecht versehen. Anhand der Schnittbilder zeigte sich, dass die Störungen im Vergleich zu den vorangegangenen Untersuchungen geringer waren. Gemäß Abb. 78, die eine Gegenüberstellungdes geschirmten und ungeschirmten Motorbetriebs darlegt, zeigt sich ein deutlicher Signalanstieg im Nahbereich bis 10 cm (Abstand Motor-Phantom) bei der Spin-Echo-Sequenz. Bei der Gradienten-Echo- und Echo-Planar-Imaging-Sequenz zeigt sich in diesem Bereich keine nennenswerte Signalverbesserung durch Abschirmung. Im ungeschirmten Zustand konnte das MR-Messsystem bei kleinen Abständen keine ausreichende Messbedingung (Resonanzfrequenz fR lag außerhalb des Meßbereiches) finden. Die Messungen waren bei allen Sequenzen ohne Schirmung erst ab ca. 5 cm möglich. Bei einem Messabstand von etwa 30 cm nahmen die Signal- und Rauschwerte ungefähr 90% des Referenzbildes an, so dass dieser Abstand unter diesen Versuchbedingungen für den Einsatz dieser Motoren in der Biopsieeinrichtung eine Mindestanforderung für störungsfreie Schnittbilder darstellte.

Abb. 78 : Ermitteltes SNR-Verhalten bei einem aktivierten Motorsystem (Shinsei USR-45) mit und ohne Abschirmung und in Abhängigkeit dreier MRM-Standardsequenzen.

Mit einem Spektrumanalysator (Advantest R3361A Spectrum Analyzer) erfolgte ein Nachweis des Abschirmungseinflusses auf das Umgebungsrauschen. Die Abb. 79 zeigt hierzu vergleichende Messergebnisse von absolut gemessenen Rauschpegeln bei einem ruhenden und aktiven Motorsystem.

Abb. 79 : Gemessene absolute Rauschpegel eines ungeschirmten und geschirmten Piezomotorsystems (Shinsei USR-45) im Ruhezustand und während des Betriebes.


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Fazit

Wie die vorangegangenen Ergebnisse zeigen, hängt das Störungsausmaß auf die MR-Bildgebung (Hintergrundrauschen) in hohem Maße von der Positionierung des gesamten Piezomotorsystems ab. Für die Anwendung eines Shinsei-Motorsystems am MRT-Scanner sollte die Energieversorgung, sowie der Motorcontroller nach Möglichkeit seitlich und in einem großem Abstand zum MRT-Gerät untergebracht werden. Die von der Motorleitung emittierte elektromagnetische Strahlung ist lageabhängig und läßt sich bereits geringfügig durch gezielte Verlegung entlang des Fussbodens reduzieren. Es hat sich zudem gezeigt, das Abschirmungsmaßnahmen einen positiven Einfluß auf die Bildgebung während des Motorbetriebes haben. Eine zusätzliche Verbesserung könnte die Abschirmung des gesamten Motors durch Kupferbleche hervorbringen. Unter Berücksichtigung dieser Aspekte könnten störungsfreie Bilder auch bei nächster Motornähe zum Untersuchungsobjekt realisierbar sein.

7.4.3 Einfluß eines 1,5T MRT-Magnetfeldes auf den Shinsei-Piezomotor

Obwohl der Shinsei-Motor keine funktionellen Beeinträchtigungen im MRT-Magnetfeld zeigte, konnten spürbare magnetische Kräfte beim Bewegen des Motors durch den MRT-Streubereich festgestellt werden. Die Ursache ließ sich auf das Motorkugellager reduzieren, das wider erwarten aus höher suszeptiblen Werkstoffen zusammengesetzt sein musste. Zur Erfassung dieser Kraftreaktionen im Hinblick auf die Motorenanwendung im MRT-Magnetfeld wurde der folgende Versuch, der auch für andere Testobjekte geeignet wäre, durchgeführt.

Material und Methodik

Für diesen Versuch wurde eine Meßeinrichtung aus Kunststoff mit einer Drehachse entwickelt, siehe Abb. 80, an die der Piezomotor über einen Faden (Länge l zwischen dem Drehpunkt und Motor betrug ca. 280 mm), in einer Höhe h= 60 mm über dem Patiententisch, aufgehängt wurde. Die Meßeinrichtung hatte im Bereich des Fadendrehpunktes eine Scheibe mit Winkelskala der Auflösung Δφ= 1°. Über diese Scheibe wurde die Auslenkung des Motors im Magnetfeld gemessen. Variiert wurde der Abstand z zwischen dem Drehpunkt der Meßeinrichtung und dem Isozentrum des MR-Tomographen in 10 cm Schritten von einer externen Nullage aus.

Abb. 80 : Meßaufbau zur Bestimmung der angreifenden Magnetkräfte am Piezomotor innerhalb des MRT-Streubereiches.

Ergebnis

Festgestellt wurde eine abstandsabhängige Auslenkung des Motors in z-Richtung. Die Abb. 81 zeigt hierfür ein Beispiel und gibt die Position der größten Auslenkungen bei einem Abstand z von 0,8-1m an. Dies ist der Bereich der stärksten Feldgradienten des Philips-MR-Tomographen, der maximale Motorneigungswinkel φ betrug hierbei 47°. Im Bereich geringer Feldstärke sind diese Anziehungskräfte jedoch minimal, im Isozentrum aufgrund der Magnetfeldhomogenität Δ B=0 ausgeglichen.


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Abb. 81 : Links: Beispielhafte Motorauslenkung im Streubereich des MRT-Magnetfeldes; rechts: Feldlinienverteilung am 1,5T Philips Gyroscan ACS NT mit Messbereich und Bereich der größten Motorauslenkung.

Von besonderem Interesse für die Konstruktion war die in der z-Richtung (MRT-Längsachse) wirkende axiale Magnetkraftkomponente am Motor. Die axiale Kraftkomponente Fz konnte aus dem Neigungswinkel φ und der Gewichtskraft des Motors wie folgt bestimmt werden:

Wie das folgende Diagramm zeigt, beträgt die maximale Axialkraft bei φ=47° für eine Motormasse von ca. 0,142 Kg in etwa 1,5 N. Aufgetragen ist der tatsächliche Abstand zM zwischen dem Motor und dem Isozentrum, der sich aus der gemessenen Wegdifferenz zM= z-z* ergibt (z= Abstand der Messvorrichtung, Auslenkung z*=l . sinφ).

Abb. 82 : Kraftverlauf der axial wirkenden Magnetkraft am Motor in Abhängigkeit der Motorlage am MRT und des gemessenen Auslenkungswinkels.


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02.09.2004