1  Einleitung

2  Grundlegende Aspekte zur Brustkrebsdiagnostik

• 2.1 Brustkrebsinzidenz und Mortalität

• 2.2 Weichteiltumore der Brust

  • 2.2.1 Benigne und maligne Tumortypen – Histologische Unterteilung

  • 2.2.2 Nicht-invasive Brustkrebsarten

  • 2.2.3 Invasive Brustkrebsarten

• 2.3 Tumorentwicklung: Konsequenzen für die Früherkennung

• 2.4 Stellenwert der MR-tomographischen Abklärung von Brusttumoren

• 2.5 Zielsetzungen der Frühdiagnostik

3  Problemstellung

4  Zielstellung

• 4.1 Primäre Zielsetzung

• 4.2 Grundlegende Arbeitsschwerpunkte

5  Stand der Technik

• 5.1 Aufbau und Eigenschaften standardisierter MR-Tomographen

• 5.2 MR-Brustspulen für die bildgebende Diagnostik

• 5.3 Punktionssysteme für die MR-Mammadiagnostik

  • 5.3.1 Punktionsvorrichtung für Interventionen in der Halbseitenlage

  • 5.3.2 Punktionsvorrichtung für Interventionen in der Rückenlage

  • 5.3.3 Punktionsvorrichtungen für Interventionen in der Bauchlage

  • 5.3.4 Freihandinterventionen im Sitzen am offenen MRT

  • 5.3.5 Freihandinterventionen in der Bauchlage am offenen MRT

  • 5.3.6 Patentlösungen

• 5.4 Instrumente für die minimal-invasive Mammabiopsie

  • 5.4.1  Hochgeschwindigkeits-Stanznadelbiopsie

    • 5.4.1.1 Klinische Durchführung einer perkutanen Stanznadelbiopsie (PSNB) der Mamma mit einem 1,5T Magnetresonanztomographen

  • 5.4.2  Feinnadelaspirationsbiopsie

  • 5.4.3 Vakuumstanzbiopsie

• 5.5  Automatisierte Biopsiesysteme

• 5.6 Resümee zum Stand der Technik

6  Konzept der spulenintegrierten Mammabiopsie

• 6.1  Raumkonzept und Interventionsanordnung am MRT

• 6.2 Brustfixierung und Biopsienadel-Inklinationskonzept

  • 6.2.1 Methoden zur Stabilisierung der Brust

  • 6.2.2 Prinzip der Nadelausrichtung am Mamma-Kompressionssystem

  • 6.2.3 Optimierung der Mamma-Punktionsplatten

• 6.3  Navigation des Biopsieinstrumentes

  • 6.3.1 Kinematik des Positioniersystems

  • 6.3.2 Kinematik der Hauptbewegung

  • 6.3.3 Kinematik der Nebenbewegung

• 6.4 Konzeptionelle Anforderungen an das Biopsieinstrument

• 6.5 Rotationsaktuator für Anwendungen in starken Magnetfeldern

  • 6.5.1 Allgemeine Eigenschaften des Shinsei-Piezomotors

  • 6.5.2 Aufbau des Shinsei-Piezomotors

  • 6.5.3 Prinzip der Wanderwellengenerierung

  • 6.5.4  Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie

  • 6.5.5 Steuerungsmöglichkeiten des Shinsei Motors

• 6.6  Konzeptioneller Aufbau des automatischen Interventionssystems

7  Materialuntersuchungen im MRT-Magnetfeld

• 7.1 Bildgebende Einflußfaktoren magnetische/elektrische Kompatibilität

  • 7.1.1 Betrachtungen zum Signal/Rausch-Verhältnis (SNR)

  • 7.1.2 Magnetisierung von Stoffen in externen Magnetfeldern

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

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

  • 7.2.1 Material und Methodik

  • 7.2.2 Ergebnisse der Materialuntersuchungen

  • 7.2.3 Diskussion zu den Materialuntersuchungen

• 7.3 Bremswirkungen rotierender Körper im MRT-Magnetfeld

  • 7.3.1 Material und Methodik

  • 7.3.2 Ergebnisse

  • 7.3.3 Fazit

• 7.4 Effekte eines Piezomotorsystems im MRT- Untersuchungsraum

  • 7.4.1 Einfluß der Piezomotormaterialien auf die MRT-Bildqualität

  • 7.4.2  Störverhalten eines aktiven Piezomotorsystems auf die MRT-Bildqualität

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

8  Entwicklungsergebnisse

• 8.1 Struktur des Gesamtsystems

• 8.2 Grundrahmen, Mamma-Fixationssystem und Punktionsplatte

• 8.3 Patientenauflage aus Aramidfaserkunststoff (AFK)

• 8.4 Bilaterale MR-Mamma-Oberflächenspule

  • 8.4.1 Überprüfung des Spulenwirkungsbereiches

  • 8.4.2 Spulenauflage aus Faserverbundwerkstoff

• 8.5  Aufbau des Interventionsrahmens am MRT

• 8.6 Der MR-kompatible Biopsieroboter

  • 8.6.1 Aufbau und Eigenschaften des Navigationssystems

  • 8.6.2 Betrachtungen zur theoretischen Positioniergenauigkeit

• 8.7 Aufbau und Eigenschaften des Biopsieinstrumentes

  • 8.7.1 Die MR-kompatible Hochgeschwindigkeitsstanze

  • 8.7.2 Ermittlung der maximalen Stanzgeschwindigkeit

  • 8.7.3 Aktorik und bioptische Eigenschaften

    • 8.7.3.1 Druckbeaufschlagtes Spannen und Beschleunigen der Biopsienadel

    • 8.7.3.2 Ergebnisse der druckgesteuerten Stanzbiopsie

    • 8.7.3.3 Beeinflussende gerätetechnische Parameter auf das Biopsieergebnis

    • 8.7.3.4 Energetische Betrachtungen zur Biopsie

    • 8.7.3.5 NiTi-Aktuatortechnik zum Auslösen der Gewebebiopsie

  • 8.7.4 Punktionsantrieb und Biopsietiefenregulierung

  • 8.7.5 Nadelführung, Kraftrückkopplung und Mehrfachbiopsie

    • 8.7.5.1  Führungs- und Kraftrückkopplungssystem

  • 8.7.6 Mehrfachbiopsie

  • 8.7.7 MRT-gestützte Markierungen

  • 8.7.8 MR-kompatible Biopsienadeln

• 8.8  Systemsteuerung

  • 8.8.1 Signalstruktur des Gesamtsystems

  • 8.8.2  Hardwaretechnische Systemkomponenten

  • 8.8.3 Anordnung der Gerätesteuerung im MRT-Raum

  • 8.8.4 Anwendungssoftware

  • 8.8.5 Softwareeigenschaften, Benutzeroberflächen und Programmstruktur

  • 8.8.6 Anpassung des technischen Systems an die MR-Schnittbildkoordinaten

  • 8.8.7 Punktionskoordinatendefinition mit einer MR-Bildserie

  • 8.8.8 Systemkalibrierung

  • 8.8.9  Eigenschaften von Gd-DTPA/H₂O-Konzentrationen zur Optimierung der Signalstärke von MR-visualisierbaren Markierungsobjekten

9  Systemevaluierung

• 9.1 Maximale Positioniergenauigkeit im MRT-Magnetfeld

• 9.2 Positioniergenauigkeit unter Gewebeeinfluss

• 9.3 Reproduzierbarkeit der Punktionszielansteuerung

• 9.4 Punktionsgenauigkeit bei der schnittbildbasierten Planung

  • 9.4.1 Ablauf einer Mammaintervention mit dem automatischen Biopsiesystem

  • 9.4.2  Methode: Prüfkonzept und Schnittbildplanung

  • 9.4.3  Positionierung und Punktion

  • 9.4.4 Punktionsgrenzen für kleine Areale

• 9.5  Interventionszeiten

• 9.6  Aspekte zur MR-Kompatibilität

10  Diskussion

11 Zusammenfassung und Ausblick

12 Literaturverzeichnis

Eidesstattliche Erklärung

Danksagung

Lebenslauf

Tab. 1 : Anwendungszahlen minimal-invasiver Mamma-Biopsiemethoden aus insgesamt 84 Kliniken und Praxen in Deutschland.

Tab. 2 : Funktion von Stanznadel und Stanzzylinder einer Stanzbiopsienadel für die PSNB.

Tab. 3 : Grundlegende Systemanforderungen.

Tab. 4 : Bewertung der in Abb. 34 gezeigten Brustfixierungsmethoden.

Tab. 5 : Magnetische Hauptstoffgruppen

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

Tab. 7 : Untersuchte Metallrohre im MRT-Magnetfeld.

Tab. 8 : Leitfähigkeitswerte der verwendeten Metallrohre.

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

Tab. 10 : Spannungs-Dehnungs-Werte aus Zugversuchen an bidirektional ausgerichteten AFK-Laminatproben (Klammerwerte entsprechen den Herstellerangaben), Zugprüfgeschwindigkeit 1 mm/min (E-Modul), 50 mm/min (Bruchprüfung).

Tab. 11 : Materialkennwerte der Zwischenplatte nach DIN 7735 und [19].

Tab. 12 : Analytisch ermittelte Maximalgeschwindigkeiten von Stanzbiopsiegeräten mit 14G-Stanzbiopsienadeln und einem Feder-Masse-Antrieb.

Tab. 13 : Maximale kinetische Energien von Biopsieapparaten.

Tab. 14: Technische Daten des verwendeten Nitinoldrahtes (Flexinol 300 LT).

Tab. 15 : Abbildungsverhältnisse im Schaftbereich von MR-kompatiblen Biopsienadeln bei einer GE(FFE)-Sequenz.

Tab. 16 : Soll-Istwert-Abweichungen nach 10 Zielansteuerungen.

Tab. 17 : Statistische Werte zur Systemgenauigkeit bei unterschiedlichen Zielansteuerungen.

Tab. 18 : Soll-Istwert-Abweichungen bei 5 gleichen Zielpositionsansteuerungen.

Tab. 19 : Statistische Werte zur Systemreproduzierbarkeit.

Tab. 20 : Theoretische Zielkoordinaten (x_Z, y_Z der Platte), Schnittbildzielkoordinaten (x_SB, y_SB) vor der Punktion und Schnittbild-Punktionskoordinaten (x_P, y_P) mit Soll-Istwert-Abweichungen.

Abb. 1 : links: Internationale Entwicklung der Mortalität nach WHO-Daten (altersstandardisierte Mortalitätsrate/100.000 Frauen) [5], rechts:Altersspezifische Mortalitätsrate pro 100.000 Frauen nach Altersgruppen durch Mammakarzinom 1995 in Deutschland (West) [ 49 ].

Abb. 2 : links: Invas. duct. Mammakarz., rechts: Invas. lobulär. Mammakarz. [66].

Abb. 3 : Histologische Klassifizierung maligner Mammatumoren und ihre Erscheinungshäufigkeit.

Abb. 4 : links: Multifokaler Herd (2 oder mehrere Herde in einem Quadranten, Abstand ≤ 4cm), rechts: Multizentrischer Herd (Herde in mehreren Quadranten, Abstand > 4cm) [23].

Abb. 5 : Grundlegende Vorgehensweise zur Abklärung von Mammatumoren.

Abb. 6 : Mit der MRT detektierte suspekte Herde unter 1cm Größe (l,m: Radiologie Charité, r: 5 mm großer Tumor aus [23]).

Abb. 7 : links: MR-Schnittbild durch die Brust vor der Kontrastmittelinjektion, rechts: Tumor nach Kontrastmittelanreicherung mit charakteristischem Signalverlauf.

Abb. 8: MR-Mammauntersuchungen und Biopsien in den Jahren 1995-2000 mit einem geschlossenen 1,5-T MRT am Campus Virchow-Klinikum der Charité-Berlin.

Abb. 9: links: Überlebensrate in Abhängigkeit von der pT-Kategorie; rechts: Lymphknotenbefall (pN) und Fernmetastasen (M1) in Abhängigkeit vom Tumordurchmesser [46].

Abb. 10 : Unterschiedliche MR-Gerätetypen und ihre charakteristischen Eigenschaften.

Abb. 11: Einfluß des Körperrauschfeldes auf unterschiedliche MR-Empfangsspulen [77].

Abb. 12 : Bilaterale Brustspulen für die MR-Mammographie

Abb. 13 : Unilaterale Mamma-Punktionseinrichtung für die Biopsie und präoperative Markierung (Fa. Philips) für Anwendungen in der Halbseitenlage.

Abb. 14 : Axiale Ansicht auf die Biopsievorrichtung mit Patientin

Abb. 15 : Philips-Lochplatte mit Führungshülse.

Abb. 16 : Bestimmung des Totraumes bei der Philips-Punktionsplatte mit geführter Biopsienadel.

Abb. 17 : Punktionsvorrichtung von Fischer et al., Göttingen

Abb. 18 : links: Brust-Punktionssystem von Heywang-Köbrunner für Interventionen in der Bauchlage; rechts: Das Biopsiesystem in der Anwendung.

Abb. 19 : Kompressionsplatte und deren prinzipielle Anwendung der Biopsieeinrichtung

Abb. 20 : Punktionseinrichtungen für Mammainterventionen in der Bauchlage

Abb. 21 : Punktionshilfe für Interventionen im Sitzen am offenen MRT.

Abb. 22 : Biopsieführung in Freihandtechnik mit „Flash Point Tracking System“ am offenen MRT (Signa SP).

Abb. 23 : Punktionszubehör und interaktive MR-Freihand-Mammaintervention

Abb. 24 : Lokalisationsspule und Zielvorrichtung am 0,2T-MRT „Magnetom Open“ (Siemens).

Abb. 25: Patentlösungen für die Fixation und Punktion der Brust (Teil 1).

Abb. 25 : Patentlösungen für die Fixation und Punktion der Brust (Teil 2).

Abb. 26 : Prinzipieller Ablauf der Hochgeschwindigkeits-Stanzbiopsie

Abb. 27 : Hauptkomponenten einer Stanzbiopsienadel (Edelstahltyp).

Abb. 28 : Stanzbiopsieinstrumente

Abb. 29 : Prozedur einer Hochgeschwindigkeits-Stanzbiopsie am 1,5T-Hochfeld-MRT (Charité).

Abb. 30 : Feinnadelaspirationszytologie mit dem Cameco-Instrument

Abb. 31 : Stanznadelschema für das Vakuumstanzbiopsiegerät „Mammotome“

Abb. 32 : Vakuumbiopsiesystem „Mammotome“ (Fa. Ethicon Endosurgery, Hamburg).

Abb. 33 : links: Der verwendete 1,5 T-MR-Scanner vom Typ „Philips Gyroscan ACS NT“,rechts: Das Konzept der spulenintegrierten Mammabiopsie

Abb. 34 : Eigenschaften unterschiedlicher Brustfixierungsmöglichkeiten.

Abb. 35 : Vergrößerung des Wirkbereiches einer Punktionsnadel durch Inklination an der Kompressionsplatte.

Abb. 36 : Konzept der räumlichen Nadelausrichtung um einen invarianten Punkt (Kugelzentrum) in der Kompressionsplatte.

Abb. 37 : Häufigkeitsverteilung (gerundet) von Brusttumoren nach [71,96-100].

Abb. 38 : Untersuchung der Brust-Körpermaße

Abb. 39 : Anordnungsmöglichkeiten der Punktionszugangskanäle

Abb. 40 : Einflußfaktoren auf die gestalterische Optimierung der Punktionsplatte.

Abb. 41 : Optimierte Punktionsplattenparameter.

Abb. 42 : Simulationsbild der Nadelinklinationskegel an der Kompressionsplatte und theoretische Grenze bei der Tumorabklärung.

Abb. 43 : Inklinations- und Punktionsgrenzen im schrägversetzten Lochbereich anhand simulierter Läsionen der Größe 3 und 5mm.

Abb. 44 : 3D-Simulationsmodell der optimierten Mamma- Kompressions- und Punktionsplatten.

Abb. 45 : Systembezogene Haupt- und Nebenbewegungen zur Positionierung des Instrumentes.

Abb. 46 : Roboter-Grundkonfigurationen

Abb. 47 : Ausgesuchte Bewegungskonzepte mit Hauptarbeitsräumen für die automatische Positionirung des medizinischen Instrumentes in eine Endposition P der Punktionssplatte.

Abb. 48 : Prinzip der Parallelkinematik zur selbstregulierenden Anpassung der Gelenkstellung

Abb. 49 : Prinzipielle Darstellung der Hauptfunktionen am automatischen Biopsieinstrument.

Abb. 50 : links: Schematischer Aufbau des Shinsei Motors“,
rechts: Der Shinsei-Motor Typ USR- 45 NM (nicht magnetisch) ohne Gehäusedeckel.

Abb. 51 : links: Statoraufbau des 2-Phasen Piezomotors mit Polarisierungsschema; rechts: Prinzip der Generierung flexibler Wellen an einzelnen Piezoelementen mit entgegengesetzter Polarität in Abhängigkeit der angelegten Spannung [ 90 ].

Abb. 52 : Bewegungsprinzip des Shinsei-Wanderwellenmotors [90].

Abb. 53 : Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie des Shinsei USR-45 NM.

Abb. 54 : Steuerungsdiagramm eines Shinsei-Piezomotor USR-45.

Abb. 55 : Untersuchung des Shinsei Piezomotors (USR-45) im Pulsbetrieb ohne Last

Abb. 56 : Modell des Navigationssystems mit Biopsieinstrument und beispielhafte Adaption des Instrumentes an die Punktionsplatte

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

Abb. 58 : Aufteilung der untersuchten Materialgruppen

Abb. 59 : Das verwendete Meßphantom zur Abbildung der Materialeffekte

Abb. 60 : Transversale Schnittbildführung durch das Philips-Phantom

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

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

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

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

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

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.

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

Abb. 68 : Gemessene magnetische Suszeptibilitäten der verwendeten Materialproben.

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

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

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

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

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

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

Abb. 75 : Rauschpegel in Abhängigkeit des Motorsystemzustandes.

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

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

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

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

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

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.

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

Abb. 83 : Schematischer Aufbau des modular aufgebauten automatisierten Biopsiesystems.

Abb. 84 : Ansicht auf das Basisgestell mit Mamma-Fixationssystem.

Abb. 85 : links: Komponenten des beidseitigen Mamma-Fixationssystems,  rechts: Ansicht von cranial-caudal auf die rechte u. linke Punktionsplatte.

Abb. 86 : Generierter FEM-Modellkörper mit Einspannstelle und Lastangriffspunkt.

Abb. 87 : Ergebnis der FEM-Berechnung: Spannungsverteilung (MISES) am Plattenmodell.

Abb. 88 : Ermittlung der Kompressionsplattendurchbiegung mit zwei realistischen Lasten (10/15N)

Abb. 89 : Optimierte Patientenauflage als generiertes Schalenmodell (halbes Modell) für die FEM-Analyse mit Untersicht auf die Versteifungsstreben und Stützflächen.

Abb. 90 : links: Lastverteilung von Frauen im Altersbereich 26 - 40 Jahre, rechts: Geschätzte Belastungsdaten einer 76 Kg schweren Person.

Abb. 91 : AFK-Probekörper nach dem Bruch beim Zugversuch gemäß DIN EN ISO 527-1/2

Abb. 92 : Mit FEM ermittelte Verformung der Patientenauflage basierend auf Lastverteilungen nach Abb. 90.

Abb. 93 : Berechnete Biegelinie in der Platten-Symmetrieebene.

Abb. 94 : Messanordnung für die praktische Bestimmung der Plattendurchbiegung und Gegenüberstellung der gemessenen und berechneten Werte.

Abb. 95 : Entwickelte und optimierte Patientenauflage in Schalenbauform aus Aramid-Faserverstärktem-Kunststoff (AFK).

Abb. 96 : Versuchsanordnung zur Überprüfung des Spulenwirkungsbereiches und der Spulensymmetrie der neuentwickelten MR-Mamma-Empfangsspule (Philips).

Abb. 97 : Schnittbildaufnahmen beider Phantombehälter mit einer schnellen GE(FFE)-Sequenz und der Mamma-Doppel-Spule

Abb. 98 : Signal-zu-Rausch-Verhältnis des rechten und linken Spulenkörpers in Abhängigkeit der Entfernung von der Flüssigkeitsoberfläche beider Phantombehälter.

Abb. 99 : Patientenauflage mit Stützplatte zur Lagerung der flexiblen MR-Mammaspule.

Abb. 100 : FEM-Berechnung der Stützplatte

Abb. 101 : Berechnete Spannungen an der Stützplatte bei maximaler Flächenlast von 743 N.

Abb. 102 : Links: Aufbau der Biopsiesystem-Patientenlagerung, rechts: Patientenauflage mit darunter liegender Mamma-Fixierungseinrichtung und den vier individuell verstellbaren Kompressionsplatten

Abb. 103 : MR-kompatibler Biopsieroboter mit Positioniersystem und Biopsieinstrument.

Abb. 104 : Abhängigkeit des kleinsten Stellweges Δs_y von der Drehwinkelstellung bei dem kleinstem Rotationswinkelschritt dφ von 0,09° bei der vertikalen Positionierachse.

Abb. 105 : Ist/Sollwert-Vergleich bei der Motor-Encoder-Positionsansteuerung und Darstellung der Art der jeweiligen Enkoderabtastung.

Abb. 106 : Motordrehzahl (Shinsei-US-Motor) in Abhängigkeit einer vorgegebene Impulszahl bei unterschiedlichen Controller-Pulsfrequenzen.

Abb. 107 : Hauptkomponenten des MR-kompatiblen Biopsieinstrumentes für die automatisierte Gewebeentnahme.

Abb. 108 : Prinzipskizze zur Berechnung der Biopsiegeschwindigkeit v des Instrumentes.

Abb. 109 : Geschwindigkeitsmesseinrichtung für Stanzbiopsiegeräte

Abb. 110 : Messtechnisch erfasster Verlauf der Kanülengeschwindigkeiten in Abhängigkeit der Schussweite von drei konventionellen Stanz-biopsieapparaten (E-Z-EM, COOK, BIP)

Abb. 111 : Spannvorgänge am automatisierten Biopsieappara

Abb. 112 : Geschwindigkeitskennlinien der automatisierten Hochgeschwindigkeitsstanze in Abhängigkeit unterschiedlicher Druckzustände für Messungen

Abb. 113 : Ergebnisse der druckabhängigen Biopsie mit zwei Gewebetypen.

Abb. 114 : Verhalten eines „Muscle-Wires“ (Nitinol-Drahtes) bei Temperaturänderungen unter einer konstanten Last [28].

Abb. 115 : Prinzip des verwendeten Aktuatorsystems mit Druckfeder als Rückstellelement.

Abb. 116 : Biopsieinstrument von der Unterseite mit integriertem Nitinoldraht zum Auslösen des Schusses bzw. zum Entriegeln der mechanischen Nadelarretierung.

Abb. 117 : Prinzipielle Funktionzustände des fluidischen Antriebs- und Verstellsystems

Abb. 118 : Gehäuse am distal gelegenen Ende des Endeffektors bzw. Biopsieinstrumentes mit den speziellen Aufgaben

Abb. 119 : Prinzipielle Darstellung des entwickelten Spülsystems zum Abtransport des Biopsates im Fall einer Mehrfachbiopsie.

Abb. 120 : links: Artefakte von MR-kompatiblen Biopsienadeln (geschlossener Zustand), rechts: Auswertung der transversalen Artefaktflächen (Schichtdicke s=6mm).

Abb. 121 : Struktureller Aufbau der Steuerungs- und Funktionsstruktur des automatisierten Biopsiesystems

Abb. 122 : MR-kompatibles Steuerungsgerät des Biopsiesystems mit LCD-Touchmonitor.

Abb. 123 : Komponenten der pneumatischen Steuerung.

Abb. 124 : Komponenten der elektrischen Steuerung.

Abb. 125 : Störungsfreie Anordnung des Steuergerätes im MRT-Raum.

Abb. 126 : oben: Prinzipieller Ablauf bei der Biopsieplanung mit der DICOM-Software, unten: DICOM-Benutzeroberfläche für die Biopsieplanung mit einem beispielhaften MR-Datensatz.

Abb. 127 : Struktur der netzwerkunabhängigen Planungs- und Steuerungssoftware.

Abb. 128 : Hauptbenutzeroberflächen des netzwerkunabhängigen Planungs- und Steuerungsprogramms in der Anwendungsreihenfolge →→→.

Abb. 129 : Prinzipielle Darstellung der Referenzierung des technischen Systems auf das MR-Interventionsbild mit Hilfe der Kompressionsplatten und eingebetteten Referenzmarkern

Abb. 130 : Bestimmung der Raum- bzw. Punktionskoordinaten aus einem MR-Datensatz.

Abb. 131 : Zielkoordinatenermittlung über die MR-Marker der Punktionsplatten und einem virtuell aufgespannten Bezugsrahmen bei der netzwerkunabhängigen Biopsiesoftware.

Abb. 132 : Prinzip der Kalibrierung der Instrumentenlage am Kompressionssystem in zwei Ebenen.

Abb. 133 : Signalintensitäten in Abhängigkeit der KM-Konzentration und MR-Sequenzen.

Abb. 134 : links: Versuchsanordnung zur Ermittlung der Systemgenauigkeit im MRT-Isozentrum, rechts: Farbmarkierung des Messblattes an der Zielplatte mit einer speziellen Nadel.

Abb. 135 : Auswertungsmethode zur Ermittlung der Ist-Koordinaten mit dem Messblatt.

Abb. 136 : Versuchsanordnung zur Ermittlung des Gewebeeinflusses auf die Punktionsgenauigkeit bei automatisierten Punktionssteuerung mit einer 14G-Biopsienadel.

Abb. 137 : links: Meßblatt mit Punktionsstellen 1-10 (M1-M3= Referenzmarkierungen), rechts: Querkräfte an der Biopsienadelspitze während der Gewebepunktion.

Abb. 138 : Ablaufprozedur zur Durchführung der automatisierten Mammabiopsie.

Abb. 139 : Versuchsplatte mit Punktionsarealen und ihre experimentelle Anordnung.

Abb. 140 : Anordnung des Biopsiesystems vor und nach der Positionierung in die Versuchslage.

Abb. 141 : links: Referenz- und Positionsmarker an der Kompressionsplatte, rechts: coronares Schnittbild durch die Markerebene der vier Kompressionsplatten.

Abb. 142 : links: Kompressionsplattenmarker im transversalen Schnittbild (um 180° gedreht), rechts: Zielareale im transversales Schnittbild (um 180° gedreht).

Abb. 143 : li.: Bezugsrahmen in der Kompressionsplatte, re.: kopierter Rahmen in der Zielplatte.

Abb. 144 : links: Versuchsanordnung im MRT-Isozentrum, rechts: a) Kalibrierung, b) Anfahren des Punktionskanals, c) Ausrichtung der Biopsienadel in die Zielposition.

Abb. 145 : links: MR-Schnittbild mit den Punktionsstellen 1-6 (weiße Pfeile), rechtes Bild: Zielplatte mit gekennzeichneten Punktionzielen.

Abb. 146 : Schnittbilder vor und nach der Punktion eines Speckstückes mit eingelagertem Zielobjekt von ca. 6 mm Größe

Abb. 147 : Biopsietechnik für kleine Läsionen.

Abb. 148: links: optimale Tumorlage (A) und Zuordnungsprobleme (B,C,D) nach [23] , rechts: Positionierungsfehler bei falscher Schichtwahl.