Oliver Wendt
: Entwicklung einer spulenintegrierten und automatisch gesteuerten Biopsieeinrichtung zur histologischen Abklärung von Kleintumoren in der MR-Mammadiagnostik |
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Aus der Klinik für Strahlenheilkunde und der
Klinik für MKG-Chirurgie – Klinische Navigation und Robotik
der Medizinischen Fakultät der Charité – Universitätsmedizin Berlin
DISSERTATION
Entwicklung einer spulenintegrierten und automatisch
gesteuerten Biopsieeinrichtung zur histologischen
Abklärung von Kleintumoren in der MR-Mammadiagnostik
Zur Erlangung des akademischen Grades
Doctor rerum medicarum (Dr. rer. medic.)
vorgelegt der Medizinischen Fakultät der Charité
Universitätsmedizin Berlin
von
Dipl.-Ing. Oliver
Wendt
aus Berlin
Dekan: Prof. Dr. med. Martin Paul
Gutachter:
1. Prof. Dr. Tim Lüth
2. Prof. Dr.-Ing. Andreas Hein
3. Prof. Dr.-Ing. Heinz Wörn
Datum der Promotion:2. Juli 2004
Zusammenfassung
Brustkrebs stellt eine der am häufigsten vorkommenden Krebserkrankungen bei Frauen weltweit dar. Jährlich erkranken in Deutschland ca. 47.000 Frauen neu an Brustkrebs, ca. 18.000 fallen dieser Krankheit im gleichen Zeitraum zum Opfer. Die Brustkrebsdiagnostik basiert auf klinische und verschiedene bildgebende Methoden, die Magnetresonanztomographie (MRT) weist dabei die höchste Sensitivität speziell bei der Erkennung kleiner Tumore unter 5 mm auf. Im Hinblick auf zukünftige Verbesserungen der MR-Bildgebung wird bereits vermutet, dass im Jahr 2010 ca. 50% der neudetektierten Brustkrebse kleiner als 10 mm sein werden. Zur Erhöhung der Diagnosesicherheit werden suspekte Läsionen sowie unklare bildgestützte Befunde zusätzlich mittels Biopsie abgeklärt. In Bezug auf den Stand der Technik ist die sichere Biopsie von Tumoren unter 10 mm Größe jedoch schwierig. Mit dem Ziel, die MR-gestützte Biopsie im Hinblick auf eine höhere Effizienz und Präzision zu verbessern, wurde ein neuer Prototyp für minimal invasive Biopsien speziell in geschlossenen MR-Tomographen entwickelt. Dieses MR-kompatible System basiert auf verschiedene Neukonzeptionen, mit einem automatischen Positioniersystem und Biopsieinstrument zur Ausführung der Intervention. Die extrem hohen Anforderungen an dieses System konnten nur durch spezielle Konstruktionen und Kinematiken, sowie durch MR-kompatible Materialien, Aktoren und Sensoren gelöst werden. Das System ist modular aufgebaut und unterstützt Brustbiopsien sowohl von cranial oder caudal im direkten Anschluss an die Tumorerkennung mit einer neuen doppelseitigen MR-Brustspule. Ein großer Vorteil dieses neuen Ansatzes liegt in der hohen Präzision und der Möglichkeit, sowohl die bildgebende Diagnostik als auch die Biopsie während eines Untersuchungstermines durchzuführen. Die vorklinische Erprobung in einem 1,5 T Hochfeld-MRT zeigte, dass die Zielabweichungen des Instrumentes geringer als 1 mm waren, so dass Interventionen mit hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit durchführbar wären. Das System implementiert benutzerfreundliche Oberflächen für die Interventionsplanung und für die Gerätesteuerung. Das vorliegende Dissertation stellt die Konzepte und Ergebnisse dieser neuen Biopsieeinrichtung vor und nimmt Bezug auf zahlreiche wissenschaftliche Untersuchungen, insbesondere im Hinblick auf die Anwendung von Materialien und Aktoren im MRT-Magnetfeld.
Eigene Schlagworte:
Brustkrebs,
Mamma,
Biopsie,
Magnetresonanztomographie,
MRT,
Kernspintomographie,
KST,
Intervention,
Roboter,
Manipulator
Abstract
Breast cancer is one of the most common cancer diseases which women suffer world wide. The incidence rate of breast cancer in Germany goes along with about 47.000 women per year, 18.000 fatal casualties were ascertained in the same period. The breast cancer diagnostic is based on clinical and different imaging methods, whereas Magnetic Resonance Imaging (MRI) is the most sensitive imaging modality in the detection of especially small lesions under 5 mm. Due to improvements of breast imaging - especially MRI - it has been predicted that by the year 2010 about 50% of newly diagnosed breast cancers will be less than 10 mm in size. However, to assure the image based breast cancer diagnosis, biopsies of tumor tissue are often necessary in order to avoid false specified results. With reference to the state of the art, it is still difficult to achieve sufficient accurate MRI-supported biopsies for tumor sizes of under 10 mm. To improve the MR-controlled diagnostic in respect of increasing the efficiency and precision of the biopsy method, a new apparatus for minimal invasive breast biopsies particularly for the use inside closed bore MRI-scanner was developed. This MR-compatible device is based on new concepts which meet the extremely high requirements on interventions in strong magnetic fields through special designs and kinematic concepts and the application of MR-compatible materials, actors and sensor systems. It is of a modular structure and consists mainly of an automated positioning unit and an integrated intervention tool. This new system makes it possible to do the breast interventions either from the cranial or the caudal position directly after tumor detecting with the use of a new double breast coil. A major advantage of this approach is the high accuracy and the possibility to realize image diagnostic and biopsy in one session. As the preclinical evaluation with a 1.5 T MRI-scanner showed, the deviation of the intervention device regarding instrument positioning to a located target was less than 1mm, so that interventions could be carried out precisely and reproducible. Furthermore there were no image interferences due to the additional materials in the MRI-isocenter. The system implements a user-interface for intervention planning on up-to-date MR images and device control. Besides the concepts and results of the new biopsy device, the present dissertation refers to numerous scientific investigations with a focus on material and actuator application in the magnetic field of a MRI-scanner.
Keywords:
breast cancer,
mamma,
biopsy,
magnetic resonance imaging,
MRI,
nuclear magnetic resonance,
NMR,
intervention,
robot,
manipulator
Für meine Familie
Inhaltsverzeichnis
-
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
-
7.4 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
Tabellen
Bilder
-
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 Δsy 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
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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.
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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.
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Abb.
123
: Komponenten der pneumatischen Steuerung.
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Abb.
124
: Komponenten der elektrischen Steuerung.
-
Abb.
125
: Störungsfreie Anordnung des Steuergerätes im MRT-Raum.
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Abb.
126
: oben: Prinzipieller Ablauf bei der Biopsieplanung mit der DICOM-Software, unten: DICOM-Benutzeroberfläche für die Biopsieplanung mit einem beispielhaften MR-Datensatz.
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Abb.
127
: Struktur der netzwerkunabhängigen Planungs- und Steuerungssoftware.
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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
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Abb.
130
: Bestimmung der Raum- bzw. Punktionskoordinaten aus einem MR-Datensatz.
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Abb.
131
: Zielkoordinatenermittlung über die MR-Marker der Punktionsplatten und einem virtuell aufgespannten Bezugsrahmen bei der netzwerkunabhängigen Biopsiesoftware.
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Abb.
132
: Prinzip der Kalibrierung der Instrumentenlage am Kompressionssystem in zwei Ebenen.
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Abb.
133
: Signalintensitäten in Abhängigkeit der KM-Konzentration und MR-Sequenzen.
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Abb.
134
: links: Versuchsanordnung zur Ermittlung der Systemgenauigkeit im MRT-Isozentrum, rechts: Farbmarkierung des Messblattes an der Zielplatte mit einer speziellen Nadel.
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Abb.
135
: Auswertungsmethode zur Ermittlung der Ist-Koordinaten mit dem Messblatt.
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Abb.
136
: Versuchsanordnung zur Ermittlung des Gewebeeinflusses auf die Punktionsgenauigkeit bei automatisierten Punktionssteuerung mit einer 14G-Biopsienadel.
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Abb.
137
: links: Meßblatt mit Punktionsstellen 1-10 (M1-M3= Referenzmarkierungen), rechts: Querkräfte an der Biopsienadelspitze während der Gewebepunktion.
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Abb.
138
: Ablaufprozedur zur Durchführung der automatisierten Mammabiopsie.
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Abb.
139
: Versuchsplatte mit Punktionsarealen und ihre experimentelle Anordnung.
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Abb.
140
: Anordnung des Biopsiesystems vor und nach der Positionierung in die Versuchslage.
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Abb.
141
: links: Referenz- und Positionsmarker an der Kompressionsplatte, rechts: coronares Schnittbild durch die Markerebene der vier Kompressionsplatten.
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Abb.
142
: links: Kompressionsplattenmarker im transversalen Schnittbild (um 180° gedreht), rechts: Zielareale im transversales Schnittbild (um 180° gedreht).
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Abb.
143
: li.: Bezugsrahmen in der Kompressionsplatte, re.: kopierter Rahmen in der Zielplatte.
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Abb.
144
: links: Versuchsanordnung im MRT-Isozentrum, rechts: a) Kalibrierung, b) Anfahren des Punktionskanals, c) Ausrichtung der Biopsienadel in die Zielposition.
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Abb.
145
: links: MR-Schnittbild mit den Punktionsstellen 1-6 (weiße Pfeile), rechtes Bild: Zielplatte mit gekennzeichneten Punktionzielen.
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Abb.
146
: Schnittbilder vor und nach der Punktion eines Speckstückes mit eingelagertem Zielobjekt von ca. 6 mm Größe
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Abb.
147
: Biopsietechnik für kleine Läsionen.
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Abb. 148: links: optimale Tumorlage (A) und Zuordnungsprobleme (B,C,D) nach [23] , rechts: Positionierungsfehler bei falscher Schichtwahl.
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