Abstract:
Das zentrale Thema dieser Dissertation ist die Magnetresonanz(MR)-Sicherheit und MR-Kompatibilität von Bauelementen. Der Öffentlichkeit bekannt ist diese Thematik im Zusammenhang mit kommerziellen Implantaten. Die Gefahren, die sich aus den Wechselwirkungen zwischen dem MR-Tomografen (MRT) und dem Implantat ergeben, hindern viele Patienten daran, eine Untersuchung mittels MRT durchführen zu lassen. MR-Kompatibilität spielt jedoch nicht nur beim Design und der Kennzeichnung von Implantaten eine wichtige Rolle, sondern auch bei der Entwicklung von Bauelementen für die MR-Hardware. ... mehrBeide Themen, Implantatinteraktionen und Hardware-Design, bilden fundamentale Aspekte dieser Arbeit.
Der erste Teil befasst sich mit MRT-Wechselwirkungen von Implantaten. Die Ergebnisse einer umfangreichen Literaturrecherche zeigen, dass dringend belastbare Daten benötigt werden, um die durch MRT ausgelösten Schwingungen von Implantaten besser verstehen zu können. Dies gilt insbesondere für Vibrationen in viskoelastischen Umgebungen wie dem Gehirn. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein neuartiges Messsystem vorgestellt, mit dem sich Schwingungen bei Standard-MRT-Aufnahmen und mit hoher Genauigkeit quantitativ messen lassen. Durch die Verwendung einer amplituden- und frequenzgesteuerten externen Stromversorgung werden die Übertragungsfunktionen implantatartiger Strukturen in viskoelastischen Umgebungen präzise bestimmt. Basierend auf den erfassten Daten wird eine Korrelation zwischen den resultierenden Schwingungsamplituden und den Zeitparametern der Aufnahmesequenz hergestellt und experimentell verifiziert. Eine wichtige Erkenntnis ist, dass die untersuchten Strukturen ein unterdämpftes Verhalten zeigen und damit resonant schwingen können. Darüber hinaus wird eine neue Kennzahl eingeführt, anhand derer die Wechselwirkung des Implantats auf Vibrationen klassifiziert werden können. Die Kennzahl gibt das normierte induzierte Drehmoment an, und ermöglicht eine einfache Berechnung des maximal zu erwartenden Drehmomoments auf jedem MRT-System. Somit können die zu erwartenden Maximalamplituden unkompliziert und für jedes System direkt ermittelt werden.
Eine anderes Forschungsgebiet, die in-situ-Kernspinspektroskopie und -MRT von biologischen Untersuchungsobjekten im Hochfeld, erfordert eine neuartige MR-Messsonde sowie verbesserte MR-kompatible Substrate für die Zellkultivierung. Eine MR-Sonde mit flexibler Schnittstelle wurde entwickelt. Die endgültige Version ist mit zwei HF-Kanälen und einer Gradientenschnittstelle für flüssiggekühlte Gradienten ausgestattet. Ein Leistungsbewertung wurde mittels Standard-NMR/MRT-Experimenten durchgeführt, die eine Linienbreite von 0,5 Hz und ein mit kommerziellen Messsystem vergleichbares Signal-Rausch-Verhältnis ergaben. Der Vorteil liegt in dem integrierten Durchführungssystem innerhalb des mechanischen Rahmens. Dies bietet eine einfache Methode, zur spezifischen Erweiterung der Messsonde unter Verwendung zusätzlicher elektrischer, optischer und fluidischer Versorgungsleitungen. Auf dieser Basis können spezifische, komplexe experimentelle Hochfeld-NMR/MRT-Aufbauten in kurzer Zeit realisiert werden, ohne Bedarf nach maßgeschneiderten, teuren Sonden. Als Referenz werden zwei Messaufbauen präsentiert, bei ersterem wird die Sonde für ein Öl-Wasser-Fluidikexperiment und bei dem zweitem, in einem wasserstoffbasierten Hyperpolarisationsexperiment eingesetzt. Darüber hinaus wird ein neuartiges, MR-kompatibles 3D-Zellsubstrat basierend auf Kohlenstoff vorgestellt, das erfolgreich auf Zellwachstum und MR-Bildgebung getestet wurde. Die MRT dient des Weiteren als Analysewerkzeug, um die Erhaltung der Morphologie während der Pyrolyse zu untersuchen und zu bestätigen. Das Herstellungsprotokoll ist auf andere Vorläuferpolymere anwendbar, die den Weg zu einer Vielzahl von lithografisch strukturierten 3D-Gerüsten ebnen.
Abstract (englisch):
The central theme of this dissertation is Magnetic resonance (MR) safety and compatibility of devices. In the general public, this issue is famous in connection with commercial implants. Hazards, resulting from interactions between the MR system and the implant, restrict many patients from undergoing MR examinations. MR compatibility, however, not only plays an important role in design and labelling of implants, but also in MR hardware development. Within this work both topics, implant interactions and hardware design are addressed.
The first part addresses MR interactions of implants. ... mehrResults from an extensive literature research unveil the urgent need for resilient data, that enable a deeper understanding of MR triggered vibrations of implants. This is especially true for vibrations within viscoelastic environments, such as the brain. An MR probe is developed, which enables quantitative high-precision measurements of vibrations during standard MR acquisitions. By using an amplitude and frequency controlled external current supply, the transfer functions of implant-like structures in viscoelastic environments are precisely determined. Based on the acquired data, a correlation between vibration amplitudes and sequence timing parameters is established and experimentally validated. A key finding is, that these penetrative structures vibrate underdamped within brain-like environments. Furthermore, a new classification number is introduced, which strives to classify the implant interaction for vibration, while providing an easy transfer to any MR system. This classification number indicates the normalized induced torque and facilitates a straightforward calculation of the maximum expected torque on any MRI unit.
Another type of research, in-situ high-field NMR/MRI of biological samples, requires novel probes as well as improved MR compatible cell seeding substrates. A novel probe is developed featuring very flexible interfacing. The final version is equipped with two RF channels and a gradient interface for liquid-cooled gradients. It is benchmarked with standard NMR/MRI experiments yielding a linewidth of 0.5 Hz and a comparable SNR to commercial probes. The advantage is its feed-through system, which is integrated in the mechanical frame. This offers a simple method for customised augmentation of the probe using additional electrical, optical and fluid supply lines. On that basis, custom-designed, sophisticated high-field NMR/MRI experimental setups are realisable in short time. This is without the necessity of tailored, expensive probes. Two measurement examples are presented, in which the probe is applied in an oil-water flow experiment and in a hydrogen-based hyperpolarisation experiment. Furthermore, a novel, MR compatible carbon scaffold is introduced, which was tested successfully for cell growth and MR imaging. MRI is used as an analysis tool to investigate and confirm the preservation of morphology during pyrolysis. The fabrication protocol is applicable to other precursor polymers which paves the way to a variety of lithographically patterned 3D scaffolds.
