On radio-frequency implant safety in parallel transmission MRI

Abstract

Der steigenden Anzahl an Patienten mit aktiven implantierbaren medizinischen Geräten (AIMD) wird im Allgemeinen der Zugang zur Magnetresonanztomogra- phie (MRT) erschwert. „MR unsafe“ Implantate können beispielsweise nur außer- halb ihrer Zulassung gescannt werden, während bei „MR conditional“ Implanta- ten Grenzwerte aus mehrstufigen hersteller- und implantatspezifischen Anleitun- gen verwendet werden müssen. Dies sorgt für die Gefährdung der Patienten und zu schlechterer Bildgebungsleistung durch entsprechend konservativ angesetzte Grenzwerte. Es ist bekannt, dass optimierte parallel gesendete ( pTx) Hochfrequenz (HF)-B+1 -Felder die volle MRT Leistung ausreizen. Diese Doktorarbeit widmet sich der Verbesserung der HF-Sicherheit von Implan- taten in der pTx MRT. Dies geschieht durch die Einführung eines Sicherheitskon- zepts für Implantate welches native Patientensicherheit (ohne Implantat) und die durch einen Sensor gemessene Implantatsicherheit separat betrachtet. Die MRT HF-Sicherheit im nativen Fall als Grundlage dieses Konzeptes wird zu- erst simulativ am Beispiel einer pTx Körperspule mit 1 - 16 Kanälen bei 0.5 T, 1.5 T und 3 T untersucht. Die durchschnittliche B+1 -Feldstärke (mean(B+1 )) ist dabei für pTx bis zu 30 % größer als bei dem zirkularpolarisierten (CP) Einkanalmodus wenn die Unsicherheit durch unbekannte Patientenmodelle mit einem Sicherheitsfaktor kompensiert und für beide Fälle die gleichen Grenzwerte für die spezifische Ab- sorptionsrate ( SAR ) der International Electrotechnical Commission (IEC) genutzt werden. Die Positionsunsicherheit des Patienten kann gleicherweise mit einem Sicherheitsfaktor betrachtet werden. Es wurde desweiteren herausgefunden, dass die Vernachlässigung der Phaseninformation bei der Grenzwertbestimmung nur zu einem geringen mean(B+1 ) Abfall von 3 – 20 % je nach B0 Feldstärke führt, die nötige Hardwarekomplexität jedoch stark verringert. Die theoretische Anwendbarkeit des vorgeschlagenen Sicherheitskonzepts wird anhand eines idealisierten Rückenmarkstimulators im zweiten Teil aufgezeigt. Die Fähigkeit, verschiedene Sensortypen gegenüber den etablierten Sicherheitsmetri- ken SAR und Temperatur zu kalibrierten, wird demonstriert. Das Potential von pTx zur Mitigation der Implantaterwärmung steigt mit der Anzahl der verfügbaren Kanäle. Es wurde für den untersuchten Fall mit maximaler implantatbedingter Temperaturerhöhung von 2 K für 1.5 T und 3 T ein 3-fach höheres mean(B+ 1 ) bei 16 Kanälen gegenüber der CP-Anregung gefunden. Ein möglicher Prozess für Implantathersteller zur Kalibration eines Implantat- sensors gegen die durch das Implantat verursachte Erwärmung wird schließlich angerissen.

The rising count of patients bearing an active implantable medical device (AIMD ) are often hindered from having magnetic resonance ( MR) exams be- cause MR-unsafe implants can only be scanned outside of their regulatory approval, while MR conditional implants require the use of thresholds from complex manufacturer- and implant-specific guidelines. This degrades the MR performance because of over-conservative limits or could even endan- ger patients if the limit is not strict enough. It is known that parallel transmis- sion (pTx )-systems can generate safe optimised radiofrequency ( RF)-shims that exploit the full MR performance. This thesis contributes to implant RF safety in pTx MR by describing an implant safety concept that separates native pTx safety of the patient without implant from implant safety that is assessed with an implant-integrated sensor. The concept’s prerequisite – the RF safety of pTx for the native case – is first demonstrated in silico at the example of a pTx body coil that is driven in different configurations at 1 - 16 channels with 0.5 T, 1.5 T and 3 T. The average B+1 -field (mean(B+1 )) of pTx is up to 30 % higher than for the sin- gle channel circular polarised (CP) mode when accommodating model un- certainty with a safety factor and the same International Electrotechnical Commission (IEC) specific absorption rate ( SAR ) limits are applied. Position uncertainty can similarly be addressed with a safety factor. Furthermore, it was found that neglecting phase information leads to minor mean(B+ 1 ) drops of 3 – 20 %, depending on the number of channels and B0 compared to the common SAR-controlled mode, in exchange for a reduced complexity. The theoretic applicability of the proposed safety concept is shown by sim- ulating a spinal cord stimulator dummy implant in a second step. The ability to calibrate feasible sensor types against the established hazard measures SAR and temperature is demonstrated. The potential of pTx in mitigating implant hazards rises with channel count with up to 3 times the mean(B+ 1 ) of the CP mode for an implant-caused temperature rise limit of 2 K at 16 channels for 1.5 T and 3 T. This thesis finishes with the description of a process for implant manu- facturers on how to calibrate a sensor signal against an implant hazard.