Investigation of artifacts and mechanical properties of non-metallic MRI biopsy needles in interventional procedures : phantom and simulation studies

Abstract

‍Magnetresonanztomographie (MRT)ist einmedizinisches Bildgebungsverfahren zur Diag- nose von Krankheiten und Veränderungen im Gewebe.Sie stellt eine vielversprechende Methode zur Führung minimalinvasiver interventioneller Geräte wie endovaskuläre Ka- theter, Führungsdrähte,Biopsienadeln und Stents dar.Allerdings deuten jüngste Fortschritte in der klinischen Forschung darauf hin, dass die Visualisierung von MRT-kompatiblen Geräten unter Magnetfeldern herausfordernd ist,aufgrund von Suszeptibilitätsartefakten, die im MRT-Bild während Aufnahme als Signalverluste oder Verzerrungen auftreten. Diese Artefakte entstehen aufgrund von Variationen in der magnetischen Empfindlichkeit verschiedener Gewebe oder Materialien im Körper.Trot zneuer Entwicklungen in der klinischen Forschung erzeugen Geräte aus Nickel-Titan-Legierungen während der Bildge- bung weiterhin signifikante Suszeptibilitätsartefakte aufgrund ihrer Wechselwirkungen mit Magnetfeld. Daher besteht weiterhin Bedarf an der Entwicklung und Optimierung interven- tioneller Geräte, die weniger Artefakte aufweisen und somit zu verbesserten Visualisierung und einer besseren Bildqualität führen.Die Qualität von MRT-Bildern hängt dabei von der richtigen Materialauswahl für interventionelle Geräte ab,um Artefakte zu minimieren und präzise Positionierung des Ziels während Operation zuermöglichen,insbesondere im Fall von Biopsienadeln.Daher lautet dieHauptthese dieser Promotionsarbeit, dass der Einsatz von nichtmetallischen Materialien im Design von Biopsienadeln diese Artefakte reduzieren kann.In dieser Arbeit schlage ich daher ein koaxiales Nadel-Design aus einem Mehrschichtkonzept vor, bei dem neue Kombination von nichtmetallischen Materialien verwendet werden, um deren Visualisierung im MRT zu optimieren.Das Design besteht aus einem faserunterstützten Innenkern und einer äußeren Hohlplatte.Mit den angefertigten nicht-metallischen Biopsienadeln wurden im Anschluss die Suszeptibilitätsartefakte im MRT-Scanner mit zwei maßangefertigten Phantomen,einem Gelatine-Modell und einem zellulären Brustkrebsmodell,bewertet und quantifiziert.Dann wurden Artefakte quantita- tiv mit zwei Ansätzen bewertet, einem manuellen Qunatifizierungsschritt und einem auf maschinellem Lernen basierenden Workflow.Das vorgeschlagene nicht-metallische Design der Biopsienadel hat dazu beigetragen,die Menge der Artefakte in MRT-Aufnahme im Vergleich zur konventionellen Biopsienadel deutlich zu reduzieren.Anschließend wurde eine mechanische Charakterisierung der Biopsienadeln durch experimentelle und simulations- basierte Analysen zur Verbesserung ihrerLeistung durchgeführt.Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass neuartige Kombination von nicht-metallischen Materialien bei der Herstellung von Biopsienadeln,zu vergleichbaren Größen der äußeren Hohlplatte im MRT-Bild im Vergleich zur Standardnadel führen.Zusammenfassend hat da svorgeschlagene Design basierend auf nichtmetallischen Materialien sich als vielversprechender Ansatz für die Optimierung von Biopsienadeln erwiesen.