Sensor based mitigation of implant related RF safety hazards in MRI by 𝑬-field steering

Abstract

MRI is a state-of-the-art medical imaging technology utilizing non-ionizing electromagnetic radiation to generate images of the body with high soft-tissue contrast. However, MRI of patients with implants has the potential risk of excessive RF-induced tissue heating. The RF field of the scanner may couple to the metallic conductors of the implants and increase the power absorption. The problem cannot be precisely solved due to the variety of patient, device, and exam-specific configurations, although the underlying physical and physiological aspects of RF-induced tissue heating are well-established. Currently, implant manufacturers are solely responsible to demonstrate compliance of their devices with applicable standards. Often, their compliance settings require using low- power MRI, which results in poorer diagnostic capability of the MR images. In order to maintain diagnostic imaging capabilities and lower the risk for RF- induced heating, mitigation strategies are needed. One promising technique is the so-called parallel transmission (pTx). By exploiting the additional degrees of freedom of a pTx system, the induced 𝐸-fields around the implant can be suppressed and the rest of the tissue can be imaged without the risk of implant- related RF burns. To characterize the pTx settings in terms of implant safety, the 𝐸-field or temperature rise must be known. Sensors embedded in implants could provide measurements from these critical components that can be used to steer the RF settings of the MR system to guarantee the safe scanning of patients with implants. In this thesis, measurement-based methods to assess and mitigate the RF-induced heating of the implants by using parallel transmission are investigated. First, a pTx implant safety testbed was developed allowing to systematically investigate different sensors, scenarios, and pTx safety settings. Next, a real-time pTx mitigation method based on time-domain 𝐸-field probes was implemented. This method was further developed and applied to miniaturized root-mean-square sensors, which can be embedded in realistic implant hardware. Finally, a proof-of-concept study is presented, which resembles a clinically relevant setting, using a wireless reference implant with embedded sensors together with realistic implant lead trajectories from patients with deep brain stimulation devices. In summary, this thesis conceptualizes and demonstrates “smart” implants with embedded sensors communicating with the MRI scanner for the RF safety of patients with implants.

MRT ist eine hochmoderne medizinische Bildgebungstechnologie, die nichtionisierende elektromagnetische Strahlung verwendet, um Bilder des Körpers mit hohem Weichteilkontrast zu erzeugen. Die MRT von Patienten mit Implantaten birgt jedoch das potenzielle Risiko einer übermäßigen HF-induzierten Gewebeerwärmung. Das HF-Feld des Scanners kann mit dem metallischen Leiter des Implantats koppeln und die Leistungsabsorption erhöhen. Das Problem kann aufgrund der Vielzahl von patienten-, geräte- und untersuchungsspezifischen Konfigurationen nicht genau gelöst werden, obwohl die zugrunde liegenden physikalischen und physiologischen Aspekte der HF-induzierten Gewebeerwärmung gut bekannt sind. Derzeit sind Implantathersteller allein dafür verantwortlich, die Konformität ihrer Produkte mit den geltenden Normen nachzuweisen. Häufig erfordern ihre Compliance-Vorgaben die Verwendung von Low-Power-MRT, was zu einer schlechteren Diagnosefähigkeit der MR-Bilder führt. Um die Möglichkeiten der diagnostischen Bildgebung aufrechtzuerhalten und das Risiko einer HF-induzierten Erwärmung zu verringern, sind Minderungsstrategien erforderlich. Eine vielversprechende Technik ist das sogenannte parallele Senden (pTx). Durch Ausnutzung der zusätzlichen Freiheitsgrade eines pTx-Systems können die induzierten E-Felder um das Implantat herum unterdrückt und der Rest des Gewebes ohne das Risiko von implantatbedingten HF-Verbrennungen abgebildet werden. Zur Charakterisierung der pTx-Einstellungen muss das E-Feld oder der Temperaturanstieg bekannt sein. In Implantate eingebettete Sensoren könnten Messungen dieser kritischen Größen liefern, die zur Steuerung der HF- Einstellungen des MR-Systems verwendet werden können, um ein sicheres Scannen von Patienten mit Implantaten zu gewährleisten. In dieser Arbeit werden messtechnische Methoden zur Beurteilung und Minderung der HF-induzierten Erwärmung der Implantate durch paralleles Senden untersucht. Zunächst wurde ein pTx-Implantat-Prüfstand entwickelt, der es ermöglicht, verschiedene Sensoren, Szenarien und pTx-Sicherheitseinstellungen systematisch zu untersuchen. Als nächstes wurde eine Echtzeit-pTx-Milnderungsmethode basierend auf Feld-Sonden für zeitaufgelöste E-Feld-Messungen konzipiert. Dieses Verfahren wurde weiterentwickelt und auf miniaturisierte Effektivwertsensoren angewendet, die in realistische Implantathardware eingebettet werden können. Schließlich wird eine Proof-of-Concept-Studie vorgestellt, die eine klinisch relevante Situation nachbildet und eingebettete Sensoren auf einem drahtlosen Referenzimplantat verwendet, dessen Trajektorien den Elektroden von Tiefenhirnstimulationsgeräten realistisch nachgebildet sind. Zusammenfassend konzipiert und demonstriert diese Arbeit „smarte“ Implantate mit eingebetteten Sensoren, die mit dem MRI-Scanner für die HF-Sicherheit von Patienten mit Implantaten kommunizieren.