Elektromagnetische Simulationen und HF-Sicherheit

In MR-Systemen werden Felder aus verschiedenen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums genutzt, um die magnetischen Momente von Kernen zu manipulieren und das MR-Signal zu erfassen. So polarisiert das statische Magnetfeld B0 Spin-Ensembles und geschaltete Magnetfeldgradienten (Gx, Gy, Gz) mit Frequenzen bis zu 10 kHz werden zur räumlichen Lokalisierung eingesetzt. Darüber hinaus erzeugen Hochfrequenz (HF)-Sendespulen Felder mit der Larmor-Frequenz für die Spin-Anregung, während HF-Empfangsspulen das MR-Signal detektieren. Die räumlichen Feldverteilungen in den verschiedenen Frequenzbereichen gehorchen den Maxwellschen Gleichungen (MWE).

Numerische Simulationen sind zu einem unverzichtbaren Instrument für die Prüfung der Konformität sowie für die Optimierung des Designs von Sende- und Empfangsspulen von MR-Systemen geworden. Da die gesamte dreidimensionale Feldverteilung erhalten werden kann, ist es möglich, verschiedene nützliche Informationen für realistische Expositionsszenarien zu extrahieren, die aus Messungen an Phantomen oder in vivo nicht in vergleichbarer Detailtiefe gewonnen werden können. Insbesondere im Hinblick auf Konformitätsprüfungen ist die numerische Berechnung von HF-Feldern in anatomischen Körpermodellen derzeit die einzige praktische Möglichkeit, realistische SAR-Verteilungen zu erhalten, die notwendig sind, um die Einhaltung der Grenzwerte für die lokale SAR zu gewährleisten.
Menschliches Körpergewebe ist verlustbehaftet, und während der Exposition gegenüber HF-Feldern wird Energie vom Körpergewebe absorbiert. Die absorbierte Leistung wird in einen Wärmeeintrag umgewandelt, der zu einer erhöhten Gewebetemperatur führen kann. Die IEC-Norm legt Grenzwerte fest, die eingehalten werden müssen, um mögliche Gewebeschäden zu verhindern. Die Bewertung der HF-Belastung erfolgt in der Regel auf der Grundlage der lokalen spezifischen Absorptionsrate (SAR). Da die SAR nur die absorbierte Leistung widerspiegelt und nicht direkt mit einer möglichen Gewebeschädigung zusammenhängt, werden bei neuen Ansätzen neben der SAR auch die Temperatur und die thermische Dosis des Gewebes mit Hilfe von Biowärmeübertragungsgleichungen bewertet.

Der Forschungsbereich der Projektgruppe „Elektromagnetische Simulationen“ befasst sich mit der Bewertung der HF-Exposition von Personen bei MR-Untersuchungen mit statischen Feldstärken ≥ 7 Tesla (Ultrahochfeld-MRT). Dazu gehört insbesondere die simulationsgestützte Entwicklung und Optimierung innovativer mehrkanaliger Sendespulen mit dem Ziel einer reduzierten HF-Exposition bei homogener Kernspinanregung. Weitere Forschungsbereiche sind die Entwicklung anatomischer Körpermodelle und die Implementierung von Thermoregulationssystemen zur realitätsnahen Sicherheitsbewertung und simulationsbasierten Verträglichkeitsprüfung passiver medizinischer Implantate.
Im Rahmen des EU-geförderten Projektes „MRExcite“ arbeiten wir gemeinsam mit dem Erwin L. Hahn Institut in Essen und der Hochfrequenztechnikgruppe der Universität Duisburg-Essen an der Entwicklung eines integrierten Übertragungssystems mit 32 parallelen Übertragungskanälen für die Ganzkörper-MRT bei 7 T.