Advanced interfaces for biomedical engineering applications in high- and low field NMR/MRI
Creators: name: Fuhrer, Erwin
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2019
Subjects: MR safety
gradient-induced vibration
NMR hardware
NMR probe
tissue culturing
cell culturing

description: 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. Beide 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.