title: Detailing Electrodynamics and Temperature for MRI in the Short Wavelength Regime
title: Numerical Simulations, Experimental Validation and Early Applications
titleType: Subtitle
Creators: name: Oberacker, Eva Irene
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin
Year: 2024
Subjects: subject: Magnetresonanztomografie
subject: MR Sicherheit
subject: Hyperthermie
subject: Hochfrequenz
subject: Optimierungsalgorithmus
subject: Krebstherapie
subject: Magnetic resonance imaging
subject: MR safety
subject: RF hyperthermia
subject: radiofrequency
subject: optimization algorithm
subject: cancer treatment
subject: 621 Angewandte Physik
subject: 530 Physik

description: Um die Rolle der Temperatur in biologischen Systemen und bei Krankheiten zu definieren; für die Gewährleistung der Sicherheit, zur Erleichterung der Diagnose und zur sicheren Steuerung der Therapie, wird besseres Verständnis von durch hochfrequente (HF) elektromagnetische Wellen induzierter Erwärmung von Gewebe benötigt. Die Magnetresonanz (MR) ist eine unverzichtbare diagnostische Bildgebung. Eine zentrale Abgrenzung der Ultrahochfeld-MR (UHF-MR) ist der Einsatz höherer Frequenzen und kürzerer Wellenlängen. Die veränderte Ausbreitung von HF-Wellen im menschlichen Körper stellt die MR-Sicherheit vor Herausforderungen. Die kleinere Skala der HF-Erwärmung von elektrisch leitfähigen passiven Implantaten während der UHF-MRT wird in aktuellen Richtlinien nicht erfasst. Ich habe einen, auf die Untersuchung der Implantatsicherheit bei UHF-MRT zugeschnittenen, Ansatz entwickelt, der in Phantomen evaluiert, in Testobjekten validiert und zur Bewertung der MR-Sicherheit von kleinen okularen Tantalmarkern (OTMs) angewandt wurde. OTMs können für die MR bei Magnetfeldstärken ≤ 7,0 T als sicher angesehen werden. Die verkürzte Wellenlänge ermöglicht präzise lokalisierte Temperaturmanipulation wie Hyperthermie-Behandlungen von Krebs. Die Kombination der Stärken der UHF-MRT in diagnostischer Bildgebung und MR-Thermometrie (MRTh) mit spezieller Hardware und Algorithmen zur Hyperthermie-Behandlungsplanung ermöglicht eine einzigartige theranostische Herangehensweise mittels integrierten Geräts (HF-Applikator). Ziel ist die erstmalige Behandlung von Gehirntumoren mittels nicht-invasiver HF-Hyperthermie. Das Ergebnis dieser Arbeit ist die Etablierung des gesamten Arbeitsablaufs von grundlegenden EMF-Simulationen eines HF-Applikators mit patientenspezifischen Simulationsmodellen über die (Multifrequenz-)Behandlungsplanung und Leistungsbewertung bis zur Behandlungsüberwachung mittels MRTh. Für eine Anwendung der Erkenntnisse ist weitere Forschung im HF-Applikator-Design erforderlich.
description: To better define the role of temperature in biological systems and disease; for ensuring safety, facilitating diagnosis and safe-guiding therapy, we require approaches to study and manipulate temperature and characterize its effects. Better understanding of radiofrequency (RF) induced heating of tissue is therefore required. Magnetic resonance (MR) is an indispensable diagnostic imaging tool. A critical distinction of ultrahigh field MR (UHF-MR) is the use of higher RF and thus shorter wavelengths. The altered RF wave propagation in the human body poses challenges for MR safety considerations. The smaller scale, on which RF heating of electrically conductive passive implants occurs during UHF MRI, is not covered by current guidelines. I proposed a novel approach tailored to examining implant safety in UHF MRI. This approach was evaluated in phantoms, validated in test objects and applied to assess the MR safety of small ocular tantalum markers (OTMs). My results show that OTMs can be considered safe for MRI at magnetic field strengths ≤ 7.0 T. The short wave length regime supports precisely localized temperature manipulation, such as hyperthermia anticancer treatment. Combining the strength of UHF MRI in diagnostic imaging and MR thermometry (MRTh) with dedicated hardware and hyperthermia treatment planning algorithms affords a unique theranostic approach in a single integrated device (RF applicator). The goal is treatment of brain tumors, where to the best of our knowledge no focused RF hyperthermia treatment is currently available. The main accomplishment of this work is establishing the entire workflow from basic EMF simulations of an RF applicator with patient specific simulation models over (multifrequency) treatment planning and performance assessment, to treatment monitoring via MRTh. For translation of the insights obtained during this PhD thesis project, more research is warranted addressing remaining engineering challenges in the RF applicator design.