Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Experimentelle Untersuchungen zur MRT-Sicherheit eines neuartigen Magnetventil-Implantats zur Glaukomtherapie in einem 3 Tesla MRT

Bodenstein, Ann-Kathrin GND

Aufgrund der großen klinischen Bedeutung der Magnetresonanztomografie (MRT) im Bereich der Weichteildiagnostik ist es wichtig, bei der Auswahl von Implantat-Werkstoffen diese auf ihre MRT-Sicherheit zu testen. In der vorliegenden Studie wurden die magnetischen Kräfte, die Erwärmung und die Bildung von Artefakten für Metallplättchen aus Eisen-Nickel-Stahl (FeNi) und Chrom-Nickel-Stahl (CrNi) vergleichend untersucht. Zusätzlich wurde getestet, ob sich die Funktionalität eines Glaukom-Implantats mit einer magnetisch steuerbaren Klappe mit Metallplättchen aus FeNi-Stahl und CrNi-Stahl während einer MRT-Untersuchung verändert. Unter Beachtung der Richtlinien der American Society for Testing and Materials (ASTM) wurden Versuchskonzepte erarbeitet, mit denen die Kräfte, die Wärmeentwicklung und die Artefaktbildung für die Metallplättchen beider Stahlsorten untersucht werden konnten. Es wurden sieben Plättchen des FeNi-Stahls mit Abmessungen zwischen 1 x 1 und 7 x 7 mm2 und zehn Plättchen des CrNi-Stahls mit Abmessungen zwischen 1 x 1 und 8 x 8 mm2 sowie zwei Prototypen des Implantats mit CrNi-Stahl in einem 3 Tesla MRT untersucht. Die Translationskraft wurde mithilfe des Fadentests (ASTM F 2052) über den Auslenkungswinkel β am Ort des höchsten Feldgradienten des statischen Magnetfelds bestimmt. Das Drehmoment wurde im Isozentrum des Magneten ebenfalls im statischen Magnetfeld über eine 5-Punkte-Graduierung evaluiert. Anschließend wurden zwei Prototypen mit dem CrNi-Stahl jeweils in ein Auge eines frischtoten Kaninchens eingesetzt. Die beiden Prototypen wurden einmal im Bereich des höchsten Feldgradienten der Translationskraft und im Isozentrum des MRTs dem Drehmoment ausgesetzt. Dabei wurde das Verhalten der Klappe im statischen Magnetfeld beobachtet und überprüft, ob es zu einem spontanen Öffnen der Klappe kommt. Außerdem wurden die Fixierungsnähte und das Skleragewebe dem 1000-fachen der berechneten Translationskraft ausgesetzt. Die Erwärmung der Plättchen und damit auch des umliegenden Gewebes wurde nach der Richtlinie ASTM F 2182-11a mit drei verschiedenen MRT-Sequenzen (T1-Spinecho; T2-Turbospinecho; T2-GRASE) untersucht. Die Temperatur wurde sowohl mit einer Infrarot-Kamera als auch mit einem digitalen Thermometer gemessen. Für die Untersuchung der Artefakte bei den oben genannten MRT-Sequenzen wurden die Stahlplättchen vorher in ein Gelatine-Phantom eingegossen und anschließend bei unterschiedlichen Ausrichtungen zu dem Magnetfeld B0 gescannt. Die auftretenden Artefakte wurden mit dem Programm ImageJ vermessen. Es wurde untersucht, welche Zusammenhänge zwischen der Größe und dem Material der Plättchen und der Sequenz und der Ausrichtung der Plättchen im Magnetfeld stehen. Außerdem wurde die Artefaktausdehnung mit dem Programm Amira dreidimensional dargestellt. Zusätzlich wurde ein Implantat-Prototyp aus CrNi-Stahl in ein Kaninchenauge ex vivo eingesetzt und mittels Mikroskopiespule bestimmt, welche Strukturen trotz auftretender Artefakte noch gut befundbar sind. Beim FeNi-Stahl entsprach die Translationskraft dem 36-fachen der Gewichtskraft. Der CrNi-Stahl war einer Translationskraft ausgesetzt, die 10-mal der Gewichtskraft entsprach. Die CrNi-Plättchen waren jedoch im Vergleich zu den FeNi-Plättchen einem stärkeren Drehmoment ausgesetzt. Bei beiden Stahlsorten lagen die gemessenen Temperaturerhöhungen der Metallplättchen stets unter 1 °C. Die Artefakte bei FeNi-Stahl waren deutlich ausgeprägter als beim CrNi-Stahl. Die Gradientenecho-Sequenz verursachte die größten Artefakte. Die Untersuchung des Implantat-Prototypen mit einer Mikroskopiespule ergab, dass Sehnerv und Retina trotz Artefakten noch befundbar sind. Die Ergebnisse zeigen, dass auf den FeNi-Stahl deutlich höhere magnetische Kräfte wirken als auf den CrNi-Stahl. Die Studie zeigt aber auch, dass die Silikonummantelung der Plättchen und die Nähte in der Lage sind, einer deutlich stärkeren Translationskraft standzuhalten, als sie bei den Untersuchungen für die Plättchen bestimmt wurde. Die Erwärmung der Plättchen ist vernachlässigbar gering, sodass von keiner Gefahr durch eine Erhitzung des Implantats für das umliegende Gewebe auszugehen ist. Wichtige anatomische Strukturen im Auge sind trotz der Artefakte noch befundbar. Zusammenfassend ergibt sich aus den in vitro Untersuchungen, dass ein künftiges ophthalmologisches Implantat auf der Basis der untersuchten Metallplättchen bedingt MRT-sicher sein sollte. Um die Untersuchungen zur MRT-Sicherheit zu vervollständigen, sollten jedoch noch entsprechende Versuche in vivo durchgeführt werden.

Due to the enormous importance of Magnetic Resonance Imaging (MRI) in soft tissue diagnostic, testing various materials for MRI-safety for newly developed implants is necessary. In this study, the magnetic forces, potential tissue heating, the formation of artefacts and the functionality of a steel plate made of iron-nickel (FeNi) and chromiumnickel (CrNi) of a magnetic-shunt-implant were evaluated during an MRI examination. Owing to the small dimensions of the steel plates, tests were planned following the guidelines of the American Society for Testing and Materials (ASTM), with preliminary tests evaluating the magnetic forces, potential heating and the formation of artefacts. Seven plates made of FeNi steel measuring from 7 x 7 to 1 x 1 mm2 and ten plates made of CrNi steel measuring 8 x 8 by 1 x 1 mm2 and furthermore two prototypes of the implant made of CrNi steel were analysed. The magnetic translation force of the implant was quantified using the deflection angle test (ASTM F 2052) at the location of the highest field gradient of the static magnetic field. The torque of the implant was evaluated in the centre of the static magnetic field by using a five-point grading scale. Subsequently, each of the two prototypes was implanted in one eye of a freshly deceased rabbit. The prototypes were visually examined in the area of highest field gradient and the isocentre of the MRI magnet to ascertain whether a spontaneous opening of the implant occurred. Furthermore, the stitches and the tissue of the sclera were exposed thousand fold to the measured translation force by means of a dynamometer. Heating of tissue caused by the plates was examined in accordance with the guidelines ASTM F 2182-11a with three different MRI-sequences (T1 spin-echo; T2 turbo-spinecho; T2 GRASE-sequence). The temperature was measured by infrared camera and a digital thermometer For examining the artefacts, the plates were put into a phantom filled with an aqueous solution of gelatine. The phantom was adjusted to different orientations due to the direction of B0 and scanned using a spin-echo- and gradientecho -sequence. Subsequently, the area of the artefacts was measured by means of the ImageJ program. Furthermore, the whole size of the artefacts was presented threedimensionally by the graphics program Amira. It was determined how the different parameters (size, material, sequence, orientation) influence the size of the artefacts. Additionally, one prototype of the implant made of CrNi steel was inserted in the eye of a freshly deceased rabbit and scanned with a microscopy coil to examine which areas of the eye were able to be interpreted despite the artefacts. The translational force of the FeNi steel within the MRI scanner was found to be 36 times greater than its weight. The translational force of the CrNi steel was ten times greater than its weight. The torque of CrNi steel was stronger in comparison to that of FeNi steel. The temperature reading taken during MRI examination of both kinds of steel was lower than 1 °C. The gradient-echo-sequence was very sensitive for the artefacts. The area of the artefacts of FeNi steel was greater compared to that of CrNi steel. Despite the artefacts, the retina and nervus opticus were able to be interpreted. The results showed that magnetic forces of FeNi steel are significantly higher than those of CrNi steel. The study also demonstrated that the ocular silicon layer and eye fixation are able to resist very high translational forces. The heating of tissue was negligible, therefore posing no risk for the surrounding tissue. Important structures of the eye are possible to interpret despite the artefacts. In summary, the study showed that the ophthalmic implant can be considered MRconditional. However, this study focused only on in vitro tests. In vivo tests are still necessary to fully evaluate MRI-safety.

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