Entwicklung eines Polymethylmethacrylatzementes für die magnetresonanztomografisch gestützte, interventionelle Anwendung in offenen MRT-Systemen

Abstract

Einleitung: Ziel der Studie war es, aufzuzeigen, welche Möglichkeiten der Modifikation eines PMMA-Zementes bestehen, um diesen für interventionelle Anwendungen in MRT-Systemen zu visualisieren. Material und Methoden: Die Visualisierung des PMMA-Zementes durch Zusatz von wässrigen Kontrastmittellösungen bildete die Grundlage dieser Arbeit. Analysiert wurde der Einfluss von Dotarem®, Teslascan™, Endorem™ und einer Manganchlorid-Lösung auf das Signal angefertigter Zementproben in einer diagnostischen, sowie in einer zeitlich optimierten T1 TSE-Sequenz, in Abhängigkeit von der Kontrastmittelkonzentration und der Menge zugesetzter Kontrastmittellösung. In einem weiteren Schritt wurden die neuen Materialeigenschaften des modifizierten PMMA-Zementes betrachtet und abschließend eine MRT-gestützte Kyphoplastie an einer humanen Kadaverwirbelsäule durchgeführt. Ergebnis: Trotz der hydrophoben PMMA-Zementeigenschaften konnten nahezu homogene Dispersionen aus den Kontrastmittellösungen und den Zementkomponenten hergestellt werden. Die daraus angefertigten Zementproben enthielten auch nach dem Aushärtungsprozess in dem Maße Wasserstoffprotonen, dass sie in der MRT- Bildgebung visualisiert werden konnten. Die beste Signalquantität wurde durch den Zusatz einer Gd-DOTA-Lösung erreicht. Die Simulation der Kypholastie an humanen Kadaverwirbelsäulen konnte verdeutlichen, dass mit entsprechenden Vertebro- oder Kyphoplastie-Kanülen eine transpedikuläre Punktion und mittels Kyphoplastieballon auch eine Wirbelkörperaufrichtung unter MRT-Monitoring möglich ist. Der modifizierte PMMA-Zement zeigte in den verwendeten T1-Sequenzen ein hypointenses Signal gegenüber der humanen Wirbelkörpermatrix und ließ sich dennoch von Luft und Knochenmatrix abgrenzen. Durch Anwendung von fettsupprimierenden Techniken konnte jedoch auch ein Positivkontrast mit einem deutlich hyperintensen Zementsignal erreicht werden. Die Prüfung der Materialeigenschaften des modifizierten PMMA-Zementes ergab eine Abnahme der Zementhärte und eine Abnahme der Steifigkeit. Conclusion: Die Visualisierung des PMMA-Zementes ist durch Zusatz von Kontrastmittellösungen möglich, mit der Folge, dass die Materialeigenschaften verändert werden. Ob die resultierenden Eigenschaften nachteilig sind, muss vorerst offen bleiben. Es gibt durchaus Anhaltspunkte, die dafür sprechen, dass die derzeit verwendeten, unphysiologisch harten PMMA-Zemente zu Anschlussfrakturen der angrenzenden Wirbelkörper führen. Daraus ließe sich ableiten, dass die Anwendung des flexibleren, modifizierten PMMA-Zementes sogar vorteilhaft sein kann. Durch die Verwendung eines für die MRT modifizierten PMMA-Zementes könnte die postinterventionelle Diagnostik, wie auch die Therapie unter Anwendung der MRT-Bildgebung und ohne Strahlenexposition von Patient oder Interventionalist durchgeführt werden.

Introduction: It was this study's goal to illustrate the interventional and imaging possibilities of a modified PMMA-cement in magnetic resonance imaging. Materials und Methods: Visualizing the PMMA cement with an added contrast agent was the basis of this study. The influence of Dotarem®, Teslascan™, Endorem™ and a dedicated manganese-chloride solution on the image signal of the evaluated cement was analyzed in diagnostic and a scan duration adapted T1 TSE sequence in relation to the concentration the contrast agent and the amount added contrast solution. In a further step, the material characteristics of the new, modified PMMA cements were investigated and evaluated in MR-guided kyphoplasty in human cadaveric lumbar spines. Results: Despite the hydrophobic PMMA cements, an almost homogeneous dispersion of contrast agents and cement components could be achieved. The resulting cement specimens contained sufficient amounts of water even after hardening to allow visualization on MR images. The best signal intensity was achieved with the addition of a Gd-DOTA-solution. The simulated kyphoplasty in human cadaveric lumbar spines illustrated that the erection of a human vertebral body is possible under MR-guidance with appropriate vertebro- and kyphoplasty cannulas. The modified PMMA cement had hypointense signal characteristics in the applied T1 sequences compared to the vertebral bodies' matrix and could be differentiated from both air and bone matrix. A positive contrast with a markedly hyperintense cement signal was rendered with fat-suppression techniques. The assessment of material characteristics of the modified PMMA cement showed a reduction of the cement's rigidity and stiffness. Conclusion: The visualization of PMMA cement is possible with the addition of contrast solution with subsequently altered material characteristics. If the resulting material characteristics are a disadvantage is unclear at this time. There are certain aspects which suggest that the currently used unphysiologically rigid PMMA cements may cause fractures of adjacent vertebral bodies. This would mean that a more flexible modified PMMA cement might actually be advantageous. The use of a PMMA cement modified for visualization in the MRI could help facilitate radiation-free post-interventional diagnostics and MR-guided therapy for both the patient and the treating physician.