Schwellenwertbestimmung von Gewebeschädigungen durch Hochfrequenzfelder im MRT im Schweinemodell

Abstract

Der hier beschriebene Versuch wurde durchgeführt, um anhand von Temperatur- messungen und der histologischen Untersuchungen von Gefrierschnitten selektier-ter Muskelstellen die Schwellenwerte für das Auftreten von HF- induzierten ther-mischen Schäden beim Schwein als Modelltier im MRT zu definieren. Die hierbei verwendeten Messgrößen waren die Spezifische Absorptionsrate (SAR), die Zeit während der das Gewebe auf 43 ºC erwärmt wird (engl. Cumulative Equivalent Minutes at 43 ºC-CEM 43) und die Maximaltemperatur (T_max). Dafür wurden 11 Schweine der deutschen Landrasse unter intravenöser Anästhesie in einem Birdcage Resonator mit ~123 MHz im Quadraturmodus einer Ganzkörper-SAR von 2,5-5,2 W/kg über 30-60 min exponiert. Zusätzlich dienten drei Schweine als Kontrollgruppe. An vorher am Computermodell bestimmten Hotspots wurden über Temperatursonden die intramuskuläre Temperatur während der Hochfrequenzexposition erfasst und im Anschluss dort Muskelproben für die Herstellung von Gefrierschnitten entnommen. Dabei zeigte sich der Birdcage Resonator geeignet, die am Computermodell simulierten Hotspots am Tiermodell Schwein als Hochfrequenzeinfluss darzustellen, weil die Übereinstimmung von von thermischen Schäden und Hotspots 66,4 % betrug. Während der Anästhesie wurden die Schweine auf Vitalparameter untersucht und nach der Hochfrequenzexposition mittels Kaliumchlorid euthanasiert, wobei anschließend eine Überprüfung der Sondenpositionen im CT erfolgte. Die Gefrierschnitte wurden zur morphologischen Überprüfung des thermischen Schadens mit Hämatoxylin-Eosin (HE) und für die Erfassung von Glykogenverstoffwechselung mit Periodic Acid Schiff-Reagenz (PAS) angefärbt. Eine Trichromfärbung nach Gomori ermöglichte außerdem eine Muskelfasertypendifferenzierung. Zusätzlich dienten enzymhistochemische Reaktionen zum Nachweis der zytoplasmatischen Aktivität von myofibrillärer Adenosin-Triphosphatase (mATPase) und Myophosphorylase sowie der mitochondrialen Aktivität von Succinat-Dehdrogenase (SDH) und Cytochromoxidase (COX). Die Gefrierschnitte und die histologischen Färbungen erwiesen sich als geeignet, den thermischen Schaden darzustellen. Der thermische Schaden wurde makroskopisch als blass und zerkocht wirkende Muskulatur beschrieben. Histologisch lag ein thermischer Schaden bei Erweiterung des Extrazellulärraumes in der HE-Färbung und fehlender Glykogendarstellung in der PAS-Reaktion vor. Von 11 exponierten Schweinen wurden fünf als geschädigt eingestuft, dabei hatten zwei Schweine in allen Temperatursonden einen thermischen Schaden. Am besten war der thermische Schaden im Bereich der Temperatursonde zwei und hier besonders mit T_max und CEM 43 korrelierbar. Die Temperatursonden 8 und 11 korrelierten aufgrund größerer Abstände und Überlappungen von gesunden und geschädigten Proben weniger gut. Insgesamt fiel die Korrelation entgegen den traditionell üblichen SAR-Werten am besten mit der Maximaltemperatur aus. Demnach lag der Schwellenwert für T_max bei 45,5 °C. Die CEM 43-Werte korrelierten etwas schlechter als die T_max. Die SAR-Werte hingegen waren überhaupt nicht korrelierbar. Deshalb konnten die von der IEC aufgestellten SAR-Grenzwerte weder bestätigt noch widerlegt werden. Die von der IEC zugelassene Maximaltemperatur wurde jedoch deutlich überschritten. Aufgrund fehlender Grenzwerte für das CEM 43-Konzept konnten die ermittelten CEM 43-Werte nicht eingeordnet werden. Insgesamt zeigt sich, dass T_max gefolgt von CEM 43 im M. longissimus den besten Schwellenwert für thermische Schäden beim Schwein darstellt. Die Manifestierung des thermischen Schadens in der Muskulatur wird höchstwahrscheinlich durch den überwiegenden Anteil an weißen Muskelfasern und die geringere Kapillarisierung im Vergleich zum Menschen hervorgerufen. So kann die unter dem HF-Einfluss in der Muskulatur entstehende Wärme schlecht über die wenigen Kapillaren an das kaum leitende Fettgewebe abgegeben werden. Dieser Umstand wird durch die fehlende Möglichkeit zum Schwitzen verstärkt. Dazu kommen die beim Schwein kleinere Lunge und Alveolaroberfläche, die geringere Atemtiefe und das niedrigere relative Herzgewicht. So ist die Wärmeabgabe aufgrund schlechterer Thermoregulation viel geringer und die Gefahr einer Hyperthermie aufgrund der bereits um 1 ºC physiologisch höheren Körpertemperatur viel höher. Denkbar ist die Entstehung des thermischen Schadens aufgrund der direkten Einwirkung der Hochfrequenzstrahlung, wobei auch für genetisch nicht prädisponierte Schweine die maligne Hyperthermie in Betracht zu ziehen ist. Die in der Humanmedizin gemeldeten HF-Verbrennungen liegen bei über einer Million im MRT untersuchten Menschen im ppm-Bereich, im Verhältnis zu knapp 50% geschädigten Schweinen in diesem Versuch. Deshalb ist aufgrund des insgesamt sehr viel häufigeren thermischen Schadens bei diesen Schweinen von einer Übertragbarkeit der Ergebnisse auf den Menschen abzusehen. Dadurch erscheint das Schwein für thermische Versuche unter ähnlichen Fragestellungen als Versuchstier eher zu Simulierung von Worst Case Situationen mit eingeschränkter Thermoregulation geeignet.

This experiment was performed in order to establish thresholds for muscle tissue damage induced by radiofrequency hyperthermia using cryostat-sections and temperature measurements. The measured variables were the specific absorption rate (SAR), the cumulative equivalent minutes at 43 ºC and the maximum temperature (T_max). To this end, 11 pigs of German Landrace were anesthesized intravenously (TIVA). Radiofrequency was applied as whole body SAR with 2,5-5,2 W/kg for 30-60 min in a birdcage resonator which operated in a quadrature mode at ~123 MHz. Additionally three pigs served as a control- group. For the determination of the tissue effects the intramuscular and rectal temperatures were recorded with a multi-channel fibre optic measurement device, which was placed at potentially hyperthermic areas of the body (hotspots). These hotspots were predicted by a digital three-dimensional swine model, which had a 66,4% correct prediction of hotspots. During anesthesia the pigs were controlled for vital parameters. After radiofrequency exposure they were euthanized with potassium chloride and checked in computer tomography (CT) for the position of the fibre optic measurement device. For morphological verification of tissue damage frozen sections were stained with haematoxylin- eosin (HE). Besides periodic acid Schiff (PAS) was applied to prove glycogen metabolization. A modified Gomori-trichrom-stain enabled a muscle fiber differentiation. Additionally enzymehistochemical reactions were used to demonstrate cytoplasmatic activity of myofibrillar adenosine triphosphatase (mATPase) and myophosphorylase. Enzymehistochemical reactions also served to evidence mitochondrial activity of succinate dehydrogenase (SDH) and cytochrome oxidase (Cox). Both the cryostat sections and histological stains proved to be appropriate to demonstrate thermal tissue damage. Acute thermal damage was described macroscopically as pale, soft and exsudative tissue and microscopically as an enlargement of the extracellular space both in HE and PAS. Additionally a loss of intrasarcoplasmatic glycogen due to metabolisation was apparent in PAS. Five out of eleven radiofrequency exposed pigs were thermally damaged, two of them even had thermal damage at all three locations. The thermal damage correlated best in the longissimus dorsi muscle and here especially with T_max and CEM 43. The threshold for thermal damage according to T_max was 45,5 °C. The thigh and the abdomen did not correlate so well because of inaccurate thresholds. Surprisingly, in contrary to common opinion there was no correlation at all between thermal damage and SAR. Therefore we were not able to prove or to disprove existing SAR-thresholds, set by the international electrotechnical commission (IEC). While the highest T_max values were above IEC temperature limits, the CEM 43 could not be compared as a result of missing IEC thresholds for CEM 43. Alltogether T_max and CEM 43 showed the best results in M. longissimus dorsi muscle compared to thigh or abdomen. The manifestation of thermal damage in muscle tissue of pigs is probably caused by the predominantly high percentage of white muscle fibers and their low capillarization, compared to humans. Therefore radiofrequency generated heat is restrained to dissipate bover low capillarization and thick adipose tissue. This circumstance is enforced by the missing ability to perspiration. Additionally the porcine lung and the alveolar surface are much smaller just like the low breathing depth and the low relative heart weight. An important difference between these two species is also the higher body temperature of swine (38-39 ºC) compared to the lower body temperature of humans (36,5-37 ºC). As a result hyperthermia is much more likely to occur in pigs than in humans. It is possible that thermal muscle tissue damage was caused by radiofrequency radiation alone but malignant hyperthermia has to be considered in genetically not predisposed pigs too. In human medicine there were over hundred million people examined in MRT but only ppm cases were reported as complains and far less were confirmed burns. In our experiment almost 50 % of all radiofrequency exposed pigs had thermal damage. So it seems not possible to assign our results to the human population. For this reason the pig rather appears as an adequate animal model to simulate worst case situations with disabled thermoregulation.