Development of Parallel Radiofrequency Transmission Approaches for Magnetic Resonance Imaging of Conductive Biodegradable Implants

Abstract

Orthopedic implants are of high clinical relevance for the repair of musculoskeletal injuries and disorders. Conventional implants, like titanium and stainless-steel configurations, commonly require removal upon success of the bone healing process. Implant removal constitutes an extra burden for patients and adds to the healthcare costs. Bio-degradable implants present an alternative to conventional implants by making the implant removal surgery obsolete. This merit arises from the degrading nature inherent to the new implant materials such as Magnesium based alloys. Due to the material properties of these alloys, degradable implants offer temporary weight-bearing support essential for bone healing and are subsequently absorbed by the surrounding tissue. Post implantation, non-invasive tracking of the implantation site and of the healing process is part of the clinical workflow aided by imaging. The use of diagnostic X-ray or CT imaging for longitudinal monitoring of implantation sites may suffer from image artefacts caused by metallic implants. Both diagnostic imaging approaches contribute to the accumulation of ionizing radiation dosage in patients, which presents an elevated risk of developing malignancies. Hence leading to the clinical need for alternative implant monitoring methods free of ionizing radiation. Magnetic resonance imaging (MRI) is a viable alternative for monitoring of implantation sites. MRI is free of ionizing radia-tion, ensuring a safer diagnostic imaging approach. Even though a large body of literature has highlighted that conventional permanent metal-based implants potentially constrain the diagnostic quality of MRI and elevate the level of deposited radiofrequency (RF) energy in implantation sites. Yet, the impact of biodegradable implants with a dynamic structure (i.e., the degrading behavior alters the structure of the implant over time) on the quality of MRI is underexplored. Recognizing this opportunity, this thesis focuses on three main goals. First, the impact of biodegradable implants on MRI distortion artefacts at the implantation site is carefully examined. The main finding from this study is that Mg-based implants generate lower metallic distortion in MRI when compared to conventional Ti-based implants. Second, radiofrequency induced heating of biodegradable orthopedic screw implants due to the interference between the passively conducting implants and the RF power deposited in the body during an MRI examine is investigated. The main conclusion from this study is that the highest risk of RF induced implant heating is most pronounced for Mg-based screws prior to degradation. Following the careful assessment of the MRI characteristics of biodegradable implants a radiofrequency transmission field shim-ming method is developed, evaluated, validated and applied with the goal to compensate or even eliminate image distortion or RF heating in the presence of biodegradable implants to facilitate MRI-aided monitoring of implantation sites. The approach devel-oped in this thesis project makes use of RF antenna arrays customized for parallel RF transmission to generate dedicated electromagnetic field (EMF) patterns which are derived from RF excitation vector optimization tailored for MRI of implantation sites. The proposed method is validated in numerical simulations and benchmarked against con-ventional approaches in phantom experiments using a 7.0 T whole body MRI scanner. For this purpose, MRI-aided transmission field mapping, MR thermometry, and MR imaging of implantation sites were performed. In conclusion, parallel RF transmission using optimized RF excitation vectors in conjunction with dedicated RF antenna arrays provides a technical foundation en route to safe and MRI of implantation sites with diagnostic image quality free of transmission field distortions, which is the main achievement of this thesis project.

Orthopädische Implantate sind von hoher klinischer Relevanz für die Behandlung und Heilung muskuloskelettaler Verletzungen. Herkömmliche Implantate wie Titan- und Edelstahlkonfigurationen müssen in der Regel nach erfolgreicher Knochenheilung entfernt werden. Die Entfernung des Implantats stellt eine zusätzliche Belastung für Patienten sowie einen erheblichen Kostenfaktor dar. Im Falle biologisch abbaubarer Implantate entfällt die Entfernung des Implantats nach erfolgreichem Heilungsverlauf. Deshalb bilden biologisch abbaubare Implantate eine klinisch sinnvolle Alternative zu herkömmlichen Implantaten. Dieser Vorteil ergibt sich aus den Materialeigenschaften und dem natürlichen Abbau neuer biologisch resorbierbarer Implantate wie etwa Magnesiumlegierungen. Aufgrund der Materialeigenschaften dieser Legierungen bieten abbaubare Implantate eine vorübergehende, für Knochenheilung essentielle und gewichtstragende Unterstützung, In Folge werden sie vom umgebenden Gewebe absorbiert. Post-operativ ist die nicht-invasive Überwachung der Implantationsstelle und des Heilungsprozesses Teil der klinischen Nachverfolgung, der durch bildgebende Verfahren unterstützt wird. Diagnostische Bildgebung von Implantationsstellen mit Röntgen- oder CT- Techniken kann unter Bildartefakten leiden, die durch metallische Implantate verursacht werden. Beide diagnostischen Bildgebungsansätze tragen zur Akkumulation von ionisierender Strahlendosis bei Patienten bei und begründen bei einer entsprechend akkumulierten Strahlendosis nachweisliche Krebsrisiko. Daher besteht die klinische Notwendigkeit alternativer Bildgebungstechniken, die frei von ionisierender Strahlung sind. Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist eine vielversprechende Alternative zur Überwachung von Implantationsstellen. MRT ist frei von ionisierender Strahlung und gewährleistet einen sichereren diagnostischen Bildgebungsansatz. Die Fachliteratur zeigt auf, dass herkömmliche permanente metallische Implantate die diagnostische Qualität der MRT potenziell beeinträchtigen können. Ebenso ist die Erhöhung des Eintrages von in der MRT verwendeter Radiofrequenzenergie an Implantationsstellen und damit einhergehende mögliche Erwärmung umliegenden Gewebes als potentielles Patientenrisiko dokumentiert. Das äquivalente Verhalten biologisch abbaubarer Implantate mit dynamischer Geometrie und Struktur (d.h. das Abbauverhalten verändert im Laufe der Zeit die Struktur des Implantats) auf die Qualität und Sicherheit der MRT ist bisher nicht hinlänglich erforscht. Vor diesem Hintergrund konzentriert sich diese Dissertation auf drei Hauptziele. Zunächst wird der Einfluss biologisch abbaubarer Implantate auf MRT-Artefakte wie beispielsweise störende Bildverzerrungen an der Implantationsstelle sorgfältig untersucht. Das wichtigste Ergebnis dieses Teils der Dissertation ist, dass Mg-basierte Implantate im Vergleich zu herkömmlichen Ti-basierten Implantaten weitaus geringere Bildverzerrungen in der MRT erzeugen. Im nächsten Schritt wird durch Radiofrequenzenergie induzierte Erwärmung biologisch abbaubarer orthopädischer, passiv elektrisch leitender Schraubenimplantate untersucht. Die wichtigste Schlussfolgerung dieses Teils der Dissertation besteht darin, dass für Mg-basierte orthopädische Schrauben das höchste Risiko für Hochfrequenzenergie induzierte Implantat Erwärmung vor Resorption am stärksten ausgeprägt ist. Nach der sorgfältigen Bewertung der MRT-Eigenschaften biologisch abbaubarer Implantate wird eine Methode zur gezielten Anregung des Radiofrequenzfeldes entwickelt, evaluiert, validiert und angewendet. Dieser methodische Ansatz der parallelen Anregung ist maßgeschneidert, um Bildverzerrungen oder HF-Erwärmung in Gegenwart biologisch abbaubar Implantate zu kompensieren und bestenfalls zu eliminieren, um somit die MRT-unterstützte Überwachung von Implantationsstellen zu verbessern. Der in dieser Dissertationsarbeit entwickelte Ansatz verwendet eigens entwickelte Matrixanordnungen von Hochfrequenzantennen für parallele Übertragung von Hochfrequenzwellen, um im Untersuchungsobjekt gezielt entsprechend dedizierte elektro-magnetische Feldmuster zu erzeugen. Diese werden aus der in der Arbeit entwickelten Vektoroptimierung der Hochfrequenzfelder hergeleitet. Diese Optimierung und Herleitung ist auf die MRT von Implantationsstellen zugeschnitten ist. Die vorgeschlagene Methodik wird in numerischen Simulationen validiert und in Phantomexperimenten mit einem 7.0 T-Ganzkörper-MRT-Scanner mit konventionellen Ansätzen verglichen. Zu diesem Zweck wurden MRT-gestützte Kartierung der Hochfrequenzanregungsfelder, MR-Thermometrie und MR-Bildgebung von Implantationsstellen durchgeführt. Zusammenfassend bietet die parallele Verwendung optimierter RF-Anregungsvektoren in Verbindung mit dedizierten Matrixanordnungen von Hochfrequenzantennen eine technische Grundlage für sichere MRT von Implantationsstellen mit diagnostischer Bildqualität frei von Bildverzerrungen. Dieses Ergebnis ist der Haupterfolg dieses Dissertationsprojekts.