Untersuchung von Hochfrequenz-(HF)-basierten thermischen Effekten bei der 3 -Tesla-Magnetresonanz (MR)–Tomographie in einer Hochfrequenz-Spule im Schweinemodell mit besonderer Betrachtung der histologischen Muskelveränderungen

Abstract

Die Magnetresonanztomographie ist in der heutigen bildgebenden Diagnostik nicht mehr wegzudenken und stellt ein wichtiges Hilfsmittel auf diesem Gebiet dar. Die wesentlichen Vorteile gegenüber anderen bildgebenden Verfahren, wie beispielsweise der Computertomographie (CT) oder der Röntgendiagnostik, sind der hohe Weichteilkontrast, die fehlende Strahlenbelastung, sowie die fehlende Beeinträchtigung der Bildqualität durch den dichten Knochen. Ein großer Nachteil ist die dabei auftretende Hyperthermie. So kann es bei Temperaturen >42.5°C zu erheblichen Weichteilschäden kommen. In dieser Arbeit ging es darum Gewebeschäden, die durch die Hochfrequenz der MRGanzkörperspule verursacht werden, zu untersuchen und histologisch darzustellen, sowie die lokal in dem Gewebe entstehenden Temperaturen zu erfassen. Des Weiteren wurde untersucht, inwieweit sich diese Schäden auf bestimmte Werte, wie T_max oder das CEM43- Konzept beziehen lassen. Da die direkte intramuskuläre Messung der lokal herrschenden Temperaturen und die anschließende Resektion des Gewebes zur histologischen Untersuchung ein sehr invasives Verfahren darstellen, kam ein Versuch am Menschen nicht in Frage. Ein Tierversuch war somit unumgänglich. Als das dem Menschen ähnlichste Tier wurde das Schwein ausgewählt. Zum Einsatz kamen 26 Läuferschweine vom Typ Deutsche Landrasse. Die ersten sechs Schweine wurden vor dem Versuch euthanasiert. Die verbleibenden 20 Schweine wurden narkotisiert und im Anschluss an die Leistungsexposition euthanasiert. Zur intramuskulären Temperaturmessung wurden spezielle Temperatursonden zum einen in die dorsale Rückenmuskulatur eingebracht und zum anderen in die seitliche Bauchwand sowie in die Glutealmuskulatur. Über diese Sonden war eine genaue Erfassung der lokal entstehenden Temperaturen möglich. Alle Schweine wurden einer bestimmten Leistung über einen gewissen Zeitraum in einem „Birdcage“-Ganzkörperresonator ausgesetzt. Im Anschluss erfolgte die Sektion der Schweine und die Entnahme der Gewebeproben. Zur histologischen Untersuchung wurden die Proben in 4%-igem Formaldehyd fixiert und die histologischen Schnitte anschließend in der Tierpathologie Dr. Haider hergestellt. Für die lichtmikroskopische Untersuchung erfolgte die Hämatoxylin-Eosin-Färbung nach Hansen. In der mikroskopischen Untersuchung wurde nun der thermische Schaden herausgearbeitet und dokumentiert. Der thermische Schaden besteht in einer Erweiterung des Extrazellularraumes zwischen den Muskelzellen. In einem Schema wurde der Schaden für jedes Schwein eingetragen und quantifiziert. Je nach Schädigung wurden die Schweine unterschiedlich gewichtet. Die verschiedenen physikalischen Parameter, wie SAR_wb, T_max und CEM43, wurden in Tabellenform dargestellt und mit den Schädigungsscores (Schädigungswerte) verglichen. Es zeichnete sich ab, dass die SAR_wb kaum geeignet ist, um die thermischen Schäden mit dieser zu vergleichen oder auf diese zurückzuführen. T_max und besser noch CEM43 erwiesen sich als günstigere Vergleichsvariablen. Beim Vergleich der Gewebeschädigungswerte („Scores“) mit der SAR_wb-, der T_max- und den CEM43-Werten stellte sich heraus, dass diese am besten mit hohen CEM-Werten korrelieren. So zeigten alle Schweine ab einem CEM43 von 221 einen thermischen Schaden. Außerdem konnte festgestellt werden, dass es bei den Schweinen zu offensichtlichen thermischen Schäden durch die HF-Belastung gekommen ist und die Temperaturen im Muskel deutlich über die bisher bestehenden IEC-Grenzwerte gestiegen sind. Es konnten T_max-Werte mit bis zu 55°C gemessen werden. Eine direkte Übertragung der Untersuchungsergebnisse der Schweine auf den Menschen ist allerdings unmöglich, da physiologische und anatomische Unterschiede bestehen, hinsichtlich der Muskelfasertypen, der Kapillardichte und der Mechanismen der Thermoregulation. Darüber hinaus reagierten die Schweine sehr individuell und andere Faktoren, wie das PSS (Porcines-Stress-Syndrom), müssen berücksichtigt werden.

Magnetic resonance imaging is an essential tool in today's diagnostic imaging. Main advantages over other imaging modalities such as computed tomography (CT) or X-ray diagnostics are, for instance, the high soft tissue contrast, the lack of radiation exposure, and the lack of deterioration in image quality due to the dense bone. However, a major disadvantage is the hyperthermia occurring. This may lead to significant soft tissue damage when the temperatures exceed 42.5 ° C. Within this doctoral thesis it is to investigate and histologically demonstrate tissue damages caused by the high frequency of whole-body coil MRI, as well as to measure the affected tissue temperatures. Furthermore, it has been investigated whether these effects can be related to certain values, such as T_max or the CEM43-concept. Since the direct measurement of the intramuscular locally prevailing temperatures and the subsequent resection of the tissue for histological examination represent a very invasive procedure an attempt on humans was beyond question. Therefore, an animal experiment was inevitable. As it is the most similar animal to the human being, the pig was selected. 26 pigs from the type “German Landrace” were inserted. Within the medical inspection the first six pigs were euthanized before the main experiment has begun. The remaining 20 pigs were anesthetized and euthanized after they had been exposed to power. For intramuscular temperature measurements special temperature probes were inserted into the dorsal muscles of the back as well as into the lateral abdominal wall and into the gluteal muscles. Via these probes, an accurate detection of locally produced temperatures was possible. All pigs were exposed to a certain power over a particular period in a "birdcage"-whole body resonator. This was followed by the dissection of the pigs and the withdrawal of the tissue samples. For histological examination, samples were fixed in 4% formaldehyde. Subsequently the histological dissections were prepared in Dr. Haider´s animal pathology. The light microscopic examination was accomplished by using hematoxylin-eosin staining according to Hansen. Within this microscopic analysis the thermal damage was then identified and documented. The thermal damage consists in an extension of the extracellular space between the muscle cells. This damage was registered and quantified in a scheme for each pig individually. Depending on the damage the pigs were valued differently. The various physical parameters, such as SAR_wb, T_max and CEM43, were outlined in a table and finally compared with the damage scores. It emerged that SAR_wb is not well suited to compare the thermal damage with this parameter. T_max and proved even better CEM43 are more convenient for this comparison. When comparing the tissue damage scores with the SAR_wb-, the T_max- and the CEM43- scores it proved that these correlate best with high CEM-scores. Thus, all pigs showed a thermal damage at a CEM43 of 221. Furthermore, it was determined that this significant thermal damage was caused by the RFexposure. In addition, the muscle temperatures have risen significantly over the previously existing IEC limits. T_max-scores were measured up to 55 ° C. A direct transfer of these results to the human being is hardly possible, as the physiological and anatomical differences are too obvious. These differences refer to muscle fiber types and capillary density as well as to mechanisms of thermoregulation. In addition, the pigs responded individually to the exposure and other factors such as the PSS must be taken into account