Assessing RF-Induced Heating of Orthopedic Implants in Ultra-High Field MRI: Influencing Factors and the Effect of Parallel Transmission

Abstract

Dette studiet undersøker radiofrekvens (RF)-indusert oppvarming av ulike implantater i et gelhodefantom ved bruken av 7T magnetresonanstomografi (MRI). Utviklingen mot høyere statisk magnetfeltstyrker i MRI har ført til forbedret bildekvalitet gjennom økt signal-til-støyforhold. Imidlertid har denne utviklingen også ført med seg utfordringer som økt inhomogeniteter i RF-feltene som brukes for å skape MR-signaler. For å takle problemet med inhomogenitet, har parallelltransmisjons (pTx) MRI blitt introdusert som en løsning, noe som bruker flere uavhengige kanaler for å kontrollere de RF-elektromagnetiske feltene. En annen utfordring ved høy feltstyrke er økt energiabsorpsjon, kvantifisert av spesifikk absorpsjonsrate (SAR), i menneskelig vev, som forsterkes av tilstedeværelsen av metallimplantater og kan føre til temperaturøkning i vevet. Dermed utgjør RF-oppvarming en betydelig sikkerhetsrisiko for pasienter med implantater som gjennomgår MR-undersøkelser. Det er derfor viktig å adressere problemet med RF-oppvarming i denne sammenhengen. I dette studiet ble flere implantatrelaterte faktorer som påvirker RF-oppvarmingen, som størrelsen, formen, orienteringen og materialegenskaper, undersøkt. Ved bruk av MR-kompatible temperaturprober sammen med en 8-kanals pTx hodespole ved 7T MRI, er det mulig å måle temperaturforandringer i et fantom. Under forsøkene induseres RF-oppvarming ved hjelp av en tilpasset gradient ekko (GRE) sekvens med justerbar SAR. Denne GRE-sekvensen ble kjørt i to forskjellige modus, nemlig sirkulært polarisert (CP) og statisk pTx. Resultatene fra dette studiet gir bevis for forekomsten av RF-oppvarming i ikke-magnetiserende ortopediske implantater. Den høyeste oppvarmingen ble observert når et implantat i resonanslengde ble plassert parallelt med det statisk magnetfeltet B0 og nær overflaten av fantomet i CP modus. I dette arbeidet vil også muligheten for å bruke pTx til å redusere implantatrelatert RF-oppvarming bli diskutert.

This study investigates the Radio-Frequency (RF)-induced heating of various implants inside a gel head phantom during Magnetic Resonance (MR) procedures under different conditions. The advancement towards higher static magnetic field strengths in MRI has led to enhanced imaging quality through increased signal to noise ratio. However, this progress has also brought about challenges such as heightened inhomogeneity in the RF fields required to create MR signals. To address the issue of imhomogeneities, parallel transmission MRI emerged as a solution, which utilises multiple independent channels to control the RF electromagnetic fields. Another challenge at high field strength is increase power deposition, quantified by Specific Absorption Rate (SAR), in human tissues, which are amplified by the presence of metal implants and can cause a temperature increase in tissues. Thus, the RF heating poses a significant safety concern for patients with medical implants undergoing MRI. Therefore it is important to address the issue of RF heating in this context. In this thesis, several implant-related factors that affect the RF heating, such that the size, shape, orientation and material properties of implants, were investigated. By using MR-compatible temperature probes along with an 8-channel parallel transmit (pTx) head coil at 7T MRI, it is possible to measure the temperature changes in a phantom. In this setup, RF heating is induced by utilizing a custom Gradient-Echo (GRE) sequence with adjustable Specific Absorption Rate (SAR). The custom GRE sequence was run on two different excitation modes, i.e. circularly polarized (CP) and static pTx. The findings from this study provide evidence supporting the occurrence of RF heating in non-magnetising orthopedic implants. The highest heating was observed when an implant of resonance length was positioned parallel to the static magnetic field B0 and close to the surface of the phantom on CP mode. In this work, the possibility of using pTx to mitigate the implant-related RF heating will also be discussed.