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Nichtinvasives Temperaturmonitoring mit der Magnetresonanz-Tomographie bei medizinischen Thermotherapien mit fokussiertem Ultraschall oder Laser

Rademaker, Guido

English Title: Noninvasive temperature measurement using magnetic resonance tomography for monitoring thermotherapy with focused ultrasound or laser

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PDF, German
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Abstract

Die Temperaturdarstellung mit der Magnetresonanz-Tomographie (MRT) basiert auf Änderung der longitudinalen Relaxationszeit (T1), des Diffusionskoeffizienten (D) oder der Protonenresonanz-frequenz (PRF). Neue Hyperthermieverfahren zur Tumortherapie basieren auf hochenergetischem fokussiertem Ultraschall (HIFU) oder Laserinduzierter Thermotherapie (LITT). Für diese Verfahren ist eine genaue Kontrolle der Erwärmung mit Temperaturmessverfahren erforderlich. Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung, Optimierung und Analyse der drei unterschiedlichen Methoden (T1, D, PRF) der MR-unterstützten Temperaturüberwachung. Die Messungen in idealen Phantomen wie Ultraschallgel zeigten in Übereinstimmung mit der Literatur eine prozentuale Änderung der Diffusionskoeffizienten von 2,22 /°C, der T1-Relaxationszeit von 1,98 /°C und der PRF von -0,0101 ppm/°C. Aus der inversen Darstellung der Datensätze über den gesamten Kalibrierungsbereich wurde die Temperaturauflösung ermittelt (T1:2,1°C; D:0,93°C; PRF:1,4°C). Es konnten Effekte wie Phasenshift, hot spots, Karbonisierung oder Nekrosen überprüft werden. Die implementierten MR-Pulssequenzen hatten eine minimale Zeitauflösung von 1s (D), 2s (T1) und 9,7s (PRF). Tierexperimente (Hund ex-vivo, Kaninchen in-vivo) zeigten, dass Temperaturmonitoring für eine lokale Erwärmungskontrolle bei HIFU oder LITT möglich ist, und dass Applikatoren im MR-Tomographen zu keiner wesentlichen Beeinträchtigung der Bildqualität führen. Die Diffusionsmethode ist begrenzt durch ihre die verlängerte Echozeit und die Anisotropie des Gewebes. Die Diffusionsmethode und die PRF-Methode sind nicht in Fettgewebe anwendbar. Beste Temperatursensitivität erreicht die PRF-Methode. Auf Grundlage dieser Ergebnisse kann die T1- oder PRF-Methode für das Temperaturmonitoring bei Thermotherapien am Menschen empfohlen werden. In einer ersten klinischen Anwendung konnte durch die T1-Methode eine Therapie mit HIFU am Brusttumor erfolgreich appliziert werden.

Translation of abstract (English)

Temperature measurement with Magnetic Resonance Imaging (MRI) is based on the analysis of changes in longitudinal relaxation time (T1), diffusion coefficient (D) or water proton resonance frequency (PRF). New hyperthermia tumor therapy methods such as High Focused Ultrasound (HIFU) or Laser-induced Thermotherapy (LITT) require accurate temperature monitoring. The purpose of this work was to develop, optimize and analyze the three different approaches of MRI-temperature monitoring (T1, D, PRF). Measurements in phantoms (e.g. ultrasound gel) resulted in the following percentage change: 2,22 /°C (diffusion coefficient), 1,98 /°C (T1-relaxation time) and -0,0101 ppm/°C (PRF). They are in good agreement with the literature. From the inverse correlation of data we calculated temperature resolution (T1:2,1°C; D:0,93°C; PRF:1,4°C). Effects like phase shifts, hot spots, carbonisation and necrosis were studied. Our optimized MR pulse sequences provided a minimal time resolution of 1s (D), 2s (T1) und 9,7s (PRF). Initial tests with bone and muscle tissue (dog ex-vivo, rabbit in-vivo) demonstrate that MR thermometry is feasible to monitor the local heating process induced by HIFU or LITT. The ultrasound or laser applicators in the MR scanner did not interfere with image quality. The diffusion method is restricted due to high motion sensitivity, prolonged echo time and anisotropic diffusion in tissue. The diffusion method and the PRF method do not work in fat tissue. The highest temperature sensitivity was found for the PRF method. In summary, based on our results we recommend the T1-method or the PRF-method for temperature monitoring during local thermotherapy. Based on our results we were able to establish the T1-method to guide HIFU therapy in a patient with breast cancer.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Schad, Prof. Dr. Lothar,
Date of thesis defense: 8. May 2002
Date Deposited: 29. May 2002 00:00
Date: 2002
Faculties / Institutes: Service facilities > German Cancer Research Center (DKFZ)
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: MRT, Temperatur, Nichtinvasiv, Hyperthermie, Krebstherapie
Uncontrolled Keywords: Hifu , Fus , Litt , nichtinvasiv , KontrolleHifu , Fus , Litt , noninvasiv , control
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