7 Tesla MR: Elektromagnetische Simulationen

Leiter: Prof. Dr. Andreas Bitz

 

Forschungsschwerpunkte

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Prof. Dr. Andreas Bitz
Medizinische Physik in der Radiologie
7 Tesla MR: Elektromagnetische Simulationen

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•    Simulationsbasierte Entwicklung von Mehrkanal-Sendespulen für die UHF-MRT

•    Numerische Sicherheitsabschätzung der HF-Exposition basierend auf lokaler SAR
      Gewebetemperatur und thermischer Dosis während MR-Untersuchungen

•    Simulationsbasierte Kompatibilitätstest von medizinischen Implantaten

•    Entwicklung von anatomischen Köpermodellen

•    Messtechnische Validierung von Simulationsmodellen und -ergebnissen

Forschungsgebiet

In Magnetresonanz(MR)-Systemen werden Felder aus verschiedenen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums genutzt, um magnetische Momente von Kernen zu manipulieren sowie um das MR-Signal zu detektieren. Das statische magnetische Feld B0 polarisiert das Spinensemble und geschaltete Magnetfeldgradienten (Gx, Gy, Gz) mit Frequenzen bis zu 10 kHz werden zur räumlichen Lokalisierung eingesetzt. Darüber hinaus erzeugen Hochfrequenz(HF)-Sendespulen Felder mit der Larmorfrequenz für die Spinanregung, während HF-Empfangsspulen das MR-Signal erfassen. Die räumlichen Feldverteilungen in den verschiedenen Frequenzbereichen folgen den Maxwell'schen Gleichungen.

Numerische Simulationen sind zu einem unverzichtbaren Werkzeug für Konformitätstests sowie für die Designoptimierung von Sende- und Empfangsspulen von MR-Systemen geworden. Da die gesamte dreidimensionale Feldverteilung gewonnen werden kann, ist es möglich, verschiedene nützliche Informationen für realistische Expositionsszenarien zu extrahieren, die nicht aus Messungen in Phantomen oder in vivo in vergleichbarer Detailtiefe gewonnen werden können. Insbesondere im Hinblick auf Konformitätstests ist die numerische Berechnung von HF-Feldern in anatomischen Körpermodellen derzeit der einzige praktische Weg, um realistische Feldverteilungen zu erhalten, die notwendig sind, um die Einhaltung der Grenzwerte zu gewährleisten.

Das menschliche Körpergewebe ist verlustbehaftet und während der Exposition mit HF-Feldern wird Energie vom Körpergewebe absorbiert. Die absorbierte Leistung wird in einen Wärmeeintrag umgewandelt, der zu einer erhöhten Gewebetemperatur führen kann. In der IEC-Norm sind Grenzwerte vorgegeben, bei deren Einhaltung ein möglicher Gewebeschaden verhindert werden soll. Die Bewertung der HF-Exposition erfolgt in der Regel unter Berücksichtigung der lokalen spezifischen Absorptionsrate (SAR). Da die SAR nur die absorbierte Leistung wiederspiegelt und nicht direkt mit einem möglichen Gewebeschaden in Verbindung steht, verwenden neue Ansätze Bio-Wärmetransfergleichungen um neben der SAR die Temperatur und die thermische Dosis des Gewebes auswerten zu können.

Das Forschungsgebiet der Projektgruppe ‚Elektromagnetische Simulationen‘ befasst sich mit der Evaluierung der HF-Exposition von Personen während MR-Untersuchungen bei statischen Feldstärken ≥ 7 Tesla (Ultra-Hochfeld-MRT). Dazu zählt insbesondere die simulationsbasierte Entwicklung und Optimierung von innovativen Mehrkanal-Sendespulen, mit dem Ziel einer reduzierten HF-Exposition bei einer homogenen Kernspinanregung. Weitere Forschungsgebiete sind die Entwicklung von anatomischen Körpermodellen und die Implementierungen von thermischen Regulationssystemen für die realitätsnahe Sicherheitsbewertung sowie simulationsbasierte Kompatibilitätstest von passiven, medizinischen Implantaten.

Als Teil des EU-geförderten Projektes „MRExcite“ arbeiten wir zusammen mit dem Erwin L. Hahn Institute in Essen, der Hochfrequenztechnik der Universität Duisburg-Essen und der Arbeitsgruppe für HF-Systeme und Konzepte an der Entwicklung eines integrierten Sendesystems mit 32 parallelen Sendekanälen für die Ganzkörper-MRT bei 7 T.

 

Stellenangebote

Wir suchen motivierte Kandidaten für Bachelor- und Masterarbeiten in unserer Gruppe. Bei Interesse an einer Arbeit in unserer Gruppe freuen wir uns über Ihre Anfrage. Wir diskutieren gerne mögliche Projekte mit Ihnen.
Kontaktperson:  Prof. Dr. Andreas Bitz

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Peer-Reviewed Veröffentlichungen

Thomas M. Fiedler, Mark E. Ladd, Andreas K. Bitz (2017)
SAR Simulations and Safety
Review Article, NeuroImage 168 (2018) 33-58: Special Issue “Neuroimaging with Ultra-High Field MRI: Present and Future”,
DOI: 10.1016/j.neuroimage.2017.03.035

Thomas M. Fiedler, Mark E. Ladd, Andreas K. Bitz (2017)
RF safety assessment of a bilateral 4-channel transmit/receive 7 Tesla breast coil: SAR versus tissue temperature limits
Medical Physics 44 (1), January 2017, DOI: 10.1002/mp.12034

Yacine Noureddine, Oliver Kraff, Mark E. Ladd, Karsten H. Wrede, Bixia Chen, Harald H. Quick, Gregor Schaefers, Andreas K. Bitz. (2018)
In vitro and in silico assessment of RF-induced heating around intracranial aneurysm clips at 7 Tesla.
Magn Reson Med, 79:568–581 (2018), DOI: 10.1002/mrm.2665

Stephan Orzada, Mark E. Ladd, Andreas K. Bitz (2017)
A method to approximate maximum local SAR in multichannel transmit MR systems without transmit phase information.
Magn Reson Med, 78:805–811 (2017), doi: 10.1002/mrm.2639

Stephan Orzada, Andreas K. Bitz, Sören Johst, Marcel Gratz, Maximilian N. Völker, Oliver Kraff, Ashraf Abuelhaija, Thomas M. Fiedler, Klaus Solbach, Harald H. Quick and Mark E. Ladd (2017)
Analysis of an integrated 8-channel Tx/Rx body array for use as a body coil in 7-Tesla MRI
Frontiers in Physics, June 2017, Vol. 5, Article 17, DOI: 10.3389/fphy.2017.00017.

Oliver Kraff, Karsten H. Wrede, Tobias Schoemberg, Philipp Dammann, Yacine Noureddine, Stephan Orzada, Mark E. Ladd, Andreas K. Bitz (2013)
MR safety assessment of potential RF heating from cranial fixation plates at 7 T.
Med. Phys. 40 (4), April 2013, doi: 10.1118/1.4795347.

Conference Abstracts

Thomas M. Fiedler, Martina  Flöser, Stefan  Rietsch, Stephan  Orzada, Harald  Quick, Mark  Ladd, Andreas K. Bitz (2017)
Comparison of a 32‐channel remote body coil for 7 Tesla with local and remote 8‐ and 16‐channel transmit coil arrays
ISMRM 25th Annual Meeting 2017, Honolulu, USA, #4306

Thomas  Fiedler, Stephan  Orzada, Martina  Flöser, Harald  Quick, Mark  Ladd, Andreas K. Bitz (2017)
RF safety assessment of a 32‐channel integrated body coil for 7 Tesla: Thermal dose evaluation at high SAR level
ISMRM 25th Annual Meeting 2017, Honolulu, USA, #5577

Stephan Orzada, Andreas  Bitz, Marcel  Gratz, Sören  Johst, Samaneh  Shooshtary, Maximilian  Voelker, Stefan  Rietsch, Martina  Flöser, Ashraf  Abuelhaija, Mark  Oehmigen, Sascha  Brunheim, Thomas  Fiedler, Oliver  Kraff, Harald  Quick, Klaus  Solbach, Mark Ladd (2017)
A 32-Channel Transmit System Add-On for 7 Tesla Body Imaging
ISMRM 25th Annual Meeting 2017, Honolulu, USA, #1219

Thomas M. Fiedler, Sascha Brunheim, Martina Flöser, Mark E. Ladd, Stephan Orzada, Harald H. Quick, Andreas K. Bitz
RF safety assessment of a 32-channel whole-body transmit array at 7 Tesla
10th Anniversary of the Erwin L. Hahn Lecture 2016, Essen, Germany

Thomas M. Fiedler, Mark E. Ladd, Andreas K. Bitz
Comparison of SAR, Tissue Temperature and Thermal Dose in Local and Remote 8‐ch Body Arrays ISMRM Workshop on: Ultra High Field MRI: Technological Advances & Clinical Applications
06 - 09 March 2016, Heidelberg, Germany

Stephan Orzada, Andreas K. Bitz, Oliver  Kraff, Mark  Oehmigen, Marcel  Gratz, Sören  Johst, Maximilian  Völker, Stefan  Rietsch, Martina  Flöser, Thomas M. Fiedler, Samaneh  Shooshtary, Klaus  Solbach, Harald  Quick, Mark E. Ladd
A 32-Channel Integrated Body Coil for 7 Tesla Whole-Body Imaging
ISMRM 24rd Annual Meeting 2016, Singapore

Thomas M. Fiedler, Mark E. Ladd, Andreas K. Bitz
RF safety assessment of a 7 Tesla breast coil: SAR versus tissue temperature limits
ISMRM 24rd Annual Meeting 2016, Singapore, #3666

Thomas M. Fiedler, Mark E. Ladd, Andreas K. Bitz
Local SAR increase in the human head induced by high-permittivity pads at the sodium (23Na) resonance frequency at 7 Tesla
ISMRM 24rd Annual Meeting 2016, Singapore, #3663

Thomas M. Fiedler, Mark E. Ladd, Andreas K. Bitz
Local SAR elevations in the human head induced by high-permittivity pads at 7 Tesla
ISMRM 23rd Annual Meeting 2015, Toronto, Canada, 30.05-05.06.2015 #3213
ISMRM Merit Award: Magna cum laude

Thomas M. Fiedler, Aaron S. Kujawa, Frank Resmer, Patrick Stein, Titus Lanz, Mark E. Ladd, Andreas K. Bitz (2015)
RF safety assessment of a bilateral 4-channel Tx/Rx 7T breast coil
ISMRM 23rd Annual Meeting 2015, Toronto, Canada, 30.05-05.06.2015, #3233

Andreas K. Bitz, Oliver Kraff, Stephan Orzada, Tim Herrmann, Johannes Mallow, Johannes Bernarding, and Mark E. Ladd (2014)
RF safety evaluation of different configurations of high-permittivity pads used to improve imaging of the cerebellum at 7 Tesla
Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 22 (2014), # 4892

Andreas K. Bitz, Rene Gumbrecht, Stephan Orzada, Hans-Peter Fautz, Mark E. Ladd (2013)
Evaluation of Virtual Observation Points for Local SAR Monitoring of Multi-Channel Transmit RF Coils at 7 Tesla
Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 21 (2013), #4414

Andreas K. Bitz, Irina Brote, Stephan Orzada, Oliver Kraff, Stefan Maderwald, Harald H. Quick,
Klaus Solbach, Achim Bahr, Hans-Peter Fautz, Franz Schmitt, Mark E. Ladd
Comparison of simulation-based and measurement-based RF shimming for whole-body MRI at 7 Tesla
Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 18 (2010), # 4720

Andreas K. Bitz, Irina Brote, Stephan Orzada, Oliver Kraff, Stefan Maderwald, Harald H. Quick, P. Yazdanbakhsh, Klaus Solbach, A. Bahr, T. Bolz, K. Wicklow, Franz Schmitt, and Mark E. Ladd
An 8-channel add-on RF shimming system for whole-body 7 Tesla MRI including real-time SAR monitoring
Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 17 (2009), # 4767

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