Entwicklung eines interventionellen Instrumentes für die Hochfeld-MRT

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Entwicklung eines interventionellen Instrumentes für die Hochfeld-MRT
Projektleitung Torsten Barfels ,
Kürzel
Projektbeginn 01. Dezember 2006
Projektabschluss 30. November 2007
Projektpartner
Projektbeteiligte Institut für Oberflächen- und Dünnschichttechnik ,
Projektmittel 124000 €
Mittelgeber BMWi-Projekt  (ProInnoII)
Fakultät(en) Fakultät für Ingenieurwissenschaften
Forschungsschwerpunkte(e) Produktentwicklung
Hyperlink http://www.hs-wismar.de/ifod

Inhalt

In der klinischen Praxis werden heute MRT-Gräte verwendet, die mit einer Feldstärke bis zu 1,5 Tesla arbeiten. Um bei diesen Feldstärken interventionell arbeiten zu können, war die materialseitige und technologische Weiterentwicklung gebräuchlicher chirurgischer Instrumente nötig. Heute stehen hier Instrumente aus Titan- oder Nickel-Legierungen sowie anderer, nicht ferromagnetischer Metalle zur Verfügung, die zum Teil speziellen Oberflächenbehandlungen unterzogen werden.

Derzeit befindet sich die ersten Ultrahochfeld-Geräte im klinischen Test. Diese Geräte arbeiten mit einer Feldstärke von 3 Tesla. Außer einer erheblich besseren Auflösung führt dies auch zu einer drastischen Verkürzung der Scanzeiten. Damit wird eine online-Bildgebung in neuer Qualität möglich und schnelle hochaufgelöste Kontroll-Scans verbessern die Bedingungen für interventionelle Arbeiten erheblich. Es musste aber festgestellt werden, dass bisher verwendetet medizinische Instrumente und Geräte unter diesen hohen Feldstärken nur bedingt oder gar nicht mehr verwendet werden können.

Aufgrund des metallischen Grundwerkstoffes kommt es im Ultrahochfeld zu einer größeren Feldverzerrung in der Umgebung der Instrumente, welche zu einer starken Artefaktbildung in der Bildgebung führt. Hochfrequente Einkopplungen können außerdem zu einer nicht unerheblichen lokalen Erwärmung der Instrumente führen oder Dephasierungen und damit verbundene Artefakte auslösen, die eine interventionelle Prozedur gefährlich oder sogar unmöglich werden lassen.

An dieser Stelle war es unerlässlich, über neue Konstruktionen und Materialien nachzudenken, die den medizinischen Erfordernissen der interventionellen Methodik (wie z. B. Sicherheit, Sichtbarkeit, Effektivität, Bioverträglichkeit) und mechanische Eigenschaften wie die gute Schneidfähigkeit) und mechanischen Eigenschaften (wie z. B. Steifigkeit, gute Schneidfähigkeit) und den physikalischen Notwendigkeiten (wie z. B. geringe elektrische Leitfähigkeit und angepasste magnetische Suszeptibilität) aber auch den wirtschaftlichen Anforderungen (Massenproduktion von medizinischen Einmal-Produkten) genügen.

Das BMBF-InnoRegio-Projekt hat zu einer kleinen Auswahl von geeigneten Werkstoffen und damit verbundenen Konstruktionsmöglichkeiten geführt und bildet damit die Grundlage für eine neue Instrumentenentwicklung. Die häufigsten unter MR-Bildgebung durchgeführten Interventionen sind die Biopsie von Gewebe und das Absetzen von Markierungen für einen späteren chirurgischen Eingriff. Für beide stehen heute noch keine Instrumente zur Verfügung, die auch bei 3 Tesla gefahrlos und sicher eingesetzt werden können. Die bisherigen Untersuchungen haben gezeigt, dass außer der Materialfrage besonders durch die Modifikation der Oberfläche hier einen deutliche Verbesserung der Instrumenteneigenschaften möglich ist.

Hier ist zum einen das Gleitverhalten einer Nadel im Gewebe zu nennen, das bekannter Maßen im unmittelbarem Verhältnis zum Schmerzempfinden des Patienten steht. Eingehende Untersuchungen zeigen, je leichter sich ein Instrument einschieben lässt, um so geringer ist die Reizung der Schmerz-Rezeptoren. Es stellt sich nun die Frage, in wie weit hier bekannte Silikon-Beschichtungen, die bei Metallkanülen verwendet werden, effektiv mit den neuen Werkstoffen einsetzbar sind. Es sind Untersuchungen zur Reduzierung des Reibkoeffizienten genauso wichtig, wie die Frage, ob sie ausreichend auf den ausgewählten Werkstoffen haften.

Die andere große Frage, die mit der Oberfläche in Zusammenhang steht, ist das Anbringen einer Skalierung auf der Nadel, mit der die Einstichtiefe kontrolliert werden kann. Bisher wurden solche Markierungen z. B. durch Laserbeschriftung auf Titankanülen angebracht und waren damit optisch gut erkennbar. Im MR-Bild verhalten sich diese Markierungen hingegen neutral. Es hat sich aber gezeigt, dass es für den Anwender eine erhebliche Verbesserung ist, diese Markierungen auch im MR-Bild zu sehen und sich daran zu orientieren.

Es liegen nun die ersten Erfahrungen über Beschichtungen vor, die die MR-Sichtbarkeit einer Kunststoffkanüle verbessern und die damit das Potential haben könnten, eine solche Markierung zu ermöglichen. Die Markierung soll sich im MR-Bild in geeigneter Weise von der Nadel abheben und deutlich erkennbar sein. Da wir bei der Nadel mit neuen Werkstoffen arbeiten, wie zum Beispiel Kohlefaser-verstärkte Kunststoffe, deren Artefaktverhalten in den von uns benötigten Abmessungen bisher nur grob geschätzt werden können, müssen hier weiteren Untersuchungen durchgeführt werden, um eine Schicht zu entwickeln, die den Anforderungen an die Sichtbarkeit gerecht wird. Ob und in wie weit sich die oben genannten Beschichtungen beeinflussen und ob es vielleicht sogar geeignete Kombinationen gibt, soll im diesem Projekt geklärt werden.

Ein dritter Punkt ist das Anhaften von Gewebe an einen Grundkörper. Dies spielt sowohl bei der Biopsie als auch bei der Markierung von Gewebe eine Rolle. Bei der Biopsie ist es zum Beispiel notwendig, dass das Gewebe, das entnommen werden soll, auch im Bereich des Einschnittes gut an der Nadel haftet, damit immer eine möglichst große Probe – in Bezug auf die Größe des Zugangs – entnommen werden kann. Bei der Markierung von Gewebe ist neben einer guten Sichtbarkeit auch eine sichere Fixierung im Gewebe notwendig, damit die Markierung auch bis zur OP oder der Bestrahlung an der gewünschten Stelle verbleibt. Eine spezielle Oberfläche könnte sich hier positiv auswirken und vielleicht auch noch die Sichtbarkeit in anderen Untersuchungsmethoden, wie der Ultraschall-Bildgebung, verbessern.