Investigation of the heating effect of MRI on the patients with metallic orthopedic implant materials

Abstract

Günümüzde ortopedi kliniklerinin çoğu hastalarının vücutlarında protezler veya implant malzemeler bulunmakta ve büyük diagnostik potansiyeli olmasına rağmen bu hastalara MRG tetkiki rahatlıkla yapılamamaktadır. Normal olarak bir metalin üzerindeki manyetik alan değişiyor ise, bu metalin üzerinde indüksiyon akımları oluşmaktadır. Oluşan bu akımlar metalin direnci üzerinde ısıya dönüşmektedir. Bu çalışmanın amacı MRG esnasında bu gibi hastalarda oluşabilecek sıcaklık artışı hakkında bilgi vermektir. Bu amaçla metal implante edilmiş insan vücudunun yerini tutması amacı ile polyacrylamıde jel'den oluşan ve içinde metalik implant malzeme bulunan bir fantom yapılmıştır. Bu fantom genellikle orthopedik hastalara uygulanan MRG protokolleri kullanılarak taranmıştır. Tetkikler sırasında oluşan sıcaklık değişimleri monitörize edilip, teorik olarak ısı dağılımının modellemesi yapılmıştır. Metal üzerinde indüksiyon akımlarının oluşumu temel olarak manyetik olan değişiminden kaynaklanmakta olup bu değişken manyetik alanın iki kaynağı sistemin Gradient ve RF üniteleridir. MRG sisteminin değişen gradient alanlarından ve RF sisteminden kaynaklanan bir ısı değişimi gözlenmiştir. Bu çalışmanın sonucunda şu anda kullanılmakta olan MR sistemlerinde stainless-steel metal implant malzemeli hastalarda oluşan ısı artışının çevre dokularda herhangi bir doku nekrozu'na sebebiyet vermeyecek boyutta olduğu saptanmıştır.

Keywords: Orthopaedic Implants, MRI, Eddy Currents. It is increasingly becoming common that orthopaedic patients are having implant materials in their body. On the other hand MRI with its potential diagnostic value can not be utilised well on the patients with metal implants due to potential hazardous interaction of metal and magnetic field. Normally, if a metal is facing a magnetic field change, there is the induction of eddy currents on the metal and the induced currents are being dissipated through the resistance of the metal, producing heat. The aim of this study is to investigate the temperature rise due to metal implant and MRI interaction. For this purpose we have prepared a phantom, which comprises a metallic implant embedded in polyacrylamide gel in order to simulate the human tissue and the implant material inside. This phantom is scanned under MRI using the common protocols for the orthopaedic patients. The temperature rise has been monitored during the scanning. A theoretical model of the heat dissipation has been established. Eddy current induction on metals is due to the change of magnetic field applied on the metal planes. There are two sources of magnetic field in MRI, the gradient field and the RF field. It has been observed that there is a temperature rise due to the gradient fields and the RF system of the MRI equipment. As a result of this study we showed that using present MR technology the amount of the temperature rise observed remains within the tolerable range not to cause tissue necrosis when the implant is made of stainless steel metal.