Assessment of specific absorption rate and temperature increase for anatomic sheep models due to 3 tesla MRI body coils

Abstract

3 Tesla üzeri Manyetik Rezonans (MR) görüntülemelerde kullanılan radyo-frekansı (RF) bobinlerinin sıcaklık etkileri tartışılan bir konu haline geldi. RF güvenirliğinden emin olmak için hastaya göre belirli tüm vücut özgül soğurma oranı (SAR) ve lokal SAR değerleri bulunuyor. Örneğin, tüm vücut ortalama SAR normal durumda bir operasyonda 2 W/kg, gözetim altında birinci seviye kontrol durumunda 4 W/kg olarak limitlenmiştir. Ancak, gerçekçi anatomik modellerle yapılan tam dalga elektromanyetik simülasyonlar, tüm vücut SAR değerleri korunsa dahi lokal SAR değerlerinin yüksek oranda aşıldığını göstermektedir. 30 yıldır kullanılan 1,5 Tesla MR cihazları için yapılan simülasyonlarda da aynı endişe verici sonuçlar görünmektedir ancak bu ısınmaya karşı bilinen bir kaza olmamıştır.Bu ikilemi koyun deneyleri ve simülasyonları yaparak açığa kavuşturmaya çalıştık. Öncelikle, yüksek çözünürlüklü bilgisayarlı tomografi görüntülerini kullanarak üç farklı seviyede anatomik koyun modeli oluşturduk. Ve elektromanyetik hesaplamalarda sonlu farklar zaman alanı yönetimini kullanan Sim4Life programı vasıtasıyla SAR sonuçları elde ettik. Sıcaklık sonuçlarını incelemek içinse iki farklı biyo-ısı çözücü kullandık. Bunlardan ilki, Penne'nin biyo-ısı transfer modelini (BHTM) temel olan bir çözücü idi. Diğeri ise BHTM'in vücut ısısı hesaplamalarına karşı yeni geliştirilen genelleştirilmiş biyoısı transfer modelini (GBHTM) temel alan bir çözücü idi. Ulusal manyetik rezonans araştırma merkezinde (UMRAM) yaptığımız koyun deneylerinde yaklaşık 2 W/kg SAR ile saatte 3 ile 6 °C sıcaklık artışı oldu ve buradan GBHTM sonuçlarının, deney sonuçlarına daha yakın çıktığını gözlemledik. İlerdeki çalışmalarda, elektromanyetik ve biyo-ısı çözücülerin temel hatalarında daha özenli çalışarak, geliştirmeyi planlıyoruz. Simülasyon ve deneylerimizi insan vücudunda da tekrar ederek bu ikilemi daha iyi açıklamaya çalışacağız.

There is an increasing public concern about hazardous heating effects of radio-frequency (RF) coils used in high-field (≥ 3 Tesla) magnetic resonance imaging (MRI). To ensure RF safety, the power delivered to patients is regulated by setting limits on the whole-body specific absorption rate (SAR) and local SAR. For example, whole-body average SAR is limited to 2 W/kg for volume coils in normal mode of operation and it is limited to 4 W/kg for the first-level controlled mode that requires medical supervision. However, full-wave electromagnetic simulations of realistic anatomic models show that it is possible to significantly exceed the local SAR limits even if the whole-body SAR is kept below the specified limits that stated for 3T. It is interesting that such worrisome results of simulations are also obtained for 1.5 Tesla scanners that have been used for about 30 years with no known incidents of burning due to excessive heating.To be able to explain such a dilemma, we consider computational analyses and in-vivo experiments with sheep. First, we constructed anatomic models of sheep with three levels of complexity from high-resolution computerized tomography images. Then, SAR results are obtained using the Sim4Life software, which uses the finite difference time domain method for electromagnetic calculations. Then, resulting temperature increase are obtained using two different bio-heat solvers. The first bio-heat solver is based on the classical Penne's bio-heat transfer model (BHTM). The second one is recently developed and is based on generalized bio-heat transfer model (GBTHM), which considers core-body heating that is ignored by BHTM. Indeed, our in-vivo experiments conducted in national magnetic resonance research center reveal that core-body temperatures do increase with a rate of 3 to 6 oC per hour for a SAR level of approximately 2 W/kg. Hence, we observe that GBHTM results are reasonably close to experimental outcomes. As a future work, we plan to elaborate on major error sources of both electromagnetic and bio-heat solvers and improve them. Then, we plan to repeat our computational analyses and in-vivo experiments on human body and explain the dilemma mentioned above.