Magnetresonanz Breitlinienbildgebung an halbfestem biologischem Gewebe, Polymeren und Dental-Compositen unter Verwendung der SPI-Pulssequenz

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurden erstmals systematisch MR-Messparameter (T2*) von harten biokompatiblen Materialien wie Kunststoffen, Dental-Compositen, und hartem Human-Gewebe (Zähne), die Standardmethoden der MRI nicht zugänglich sind, über Bildgebungsverfahren an einem 3 Tesla Ganzkörperscanner aufgenommen, und diese auf Korrelationen mit mechanischen Eigenschaften (Eindringmodul, Eindringhärte) untersucht. Eine derartige Zuordnung von MR-Messgrößen und mechanischen Parametern wäre die Basis für zerstörungsfreie Bildgebungsverfahren an Festkörpern, die, ohne die Anwendung ionisierender Strahlung und mit geringem Aufwand zur Probenpräparation, mechanische Eigenschaften ortsaufgelöst darstellen können ("Material-Property-Imaging"). Im Rahmen dieser Arbeit wurde ebenfalls systematisch für Kunststoffe unterschiedlicher Härte die erreichbare Ortsauflösung unter Nutzung des MTF- Konzeptes untersucht. MR Standard- Bildgebungsverfahren (Mit Detektionszeiten im Millisekundenbereich) sind für Aufnahmen an menschlichem Weichgewebe und sehr weichen Kunststoffen gut geeignet, nicht jedoch für kompaktes menschliches Gewebe und harte Polymere. Eine Visualisierung der in dieser Arbeit untersuchten Materialien mit transversalen Relaxationszeiten von ca. 400 us bis 34 us wurde möglich durch ein starkes, einschiebbares Gradientensystem (G=200mT/m), einen wasserstofffreien Resonator vom Typ "Birdcage" (Innendurchmesser 15mm), sowie die Verwendung der "Signle-Point-Imaging" Pulssequenz (SPI), die sehr kurze Detektionszeiten erlaubt (Mit dem einschiebbaren Gradientensystem bis zu 80 us bei einer Ortsauflösung von 0,75mm). Zur Bestimmung der mechanischen Parameter Eindringhärte und Einringmodul wurde ein IIT-System ("Instrumented-Indentation-Testing") verwendet.<br />Verschiedene homogene Polymerproben (amorphe und teilkristalline) wurden mit Ortsauflösungen unter 0,5mm visualisiert und ihnen eine T2*-Zeit zugeordnet. Die Visualisierbarkeit von Polyethylen, besonders jene von UHMWPE, das zur Herstellung von orthopädischen Implantaten verwendet wird, könnte für klinische Untersuchungen von Bedeutung sein. Eine direkte Korrelation der MR- Messgrösse T2* mit den Parametern der Härteprüfung zeigt sich für Materialgruppen, deren Eigenschaften sich geringfügig unterscheiden. Neben mechanischen Eigenschaften der Proben wurde im Rahmen dieser Arbeit auch ein Zusammenhang zwischen strukturellen Eigenschaften (Kristallinität) und der T2*-Zeit untersucht. Es findet sich eine lineare Korrelation der transversalen Relaxationszeit T2* und der Kristallinität einer Serie von Polyethylenproben.<br />In dieser Arbeit wurde ebenfalls das Aushärteverhalten des Dental- Composites Ceram-X mittels SPI und Härteprüfung untersucht. Es zeigt sich eine Abnahme der mechanischen Parameter mit zunehmender Dicke der Proben, und eine scharfe Grenze zwischen den gehärteten und den nicht gehärteten Bereichen. Über die SPI-Bilder konnte mit den verwendeten Geräten gehärtetes von nicht gehärtetem Material unterschieden werden. Neben Kunststoffen wurden ebenfalls biologische Proben am Beispiel des härtesten Gewebes im menschlichen Körper (dem Zahn) auf Ihre Visualisierbarkeit mit SPI-Sequenzen untersucht. Zahnmaterial kann strukturell in der klinischen MR-Routine sowohl von der geringeren Orts-Auflösung (1mm) als auch wegen des schnellen Signalzerfalls nicht bildlich erfasst werden. In dieser Arbeit konnten verschiedene Gewebe im menschlichen Zahn ex vivo kontastiert dargestellt werden, und es war möglich für diese T2*- Zeiten zu ermitteln, die zwischen ca. 200 us und 400 us liegen. Der Kontrast in den SPI- Bilder stammt vorwiegend von dem unterschiedlichen Wassergehalt der Gewebe. Kariöses Gewebe kann deshalb in SPI- Bilder sehr gut vom umliegenden Dentin unterschieden werden, auch im Inneren des Zahns (zu Beispiel unter Füllungen).