Development of a magnetic-resonance-compatible torso motion phantom

Abstract

Die nicht-ionisierende medizinische Bildgebungsmethode der Magnetresonanztomographie (MRT), die auf der Wechselwirkung von Atomkernen in externen Magnetfeldern beruht, ist im Vergleich zu anderen medizinischen Bildgebungsverfahren relativ neu. Daher werden immer noch bedeutende Optimierungsfortschritte gemacht. Einer der Bereiche, in denen die Bildaufnahme und -qualität verbessert werden kann, ist die Artefaktreduktion. Die kritischsten qualitätsmindernden Artefakte für die medizinisch relevante Rumpfregion des Patienten sind die Bewegungsartefakte, die durch Atem- und Herzbewegungen entstehen können. Daher wird an Systemen zur Bewegungskorrektur und -verfolgung geforscht. Um diese Systeme besser entwickeln zu können, ist ein Testaufbau in Form eines MRT-kompatiblen Torso-Bewegungsphantoms dringend erforderlich. Mit diesem Versuchsaufbau können die Systeme ohne Patienten getestet und aufgrund der präzisen, bekannten und reproduzierbaren Bewegung kalibriert und validiert werden. Dieses Torso-Bewegungsphantom wurde in dieser Arbeit vollständig entwickelt und konstruiert und so weit wie in der vorgegebenen Zeit möglich hergestellt. Um möglichst vielen Bedürfnissen der unterschiedlichen interessierten Forschungsteams gerecht zu werden, wurde das Bewegungsphantom in Module unterteilt, die für jeden spezifischen Bedarf ausgetauscht oder angepasst werden können. Die größte Hürde, die es bei der Entwicklung des Bewegungsphantoms zu überwinden galt, war die Sicherstellung seiner MRT-Kompatibilität, was bedeutet, dass teilweise metallische Teile vermieden werden müssen, das in der Technik am häufigsten verwendete Material beim Bau eines Bewegungssystems. Deshalb wurden neue Herstellungsmethoden angewandt und in hohem Maße Polymere eingesetzt. Außerdem mussten Materialien mit annähernd physiologischen Relaxationszeiten verwendet werden, um optimale Bilder zu erhalten. Das Bewegungsphantom wurde in vier Hauptmodule unterteilt. Das Outer Shell Modul (äußere Hülle) schließt das gesamte Phantom in einer rippenkäfigartigen Acrylwasserhülle ein. Das Chest Motion Modul (Brustkorbbewegung) erzeugt die Heb- und Senkbewegung der Brust, die bei liegenden, atmenden Patienten auftritt. Das Abdominal Organ Bulk Modul (inneren Organe Hauptmasse) simuliert die Verschiebung der inneren Organe aufgrund der Lungenausdehnung und kann andere spezifische Organphantome aufnehmen. Zuletzt bewegt das Heart Motion Modul (Herzbewegung) ein Herzphantom mit der Herzschlagfrequenz, während es durch die Atembewegung der anderen Module verschoben wird. Hochentwickelte nichtmagnetische lineare piezoelektrische Motoren verschieben die Module Chest Motion und Abdominal Organ Bulk, während ein selbst hergestellter pneumatischer Polymerkolben das Modul Heart Motion betätigt. Die Bewegung dieses Phantoms wird zunächst für die Entwicklung eines Beat Pilot Tone Systems, zur Bewegungsverfolgung, verwendet. Dennoch sind weitere Modulanpassungen und Alternativen für zukünftige Studien bereits in Planung.

The non-ionizing medical imaging technique of magnetic resonance imaging (MRI), based on the behavior of nuclear magnetic moments in an external magnetic field, is relatively novel compared to other medical imaging methods. Therefore, significant optimization advances are still being made. One of the regions where image acquisition and quality can be improved is artifact reduction. The most critical quality-reducing artifacts for the vital torso region of the patient are the motion artifacts, typically generated by breathing and heart motion. Accordingly, motion correction and tracking systems are being researched. To better develop these systems, a testing setup in the form of an MRI-compatible torso motion phantom is highly needed. Through this setup, the systems can be tested without the need for patients, as well as calibrated and validated due to its precise known reproducible movement. This torso motion phantom was fully developed and designed in this thesis and manufactured as far as possible in the given time. In order to make the phantom as versatile and adaptable to various research interests as possible, a modular design was chosen. Each module features one type of motion and could be individually replaced or adjusted for specific needs in the future. The biggest hurdle to overcome while developing the motion phantom was securing its MRI compatibility, which partially means avoiding metallic parts, which is the most common material used in engineering when building a system with motion. Accordingly, new manufacturing methods were used, and polymers were heavily relied on. Furthermore, materials with approximate physiological relaxation times had to be implemented to get optimal images. The motion phantom was divided into four primary modules. The Outer Shell module confines the whole phantom in a ribcage-like acrylic water shell. The Chest Motion module created the chest wall elevation movement found in laying down breathing patients. The Abdominal Organ Bulk module, which simulates the organ shift due to pulmonary expansion, and can house other specific organ phantoms. Lastly, the Heart Motion module moves a heart phantom with the heartbeat frequency while being displaced by the breathing motion of the other modules. Sophisticated non-magnetic linear piezo stages displace the Chest Motion and Abdominal Organ Bulk modules, while a self-made polymer pneumatic piston actuates the Heart Motion module. The movement of this phantom will be first used for the development of a Beat Pilot Tone motion tracking system. Nevertheless, further module customization and alternatives are already being planned for future studies.