High-field magnetic resonance-based visualization of new polymer and resin materials for tissue mimicking phantoms

Abstract

Polymer or resin materials are widely used with reference to Magnetic Resonance Imaging (MRI). They are major constituents of phantom containers for Quality Control (QC) in quantitative MRI, and of tissue mimicking phantoms for educational purposes. Applications can also be extended to MR-guided radiation therapy (fixation devices for avoiding motion), and nuclear medicine (attenuation corrections for PET-MR). However, solid polymer materials usually cannot be visualized with MRI due to the very short signal relaxation. A new material manufacturing process for producing MR-visible solid polymers has been developed and patented by a team from the Medical University of Vienna. The technique is based on the embedding of micro-particles, which serve as an MR visible additive by absorbing a proton-rich fluid, with the potential of adjusting a wide range of MR contrast parameters. This thesis is the first systematic QC investigation of these newly manufactured materials with standard MRI. Visualizing and quantifying measurements were conducted at the High-Field-MR-Centre of the Medical University of Vienna. Full quality control on quantitative MRI parameter mapping T2/T2*, T1 and homogeneity of the samples were performed on a high-field 3T scanner. By properly selecting the type of liquid add-ons (oils, water), we achieve to create original materials with varying T1 and T2-values. The study of the impact of liquid add-on and concentration on T1, T2 allows direct modification and improvement of the manufacturing process. Moreover, to reach precise, repeatable and quick T1 mapping, three sequences are compared: Inversion Recovery (IR), Variable Flip Angle (VFA) and Progressive Saturation Recovery (PSR). The data post-processing is finally realized by multi-slice analysis, with routines not directly implemented in the MR-scanner software: removal of first echoes for avoiding stimulated echo MR-artefacts, 3-parameter regression analysis for more accurate T1 determination as well as the display of the regression curves together with the measurement data of single voxels. For the first time, the work performed within this master thesis demonstrates that by adjusting the types of add-ons, homogeneous polymer samples can be produced with a wide range of T1 values, between about 200 ms and 2000ms, and T2 values between 100 ms and 600 ms. The samples are also proved to be successfully 3D-printed, while keeping their MR-visibility. These results indicate the perspectives of the manufacturing method for the development of tissue specific phantoms, of quality control tools for MRI scanners, of fixation devices in radiation planning for radiation therapy, as well as for attenuation corrections of MR-PET scanners in nuclear medicine.

Polymer- oder Harzmaterialien werden in der Magnetresonanz-Tomographie (MRT) häufig verwendet. Sie sind Hauptbestandteile von Phantombehältern für die Qualitätskontrolle in der quantitativen MRT und von Gewebe-simulierenden Phantomen für Ausbildungszwecke. Die Anwendungen können auch auf die MR-geführte Strahlentherapie (Fixierungsvorrichtungen zur Vermeidung von Bewegungen) und die Nuklearmedizin (Abschwächungskorrekturen für PET-MR) ausgedehnt werden. Feste Polymer-Materialien können jedoch aufgrund des sehr schnellen Signalzerfalls (Relaxation) in der Regel nicht mit MRT sichtbar gemacht werden. Ein Team der Medizinischen Universität Wien hat ein neues Verfahren zur Herstellung von MR-sichtbaren festen Polymeren entwickelt und patentiert. Die Technik basiert auf der Einlagerung von Mikropartikeln, die durch die Absorption einer protonenreichen Flüssigkeit als MR-scihtbares Additiv dienen, mit der Möglichkeit zur Einstelung einer breiten Palette von MR-Kontrast-Kenngrößen.Diese Master Thesis ist die erste systematische QC-Untersuchung dieser neu hergestellten Materialien mit Standard-MRT. Visualisierende und quantifizierende Messungen wurden am Hochfeld-MR-Zentrum der Medizinischen Universität Wien durchgeführt. Die vollständige Qualitätskontrolle der quantitativen MRT-Parameter T2/T2*, T1 und Homogenität der Proben wurde auf einem 3T Hochfeld-MR Tomographen durchgeführt. Durch die richtige Auswahl der Art der Flüssigkeitszusätze (Öle, Wasser) können wir Originalmaterialien mit unterschiedlichen T1- und T2-Werten erzeugen. Die Untersuchung des Einflusses von Flüssigkeitszusatz und Konzentration auf T1 und T2 ermöglicht eine direkte Modifizierung und Verbesserung des Herstellungsprozesses. Um eine präzise, wiederholbare und schnelle T1-Bildgebung (T1-map) zu erreichen, wurden drei Sequenzen verglichen: die "Inversion Recovery" (IR), "Variable Flip Angle" (VFA und die "Progressive Saturation Recovery" (PSR) Sequenz. Die Nachbearbeitung der Daten erfolgt schließlich durch eine Multi-Schicht Analyse mit Routinen, die nicht direkt in der MR-Tomographen Software implementiert sind: Entfernung der ersten Echos zur Vermeidung von MR-Artefakten durch stimulierte Echos, 3-Parameter-Regressionsanalyse zur genaueren T1-Bestimmung, sowie der Anzeige der Regressionskurven zusammen mit den Daten von einzelnen Voxeln.Die im Rahmen dieser Masterarbeit durchgeführten Arbeiten zeigen erstmals, dass durch die Auswahl verschiedener Arten von Zusätzen homogene Polymer Proben mit einem grösseren Bereich von T1-Werten zwischen ca. 200 und 2000 ms und von T2-Werten zwischen ca. 100 und 600 ms hergestellt werden können. Die Proben lassen sich nachweislich auch erfolgreich im 3D-Druckverfahren herstellen, wobei ihre MR-Sichtbarkeit erhalten bleibt. Diese Ergebnisse unterstreichen die Perspektiven des Herstellungsverfahren für die Entwicklung gewebespezifischer Phantome, von Qualitätskontrollinstrumenten für MRT-Scanner, von Fixierungsvorrichtungen für die Strahlenplanung in der Strahlentherapie sowie für Abschwächungskorrekturen von MR-PET-Scannern in der Nuklearmedizin.