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Bei der Anwendung von Magnetresonanzverfahren am Menschen besteht ein si-cherheitsrelevanter Effekt in der Erwärmung des Körpers aufgrund der eingestrahl-ten elektromagnetischen Hochfrequenz-(HF-)Felder. Um die thermische Belastungdes Patienten während der MR-Untersuchung und das daraus resultierende Risikoauf ein tolerierbares Maß zu begrenzen, wurden von der International Electrotech-nical Commission (IEC) Begrenzungen für die spezifische Absorptionsrate (SAR) fürverschiedene Körperregionen festgelegt. Ziel der vorliegenden Übersichtsarbeit istes, die zum Verständnis der Thematik erforderlichen physikalischen und biologi-schen Grundlagen kurz zusammenzufassen und die daraus resultierenden Regelun-gen des gerade revidierten IEC-Standards vorzustellen. Darüber hinaus werden Mög-lichkeiten zur Optimierung von Untersuchungsprotokollen aufgezeigt, die sich ausder Tatsache ergeben, dass sich die SAR-Begrenzungen des IEC–Standards nicht aufeinzelne MR-Sequenzen beziehen, sondern auf das Maximum des gleitenden SAR-Mittelwertes, der über ein Zeitintervall von 6 min zu bilden ist.

Ein wesentlicher sicherheitsrelevanter Effekt bei der Anwendung magnetischerResonanzverfahren in der medizinischen Diagnostik ist die Erwärmung des Gewebesaufgrund der zur Anregung des Spinsystems eingestrahlten elektromagnetischenHochfrequenz-(HF-)Felder [15, 20]. Ursache hierfür sind induzierte elektrische Ge-webeströme, die infolge des elektrischen Widerstandes der Gewebe zu einer Ener-giedeposition und damit zu einer Erwärmung führen. Die im Körper pro Masse undZeit dissipierte Energie wird als � spezifische Absorptionsrate (SAR in W/kg) be-zeichnet. Die für die Beurteilung der physiologischen Wirkung von HF-Feldern rele-vante Größe ist die Temperaturerhöhung im Gewebe, die nicht nur von der lokalenLeistungsabsorption und der Expositionsdauer abhängig ist, sondern auch von derWärmeleitung und Perfusion. Die beiden zuletzt genannten Faktoren führen bei ei-ner regionalen Erwärmung zu einem raschen Temperaturausgleich im Körper [2].

Im Gegensatz zu den inzwischen sehr detailliert ausgearbeiteten und zumindestauf europäischer Ebene weitgehend harmonisierten Richtlinien zum Strahlenschutzbei der Anwendung ionisierender Strahlung in der Medizin, konnten für MR-Anwen-dungen bislang noch keine international einheitlichen Schutzkonzepte formuliertwerden. In Deutschland sind derzeit 2 Empfehlungen von Bedeutung, nämlich dieEmpfehlung der deutschen � Strahlenschutzkommission (SSK, [22]) zur „Vermei-dung gesundheitlicher Risiken bei der Anwendung magnetischer Resonanzverfah-ren in der medizinischen Diagnostik“ sowie der technische Standard der � Interna-tional Electrotechnical Commission (IEC 60601–2-33 Ed. 2 [10]). Für den Radiolo-gen ist dies insofern problematisch, als die beiden Empfehlungen zwar hinsichtlich

HF-Felder führen zu einer Erwärmung

des Gewebes und stellen einen sicher-

heitsrelevanten Effekt bei der MRT dar

�Spezifische Absorptionsrate

Bislang gibt es keine international

abgestimmten MR-Empfehlungen

�Strahlenschutzkommission

� International ElectrotechnicalCommission

Radiologe2002 · 42:51–61 © Springer-Verlag 2002

Priv.-Doz. Dr. Gunnar BrixInstitut für Strahlenhygiene, Abteilung für Medizinische Strahlenhygiene, Bundesamt für Strahlenschutz,

Ingolstädter Landstraße 1, 85764 Neuherberg, E-Mail: gbrix@bfs.de

G. Brix · O. Schulz · J. GriebelInstitut für Strahlenhygiene, Abteilung für Medizinische Strahlenhygiene,

Bundesamt für Strahlenschutz, Neuherberg

Begrenzung derHF-Exposition von Patientenbei MR-Untersuchungen

Redaktion

S. Feuerbach, Regensburg

G. van Kaick, Heidelberg

K.G. Hering, Dortmund

W. Reith, Homburg/Saar

P. Reimer, Karlsruhe

Die Beiträge der Rubrik „Weiter- und Fort-

bildung“ sollen dem Facharzt als Repetitorium

dienen und dem Wissenstand der Facharzt-

prüfung für den Arzt in Weiterbildung

entsprechen. Die Rubrik beschränkt sich auf

gesicherte Aussagen zum Thema.

der Basiswerte,d.h.der maximal zulässigen Temperaturerhöhungen im Körper,über-einstimmen, bezüglich der daraus abgeleiteten Begrenzungen für die spezifische Ab-sorptionsraten aber deutlich – bis zu einem Faktor 2 – differieren.

Ziel der vorliegenden Übersichtsarbeit ist es,1. die zum Verständnis der Thematik erforderlichen physikalischen und

biologischen Grundlagen zusammenzufassen,2. die aktuellen Regelungen des IEC-Standards bzgl. der Begrenzung der

HF-Exposition von Patienten vorzustellen und3. exemplarisch Möglichkeiten zur Optimierung von Untersuchungsprotokollen

in der klinischen Routine aufzuzeigen.

Die Beschränkung der Diskussion auf den IEC-Standard ergibt sich hierbei aus derTatsache, dass die revidierte Fassung dieses Standards bereits verabschiedet wurdeund Ende 2001 in Kraft tritt, während die Überarbeitung der MR-Empfehlung derSSK, in deren Verlauf es vermutlich ebenfalls zu einer Neubewertung der HF-Expo-sition kommen wird, noch nicht abgeschlossen ist. Darüber hinaus basieren die her-stellerseits an MR-Systemen implementierten Monitorsysteme auf dem IEC-Stan-dard und gewährleisten seine Einhaltung.

Physikalische Grundlagen

Die für die Anregung des Spinsystems in der MR verwendeten elektromagnetischenHF-Impulse haben typischerweise Trägerfrequenzen im � Frequenzbereich zwischen10 und 85 MHz. In diesem Bereich liegt die elektrische Leitfähigkeit der Zellmembranin derselben Größenordnung wie diejenige der extra- und intrazellulären Flüssigkeit.Da sich infolgedessen keine nennenswerten Potenzialdifferenzen über die Membranausbilden,spielen Reizwirkungen bei den in der MRT verwendeten HF-Impulsen kei-ne Rolle.Die wesentliche biophysikalische Wirkung ist statt dessen die � Erwärmungdes Gewebes infolge der Absorption der elektromagnetischen Felder im Gewebe. Dadie Erwärmung des Gewebes nicht direkt gemessen und überwacht werden kann,wirdals Maß für die HF-Exposition die spezifische Absorptionsrate,d.h.die pro Masse undZeit im Körper dissipierte Energie verwendet.Eine besondere Problematik ergibt sichbei der MRT aus der Tatsache, dass die Wellenlänge der verwendeten HF-Felder imdm- und m-Bereich liegt und damit typischen Größenordnungen des menschlichenKörpers entspricht. Wie Modellrechnungen gezeigt haben, kann die HF-Absorptionin diesem so genannten Resonanzbereich besonders hoch sein [12].

Vernachlässigt man alle Prozesse, die zu einer Wärmereduktion im exponiertenGewebe führen, kann aus der zeitlich gemittelten spezifischen Absorptionsrate S–A–R– ,der spezifischen Wärmekapazität cp und der Dauer der Exposition tExpo die � loka-le Temperaturerhöhung

∆ϑ =tExpo

cp· S–A–R– (1)

abgeschätzt werden. Geht man von einem Wert von cp≈3500 J kg–1 K–1 für biologischeGewebe aus [9], ergibt sich bei einer mittleren SAR von 1 W/kg ein Temperaturanstiegvon etwa 1°C nach einer Expositionsdauer von 1 h. Der gleiche Temperaturanstieg er-gibt sich bei einer Exposition mit 4 W/kg bereits nach 15 min.Aufgrund von Tempe-raturausgleichsprozessen werden diese Worst-Case-Werte bei Patientenuntersuchun-gen allerdings bei weitem nicht erreicht (s. u.).

Um den Einfluss der verschiedenen Sequenz- und Aufnahmeparameter auf dieHF-Exposition von Patienten bei MR-Untersuchungen zu diskutieren, betrachten wireine einfache MR-Sequenz mit nur einem einzigen HF-Impuls (z. B. eine 2D- oder 3D-FLASH-Sequenz). In diesem Fall besteht zwischen der zeitlich gemittelten SAR undden relevanten Parametern die einfache Beziehung [7].

S–A–R–∝B20 ·α2 ·

tp

TR· NS, (2)

wobei B0 die magnetische Flussdichte des statischen Magnetfeldes ist,α der Drehwin-kel des HF-Impulses mit der Impulslänge tP,TR die Repetitionszeit der Sequenz bzw.des

�Frequenzbereich

Reizwirkungen spielen keine Rolle

�Erwärmung des Gewebes

Als Maß für die HF-Exposition

des Gewebes wird die SAR verwendet

Bei Vernachlässigung von thermischen

Austauschprozessen ergeben sich Worst-

Case-Werte für den Temperaturanstieg

�Lokale Temperaturerhöhung

Der SAR-Werte einer Sequenz hängt von

verschiedenen Sequenzparametern ab

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Impulses und NS die Anzahl der untersuchten Schichten (Ns=1 bei 3D-Sequenzen).Wirdeine komplexere Sequenz mit mehreren HF-Impulsen eingesetzt, wie z. B. eine Spin-Echo- oder Turbo-Spin-Echo-Sequenz, ist über die nach Gl.(2) gegebenen Beiträge dereinzelnen Impulse zur HF-Exposition zu summieren. Die spezifische Absorptionsrateist also proportional zum Quadrat des � statischen Magnetfeldes B0, sodass die Ener-gieabsorption bei Hochfeldsystemen deutlich höher ist als bei Niederfeldsystemen.Sieist ebenfalls proportional zum Quadrat des � Pulswinkels α. Daraus ergibt sich insbe-sondere, dass Sequenzen mit 180o-Impulsen (wie z. B. Spin-Echo- oder Turbo-Spin-Echo-Sequenzen) zu einer deutlich höheren HF-Exposition führen als Sequenzen, dieHF-Impulse mit kleinen Anregungswinkeln verwenden (wie z. B. Gradienten-Echo-Sequenzen).Wie Gl. (2) verdeutlicht, ist die zeitlich gemittelte spezifische Absorptions-rate darüber hinaus proportional zum so genannten � Duty-Cycle tp/TR der Sequenz,d. h. zum Verhältnis zwischen der Dauer des HF-Impulses tp, während der die HF-Ex-position erfolgt, und dem zeitlichen Abstand zwischen 2 aufeinander folgenden Im-pulsen TR. Werden bei der Anwendung von 2D-Sequenzen innerhalb der vorgegebenenRepetitionszeit – zeitlich etwas versetzt – Spins in benachbarten Schichten angeregtund die resultierenden Kernresonanzsignale ortskodiert detektiert (Mehrschichttech-nik [4]), erhöht sich der Duty-Cycle und damit – wie in Gl. 2 berücksichtigt – die mitt-lere SAR proportional zur � Schichtanzahl NS.

Biologische und andere sicherheitsrelevante Wirkungenvon HF-Feldern

Die Kenntnisse über die biologischen Wirkungen einer HF-Exposition stammenüberwiegend aus tierexperimentelle Untersuchungen (Übersichten in [8, 11, 13, 24]).Eine quantitative Übertragung der Ergebnisse auf den Menschen ist allerdings selbstbei Ergebnissen, die an Primaten gewonnen wurden, schwierig, da die thermoregu-latorische Reaktion von Art zu Art unterschiedlich ausfällt [24]. Darüber hinaus istder Grundstoffwechsel der meisten Versuchstiere um ein Vielfaches höher als der desMenschen.

An Nagetieren und Primaten wurden � Schwellenwerte für thermoregulatori-sche Reaktionen bei SAR-Werten von 0,3–3 W/kg ermittelt [24]. Hierzu zählen Gefäß-erweiterungen, Schwitzen und Verhaltensweisen zur Minimierung der Wärmebela-stung. Diese Reaktionen reflektieren normale Ausgleichsvorgänge bei einer leicht er-höhten Wärmebelastung.

Bei einer Erhöhung der Körpertemperatur der Versuchstiere um mehr als 1°Cwurden vielfältige akute, reversible biologische Reaktionen nachgewiesen: Nebenkardiovaskulären Reaktionen wurden Veränderungen im Hormon-, Immun- und hä-matopoetischen System sowie von neuronalen und neuromuskulären Funktionenbeobachtet [8, 11, 24].� Störungen bei der embryonalen Entwicklung zeigten sich abeiner Erhöhung der Körpertemperatur der Mutter um mehr als 1°C, wobei die tera-togene Wirksamkeit von der Höhe und Dauer der Erwärmung abhängig war [24]. Beieiner systemischen Hyperthermie der Muttertiere wurden für kleine SäugetiereSchwellenwerte für Fehlbildungen zwischen 2,5 und 5°C ermittelt [11]. Expositionenunterhalb von 4 W/kg haben in der Regel keine teratogenen Wirkungen [13].

Zusammenfassend ist festzustellen, dass tierexperimentelle Untersuchungen anNagern und nichthumanen Primaten eine Vielzahl von Gewebeveränderungen durchhochfrequente Felder aufgezeigt haben, die auf eine Teil- oder eine Ganzkörperer-wärmung um mehr als 1–2°C zurückzuführen sind. Obwohl die Sensitivität verschie-dener Gewebearten gegenüber thermischen Schädigungen sehr unterschiedlich ist,liegt die Schwelle für irreversible Gewebeschäden aber selbst für die empfindlichstenGewebe unter normalen Umgebungsbedingungen bei über 4 W/kg [8, 24].

Für � gesunde Versuchspersonen haben experimentelle Studien (Übersichten in[19, 20]) sowie Simulationsrechnungen [1] ergeben, dass HF-Expositionen über20–30 min mit Ganzkörper-SAR-Werten von bis zu 4 W/kg einen Anstieg der durch-schnittlichen Körpertemperatur zwischen 0,1 und 0,6°C bewirken. Diese Temperatur-erhöhungen führten zu den erwarteten thermoregulatorischen Antworten wie leich-te Veränderung des Blutdrucks, erhöhte Respiration und Schwitzen, die für den ge-sunden Menschen keinerlei gesundheitliches Risiko darstellen [8, 20, 23, 24]. In einerweiteren Studie wurde die thermische und physiologische Reaktion von gesunden

�Statisches Magnetfeld

�Pulswinkel

�Duty-Cycle

�Schichtanzahl

�Schwellenwerte für thermo-regulatorische Reaktionen

Bei einer Temperaturerhöhung um

mehr als 1°C treten vielfältige reversible

Reaktionen auf

�Störungen der embryonalenEntwicklung

Eine HF-Exposition mit SAR-Werten

unter 4 W/kg hat in der Regel keine

teratogenen Wirkungen

Die Schwelle für irreversible

Gewebeschäden liegt über 4 W/kg

�Gesunde Versuchspersonen

Längere Ganzkörperexpositionen

mit SAR-Werten von bis zu 4 W/kg

führen zu einem Temperaturanstieg

zwischen 0,1 und 0,6°C

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Probanden bei einer MR-Untersuchung mit einem Ganzkörper-SAR-Wert von6,0 W/kg über 16 min untersucht. Dabei wurden deutliche Erhöhungen der Herzfre-quenz, des systolischen Blutdrucks und der an verschiedenen Körperregionen ge-messenen Temperatur nachgewiesen. Die beobachteten Veränderungen lagen jedochinnerhalb eines Bereiches, der von Personen mit einer normalen Thermoregulationtoleriert wird [18].

Eine Übertragung dieser in der Regel an jungen, gesunden Probanden ermittel-ten Ergebnisse auf Personen mit eingeschränkter Thermoregulation ist allerdingsschwierig. Zu beachten ist hierbei insbesondere die eingeschränkte Wärmetoleranzvon älteren und fettleibigen Personen, von Säuglingen sowie von Personen mit Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Bluthochdruck und Diabetes [20]. Unter der Annahme ei-ner um 40% verschlechterten Durchblutung ergaben Modellrechnungen eine Erhö-hung der Kerntemperatur um 1°C nach einer 60-minütigen HF-Exposition bei einemGanzkörper-SAR-Wert von 4 W/kg und einer Raumtemperatur von 19°C bzw. bei ei-nem Ganzkörper-SAR-Wert von 3 W/kg bei einer Raumtemperatur von 25°C [14].

Die Folgen einer HF-Exposition hängen davon ab, ob der ganze Körper, be-stimmte � Teilkörperbereiche (z. B. Kopf, Rumpf, Extremitäten) oder nur kleinereGewebevolumina exponiert werden.Aufgrund von Temperaturausgleichsprozessenist die Toleranz gegenüber lokalen Energieabsorptionen wesentlich höher. Typische� Ausgleichszeiten liegen bei der Erwärmung von Teilkörperregionen etwa zwi-schen 0,3 und 30 min [6]. Für beruflich exponierte Personen wurden für den relevan-ten Frequenzbereich Grenzwerte für die lokale SAR (gemittelt über eine Gewebe-masse von 10 g) von 10 W/kg für Kopf und Rumpf sowie von 20 W/kg für die Extre-mitäten empfohlen [8, 24]. Die entsprechenden Grenzwerte für die HF-Expositionder Normalbevölkerung liegen um den Faktor 5 niedriger. Nach Berechnungen vonAthey [3] erhöht sich die Temperatur des Auges, das aufgrund seiner geringenDurchblutung besonders wärmeempfindlich ist, bei einer einstündigen Expositionum kaum mehr als 1,6°C, wenn der über den Kopf gemittelte SAR-Wert 3 W/kg be-trägt. Die Grenze für die Kataraktbildung liegt oberhalb von 41°C [20].

Bei der MR-Untersuchung von Patienten mit metallischen Implantaten und Ein-schlüssen ist darüber hinaus zu beachten, dass durch die bei der MRT verwendetenHF-Pulse elektrische Ströme induziert werden,die zu einer kritischen Erwärmung so-wohl des leitfähigen Metalls als auch des umgebenden Gewebes führen können. Be-sonders zu beachten ist dieses Gefahrenpotenzial bei leitenden � Kathetern, Dräh-ten oder Kabeln, die z. B. nach einer Operation am offenen Herzen oder nach Explan-tation eines Herzschrittmachers im Epi- bzw. Myokard verblieben sind. ThermischeWirkungen bis hin zu Verbrennungen können auch durch leitende Materialien außer-halb des Körpers des Patienten verursacht werden, z. B. durch nicht vorschriftsmäßigverlegte EKG- und Spulenkabel, sowie unter ungünstigen Bedingungen an fokalenKontaktpunkten der Extremitäten.

Begrenzung der HF-Exposition nach dem revidierten IEC-Standard

Basierend auf den im vorangegangenen Abschnitt diskutierten Studien und Bewertun-gen wurde von der IEC ein revidierter technischer Standard erarbeitet, dessen detail-lierte Regelungen von der medizintechnischen Industrie verbindlich umgesetzt werden.

Bei Personen mit eingeschränkter

Thermoregulation ist besondere Vorsicht

geboten

�Teilkörperbereiche

�Ausgleichszeiten

Im Kopfbereich limitiert das Auge

aufgrund seiner geringen Durchblutung

die HF-Exposition

In der Umgebung von Implantaten

und metallischen Einschlüssen kann

es zu einer kritischen Erwärmung des

Gewebes kommen

�Katheter, Drähte, Kabel

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Tabelle 1Temperaturbegrenzungen nach dem IEC-Standard [10]

Erhöhung der Lokale TemperaturbegrenzungenKörperkern-temperatur (°C) Kopf (°C) Rumpf (°C) Extremitäten (°C)

Bestimmungsgemäße Betriebsart 0,5 38 39 40Kontrollierte Betriebsart erste Stufe 1 38 39 40Kontrollierte Betriebsart zweite Stufe >1 >38 >39 >40

Das Grundkonzept des IEC-Standards beruht auf der Unterscheidung der 3 fol-genden Betriebsarten des MR-Systems:

Bestimmungsgemäße Betriebsart: alle Expositionsparameter liegen unterhalbder Grenzen, ab denen bei Patienten physiologischer Stress auftreten kann. Es ist nureine routinemäßige Überwachung der Patienten (verbaler und visueller Kontakt) er-forderlich.

Kontrollierte Betriebsart erste Stufe: Mindestens ein Expositionsparameter liegtin einem Bereich, in dem bei Patienten physiologischer Stress hervorgerufen werdenkann. Dementsprechend ist vor der MR-Untersuchung eine positive Abwägung vonNutzen und Risiko für den jeweiligen Patienten „durch einen qualifizierten Arzt odereine Entscheidung durch einen qualifizierten Vertreter des Arztes anhand von ob-jektiven Kriterien, die vom qualifizierten Arzt festgelegt wurden“, notwendig. Desweiteren ist eine medizinische Aufsicht des Patienten während der MR-Untersuchungerforderlich, die eine apparative Überwachung von physiologischen Parametern (z. B.Herzfrequenz, EKG, Blutdruck, Blutsauerstoff) umfassen kann.

Kontrollierte Betriebsart zweite Stufe: Mindestens ein Expositionsparameterliegt in einem Bereich, in dem für den Patienten ein erhebliches Risiko bestehen kann.Neben der medizinischen Aufsicht ist ein positives Votum einer Ethikkommissionfür die Durchführung der Untersuchung erforderlich.

Die für diese 3 Betriebsarten festgelegten Temperatur- und SAR-Begrenzungensind in den Tabellen 1 bzw. 2 zusammengefasst. Dabei beziehen sich die � Ganz-und Teilkörper-SAR-Werte auf den Fall, dass für die Anregung des Spinsystems ei-ne � Volumenspule (Ganzkörper-, Kopf- oder Teilkörperspule, die ein homogenes

�Ganz- und Teilkörper-SAR-Werte �Volumenspule

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Abb.1a–c � Erstes Beispiel zur Optimierung eines MR-Untersuchungsproto-kolls. Die Balken charakterisieren die Dauer und die spezifische Absorpti-onsrate der 5 verwendeten Sequenzen, während die gestrichelten Kurvenden über ein Zeitintervall von 6 min berechneten gleitenden SAR-Mittel-wert angeben. Während das in a schematisch dargestellte Protokoll nichtangewendet werden darf, da der gleitende SAR-Mittelwert den Grenzwertfür die Ganzkörperexposition von 4 W/kg überschreitet, sind die beiden mo-difizierten Protokolle zulässig. b Halbierung der HF-Exposition des Patien-ten durch Halbierung der Schichtanzahl der High-Power-Sequenz und nach-folgende Akquisition der fehlenden Bilder durch erneute Anwendung derSequenz. c Verlängerung der Messpausen vor und nach der High-Power-Sequenz um jeweils 1 min

HF-Feld in der zu untersuchenden Körperregion erzeugt) verwendet wird. Für alleanderen Sendespulen, wie z. B. � Oberflächenspulen für spektroskopische MR-Un-tersuchungen, gelten die in Tabelle 2 angegebenen � lokalen SAR-Werte. Die in Ta-belle 2 definierten Teilkörper-SAR-Werte skalieren dynamisch mit dem Verhältnisr zwischen der Masse der exponierten Körperregion und der Gesamtmasse des Pa-tienten. Für r→1 nähern sich die Teil- den korrespondierenden Ganzkörperwertenan, für r→0 dagegen den lokalen Werten. Entgegen einer bei MR-Anwendern weitverbreiteten Meinung beziehen sich die SAR-Begrenzungen nach dem IEC-Stan-dard nicht auf einzelne MR-Sequenzen, sondern auf den gleitenden SAR-Mittelwertüber ein Zeitintervall von 6 min. Zur Bestimmung � gleitenden SAR-Mittelwerteswird zu jedem Zeitpunkt über die SAR-Werte in den vorangegangenen 6 min ge-mittelt.

Besonders zu betonen ist, dass die MR-Untersuchung von Patienten mit Implan-taten oder metallischen Einschlüssen auch bei Einhaltung der diskutierten Richt-oder Grenzwerte stets mit einem Gefährdungspotenzial verbunden ist, das nur durcheine sorgfältige Befragung der Patienten, das Studium der Patientenunterlagen undRückfragen bei Herstellern oder behandelnden Ärzten eingeschränkt werden kann.Aus diesem Grund ist vor jeder Untersuchung von Risikopatienten der mögliche Ge-fährdungsgrad sorgfältig mit dem zu erwartenden diagnostischen Nutzen abzuwä-gen. Informationen über die � MR-Verträglichkeit vieler gängiger Implantate sindu. a. Ref. [21] zu entnehmen. Schwieriger ist die Situation bei metallischen Einschlüs-sen wie Splittern oder Kugeln zu beurteilen, über deren Material meist wenig bekanntist. Im Zweifelsfall sollten MR-Untersuchungen bei diesen Patienten nicht durchge-führt werden. Strominduzierte Verbrennungen an � fokalen Kontaktpunkten derExtremitäten lassen sich dagegen relativ einfach vermeiden, indem ein Kontakt zwi-schen den Extremitäten, z. B. durch Schaumstoffkissen, verhindert wird.

Optimierung von Untersuchungsprotokollen

Die Relevanz der im IEC-Standard vorgesehen Mittelwertbildung über ein Zeitinter-vall von 6 min für Patientenuntersuchungen in der klinischen Routine wird deutlich,wenn man die Ergebnisse einer Auswertung von ca. 600 Patientenuntersuchungen an1,5-Tesla-MR-Systemen beachtet, in deren Verlauf etwa 7900 MR-Sequenzen eingesetztwerden [5].Wie die in Tabelle 3 zusammengestellten Ergebnisse zeigen, ist die mittle-re Messdauer von MR-Sequenzen mit 1,6 min deutlich kürzer als das für die Berech-nung der gleitenden SAR-Mittelwerte zugrundegelegte Zeitintervall von 6 min undentspricht in etwa der mittleren Länge der �Messpausen zwischen den einzelnen Se-

�Oberflächenspulen �Lokale SAR-Werte

Teilkörper-SAR-Werte sind vom Verhältnis

zwischen exponierter Körpermasse und

Gesamtmasse des Patienten abhängig

�Gleitender SAR-Mittelwert

Die Einhaltung von SAR-Grenzwerten

schließt bei Patienten mit Implantaten

und metallischen Einschlüssen eine

Gefährdung nicht aus

�MR-Verträglichkeit

�Fokale Kontaktpunkte

Die Messdauer von MR-Sequenzen liegt

meist unter 6 min, sodass der gleitende

SAR-Mittelwert deutlich niedriger ist als

der maximale SAR-Wert einer Sequenz

�Messpausen

| Der Radiologe 1•200256

Tabelle 2Begrenzung von SAR-Werten bei Patientenuntersuchungen nach dem revidierten IEC-Standard [10]. Die angegebenenWerte gelten für eine Umgebungstemperatur von weniger als 24°C

Mittelungszeit: 6 min

Ganzkörper- Teilkörper-SAR (W/kg) Lokale SAR (gemittelt über 10 g Gewebe) (W/kg)SAR (W/kg)

Körperregion Ganzkörper Jede, mit Ausnahme Kopf Kopf Rumpf Extremitätendes Kopfes

BetriebsartBestimmungsgemäße Betriebsart 2 2–10a 3,2 10b 10 20Kontrollierte Betriebsart erste Stufe 4 4–10a 3,2 10b 10 20Kontrollierte Betriebsart zweite Stufe >4 >(2–10)a >3,2 10b >10 >20Kurzzeit-SAR Über eine Zeitspanne von 10 s gemittelte SAR-Werte dürfen das Dreifache der korrespondierenden

SAR-Begrenzungen nicht überschreiten

aDie Teilkörper-SAR-Werte SARTK skalieren dynamisch mit dem Verhältnis r zwischen exponierter Masse und Gesamtmasse des Patienten: BetriebsgemäßeBetriebsart: SARTK = (10–8.r) W/kg. Kontrollierte Betriebsart erste Stufe: SARTK = (10–6.r) W/kg. bBefindet sich ein Auge im sensitiven Volumen einer kleinenOberflächenspule, ist sicherzustellen, dass der Temperaturanstieg auf 1°C begrenzt ist

quenzen von 1,5 min. Dementsprechend führt die Berechnung von gleitenden SAR-Werten zu einer deutlichen Reduktion der maximalen Ganz- und Teilkörper-SAR-Werte,sodass in der klinischen Routine durchaus Sequenzen angewendet werden kön-nen,deren SAR-Werte oberhalb der in Tabelle 2 angegebenen Grenzen liegen,wenn dieMesszeit deutlich unter 6 min liegt und wenn vor und/oder nach der � High-Power-Sequenz entweder Untersuchungspausen eingelegt oder aber Sequenzen eingesetztwerden,die nur zu einer geringen Leistungsabsorption führen (z.B.Gradienten-Echo-Sequenzen).

Die praktische Bedeutung dieser Überlegungen hinsichtlich der � Optimierungvon Untersuchungsprotokollen soll im Folgenden an 2 Beispielen gezeigt werden.Konkret betrachten wir 2 klinisch indizierte Patientenuntersuchungen in der kon-trollierten Betriebsart erste Stufe, bei denen der Ganzkörper-SAR-Wert von 4 W/kgnicht überschritten werden darf (vgl. Tabelle 2). Der Einfachheit halber nehmen wirferner an, dass für die Bildrekonstruktion nach der Akquisition der Rohdaten einerSequenz und der Abstimmung der Messparameter für die nachfolgende Messung je-weils 1 min erforderlich ist.

Im ersten Fall handelt es sich um die Untersuchung eines Patienten mit dem inAbb. 1a schematisch dargestellten Protokoll. Von den 5 Sequenzen führt eine Mehr-schichtsequenz mit einer Akquisitionszeit von 3 min zu einem hohen Ganzkörper-SAR-Wert von 7,0 W/kg. Die Berechnung des gleitenden SAR-Mittelwertes ergibt ei-nen Maximalwert von 4,6 W/kg, sodass das Protokoll nicht wie beabsichtigt reali-siert werden kann. Der bislang übliche Lösungsansatz ist in Abb. 1b dargestellt, näm-

�High-Power-Sequenz

�Optimierung von Untersuchungs-protokollen

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Abb. 2a–c � Zweites Beispiel zur Optimierung eines MR-Untersuchungs-protokolls. Während das in a skizzierte Protokoll nicht angewendet darf,da der gleitende SAR-Mittelwert den Grenzwert für die Ganzkörperexpo-sition von 4 W/kg überschreitet, sind die beiden modifizierten Protokollezulässig. b Verlängerung der Pause zwischen den beiden High-Power-Sequenzen auf 3 min. c Vertauschung der 3. und 4. Sequenzen

lich die Halbierung der Schichtanzahl (wodurch der SAR-Wert der Sequenz nach Gl.(2) ebenfalls halbiert wird) mit nachfolgender Wiederholung der Sequenz, um Bilderaus den verbleibenden Schichten zu akquirieren.Wie Abb. 1c veranschaulicht, bestehtein alternativer Ansatz darin, die Pausen vor und nach der High-Power-Sequenz umjeweils 1 min zu verlängern.

Als zweites Beispiel betrachten wir das in Abb. 2a dargestellte Untersuchungs-protokoll mit insgesamt 6 Sequenzen. Zwei dieser Sequenzen mit einer Akquisitions-dauer von jeweils 2 min haben einen Ganzkörper-SAR-Wert von 6,0 bzw. 8,0 W/kg.Auch dieses Protokoll kann nicht wie geplant angewendet werden, da das Maximumdes gleitenden SAR-Mittelwertes bei 4,7 W/kg liegt. Eine mit dem IEC-Standard kon-forme Modifikation des Protokolls besteht in der Verlängerung der Pause zwischenden beiden High-Power-Sequenzen von 1 auf 3 min, was nach Abb. 2b zu gleitendenSAR-Mittelwerten unter 4 W/kg führt. Es besteht allerdings noch eine weitere Mög-lichkeit der Modifikation des Untersuchungsprotokolls, die im Gegensatz zur erstenLösung mit keiner Verlängerung der Untersuchungszeit verknüpft ist, nämlich derVertauschung der 3. und 4. Sequenzen. Wie Abb. 2c belegt, wird der Grenzwert von4 W/kg auch in diesem Fall unterschritten.

Die beiden Beispiele verdeutlichen,dass eine Reduktion der SAR-Werte unter dieWerte der Tabelle 2 nicht nur durch eine Modifikation der Sequenzparameter – wie z.B.einer Verlängerung der Repetitionszeit oder einer Reduktion der Schichtanzahl – er-reicht werden kann, sondern auch durch eine gezielte Optimierung des Untersu-chungsprotokolls.Voraussetzung ist allerdings,dass der im MR-System implementier-te � SAR-Monitor zur Überwachung der HF-Exposition,den Vorgaben des IEC-Stan-dards entsprechend,die über ein Zeitintervall von 6 min berechneten gleitenden SAR-Mittelwerte mit den Grenzwerten vergleicht und nicht – wie bislang an vielen MR-Sy-stemen üblich – direkt die für die einzelnen Sequenzen ermittelten SAR-Werte. Be-grenzt wird dieser Optimierungsprozess nur durch die Forderung des IEC-Standards,dass die über ein Zeitintervall von 10 s gemittelten SAR-Werte das 3fache der korre-spondierenden SAR-Begrenzungen nicht überschreiten dürfen (vgl. Tabelle 2).

Fazit

Da die HF-Exposition bei MR-Untersuchungen und die daraus resultierende Tem-peraturerhöhung im Gewebe zu einer Gefährdung des Patienten führen kann, ist diespezifische Absorptionsrate bei MR-Untersuchungen routinemäßig zu überwachenund auf ein tolerierbares Maß zu begrenzen.Von der IEC wurden zu diesem Zweckfür 3 unterschiedliche Betriebsarten des MR-Systems SAR-Begrenzungen für ver-schiedene Körperregionen festgelegt. Entgegen einer bei MR-Anwendern weit ver-breiteten Meinung beziehen sich diese Grenzwerte allerdings nicht auf einzelne MR-Sequenzen, sondern auf das Maximum des gleitenden SAR-Mittelwertes, der überein Zeitintervall von 6 min zu bilden ist. Dies eröffnet für den Anwender die Mög-lichkeit, MR-Sequenzen in der klinischen Routine einzusetzen, deren SAR-Werte diein Tabelle 2 genannten Werte deutlich überschreiten, wenn die Messzeit der Sequen-zen deutlich unter 6 min liegt und die in dieser Arbeit exemplarisch aufgezeigtenMöglichkeiten zur Optimierung von Untersuchungsprotokollen konsequent genutztwerden.

Durch eine Verlängerung der Pausen

zwischen MR-Sequenzen kann das Maxi-

mum des gleitenden SAR-Mittelwertes

reduziert werden

Durch Vertauschung der Reihenfolge

von MR-Sequenzen kann das Maximum

des gleitenden SAR-Mittelwertes

reduziert werden

�SAR-Monitor

Grenzen des Optimierungsprozesses

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Tabelle 3Auswertung von etwa 600 Patientenuntersuchungen an Ganzkörper-MR-Systemenmit einer Feldstärke von 1,5 Tesla. (Nach [5])

Mittelwert 25%-Perzentile Median 75%-Perzentile (min) (min) (min) (min)

Messdauer einer MR-Sequenz 1,6 0,2 0,4 3,1Pause zwischen aufeinder-folgenden MR-Sequenzen 1,5 0,4 0,9 2,0Gesamte Untersuchtungszeit 27 19 25 32

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Wei

ter-

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HF-

Expo

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RT

Der Radiologe 1•2002 | 59

Fragen zur Zertifizierung

| Der Radiologe 1•200260

1. Welche Aussagen treffen zu?I. HF-Felder induzieren im Körper elektrische

Ströme, die infolge des elektrischen Wider-

standes der Gewebe zu einer Erwärmung

führen

II. Die bei der MRT verwendeten HF-Felder

können zu einer Stimulation peripherer

Muskeln führen

III.Die spezifische Absorptionsrate (SAR) gibt

die pro Masse und Zeit im Körper durch

HF-Felder dissipierte Energie an

IV. Die Erwärmung des Gewebes ist unabhän-

gig von der Dauer der HF-Exposition

a) Alle Aussagen treffen zu

b) I, II und III treffen zu

c) I, III und IV treffen zu

d) I und II treffen zu

e) I und III treffen zu

2. Durch welche Maßnahmen kann diespezifische Absorptionsrate (SAR)einer 2D-Sequenz reduziert werden?

I. Reduktion der Schichtdicke

II. Reduktion der Anzahl an Schichten

III.Verlängerung der Echozeit

IV. Verlängerung der Repetitionszeit

a) Alle Antworten sind richtig

b) II, III und IV sind richtig

c) I und II sind richtig

d) II und IV sind richtig

e) Nur II ist richtig

3. Welche Aussagen sind richtig?I. Spin-Echo-Sequenzen führen in der Regel

zu einer deutlich niedrigeren HF-Expositi-

on als Gradienten-Echo-Sequenzen

II. Bei vergleichbaren Sequenzen ist die HF-

Exposition von Patienten an MR-Tomogra-

phen mit einer Feldstärke von 0,5 Tesla

niedriger als an Systemen mit einer Feld-

stärke von 1,5 Tesla

III.Eine Veränderung der Pulswinkel einer

Sequenz hat keinen Einfluss auf die HF-

Exposition

IV. Die Applikation von paramagnetischen

MR-Kontrastmitteln führt zu einer deutli-

chen Erhöhung der HF-Exposition

a) II ist richtig

b) IV ist richtig

c) I und II sind richtig

d) III und IV sind richtig

e) I, II und IV sind richtig

4. Welche Aussagen treffen zu?I. Während einer MR-Untersuchung kann

es zu thermoregulatorischen Reaktionen

kommen, wie z. B. einer Erhöhung der

Herzfrequenz, des Blutdrucks und der

Respiration

II. Gewebeerwärmungen führen nicht zu

teratogenen Effekten, sodass Schwangere

völlig bedenkenlos MR-tomographisch

untersucht werden können

III.Der maximale Anstieg der Körperkerntem-

peratur ist in der bestimmungsgemäßen

Betriebsart auf 0,5°C zu beschränken

a) Alle Aussagen treffen zu

b) I und III treffen zu

c) I und II treffen zu

d) I trifft zu

e) II trifft zu

5. Welche Angaben zur Begrenzungder HF-Exposition treffen nach demIEC-Standard zu?

I. Die SAR-Begrenzungen beziehen sich

auf einzelne Sequenzen

II. Die SAR-Begrenzungen gelten für gleiten-

de SAR-Mittelwerte

III.Neben dem Ganzkörper-SAR-Wert sind

auch Teilkörper-SAR-Werte einzuhalten

IV. Bei der Verwendung von Oberflächenspu-

len gelten zusätzlich Begrenzungen für

lokale SAR-Werte (gemittelt über eine

Geweberegion mit einer Masse von 10 g)

a) I, III und IV treffen zu

b) II, III und IV treffen zu

c) II und III treffen zu

d) III und IV treffen zu

e) III trifft zu

6. Welche der folgenden Aussagengelten nach dem IEC-Standard fürdie Begrenzung von Teilkörper-SAR-Werten?

I. Die zulässigen Teilkörper-SAR-Werte

nehmen mit zunehmender Masse der

exponierten Körperregion ab

II. Werden bei einer MR-Untersuchung in der

bestimmungsgemäßen Betriebsart 50%

der Gesamtmasse des Patienten exponiert,

darf der Teilkörper-SAR-Wert 4 W/kg nicht

überschreiten

III.Der Teilkörper-SAR-Wert für den Kopf ist

für die bestimmungsgemäße und die kon-

trollierte Betriebsart erster Stufe identisch

IV. Gleitende SAR-Mittelwerte sind für den

Kopf über ein Mittelungsintervall von

6 min und für den Körperstamm über

ein Mittelungsintervall von 10 min zu

berechnen

a) Alle Aussagen gelten

b) I, II und III gelten

c) II, III und IV gelten

d) I und II gelten

e) I und III gelten

7. Welche der folgenden Aussagensind richtig?

I. Überschreitet bei der MR-Untersuchung

eines Patienten der Ganzkörper-SAR-Wert

einer Sequenz mit einer Messzeit von

3 min den Wert von 4 W/kg, darf diese

Sequenz nach dem IEC-Standard grund-

sätzlich nicht angewendet werden

II. Das Maximum des gleitenden SAR-

Mittelwertes ist unabhängig von der

Reihenfolge, mit der MR-Sequenzen bei

einer Patientenuntersuchung angewendet

werden

III.Gleitende SAR-Mittelwerte können durch

eine Verlängerung der Pausen zwischen

den einzelnen Sequenzen reduziert

werden

a) Alle Aussagen sind richtig

b) I und III sind richtig

c) II und III sind richtig

d) I ist richtig

e) III ist richtig

8. Durch welche der folgenden Faktorenkann es zu Verbrennungen des Patien-ten kommen?

I. Metallische Implantate und Einschlüsse

II. Fokale Kontakte der Extremitäten

III.Superparamagnetische Kontrastmittel

IV. Nicht vorschriftsmäßig verlegte EKG- und

Spulenkabel

a) Alle Antworten sind richtig

b) I, II und III sind richtig

c) I, II und IV sind richtig

d) I und II sind richtig

e) II und IV sind richtig

Einsendeschluß: 7. März 2002Antworten in Heft 3/2002Antworten aus Heft 11/2001: 1d, 2b, 3e,

4d, 5b, 6e, 7a

Der Radiologe 1•2002 | 61

s 0 0 1 1 7 0 1 0 0 6 8 6

Dieser Antwortbogen bezieht sich auf die Fragen des vorausgehenden

Weiterbildungsbeitrags.

Aus Gründen der korrekten Identifizierung können an dieser Aktion nur

Individualabonnenten von DER RADIOLOGE teilnehmen; deswegen ist die

Angabe Ihrer Abonnentennummer obligatorisch.Ihre Abonnentennummer

finden Sie auf dem Adressaufkleber Ihrer Zeitschrift zu Beginn der dritten

Zeile bzw. auf Ihrer Rechnung neben dem Wort „Auftragsnummer“. Ihre

Abonnentennummer besteht aus bis zu sieben Ziffern, einem Schrägstrich

und zwei darauffolgenden Ziffern (siehe rechts).

(In Ausnahmefällen fragen Sie nach Ihrer Abonnentennummer unter 06221/3450.)

Nicht komplett ausgefüllte oder unleserliche Fragebögen bzw. Fragebögen

mit falscher Abonnentennummer bzw. falscher Faxnummer können nicht

berücksichtigt werden. Darum sollte auf dem maschinenlesbaren Bogen

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Die richtigen Antworten erscheinen in der übernächsten Ausgabe von

DER RADIOLOGE am Ende der Rubrik „Weiter- und Fortbildung“.

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Noch einfacher ist die Teilnahme online unter www.medizinonline.de.

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abrufen;das aktuelle Ergebnis natürlich erst nach dem Einsendeschluss.

Mit dem Absenden des Antwortbogens stimme ich zu,dass meine Daten für

die Auswertung der Zertifizierungsbögen gespeichert werden und ich an

die angegebene Faxnummer eine Auswertung geschickt bekomme. Der

Verlag versichert, dass die Daten nur zu diesem Zweck verwendet werden.

Einsendeschluss (Eingang im Verlag) ist der 07.03.2002

Senden Sie den Fragebogen bitte nicht auf dem Postweg zurück,sondern an: Fax-Nummer: 06221/616477(nur in Originalgröße faxen)

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