07507 Vernetzte Magnetresonanztomografen
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Die Magnetresonanztomografie (kurz MRT) ist ein vielseitiges medizinisches Bildgebungsverfahren, bei dem ein starkes Magnetfeld und Radiowellen verwendet werden, um detaillierte Bilder der inneren Strukturen des Körpers zu erstellen. Mit Unterstützung von MRT-Untersuchungen als nichtinvasives und schmerzloses Verfahren wird es möglich, diagnostische Informationen für eine Vielzahl von Erkrankungen zu liefern. Eine besondere Bedeutung hat die MRT-Bildgebung bei der Erkennung von Anomalien wie Tumoren, unklaren Entzündungen und Verletzungen erlangt.
Der Beitrag bildet in übersichtlicher Form das Zusammenwirken von MRTs und der dazugehörigen IT ab. Berücksichtigt werden neben den Themen der Infrastruktur, des Betriebs und der Regularien auch die Themen Cybersecurity, Fernwartung, Risikomanagement und der Einsatz künstlicher Intelligenz. Arbeitshilfen: von: |
1 Einführung
Kernspintomografie
Bei der Magnetresonanztomografie (MRT) handelt es sich um ein bildgebendes Verfahren, das vor allem in der medizinischen Diagnostik zur Darstellung von Gewebestrukturen und Organen im Körper eingesetzt wird. Es beruht auf den physikalischen Prinzipien der Kernspinresonanz, insbesondere der Feldgradienten, und wird daher auch als Kernspintomografie bezeichnet. Mithilfe der MRT können Schnittbilder des Körpers generiert werden, die eine Beurteilung der Organe und vieler krankhafter Veränderungen ermöglicht.
Bei der Magnetresonanztomografie (MRT) handelt es sich um ein bildgebendes Verfahren, das vor allem in der medizinischen Diagnostik zur Darstellung von Gewebestrukturen und Organen im Körper eingesetzt wird. Es beruht auf den physikalischen Prinzipien der Kernspinresonanz, insbesondere der Feldgradienten, und wird daher auch als Kernspintomografie bezeichnet. Mithilfe der MRT können Schnittbilder des Körpers generiert werden, die eine Beurteilung der Organe und vieler krankhafter Veränderungen ermöglicht.
MRT-Geräte gibt es in verschiedenen Formen und Größen, aber sie funktionieren alle nach dem gleichen Grundprinzip. Der Patient liegt auf einem Untersuchungstisch, der in einen großen röhrenförmigen Scanner geschoben wird. Der Scanner erzeugt ein starkes Magnetfeld um den Patienten herum, das bewirkt, dass sich die Protonen in den Atomen des Körpers auf ein starkes Magnetfeld ausrichten. Radiowellen werden dann verwendet, um diese Ausrichtung zu stören, und wenn die Protonen in ihre ursprüngliche Position zurückkehren, senden sie ein Signal aus, das vom MRT-Scanner erkannt und ausgewertet wird, um detaillierte Bilder zu rekonstruieren. Die Art und Weise der besonderen Bildgebung erfordern bestimmte bauliche Voraussetzungen. Die zunehmende Anzahl von Programmen für den Einsatz von künstlicher Intelligenz oder mathematischen Algorithmen bei der Bildauswertung sowie die zunehmende Integration von IT-gesteuerten Bildauswerteverfahren bei der MRT-Bildgebung erfordern ein umfangreiches Wissen, um vernetzte MR-Geräte nach den aktuell gültigen Normen konform zu betreiben und strategisch in der Gesundheitseinrichtung weiterzuentwickeln.
Offene und geschlossene Tunnel
Bei der MRT-Anwendung kommen sehr starke Magnetfelder zum Einsatz (sogenannte magnetische Wechselfelder im Radiofrequenzbereich), mit denen Wasserstoffkerne/Protonen im Körper resonant (in Schwingung versetzt) angeregt werden. Durch die Schwingungen kann in einem Empfängerstromkreis ein elektrisches Signal induziert und messbar gemacht werden. Anhand unterschiedlicher Bauformen unterscheidet man zwischen geschlossenen MRT-Systemen mit kurzem oder langem Tunnel und offenen MRT-Systemen (oMRT) mit C-Arm oder seitlich geöffnetem Tunnel. Geschlossene Tunnelsysteme liefern bessere Bilddaten, offene MRT-Systeme ermöglichen dagegen den besseren Zugang zum Patienten. Dies ist zum Beispiel in einem Operationssaal oder einem Hybrid-OP erforderlich.
Bei der MRT-Anwendung kommen sehr starke Magnetfelder zum Einsatz (sogenannte magnetische Wechselfelder im Radiofrequenzbereich), mit denen Wasserstoffkerne/Protonen im Körper resonant (in Schwingung versetzt) angeregt werden. Durch die Schwingungen kann in einem Empfängerstromkreis ein elektrisches Signal induziert und messbar gemacht werden. Anhand unterschiedlicher Bauformen unterscheidet man zwischen geschlossenen MRT-Systemen mit kurzem oder langem Tunnel und offenen MRT-Systemen (oMRT) mit C-Arm oder seitlich geöffnetem Tunnel. Geschlossene Tunnelsysteme liefern bessere Bilddaten, offene MRT-Systeme ermöglichen dagegen den besseren Zugang zum Patienten. Dies ist zum Beispiel in einem Operationssaal oder einem Hybrid-OP erforderlich.
Spezielle MRT-Techniken
Im Laufe der Jahre wurden zahlreiche spezialisierte MRT-Techniken entwickelt, um zusätzliche Informationen über die Strukturen und Funktionen des Körpers zu liefern. Einige dieser Techniken umfassen:
Im Laufe der Jahre wurden zahlreiche spezialisierte MRT-Techniken entwickelt, um zusätzliche Informationen über die Strukturen und Funktionen des Körpers zu liefern. Einige dieser Techniken umfassen:
| • | Echtzeit-MRT zur dynamischen Visualisierung bewegter Organe und Gelenke |
| • | Magnetresonanz-Angiografie (MRA) zur Darstellung von Blutgefäßen |
| • | funktionelle Magnetresonanztomografie (fMRT) zur Kartierung der Hirnaktivität |
| • | Magnetresonanzspektroskopie (MRS) zur Analyse der chemischen Zusammensetzung in Geweben |
Die MRT gilt allgemein als sicheres Verfahren, birgt jedoch einige Risiken. Das starke Magnetfeld kann dazu führen, dass sich Metallgegenstände im Körper bewegen oder erhitzen, was für Patienten mit bestimmten medizinischen Implantaten oder Geräten gefährlich sein kann. Patienten mit Nierenproblemen können auch ein Risiko haben, eine seltene Erkrankung (medizinisch: nephrogese systemische Fibrose – NSF) zu entwickeln, nachdem sie ein Kontrastmittel erhalten haben, das bei einigen MRT-Scans verwendet wird.
Die Auswahl eines MRT richtet sich nach der strategischen Entwicklung des Krankenhauses. Die Festlegung auf eine bestimmte MR-Anlage hängt von der spezifischen Situation der zu untersuchenden Patienten, den diagnostischen Anforderungen bei der Spezialisierung der Gesundheitseinrichtung und den Vorlieben des radiologischen Facharztpersonals ab. Nahezu alle MRT-Anlagen verfügen über eine große Anzahl an Zubehör (Untersuchungsspulen) und dazugehörigen Softwareprogrammen (Medizinische Untersuchungsapplikationen). Tabelle 1 stellt eine beispielhafte Übersicht bekannter am Markt befindlicher MR-Systeme dar. Eine Zusammenfassung mit jährlicher Aktualisierung zu MRTs mit Vergleich vieler weiterer Anlagen und den Nutzungsmöglichkeiten sind im Katalog RT Radiologie Technik & IT-Systeme aufgeführt.
Tabelle 1: Beispielhafte Übersicht am Markt befindlicher MR-Geräte
Hersteller | Serie | Besonderheiten |
|---|---|---|
Canon Medical Systems | Vantage | Teilweise mit Deep-Learning Aice ausgestattet |
GE HealthCare | Signa | Teilweise mit Deep-Learning-AIR-Technologie ausgestattet |
Philips | Ingenia | Teilweise mit KI-Technologie SmartSpeed ausgestattet |
Siemens Healthineers | Magnetom | Teilweise mit KI-Technologie syngo MR/Deep-Resolve ausgestattet |
2 Physikalisches Funktionsprinzip
Das physikalische Funktionsprinzip Magnetresonanztomografie basiert auf den Grundlagen der Kernspinresonanz (NMR – Nuclear Magnetic Resonance), wobei die Interaktion von Atomkernen, insbesondere Wasserstoffkernen (Protonen), mit starken Magnetfeldern ausgenutzt wird.
Zu Beginn des Verfahrens werden Protonen im Körper des Patienten in eine Longitudinalmagnetisierung ausgerichtet, indem ein starkes äußeres Magnetfeld angelegt wird. Um Bilder zu erzeugen, müssen diese Protonen aus ihrer Ausrichtung abgelenkt werden. Dies geschieht durch das Einstrahlen eines hochfrequenten Radiowellenimpulses, der die Protonen in einer bestimmten Ebene anregt, wobei diese Anregung der Resonanzfrequenz der Protonen entspricht, die von der Stärke des äußeren Magnetfelds abhängt und als Larmor-Frequenz bekannt ist. Nach der Anregung beginnen die Protonen, in der Transversalebene zu präzedieren, wodurch sie ein schwaches elektrisches Signal erzeugen, das als freie Induktionsschwingung (FID) bezeichnet wird. Diese Signale sind kurzlebig und müssen schnell erfasst werden. Empfangsspulen fangen die FID-Signale auf und leiten sie an einen Computer weiter, der die Signale in Bilder umwandelt.
Um räumliche Informationen zu gewinnen und Schnittbilder des Körpers zu erstellen, werden Gradientenmagneten verwendet. Diese erzeugen ein räumlich variables Magnetfeld, das die Präzessionsfrequenz der Protonen in Abhängigkeit von ihrer Position im Körper beeinflusst. Durch die Variation dieser Felder in drei Raumrichtungen können verschiedene Orte im Körper „kodiert” werden. Die erfassten Signale von verschiedenen Orten im Körper werden dann in ein Bild umgewandelt, ein Prozess, der als Fourier-Transformation bezeichnet wird. Dies ermöglicht die Erzeugung von Schnittbildern des Körpers in verschiedenen Ebenen. Die Helligkeit und der Kontrast auf dem MRT-Bild hängen von verschiedenen Faktoren ab, darunter die Dichte der Protonen im Gewebe, die Relaxationszeiten der Protonen, die Art des Gewebes und die gewählten Bildgebungseinstellungen. Diese ermöglichen eine hohe Gewebedifferenzierung und Kontrast, was die MRT zu einem leistungsfähigen Werkzeug in der medizinischen Diagnostik macht.
Zusammengefasst basiert die MRT auf den Prinzipien der Kernspinresonanz und nutzt die Interaktion von Protonen mit Magnetfeldern, um hochauflösende Bilder des menschlichen Körpers zu erstellen, ohne ionisierende Strahlung einzusetzen. Die Abbildung 3 veranschaulicht vereinfacht das physikalische Prinzip der Spin-Magnetisierung.
3.1 Räumlichkeiten
Technikraum
MRT-Anlagen benötigen umfangreiche Technikräume für die Bereitstellung der Energieversorgung, die Kühlung des Kühlmittels Helium und die anderen baufachlichen Anforderungen (Sicherheitssysteme, IT-Systeme usw.). An die dafür erforderlichen Räume, deren Größe der Medizinproduktehersteller in Abhängigkeit der Größe der MRT-Anlage vorgibt, sind entsprechende Anforderungen bzgl. des Brandschutzes und der Abschirmung gegen elektromagnetische Felder und der Beeinflussung durch externe Vibrationen zu beachten. Einige wichtige Punkte bei der Planung eines MRT sind:
MRT-Anlagen benötigen umfangreiche Technikräume für die Bereitstellung der Energieversorgung, die Kühlung des Kühlmittels Helium und die anderen baufachlichen Anforderungen (Sicherheitssysteme, IT-Systeme usw.). An die dafür erforderlichen Räume, deren Größe der Medizinproduktehersteller in Abhängigkeit der Größe der MRT-Anlage vorgibt, sind entsprechende Anforderungen bzgl. des Brandschutzes und der Abschirmung gegen elektromagnetische Felder und der Beeinflussung durch externe Vibrationen zu beachten. Einige wichtige Punkte bei der Planung eines MRT sind:
| • | Stromversorgung, |
| • | HF-Kabine, |
| • | Helium-Bevorratung/MRT-Kühlung/Klimatisierung, |
| • | Sicherheitseinrichtungen (z. B. Quench). |
HF-Kabine
Das eigentliche Medizinprodukt wird in einer extra dafür geplanten HF-Kabine untergebracht. Abbildung 4 stellt vereinfacht eine MRT-Kabine integriert in eine vorhandene Bauhülle dar. Zusätzliche Medizinprodukte, die in der HF-Kabine mit zur Anwendung kommen (z. B. MRT-geeignete Infusionsapparate, Kontrastmittelpumpe oder Anästhesiearbeitsplätze müssen am Fußboden gekennzeichnet werden und haben Einfluss auf die Homogenität des Magnetfelds. Gegebenenfalls ist es erforderlich in der HF-Kabine weitere Durchführungen (z. B. für Beatmungsschläuche eines Beatmungsgeräts) baulich vorzusehen. Sämtliche weitere Technikkomponenten werden außerhalb der HF-Kabine installiert (Technikraum oder außerhalb der Gebäudehülle).
Das eigentliche Medizinprodukt wird in einer extra dafür geplanten HF-Kabine untergebracht. Abbildung 4 stellt vereinfacht eine MRT-Kabine integriert in eine vorhandene Bauhülle dar. Zusätzliche Medizinprodukte, die in der HF-Kabine mit zur Anwendung kommen (z. B. MRT-geeignete Infusionsapparate, Kontrastmittelpumpe oder Anästhesiearbeitsplätze müssen am Fußboden gekennzeichnet werden und haben Einfluss auf die Homogenität des Magnetfelds. Gegebenenfalls ist es erforderlich in der HF-Kabine weitere Durchführungen (z. B. für Beatmungsschläuche eines Beatmungsgeräts) baulich vorzusehen. Sämtliche weitere Technikkomponenten werden außerhalb der HF-Kabine installiert (Technikraum oder außerhalb der Gebäudehülle).
3.2 Stromversorgung
Die erforderliche Stromversorgung für ein MRT richtet sich nach den Vorgaben des Medizinprodukteherstellers und wird nach der Norm DIN VDE 0100-710: 2012-10, „Errichten von Niederspannungsanlagen – Teil 7-710: Anforderungen für Betriebstätten, Räume und Anlagen besonderer Art – Medizinisch genutzte Bereiche” ausgeführt. Tabelle 2 stellt eine Übersicht zur Einordnung von MRT-Untersuchungsräumen nach der Norm VDE 0100 Teil 710 dar. Für Transporte von MR-Anlagenteilen zu Wartungs- und Reparaturarbeiten müssen Türen der vorhandenen Bau-Infrastruktur ausreichend breit sein. Zusätzlich sind Deckenanschlagsmöglichkeiten für Kettenzüge bei möglichen Arbeiten am MR-Kern vorzusehen (DGUV Information 207-017: „Neu- und Umbauplanung im Krankenhaus unter Gesichtspunkten des Arbeitsschutzes”). Je nach Ausführung wiegt ein MRT zwischen 2,5 und 25 Tonnen.
Tabelle 2: Einordnung eines MRT im Kontext der Anwendung der Norm VDE 0100 Teil 710
3.3 Kühlung
Damit die Spulen des Kerns im Magnetresonanztomografen entsprechend starke Magnetfelder erzeugen können (Supraleiter), muss besonders viel Strom fließen. Supraleiter zeichnen sich dadurch aus, dass dabei der elektrische Widerstand von supraleitenden Spulen fast komplett verschwindet. Betreiben lässt sich ein Supraleiter mit besonders niedrigen Temperaturen, die beispielsweise die MRT-Kühlung mit Helium ermöglicht. Tiefgekühlt verflüssigt erreicht das Medium eine Temperatur von unter minus 268 Grad Celsius (4,2 Kelvin), wobei es als einziges Element der Erde nicht in den festen Aggregatzustand übergeht (CPC: Flüssigkeitsgekühlte medizinische Bildverarbeitungs-/MRT-Systeme).
Würde ein MRT-Kern nicht über die erforderliche Kühlung verfügen, würde die Temperatur des Heliums stark ansteigen. Der eingesetzte Supraleiter könnte ohne entsprechende Kühlung die sogenannte Sprungtemperatur erreichen (Quench). Bei den zum Einsatz kommenden hohen Stromstärken, die für das Erreichen des Magnetfelds erforderlich sind, führt der Ausfall der Heliumkühlung zu einer starken Wärmebelastung, die zu erheblichen Zerstörungen am Medizinprodukt führen könnte. Eine bekannte Auswirkung ist, dass sich das Helium durch die Erwärmung so stark ausdehnt, dass es Anlagenteile und Kryobehälter ohne erforderliche Sicherheitseinrichtungen zum Bersten bringt. Es gibt bereits MRT-Modelle auf dem Markt, die mit einer geschlossenen Heliumkühlung auskommen, z. B. die Philips BlueSeal Magnet Serie oder die Siemens Healthineers Magnetom Free Serie.
3.4 Sicherheitseinrichtungen
Um die Folgen eines sogenannten Quenchs des Supraleiters zu verhindern, folgt auf den Ausfall der MRT-Kühlung in aller Regel eine bewusste Notabschaltung der kompletten MRT-Anlage. Der MRT geht zunächst in einen Sicherheitsmodus (Stand-by-Betrieb) und muss bei anhaltenden Problemen komplett abgeschaltet werden. Steigen die Temperaturen so stark an, dass auch das flüssige Helium siedet (in den gasförmigen Aggregatzustand übergeht), lässt sich die Anlage ohne das Ablassen des Mediums oft nicht retten. Mit der beschriebenen Notabschaltung infolge des MRT-Ausfalls lässt sich zwar die MRT-Anlage retten, es entstehen aber meistens Schäden (Quenchventilaustausch, neue Füllung Helium). Das Wiederhochfahren eines MRT nach einem Quench kann mehrere Tage dauern. Diese Zeit ist erforderlich, um das starke Magnetfeld, das für den Betrieb des MRT erforderlich ist, wieder in seiner Homogenität aufzubauen (siehe auch TGA Fachplaner: Mobile Kälte bewahrt MRT-Magneten vor dem Quench). Abbildung 5 stellt eine typische Kühlanlage für die Heliumkühlung eines MRT dar.
