Sécurité en IRM – d’où viennent les risques?

Sécurité en

Wo liegen die Risiken?

-Sicherheit

D’où viennent les risques?

Bénédicte Delattre, Mahjabeen Bontean, Pascal Challande

Um die MRT-Risiken bestmöglich unter Kontrolle zu halten, ist es wichtig, dass alle Mitarbeiter ihres jeweiligen Bereiches entsprechend sensibilisiert werden. Darüber hinaus ist es von grundlegender Bedeutung, dass sich die zuweisenden Ärzte der Risiken bewusst sind, um beurteilen zu können, ob ein Patient eine MRT-Untersuchung bekommen kann, ohne dabei den Patienten selbst oder die technischen Einrichtungen, die er trägt, zu gefährden. Auch in der Radiologieabteilung muss die Sicherheitsprüfung bei jedem Patienten sehr sorgfältig durchgeführt werden unter Beachtung aller Risikofaktoren. Um zu verstehen, wo genau die MRT-Risiken liegen, sollte zunächst das System an sich betrachtet werden. Eine MRT setzt sich aus drei wesentlichen Bestandteilen zusammen, die sehr unterschiedliche Risiken bergen, und zwar: 1. Der Magnet, der für ein sehr starkes Magnetfeld sorgt, das statisches Magnetfeld (BO) genannt wird. 2. Die Hochfrequenzantenne (HF), mit der die Protonen in Resonanz versetzt werden, um anschliessend ihr

Signal zu empfangen. 3. Die Bildgradienten, mit deren Hilfe dem Hauptmagnetfeld eine kleine Feldvariation hinzugefügt werden kann, die verwendet wird, um die Ortskodierung des MRT-Signals zu erzeugen.

Risiken in Verbindung mit dem statischen Magnetfeld BO Das durch ein MRT-System erzeugte Magnetfeld ist 30 000 bis 60 000 Mal stärker als das Magnetfeld der Erde (bei 1,5 T bzw. 3 T) oder 300 bis 600 Mal stärker als das Magnetfeld eines Kühlschrankmagneten. Dieses Magnetfeld ist jederzeit aktiv, unabhängig davon, ob gerade Aufnahmen erstellt werden oder nicht. Ein solches Magnetfeld übt somit eine Anziehungskraft und ein sehr hohes Torsionsmoment (Drehmoment) auf ferromagnetische Objekte aus. Dieses Phänomen wird auch Projek til- Effekt genannt. Bei den ferromagnetischen Objekten handelt es sich um Metalle und Legierungen aus Eisen, Nickel oder Kobalt. Kupfer oder einige andere Edelstahltypen sind nicht magnetisch, weshalb mit diesen Metallen kein Risiko eines Projektil-Effekts besteht (auch wenn es andere Risiken gibt, die im weiteren Verlauf des Textes behandelt werden). In der Praxis hängt die Anziehungskraft von der magnetischen Suszeptibilität des Materials, der Stärke des Magnetfeldes und dem räumlichen Gradienten des Magnetfeldes ab. Dies bedeutet, dass es im Zentrum des Magneten, wo das Magnetfeld konstant ist, keine Anziehungskraft gibt (das Magnetfeld ist konstant und der Feldgradient ist somit null). Die Abbildung 1 zeigt die Afi n de pouvoir gérer au mieux les risques en IRM il est important que tout le personnel intervenant au sein de son secteur y soit sensibilisé. Il est également primordial que les médecins prescripteurs soient conscients des risques afi n de pouvoir évaluer si le patient peut passer un examen IRM sans danger pour lui-même ou pour les dispositifs qu’il porterait. Une fois dans le service de radiologie, le processus de contrôle du patient doit encore être très rigoureux avec en tête tous les risques potentiels. Pour comprendre d’où viennent les risques en IRM il faut tout d’abord s’intéresser au système lui-même. En effet, une IRM se compose de 3 éléments principaux qui vont poser des risques très différents, qui sont:

1. L’aimant qui permet d’obtenir un très fort champ magnétique que l’on appelle le champ magnétique statique (BO). 2. L’antenne de radiofréquence (RF) qui permet de mettre les protons en résonance afi n de récolter ensuite leur signal. 3. Les gradients d’imagerie qui permettent d’ajouter au champ magnétique principal une petite variation de champ utilisée pour établir le codage spatial du signal IRM afi n de former l’image.

Risques liés au champ magnétique statique BO Le champ magnétique généré par un système IRM représente 30 000 à 60 000 fois le champ magnétique terrestre (pour 1.5T ou 3T respectivement), ou encore 300 à 600 fois le champ magnétique d’un petit aimant de réfrigérateur. Ce champ magnétique est toujours actif, que l’on soit en train de faire des images ou non. Un tel champ magnétique va donc exercer une force d’attraction et un moment de torsion (couple) très importants sur un objet ferromagnétique, c’est ce que l’on appelle l’effet projectile. Les éléments ferromagnétiques sont les métaux et alliages composés de fer, nickel ou cobalt. Le cuivre ou certains types d’acier inoxydables sont non magnétiques, il n’y a donc pas de risque d’effet projectile avec ces métaux-ci (même s’il existe d’autres risques que nous verrons plus loin). En pratique, la force d’attraction va dépendre de la susceptibilité magnétique du matériau, de l’intensité du champ magnétique et du gradient spatial de champ magnétique. Cela signifi e qu’au centre de l’aimant, là où le champ magnétique est constant il n’y a plus de force d’attraction (le champ magnétique est constant, le gradient de champ est donc nul). La fi gure 1 représente les lignes de gradient spatial autour d’un aimant, le gradient le plus fort se trouve en général proche de l’entrée du tunnel au niveau du laser de centrage. C’est donc à cet endroit-ci que la force d’attraction sur un objet ferromagnétique est la plus intense. Elle peut représenter jusqu’à plus de 100 fois le poids de l’objet, c’est pourquoi il est impératif de ne pas pénétrer

räumlichen Gradientenlinien um einen Magneten herum. Der stärkste Gradient befi ndet sich in der Regel in der Nähe des Tunneleingangs auf Höhe des Zentrierlasers. Das heisst also, dass die Anziehungskraft auf ein ferromagnetisches Objekt an dieser Stelle am stärksten ist. Sie kann dem 100-fachen Gewicht des Objekts entsprechen, weshalb es absolut wichtig ist, sämtliche ferromagnetischen Objekte von diesem Magnetfeld fernzuhalten, da es unmöglich ist, sie zurückzuhalten. Zusätzlich zur Anziehungskraft wirkt ein Torsionsmoment auf das ferromagnetische Objekt. Diese Kraft neigt dazu, das Objekt in die Richtung der Magnetfeldlinien ausrichten zu wollen. Die Stärke dieser Kraft ist direkt proportional zum Magnetfeld. Im Gegensatz zur Anziehungskraft, die im Zentrum des Magneten gleich null ist, ist das Torsionsmoment am grössten, da das Magnetfeld an dieser Stelle am stärksten ist. Aus diesem Grund ist es notwendig, bei Patienten mit MRT-tauglichen Cochlea-Implan taten einen Druckverband anzulegen.

Risiken in Verbindung mit den Hochfrequenzwellen (HF) Die bei der MRT verwendeten Hochfrequenzwellen werden genau wie Radiowellen im Megahertz-Bereich ausgesandt. Diese Frequenzbereiche sind im Gegensatz zu den sehr hohen Frequenzen von Röntgenoder Gammastrahlen nicht ionisierend. Die Amplitude dieser HF-Wellen liegt bei einigen Mikrotesla, was in etwa einem Zehntel des Magnetfelds der Erde entspricht. Die Gefahr dieser HF-Wellen geht somit nicht von ihrer Amplitude, sondern viel mehr von ihrer Frequenz aus. Eine HF-Welle ist in der Tat nichts anderes als das Produkt eines variablen elektromagnetischen Felds. Die Variation des Magnetfelds erzeugt in jedem Leiter eine elektromotorische Kraft (in anderen Worten einen Strom), dans le champ magnétique avec des objets ferromagnétiques car ils sont impossibles à retenir. En plus de la force d’attraction, un moment de torsion va s’appliquer à l’objet ferromagnétique. Cette force aura tendance à vouloir aligner l’objet dans la direction des lignes de champ magnétique. L’intensité de cette force est directement proportionnelle au champ magnétique. Contrairement à la force d’attraction qui sera nulle au centre de l’aimant, le moment de torsion sera quant à lui maximal, car c’est à cet endroit que le champ magnétique est le plus fort. En pratique c’est la raison pour laquelle il est nécessaire de faire un bandage compressif sur la plupart des implants cochléaires qui sont IRM conditionnels.

Risques liés aux ondes de radiofréquence (RF) Les ondes de radiofréquence (RF) utilisées en IRM sont émises dans la gamme des mégahertz, tout comme les ondes radio. Ces gammes de fréquences sont non-ionisantes contrairement aux très hautes fréquences des rayons X ou rayons gamma. L’amplitude de ces ondes RF est de quelques micro tesla ce qui représente environ 10 fois moins que le champ magnétique terrestre. Le danger de ces ondes RF ne vient donc pas de leur amplitude mais plutôt de leur fréquence. En effet, une onde RF n’est rien d’autre que la production d’un champ électromagnétique variable. La variation de champ magnétique génère dans tout conducteur une force électromotrice (autrement dit un courant) qui se dissipe dans le conducteur sous forme de chaleur. Sachant que les tissus biologiques sont des conducteurs, ce sont donc ces variations rapides de champ magnétique qui sont responsables de l’échauffement, qui s’exprime grâce au SAR (Specifi c Absorption Rate) et qui dépend

Stelle mit stärkstem Ort- Gradient Point correspondant au plus fort gradient spatial

Untersuchungstisch Table d'examen

Abbildung 1: Beispiel für die Darstellung von räumlichen Gradienten eines MRT-Systems im Vertikalschnitt des Systems. Je näher man dem Tunnelrand kommt, desto grösser sind die Gradienten. Diese Daten werden für jede MRT durch den Hersteller mitgeliefert. Der rote Punkt entspricht der Stelle mit dem stärksten räumlichen Gradienten.

Figure 1: Exemple de représentation des gradients spatiaux d’un système IRM sur une coupe verticale du système. Plus on s’approche du bord du tunnel plus les gradients sont importants. Ces données sont fournies par le constructeur pour chaque IRM. Le point rouge correspond à l’emplacement avec le plus fort gradient spatial.

die sich im Leiter in Form von Wärme verteilt. In dem Wissen, dass biologische Gewebe Leiter sind, sind diese schnellen Magnetfeldvariationen für die Erwärmung verantwortlich, die dank der SAR (Specific Absorption Rate) zum Ausdruck kommt und die somit von der HF aber auch von der Dichte der Gewebe und ihrer Leitfähigkeit abhängt. Die durch das MRT-System gelieferte SAR ist begrenzt, um zu verhindern, dass sich die Gewebe im normalen Betriebsmodus um mehr als 0,5°C erwärmen (1 °C bei aktivierter erster Betriebsstufe). Dies entspricht einem Wert von 2 W/kg für den gesamten Körper (4 W/kg bei Stufe 1). Es gilt dennoch im Kopf zu behalten, dass nicht alle Gewebe die gleiche Leitfähigkeit haben und dass die genaue Berechnung der SAR sehr komplex bleibt. Aus diesem Grund ist es je nach Patient und Lage des Patienten möglich, warme SAR-Punkte zu haben, die üblicherweise auftreten, wenn der Patient eine Stromschleife erzeugt, indem er beispielsweise die Arme verschränkt. Ein warmer SAR-Punkt entsteht an der Oberfläche der Haut und kann zu Verbrennungen führen. Aus diesem Grund sind Schleifen im MRT unbedingt zu vermeiden (durch den Patienten, aber auch durch die Antennenkabel oder EKG-Elektroden usw. verursachte Schleifen). Die Schätzung der SAR berücksichtigt in keiner Weise vorhandene Implantate oder Metalle in den Geweben. Zusätzlich zu dem in den Schleifen fliessenden Strom kann ein länglicher Leiter im Magnetfeld die HF-Wellen wie eine Antenne konzentrieren und somit eine Erwärmung herbeiführen, die am äusseren Ende dieses Leiters lokalisiert wird. Daher ist sehr sorgfältig darauf zu achten, ob ein Patient Herzelektroden (Pacemaker oder Defibrillator) oder Hirnstimulationselektroden (Deep Brain Stimulation zur Behandlung der Parkinson-Erkrankung beispielsweise) besitzt. Die Hersteller dieser Implantate mussten somit komplexe Tests durchführen, um die mögliche Erwärmung ihrer Vorrichtungen aufgrund dieses Antenneneffekts zu ermitteln. Es sei angemerkt, dass dieser Effekt stark von der Länge des Leiters abhängt, da bestimmte Längen sowie die Vielfachen dieser Längen einen Resonanzeffekt erzeugen, der zu einer starken Erwärmung führt. Diese kritische Länge liegt bei etwa 13 cm für 1,5 T und bei 26 cm für 3 T. Der Effekt ist grösser, wenn sich der Leiter im Tunnel befindet, wo das durch die HF erzeugte elektrische Feld stärker ist als im Zentrum des Magneten.

Risiken in Verbindung mit den Magnetfeldvariationen (Bildgradienten) In Verbindung mit den Bildgradienten treten zwei Risiken auf. Die Bildgradienten variieren zeitlich sehr schnell und fordern daher eine grosse Stromänderung in den Gradientenspulen. Diese Variationen sind die Ursache für sehr grosse induzierte Kräfte (Lorentzkraft) in diesen Spulen, was zu Schwingungen führt, die der Auslöser für das Geräusch im MRT sind. Das Geräusch kann eine Lautstärke von rund 130dB erreichen (zwischen der Lautstärke eines Konzerts ~110 dB und der Lautstärke eines startenden Flugzeugs ~140 dB). Die Patienten sind daher zwingend mit einem Gehörschutz zu versehen. Das andere Risiko in Verbindung mit der schnellen Variation der Gradienten ist die periphere Nervenstimulation. So kann die durch die Gradienten herbeigeführte Stimulation periphere Nervenfasern anregen, was für den Patienten sehr unangenehm sein kann. Es ist sehr wichtig, diese Stimulationen einzugrenzen, um donc de la RF mais également de la densité des tissus et de leur conductivité. Le SAR délivré par le système IRM est limité afin d’empêcher que les tissus ne s’échauffent plus de 0.5°C en mode d’opération normal (1°C lorsqu’on active le premier niveau de fonctionnement). Cela correspond à la valeur de 2W/kg pour le corps entier (4W/kg pour le 1 er niveau). Il faut cependant garder à l’esprit que tous les tissus n’ont pas la même conductivité et que le calcul précis du SAR reste très complexe. C’est pourquoi, en fonction du patient et de sa position, il est possible d’avoir des points chauds de SAR, typiquement si le patient crée une boucle de courant en croisant les bras par exemple, un point chaud de SAR se crée à l’interface de la peau et peut conduire à une brûlure. C’est la raison pour laquelle on évite absolument les boucles dans l’IRM (boucle formée par le patient, mais aussi par les câbles des antennes ou des électrodes ECG, etc.). L’estimation du SAR ne prend pas du tout en compte la présence d’implant ou de métal dans les tissus. En plus du courant circulant dans les boucles, un conducteur de forme allongée dans le champ magnétique peut concentrer les ondes RF comme une antenne et ainsi créer un échauffement qui sera localisé à l’extrémité de ce conducteur. C’est pourquoi une attention très particulière doit être apportée lorsqu’un patient se présente avec des électrodes cardiaques (pacemaker ou défibrillateur), ou des électrodes de stimulation cérébrale (Deep Brain Stimulation pour le traitement de la maladie de Parkinson par exemple). Les constructeurs de ces implants ont dû effectuer des tests complexes afin de déterminer l’échauffement possible de leur dispositif à cause de cet effet d’antenne. Il est à noter que cet effet dépend fortement de la longueur du conducteur car certaines longueurs, ainsi que les multiples de ces longueurs, vont créer un effet de résonance qui mène à un échauffement important. Cette longueur critique est d’environ 13 cm pour 1.5T et 26 cm pour 3T. L’effet est également plus important si le conducteur se trouve au bord du tunnel, où le champ électrique généré par la RF est plus important qu’au centre de l’aimant.

Risques liés aux variations de champ magnétique (gradients d’imagerie) Les risques liés aux gradients d’imagerie sont de deux ordres. Les gradients d’imagerie varient assez rapidement dans le temps et demandent de ce fait une grande variation de courant dans les bobines de gradient. Ces variations importantes vont être à l’origine de forces induites très importantes (force de Lorentz) dans ces bobines, ce qui génère des vibrations qui sont à l’origine du bruit en IRM et qui peut être d’environ 130 dB (entre le bruit d’un concert ~110dB et celui d’un avion au décollage ~140dB). La protection auditive des patients est donc obligatoire! L’autre risque lié à la variation rapide des gradients est la stimulation nerveuse périphérique. En effet la stimulation par les gradients peut permettre d’exciter des fibres nerveuses périphériques, ce qui peut être inconfortable pour le patient, mais il est très important de limiter ces stimulations afin de ne pas atteindre le seuil de stimulation du muscle cardiaque. Avec les gradients de systèmes actuels d’imagerie la limite n’est, en général, largement pas atteinte. Chaque type d’implant peut donc poser des risques très différents en IRM selon sa composition, et rappelons donc que ce n’est pas parce qu’un objet n’est pas attiré par le champ magnétique qu’il est