Application of a GTEM cell to determine RF induced currents in medical implant electrodes of various geometries

Gewebeerwärmungen, die durch dieWechselwirkung zwischen länglichen Elektroden medizinischer Implantate und den Radiofrequenzfeldern (RF) von Magnetresonanztomographen (MRT) hervorgerufen werden, sind im Bereich der MRT Kompatibilität dieser Implantate von großem Belang. Das elektromagnetische RF-Feld induziert Ströme entlang der Elektroden, die besonders in der Umgebung der Elektrodenkontakte zu gefährlichen Verbrennungen des Gewebes führen können. Die Intensität dieser Gewebeerwärmung hängt sowohl von den Elektrodeneigenschaften, wie z.B. ihrer Geometrie, den Gewebeeigenschaften, als auch der Feldexposition und dessen Frequenz ab. Ein experimenteller Aufbau wird vorgestellt, mit dem der Einfluss des Elektrodendesigns auf den Betrag des RF-induzierten Stromes in einem Frequenzbereich von 30 MHz bis 200 MHz, welcher die Frequenzen der im klinischen Bereich verwendeten MRTs abdeckt, untersucht werden kann. Ein Netzwerkanalysator (VNA) wird an eine Gigahertz Transverse Electromagnetic (GTEM) Zelle angeschlossen, die die zu untersuchende Elektrode enthält. Diese ist in ein Medium mit gewebeähnlichen Eigenschaften eingebettet. Ein Anschluss des VNA generiert ein Signal, das ein elektromagnetisches Feld in der GTEM Zelle erzeugt, welches einen elektrischen Strom entlang der Elektrode induziert. Das eine Ende der Elektrode ist mit dem zweiten Anschluss des VNA verbunden, an dem die empfangene Leistung gemessen wird, während sich das andere Elektrodenende in Kontakt mit dem umgebenden Medium befindet. Die Ergebnisse der Leistungsmessung wurden mit Berechnungen verglichen, die den gesamten Messaufbau theoretisch beschreiben: ein analytischer Ausdruck für die elektrische Feldverteilung der GTEM Zelle im gewebeähnlichen Medium wurde hergeleitet und mit der Methode der Finiten Elemente simuliert; Elektroden mit unterschiedlichsten Eigenschaften und Drahtgeometrien wurden als Transmissions-Leitung modelliert. Wenn die berechnete mit der gemessenen Leistung am kontaktierten Elektrodenende übereinstimmt, dann kann der RF-induzierte Strom am gegenüberliegenden Elektrodenkontakt aus dem Leitungs-Modell berechnet werden. Mit der vorgestellten Methode und ihrem einfach zu handhabenden Aufbau können die RF-induzierten Ströme in einem großen Frequenzbereich bestimmt werden. Allerdings sind nur relative Aussagen über die Stromreduzierung und daher über die Reduktion der Gewebeerwärmung möglich, da sich die Situation in einem MRT von derjenigen in der GTEM Zelle unterscheidet. Zusätzlich wird ein unabhängiger Aufbau vorgestellt, um das Leitungsmodell der eingebetteten Elektroden mit ihren verschiedenen Geometrien zu validieren. Die beiden Enden der Elektroden wurden mit den Anschlüssen des VNA verbunden und die Streuparameter wurden in einem erweiterten Frequenzbereich zwischen 3 MHz und 1 GHz gemessen. Die Ergebnisse der Messungen und der Berechnungen befinden sich im gesamten Frequenzbereich in guter Übereinstimmung.Tissue heating caused by the interaction of elongated electrodes of biomedical implants and the radio frequency (RF) field of a magnetic resonance imaging (MRI) scanner has become a major concern regarding MRI compatibility of biomedical implants. The electromagnetic RF field induces currents along the electrodes which can cause hazardous burns especially in the vicinity of the electrode contacts. The amount of tissue heating depends on the electrode properties, including their geometry, the tissue parameters, and the field exposition including its frequency. An experimental setup is introduced to investigate the influence of the geometrical design of a medical implant's electrode on the magnitude of the RF induced current in a frequency range of 30 MHz to 200 MHz, covering the frequencies of clinically used MRI scanners. A Vector Network Analyser (VNA) was connected to a Gigahertz Transverse Electromagnetic (GTEM) cell containing the electrode under test, immersed in a phantom with tissue-like properties. The first port of the VNA generates an electromagnetic field in the GTEM cell, which induces a current along the electrode. One end of the electrode is connected to the second port of the VNA, where the received power is measured, while the other end is in contact with the tissue-like medium. The results from these power measurements were compared with calculations where the whole measurement setup is described theoretically: an analytic expression of the electric field distribution of the GTEM cell present inside the tissue-like phantom was derived and compared with a finite element simulation; the electrodes of various geometries and their properties were modelled via transmission line (TL) theory. Provided an agreement between the power measurements and calculations, the magnitude of the RF induced current at the electrode tip can be derived from the TL model. The proposed setup offers a simple and easy manageable method to determine RF induced currents in a large frequency range. However, only relative statements of current reduction and therefore tissue heating due to geometry changes can be made because of the dissimilarity of the situation in an MRI scanner and the GTEM cell. Additionally, an independent setup is proposed to validate the TL model of electrodes of various geometries embedded in lossy media. The two ends of the embedded electrode are connected to the ports of the VNA, where the scattering parameters are measured in an extended frequency range of 3 MHz to 1 GHz. The results of the measurements and the calculations are in very good agreement over the entire frequency range.by Karin MörtlbauerZsfassung in dt. SpracheInnsbruck, Univ., Diss., 2013OeBB(VLID)28497