Draadloze communicatie in een MRI-omgeving

Abstract

Met behulp van een MRI-scanner kan er bij een patiënt een afbeelding gemaakt worden van de binnenkant van het lichaam zonder dat deze opengemaakt hoeft te worden. Deze afbeeldingen worden gemaakt om een diagnose te stellen. De arts kan beter zien wat er aan de hand is met de patiënt als de resolutie van de afbeelding verbetert. De resolutie kan verbeterd worden door een MRI scanner te kiezen met een hogere magnetische veldsterkte. Een ander aspect dat meespeelt hoe goed de arts kan zien wat er aan de hand is, is de scherpte van de afbeelding. Deze wordt mede bepaald door hoe nauwkeurig de hartslag kan worden gemeten, want met behulp van de hartslag kan op dezelfde fase in de hartcyclus een scan worden gemaakt. Door verschillende scans die op hetzelfde moment in de cyclus zijn genomen over elkaar te leggen wordt het contrast beter. Uit een Electrocardiogram (ECG) kunnen vaste punten in de hartcyclus worden gedetecteerd. Deze hartmeting wordt echter ernstig verstoord in een MRI-scanner door het statische magnetische veld. Hierdoor worden op verkeerde momenten in de hartcyclus een scan gemaakt. Dit zorgt voor minder scherpe afbeeldingen. Dit is een probleem voor ziekenhuizen met een 7 T scanner zoals het LUMC. Om het probleem op te lossen wordt een nieuwe draadloze sensor ontwikkeld die de hartslag kan meten. De ontwikkeling van de sensor is opgedeeld in drie onderdelen: • Acquisitie van het biomedisch signaal waarop cardiac triggering kan plaatsvinden; • Omzetting van het analoge sensorsignaal in een digitaal signaal en onderdrukken van de ruis; • Transmissie van het digitale signaal vanaf de sensor op de patient in de MRI-scanner naar een computer en detectie van het triggersignaal. Drie verschillende teams werken elk aan hun eigen onderdeel. In deze thesis is onderzocht wat de beste methode is om draadloos een sensorsignaal te versturen in een MRI-scanneromgeving. Het sterke magneetveld en de RF golven op 298 MHz vormen de grootste storingsbronnen. Er wordt gekozen voor een draadloos systeem omdat een bedraad systeem in een MRI-omgeving kan leiden tot ernstige brandwonden. Daarnaast heeft de opdrachtgever kenbaar gemaakt een draadloos systeem te prefereren zodat de sensormodule een grote mobiliteit heeft. De volgende vormen van draadloze communicatie zijn onderzocht: optische communicatie, akoestische communicatie en radiofrequente communicatie. Op basis van de eigenschappen van deze technieken is een keuze gemaakt voor de gebruikte communicatie. Optische communicatie op basis van infrarood is voor dit doel niet geschikt omdat er een direct zicht nodig is. Dit is een probleem omdat de communicatielink verbroken zou kunnen worden indien de patiënt beweegt. Een ander nadeel is dat de maximale afstand die gegarandeerd wordt slechts 1 meter is. Voor afstanden van meer dan 3 meter is akoestische communicatie niet geschikt, omdat de betrouwbaarheid van de verbinding erg slecht wordt. Daarnaast bleek verder dat de datasnelheid veel te laag was. Voor digitale radiofrequente communicatie zijn een aantal protocollen beschikbaar. Deze verschillen voornamelijk in maximale datasnelheid, afstand en vermogen. Bluetooth en ZigBee zijn het best geschikt voor het product, waarbij Bluetooth een hogere datasnelheid heeft en ZigBee minder energie verbruikt. Aangezien de datasnelheid van ZigBee voldoende is om meerdere signalen te zenden en te ontvangen wordt ZigBee geselecteerd. De MRF24J40MA, een ZigBee module, is uiteindelijk gekozen, omdat deze als enige een minimale hoeveelheid ferromagnetische materialen bevat en op korte termijn leverbaar is. Er worden ZigBee transceivers gebruikt omdat er op een bidirectionele manier moet worden gecommuniceerd. Eén ZigBee transceiver wordt aangesloten op een computer zodat deze de hartslag en de temperatuur kan weergeven. Een microcontroller zorgt voor de interface tussen de transceiver en de pc. De andere microcontroller aan de kant van de sensor detecteert de belangrijkste harttoon uit het akoestische hartsignaal en biedt aan de uitgang een puls aan naar de MRI-scanner. Voor het prototype is deze uitgang aangesloten op een Light-emitting diode(LED). Voor het prototype wordt er gebruik gemaakt van een eerder opgenomen akoestisch signaal. Dit signaal duurt in totaal 6 seconden en wordt continu herhaald. Er is ook een Graphical User Interface (GUI) gemaakt. Deze interface biedt een medicus de mogelijkheid om snel en duidelijk te zien wat de hartslag en de temperatuur van de patiënt is. In de GUI wordt weergegeven waar er wordt getriggerd in het akoestische hartsignaal. De GUI is gemaakt met MATLAB aangezien dit het minste tijd zou kosten en de auteurs de meeste ervaring hadden met deze programmeertaal. Helaas is het niet gelukt om het transmissie gedeelte aan te sluiten op de producten van de andere teams. Ook zijn er nog geen testen gedaan in de MRI-scanner. Het is waarschijnlijk dat het transmissiesysteem goed zal functioneren in de MRI-scanner, aangezien de ZigBee modules zeer weinig ferromagnetische materialen bevatten. Dit kan echter pas getest worden als het hele systeem op elkaar is aangesloten.