Axial unbeschränkt elongierte, volumenabdeckende Abtasttrajektorie für einen neuartigen 3D-MPI-Scanner mit zylindrischem Messfeld

Das Ziel des hier beschriebenen Vorhabens ist die Entwicklung, die Simulation und die technische Validierung einer innovativen Methode zur Datenakquisition mit Magnetic Particle Imaging (MPI), die es erlaubt, unter Reduktion der technischen Komplexität der Spulentopologie auf eine 2D-Anordnung in Kombination mit einer kontinuierlichen Bewegung des Messobjekts ein axial unbeschränktes zylindrisches Messfeld zu erlangen, indem die Abtasttrajektorie linear elongiert wird. Wesentliche Kriterien für bildgebende Verfahren sind eine hohe räumliche Auflösung, eine hohe Sensitivität und die Echtzeitfähigkeit. In der Kombination dieser Kriterien kann MPI Maßstäbe setzen. Das Verfahren beruht auf der Darstellung der Konzentration von Nanopartikeln mit Kernen aus superparamagnetischem Eisenoxid (SPIO, engl.: super-paramagnetic iron oxide). Die wichtigsten physikalischen Charakteristika der SPIOs sind das nichtlineare Magnetisierungs- und Sättigungsverhalten. Die Nichtlinearität der Partikelmagnetisierung trägt zur Signalgenerierung bei, indem diese bei Anregung durch ein sinusoidales Magnetfeld mit einer nicht-sinusoidalen Variation der Magnetisierung antwortet, deren Oberwellen gemessen werden. Obwohl die Kriterien der exzellenten räumlichen Auflösung, der hohen Sensitivität und der Echtzeitfähigkeit bei MPI sehr gut erfüllt sind, leiden heute realisierte, prototypische Systeme darunter, dass ihr Messfeld sehr klein ist. Daher soll in diesem Projekt das Messfeld in axialer Richtung verlängert werden. Erreicht werden soll dies durch eine zweidimensionale symmetrische Anordnung von Gradienten- und Anregungsspulen in konventioneller Geometrie, die das Messfeld umschließt, so dass ein zylindrischer Zugang zum Messfeld entsteht. Das 2D-Messfeld soll mit einer planaren Trajektorie abgetastet werden, während das Messobjekt mit kontinuierlichem Vorschub durch das Messfeld verschoben wird. Die dabei entstehende linear axial elongierte und dabei volumenabdeckende Bahn des Abtastpunktes führt in der Transversalebene zunächst zu einer Unterabtastung. Ein wesentliches Element der Strategie zur Datenakquisition ist daher die Erforschung von geeigneten Interpolationsstrategien zur Vervollständigung der Abtastung in der Transversalebene. Durch die Simulations- und Messevaluationen dreier aktuell realisierter MPI-Scannertopologien - (FFP-Sanner mit zylindrischem Messfeld, Single-Sided FFP-Scanner mit asymmetrischer Spulentopologie und FFL-Scanner mit zylindrischem Messfeld) wird mit diesem Projekt ein wichtiger Grundstein für die Realisierung echtzeitfähiger dreidimensionaler MPI-Bildgebung gelegt, die den Weg zu humaner MPI-Ganzkörpertomographie ebnet.

Im Rahmen des Projektes wurden verschiedene Ansätze zur Akquisition von MPI-Daten entwickelt. Alle Ansätze verfolgen das Ziel, ein axial unbeschränktes, zylindrisches Messfeld zu erlangen, ohne die technische Komplexität der MPI-Aufbauten zu erhöhen. Aufgrund der Möglichkeit, das Messprojekt durch das zweidimensionale Messfeld zu bewegen, können dreidimensionale Bilder erzeugt werden. Die im Rahmen dieses Projektes entwickelten und evaluierten Verfahren ermöglichen eine dreidimensionale Rekonstruktion des Messobjektes aus den gemessenen Daten unter Berücksichtigung der axialen Verschiebung des Messobjektes durch das zweidimensionale Messfeld.