Entwicklung eines neuartigen MPI-Scanners auf Basis einer feldfreien Linie

Die Ziele des hier beschriebenen Vorhabens sind das Design, die Realisierung und die Erforschung eines echtzeitfähigen Magnetic Particle Imaging (MPI) Scanners mit innovativer Topologie, der erstmalig mittels rotierender Permanentmagneten konstruiert wird. Hierbei sind die minimale Verlustleistung und die erreichbare Größe des messbaren Bereiches von besonderer Bedeutung.Wesentliche Kriterien für klinisch-bildgebende Verfahren sind eine hohe räumliche Auflösung, eine hohe Sensitivität, die Echtzeitfähigkeit und eine geringe Belastung der Patienten. In der Kombination dieser Kriterien kann MPI Maßstäbe setzen. Das Verfahren beruht auf der Darstellung von Nanopartikeln mit Kernen aus superparamagnetischem Eisenoxid (SPIO, engl.: super-paramagnetic iron oxide).Die wichtigsten physikalischen Charakteristika der SPIOs sind das nichtlineare Magnetisiers- und das Sättigungsverhalten. Die Nichtlinearität der Partikelmagnetisierung trägt zur Signalgenerierung bei, indem sie bei Anregung der SPIOs mit einem sinusoidalen Magnetfeld (Anregungsfeld) mit einer nicht-sinusoidalen Variation der Magnetisierung antwortet, deren Oberwellen gemessen werden. Zur räumlichen Kodierung wird zusätzlich zum Anregungsfeld ein magnetisches Gradientenfeld (Selektionsfeld) hinzugeschaltet. Dieses Feld ist so gewählt, dass sich alle Partikel außerhalb eines ausgezeichneten Punktes, an dem die Feldstärke verschwindet (FFP: feldfreier Punkt), in magnetischer Sättigung befinden. Dadurch ist eine räumliche Kodierung erreicht, denn lediglich im FFP wird ein Signal generiert. Die Sensitivität des Verfahrens kann erheblich verbessert werden, wenn statt eines FFPs eine feldfreie Linie (FFL) generiert wird. Das Ziel ist es, eine CT-ähnliche Rekonstruktion der räumlichen Verteilung der Partikel durchzuführen, wozu die FFL langsam über das zu rekonstruierende Gebiet rotiert und gleichzeitig schnell translatiert werden muss.Realisierungen echtzeitfähiger FFL-Scanner scheiterten bisher weltweit an den zu hohen Verlustleistungen in den feldgenerierenden Selektionsfeldspulen. Im Zentrum des hier vorgeschlagenen Forschungsprojektes steht daher die Entwicklung des ersten dynamischen FFL-Scanners, der das Selektionsfeld mithilfe von Permanentmagneten generiert. Dabei wird für die Geometrie der Magneten eine innovative Scannertopologie verwendet. Die Reduktion der Anzahl der elektrisch betriebenen Spulen wird für eine Verminderung der Kopplung von Signalpfaden sorgen, die typischerweise zur Verminderung der Qualität der magnetischen Felder und zu einem hohen Leistungsbedarf führt. Weiterhin werden keine Spulen, Spannungsquellen und passive Filter für die Generierung des Selektionsfeldes benötigt. Der Hauptvorteil wird in der drastisch gesenkten Verlustleistung des FFL-Scanners auf unter 0,1 % eines vergleichbaren Scanners mit Selektionsfeldspulen liegen, wobei zusätzlich die Rotationsgeschwindigkeit leicht variiert und deren Einfluss auf den Bildgebungsprozess erforscht werden kann.

Im Rahmen des Projektes wurde ein FFL‐MPI‐Scanner entworfen und realisiert, der eine Rotation der FFL durch eine mechanische Drehung der Magnete zur Erzeugung der FFL ermöglicht. Das Design erlaubt es, für eine 2D‐Bildgebung jeweils lediglich eine Anregungs‐ und Empfangsspule zu verwenden und reduziert so die Komplexität des MPI‐Systems. Zur Erreichung der Ziel wurden zunächst umfangreiche Simulationen durchgeführt, auf Basis derer die einzelnen Komponenten des Scanners konstruiert wurden. Anschließend wurden diese in ein Gesamtsystem integriert. Anhand verschiedener Bildgebungsexperimenten konnte die Funktionalität des Systems gezeigt werden. Die erreichbare örtliche Auflösung liegt bei etwa 1 mm bei gleichzeitiger Echtzeitbildgebung.