Magnetic Particle Imaging - eine Einführung in die Instrumentierung und Bildrekonstruktion

Die Verwendung von Kontrastmitteln in der medizinischen Bildgebung hat eine lange Geschichte, doch ein echtzeitfähiges tomographisches Verfahren ohne Patientenbelastung wurde erst 2005 von Gleich und Weizenecker vorgestellt [1]. Die neue tomographische Bildgebungsmodalität Magnetic Particle Imaging (MPI) ist in der Lage, hohe räumliche und zeitliche Auflösung mit einer ausgezeichneten Sensitivität zu kombinieren. Die Realisierbarkeit dieser drei kritischen Qualitäten wurde bereits 2007 veranschaulicht, als ein Bolus von Nanopartikeln in einem schlagenden Mäuseherz in Echtzeit verfolgt werden konnte [2]. Ein schlagendes Herz in Echtzeit darzustellen, würde in der klinischen Anwendung viele neue Möglichkeiten eröffnen, wobei die minimalinvasive Herzchirurgie eine wesentliche Rolle spielen würde. Somit ist diese Technik vielversprechend in Hinsicht auf diagnostische und intraoperative Bildgebung am Menschen. Das Prinzip der Aufnahmetechnik basiert auf der nichtlinearen Magnetisierungskurve von superparamagnetischen Nanopartikeln [3] (Superparamagnetic Iron Oxides, SPIOs) und kommt ohne den Patienten-belastende Strahlung aus. Die Partikel, welche bereits in der MRT-Bildgebung im klinischen Einsatz sind, werden nach der Bildakquirierung in der Leber abgebaut [4]. Die Signalgenerierung funktioniert über periodisch veränderliche externe magnetische Felder, und die räumliche Kodierung erfolgt über externe magnetische Gradientenfelder. Zusammen mit weiterentwickelten Tracern ist eine räumliche Auflösung in der Größenordnung von 1 mm möglich [5]. Die aktuelle Forschung bezüglich MPI beinhaltet zum einen die grundsätzliche Entwicklung von Scannertopologien, welche die räumliche Kodierung und Auflösung, die Sensitivität und die Aufnahmezeit bestimmen. Hier können Anwendungsszenarien mit einbezogen werden und beispielsweise offene Scannerkonzepte für einen optimalen intraoperativen Patientenzugang sorgen [6]. Zum anderen spielt die Weiterentwicklung von Tracern eine wichtige Rolle in der MPI-Bildgebung, da die Magnetisierungskurve von zentraler Bedeutung für die räumliche Auflösung ist. Insgesamt resultiert die Qualität der bei MPI aufgenommenen Rohdaten, das sind die Spannungen in den Empfangsspulen, im Wesentlichen aus der Scannergeometrie, der Güte der elektronischen Signalpfade und der Magnetisierungskurve der Partikel. Um aus diesen Rohdaten Grauwertbilder zu generieren, sind Rekonstruktionsalgorithmen notwendig. Bisher ist hier die Rekonstruktion über die Invertierung einer scanner- und partikelspezifischen Systemmatrix der Goldstandard [7-8]. Diese Messung der Systemmatrix ist allerdings zeitintensiv und bietet wenig Flexibilität. Ein komplettes Verständnis der Bildgenerierung ist noch Gegenstand aktueller Forschung. Daneben bietet die Erforschung von Rekonstruktionsalgorithmen, Sequenzdesign, Kombination mit anderen bildgebenden Verfahren und die Entwicklung von neuen Anwendungsszenarien ein offenes Feld für weitere Forschung.