Abb. 1 - Universität zu Lübeck

M. Erbe, T. Knopp, T. F. Sattel, S. Biederer, T. M. Buzug
Institut für Medizintechnik, Technisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
a)
Magnetic-Particle-Imaging (MPI) ist eine neue bildgebende Modalität [1],
die super-paramagnetische Eisenoxid-(SPIO)-Nanopartikel als Tracer
einsetzt. Die Nichtlinearität der Magnetisierung der SPIO-Partikel wird
ausgenutzt, um mittels eines feldfreien Punktes (FFP) räumliche und
zeitliche Auflösung zu erzielen (Abb. 1). MPI ermöglicht es, bei hoher
Sensitivität und Auflösung die Verteilung der Partikel dreidimensional und
in Echtzeit abzubilden. Dazu ist derzeit kein anderes Bildgebungsverfahren in der Lage.
Mögliche Anwendungsgebiete sind die Diagnostik und die interventionelle
Therapie von Herz-Kreislauf-Erkrankungen sowie die 3D-Gefäßdarstellung für radiologische Interventionen. Weiterhin wird die Diagnose von
Blutflussphänomenen durch die schnelle dynamische Bildgebung
ermöglicht.
b)
Abb. 2: a) Spulenanordnung zur Erzeugung einer beliebig in der
xy-Ebene rotierten FFL und b) der realisierte Spulenaufbau zur
Generierung der rotierten FFL.
Um sich die Eigenschaften einer magnetischen feldfreien Linie für die Anwendung
in MPI nutzbar zu machen, müssen bestimmte Voraussetzungen erfüllt sein. So
muss die FFL auf einer radialen Trajektorie
(Abb. 3) bewegbar sein, da die Rekonstruktion in Anlehnung an ein in der Computertomographie erfolgreich angewendetes
Verfahren erfolgen soll. Die Rotation sowie
die Verschiebung der FFL werden aus- Abb. 3: Trajektorie der FFL
schließlich durch Variation der Ströme in
den elektromagnetischen Spulen erreicht. Abbildung 4 zeigt die mittels
des aufgebauten Felddemonstrators (Abb. 2 b)) erzeugten Felder in
11x11 Voxeln auf 2,8x2,8 cm. Die Ausbildung einer magnetischen FFL
ist für 6 äquidistante Winkel zu sehen, wobei blau für geringe und rot für
eine hohe Feldstärke steht. Die Abweichung von der Simulation beträgt
weniger als 1%. In diesem Experiment wurde die erste mittels eines
statischen Aufbaus rotierte FFL erzeugt.
Abb. 1: Lediglich SPIO Partikel, die
sich im feldfreien Punkt befinden,
tragen zur induzierten Spannung
und somit zum empfangenen
Signal bei. Partikel außerhalb des
FFPs befinden sich in Sättigung und
erzeugen kein Signal.
Anstatt eines FFPs kann auch eine feldfreie Linie (FFL) für die
Bildgebung mittels MPI verwendet werden (Abb. 2 a)). Dieser Ansatz ist
neu und wurde bisher nur in Simulationsstudien untersucht [2, 3]. Diese
ergaben, dass die Sensitivität von MPI bei Verwendung einer FFL um
das zehnfache gesteigert werden kann. Jedoch wurde das Konzept der
FFL-Bildgebung in Frage gestellt, da die elektrische Verlustleistung für
den ersten vorgestellten Scanner tausendmal höher ist, als die eines
vergleichbaren FFP Scanners. Erst durch die Optimierung der Spulenanordung konnte diese Hürde überwunden werden. Der in Abb. 2 a)
dargestellte Scanner benötigt lediglich das 1,4-fache der Leistung eines
FFP-Scanners. Dieses Spulendesign wurde verwendet um erstmals die
zur FFL-Bildgebung benötigten Felder zu erzeugen und zu validieren.
Ein Foto des Aufbaus ist in Abb. 2 b) zu sehen.
Die Verwendung einer FFL in der neuen Bildgebungsmodalität MPI verspricht
eine Sensitivitätssteigerung um einen Faktor von etwa 10. Diese Tatsache
motivierte den ersten Aufbau zur Validierung eines beliebig in der xy-Ebene
rotierten FFL-Feldes. Die Rotation der FFL wird lediglich mittels Variation der
Ströme in den verwendeten Spulen erreicht, während der Aufbau statisch
bleibt. Es wurde auf diese Weise die erste magnetische FFL erzeugt und
validiert, die die Anforderungen zur Bildgebung mittels MPI erfüllt.
Direktor
Prof. Dr. T. M. Buzug
Institut für Medizintechnik
Universität zu Lübeck
Ratzeburger Allee 160, 23538 Lübeck
Abb. 4: Messdaten zu den erzeugten Magnetfeldern. Es ist die Ausprägung
einer FFL unter 6 äquidistanten Winkeln zwischen 0 und 90 Grad zu sehen.
[1] Gleich, B.; Weizenecker, J.: Tomographic imaging using the
nonlinear response of magnetic particles. Nature, 2005
[2] Weizenecker, J.; Gleich, B.; Borgert, J.: Magnetic particle imaging using
a field free line. Journal of Physics D: Applied Physics, Volume 41
[3] Knopp, T.; Erbe, M.; Biederer, S.; Sattel, T.F.; Buzug, T.M.: Efficient
Generation of a Magnetic Field-Free Line; to be published in Medical
Physics
Kontakt
Marlitt Erbe
Institut für Medizintechnik
Universität zu Lübeck
Ratzeburger Allee 160, 23538 Lübeck