Magnetic Particle Imaging - Applications of magnetic nanoparticles for analytics and imaging

Viereck, Thilo GND

Magnetic Particle Imaging (MPI) is a new imaging modality that delivers tracer-based volume images with high spatial and temporal resolution. The properties of the nanoparticular tracer, that needs to be present in the imaging volume for MPI to render image contrast, have direct impact on the MPI performance. The magnetization dynamics of the superparamagnetic nanoparticles are a critical factor in MPI system design. However, once understood and numerically modelled the particle's magnetization dynamics are key to enabling functional imaging with MPI based on potential particle functionalization. This thesis describes the development of a magnetic particle imaging scanner and its accompanying particle characterization technique, magnetic particle spectroscopy (MPS). The devices have been designed, built and tested to deliver insights into particle dynamics and to function as a prototype platform for MPI research. That includes the scanner hardware as well as the software for modelling the particle's magnetization response and image reconstruction. The main focus is on the development and evolution of the so called 'Mobility MPI' (mMPI) which promises to provide an estimate of the particle mobility, including the hydrodynamic diameter of the particles and the viscosity of the surrounding medium, in additional to the standard concentration-weighted MPI image. By allowing a discrimination between Néel and Brownian contributions, mMPI in conjunction with a suitable tracer enables binding detection in the imaging volume. The harmonic spectrum connected with the dynamic magnetization response of the tracer is studied in MPS. The ability for conducting bio-assays with MPS is explored and the results are evaluated in context of appropriate numerical models. Furthermore, the effect of viscosity on the MPI system matrix is studied and different approaches for deducing mobility information from an MPI experiment are investigated.

Magnetic Particle Imaging (MPI) ist eine neue Bildgebungsmodalität, die Volumenbilder mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung liefert. Die Eigenschaften des nanopartikulären Markers, der im Bildgebungsvolumen anwesend einen Bildkontrast generiert, haben dabei direkten Einfluss auf die MPI-Performance. Die Magnetisierungsdynamik der superparamagnetischen Nanopartikel ist auch ein entscheidender Faktor im MPI Systemdesign. Ein eingehendes Verständnis und die numerische Modellierung der Partikel-Magnetisierungsdynamik kann dabei ein Schlüssel zur Realisierung von funktionaler Bildgebung im MPI sein, die auf einer möglichen Funktionalisierung der Partikel beruht. Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung eines Magnetic Particle Imaging Scanners und der dazugehörigen Charakterisierungstechnik, der Magnetic Particle Spektroscopy (MPS). Die Geräte wurden dabei entwickelt, gebaut und getestet, um Einblicke in die Partikeldynamik zu geben und um als Prototyp-Plattform für die MPI-Forschung zu dienen. Das schließt sowohl die Scanner-Hardware als auch die Software zur Modellierung der dynamischen Partikelantwort und zur Bildrekonstruktion ein. Der Fokus liegt hierbei auf der Entwicklung des sogenannten 'Mobility MPI' (mMPI), welches eine Bestimmung der Partikelbeweglichkeit zusätzlich zur konventionellen konzentrations-gewichteten MPI-Bildgebung ermöglicht. Die Partikelbeweglichkeit umfasst dabei den hydrodynamischen Durchmesser der Partikel und die Viskosität des sie umgebenden Mediums. Durch die Unterscheidung von Néel'schen und Brown'schen Beiträgen zur Magnetisierung ermöglicht mMPI in Verbindung mit einem geeigneten Marker die Bindungsdetektion im Bildgebungsvolumen. Das Harmonischen-Spektrum und die dynamische Magnetisierungsantwort des MPI-Markers werden im MPS untersucht. Außerdem wird die Durchführung von Bio-Assays auf der Basis von MPS erkundet, und die Ergebnisse werden mit entsprechenden numerischen Modellen verglichen. Darüber hinaus wird der Einfluss der Viskosität auf die MPI System-Matrix analysiert und verschiedene Ansätze zur Ableitung der Mobilitätsinformation der Partikel aus den MPI Messdaten untersucht.


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