Evaluation of imaging parameters in Magnetic Particle Imaging

Schmidt, Daniel Dario

Magnetic Particle Imaging (MPI) is a medical imaging modality, that is (in the current state in 2017) in the preclinical stage. It is based on the spatially encoded detection of magnetic nanoparticles that are magnetized by an external magnetic field. Employing gradient fields and pickup coils the particle distribution can be reconstructed from the measurement signal. Body tissue is ignored with this technology. Based the potential high spatial and temporal resolution, MPI is a worldwide topic of research. Besides MPI, the Magnetic Particle Spectroscopy (MPS) has been established for the characterization of magnetic nanoparticles under MPI conditions. Since this method only yields relative information, an MPI scanner is still needed for quantitative estimations regarding the spatial resolution under consideration of the signal-to-noise ratio. This leaves room for optimization. The first part of the thesis describes the influence of the measurement signal on the spatial resolution in MPI. Based on classic theories of signal-processing and imaging, the MPI signal is analyzed regarding the Nyquist-Shannon-Sampling-Theorem and the spatial frequencies and a direct relationship between spatial frequencies and harmonic structure is indicated. Finally, the spatial resolution is related to the harmonics above noise level. In the second part, it is presented based on simulation results how the tracer properties may be optimized for MPI. It is shown, that due to dynamic effects, tracers need to be attuned specifically for MPI via several parameters. Finally, a parameter is presented for the optimization of MNP that is independent of the applied field strength and frequency. In the third and last part of the thesis, an enhancement of the standard MPS characterization is presented to estimate the spatial resolution of the tracer in dependence on the amount of the tracer and its properties. Besides the characterization of several commercially available tracers, the theory from the first part of the thesis is successfully verified. Moreover, a study is presented in which several resolution phantoms were imaged in a commercial MPI-scanner and successfully compared to the previous resolution characterization of the tracer.

Magnetic Particle Imaging (MPI) ist eine medizinische bildgebende Methode, die sich aktuell (Stand: 2017) im präklinischen Stadium befindet. Die Bildgebung basiert auf der ortsaufgelösten Detektion magnetischer Nanopartikel, die in einem magnetischen Wechselfeld periodisch magnetisiert werden. Mittels Gradientenfeldern sowie Detektionsspulen kann die Partikelverteilung aus dem Messsignal rekonstruiert werden. Aufgrund der hohen räumlicher als auch zeitlichen Auflösung ist MPI ein weltweites Forschungsthema. Parallel zum MPI hat sich die Magnetic Particle Spectroscopy (MPS) als Methode zur Charakterisierung des Verhaltens magnetischer Nanopartikel unter MPI-Bedingungen etabliert. Da diese Methode jedoch nur relative Aussagen über die Bildqualität zulässt und quantitative Abschätzungen über eine erreichbare räumliche Auflösung unter Berücksichtigung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses nur in Phantomstudien im MPI-Scanner möglich sind, besteht hier Optimierungspotential. Der erste Teil der Arbeit beschreibt den Einfluss des Messsignals im MPI auf die räumliche Auflösung. Basierend auf klassischen Theorien der Signalverarbeitung und der Bildgebung wird das MPI-Signal bezüglich des Nyquist-Shannon-Sampling-Theorems und der Ortsfrequenzen analysiert und auf einen direkten Zusammenhang zwischen Harmonischen und den Ortsfrequenzen hingewiesen. Darauf basierend wird die räumliche Auflösung in einen Zusammenhang mit den über dem Rauschlevel liegenden Harmonischen des MPI-Signals gebracht. Im zweiten Teil wird anhand einer Simulation präsentiert, wie die Tracereigenschaften für MPI-Bedingungen optimiert werden können. Es wird dabei gezeigt, dass die Optimierung der Tracer für MPI aufgrund dynamischer Effekte nur über die Abstimmung mehrerer Parameter geschehen kann. Final wird ein Faktor präsentiert, der sich in den Simulationen als weitestgehend unabhängig von den externen Parametern Feldstärke und Frequenz zeigt. Im dritten und letzten Teil der Arbeit wird eine Erweiterung der MPS vorgestellt, die eine Abschätzung der erreichbaren räumlichen Auflösung des Tracers in Abhängigkeit von Tracermenge und -eigenschaften ermöglicht. Neben der Charakterisierung mehrerer kommerziell erhältlicher Tracer wird darüber hinaus die im ersten Teil vorgestellte Theorie erfolgreich verifiziert. Vergleichend wird zudem eine Studie vorgestellt, in der mehrere Auflösungsphantome eines Tracers in einem kommerziellen MPI-Scanner gemessen wurden.

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Schmidt, Daniel: Evaluation of imaging parameters in Magnetic Particle Imaging. 2018.

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