Dual frequency Magnetic Particle Imaging Scanner - Hardware for mobilityMPI

Kuhlmann, Christian GND

Magnetic Particle Imaging (MPI) ist eine neue tomographische Bildgebungsmethode, welche magnetische Nanopartikel als Marker nutzt und potentielle Anwendungsmöglichkeiten in der Medizin und medizinischen Forschung bietet. Durch seine Auflösung im mm-Bereich und seine hohe zeitliche Auflösung ist es für viele Anwendungen geeignet. Da MPI ohne ionisierende Strahlung arbeitet, bietet eine Substitution von radiologischen Untersuchungen Vorteile für Patient und medizinisches Personal. Eine Herausforderung ist die Entwicklung von Anwendungsmöglichkeiten, die über die Fähigkeiten der etablierten Methoden hinausgehen. Ein möglicher Vorteil von MPI ist die Nutzung von Nanopartikeln, welche z.B. durch Funktionalisierung der Oberfläche kontrolliert mit ihrer Umgebung interagieren können. Durch das Ausnutzen der Partikeldynamik können diese Interaktionen magnetisch mit MPI gemessen und eine räumliche Darstellung des Partikelzustands gewonnen werden. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung und Anwendung eines MPI-Scanners, welcher speziell für die Demonstration und Erforschung der funktionalen Bildgebungsmöglichkeiten mit MPI unter Ausnutzung der Mobilitätsinformation der Partikel entworfen wurde. Dieses Konzept, welches als mobility-MPI (mMPI) bezeichnet wird, kann durch verschiedene Verfahren unter Ausnutzung der Brownschen Relaxation realisiert werden. Ein Verfahren ist die Verwendung zweier Anregungsfrequenzen, was die Separation der Partikeldynamik von der räumlichen Verteilung ermöglicht. Da aktuelle MPI Scanner Sende- und Empfangsschaltungen besitzen, welche an die Anregungsfrequenz angepasst sind, erfordert das Mehrfrequenz-mMPI Hardwareerweiterungen gegenüber konventionellen Scannern. Die vorliegende Arbeit beschreibt detailliert das Design und die Konstruktion eines Magnetic Particle Spectrometers und eines mMPI-Systems und ihrer Komponenten. Mehrere Entwurfsverfahren, wie z.B. eine Methode zur präzisen Vorhersage der parasitären Effekte bei Spulen, wurden im Zuge des Design-Prozesses entwickelt. Erwähnenswert ist ebenfalls das Design der Sende- und Empfangsfilter, welche hohe Dämpfungswerte im Sperrbereich bei guter Linearität liefern. Die Entwicklung einer volldifferentiellen Empfangsspule ist ein weiterer interessanter Aspekt. Der neue Scanner wurde ausgehend von konventionellen ein- und zweidimensionalen MPI-Bildern genutzt, um die Eignung von MPI für die räumlich aufgelöste funktionale Bildgebung mittels Partikeldynamik zu zeigen.

Magnetic Particle Imaging (MPI), being a new tomographic imaging modality based on magnetic nanoparticle tracers, offers potential applications in medicine and medical research. Possessing spatial resolution in the millimeter range and high temporal resolution, it is well suited for many applications. Since MPI doesn't rely on ionizing radiation, substitution of radiological methods by MPI benefits the safety of patients and medical staff. One of the challenges MPI faces is to provide capabilities that surpass what is currently possible with tracer based imaging systems. A possible advantage of MPI is the presence of nanoparticle tracers that can be modified to interact in well defined ways with their environment through surface functionalization. By exploiting particle dynamics, these interactions can be measured magnetically and can provide a spatially resolved map of particles states, enabling quantitative, functional imaging. This work describes the development and application of a MPI scanner designed specifically to demonstrate and further research the functional imaging capability of MPI through the measurement of particle mobility. This concept, called moblity MPI (mMPI), can be realized based on the Brownian relaxation mechanism. One possible technique involves the use of multiple excitation frequencies, that can be used to separate information on the spatial distribution from particle dynamics. Since the particle relaxation is inherently dependent on the excitation frequency, acquiring the same image at several drive frequencies provides the additional data required for functionally and spatially resolved MPI. Since current MPI scanners rely on transmit and receive chains tuned to the excitation frequency, the scanner hardware needs to be adapted. This thesis describes in detail the design and construction of a MPS and a mMPI system and their components. Several design techniques, such as a method for the accurate prediction of coil parasitics, have been developed for this task. Other noteworthy aspects are the design of transmit and receive filters, offering high stop band attenuation and good linearity. The development of a fully differential receive coil completes the effort to provide a system suitable for the demonstration of mMPI. After acquiring conventional one- and two-dimensional MPI images, the new scanner was used to demonstrate the capability of MPI to provide spatially resolved information on particle mobility.

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Kuhlmann, Christian: Dual frequency Magnetic Particle Imaging Scanner - Hardware for mobilityMPI. 2019.

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