@phdthesis{Dietrich2024,
  author    = {Dietrich, Philipp},
  title     = {Traveling Wave Magnetic Particle Imaging: Visuelle Stenosequantifizierung und Perkutane Transluminale Angioplastie im Gef{\"a}ßmodell},
  doi       = {10.25972/OPUS-35251},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-352517},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2024},
  abstract  = {Magnetic Particle Imaging (MPI) ist ein innovatives tomographisches Bildgebungs­verfahren, mit dem Tracerpartikel {\"a}ußerst sensitiv und schnell mehrdimensional abgebildet werden k{\"o}nnen. Die Methode basiert auf der nichtlinearen Magnetisierungs­antwort superparamagnetischer Eisenoxidnanopartikel (SPION) in einem Messpunkt, welcher ein Messvolumen rastert. In vorliegender Arbeit wurde das sog. Traveling Wave MPI (TWMPI) Verfahren eingesetzt, wodurch im Vergleich zu konventionellen MPI-Scannern ein gr{\"o}ßeres Field of View (FOV) und eine geringere Latenz bis zur Bildanzeige erreicht werden konnte. TWMPI weist einige f{\"u}r medizinische Zwecke vielversprechende Eigenschaften auf: Es liefert zwei- und dreidimensionale Bildrekonstruktionen in Echtzeit mit hoher zeitlicher und r{\"a}umlicher Aufl{\"o}sung. Dabei ist die Bildgebung von Grund auf hintergrundfrei und erfordert keinerlei ionisierende Strahlung. Zudem ist die Technik {\"a}ußerst sensitiv und kann SPION-Tracer noch in mikromolaren Konzentrationen detektieren. Ziel dieser Arbeit war es daher zu untersuchen, inwiefern es mittels TWMPI m{\"o}glich ist, k{\"u}nstliche Stenosen im Gef{\"a}ßmodell visuell in Echtzeit darzustellen und quantitativ zu beurteilen sowie {\"u}berdies eine perkutane transluminale Angioplastie (PTA) im Gef{\"a}ßmodell unter TWMPI-Echtzeit-Bildgebung durchzuf{\"u}hren. Alle Experimente wurden in einem speziell angefertigten TWMPI-Scanner durchgef{\"u}hrt (JMU W{\"u}rzburg, Experimentelle Physik V (Biophysik), FOV: 65 x 29 x 29 mm³, Aufl{\"o}sung: ca. 1.5 - 2 mm). Die Lumen-Darstellungen erfolgten mittels des SPION-Tracers Ferucarbotran in einer Verd{\"u}nnung von 1 : 50 (entspr. 10 mmol [Fe]/l). Das PTA-Instrumentarium wurde mit eigens hergestelltem ferucarbotran­haltigem Lack (100 mmol [Fe]/l) markiert. F{\"u}r die verschiedenen Teilexperimente wurden den jeweiligen speziellen Anforderungen entsprechend mehrere Gef{\"a}ßmodelle handgefertigt. F{\"u}r die visuelle Stenosequantifizierung wurden f{\"u}nf starre Stenosephantome unterschiedlicher Stenosierung (0\%, 25\%, 50\%, 75\%, 100\%) aus Polyoxymethylen her­gestellt (l: 40 mm, ID: 8 mm). Die Gef{\"a}ßmodelle wurden mehrfach zentral im FOV platz­iert und das stenosierte Lumen mittels sog. Slice-Scanning Modus (SSM, Einzel­aufnahme inkl. 10 Mittelungen: 200 ms, Bildfrequenz: 5 Bilder pro Sekunde, Latenz: ca. 100 ms) als zweidimensionale Quasi-Projektionen abgebildet. Diese Aufnahmen (n = 80, 16 je Phantom) wurden mit einer ein­heitlichen Grauskalierung versehen und anschließend entsprechend den NASCET-Kriterien visuell ausgewertet. Alle achtzig Aufnahmen waren unabh{\"a}ngig vom Stenosegrad aufgrund einheitlicher Fensterung sowie konstanter Scannerparameter untereinander gut vergleichbar. Niedrig­gradige Stenosen konnten insgesamt genauer abgebildet werden als h{\"o}hergradige, was sich neben der subjektiven Bildqualit{\"a}t auch in geringeren Standardabweichungen zeigte (0\%: 3.70 \% ± 2.71, 25\%: 18.64 \% ± 1.84, 50\%: 52.82 \% ± 3.66, 75\%: 77.84 \% ± 14.77, 100\%: 100 \% ± 0). Mit zunehmendem Stenosegrad kam es vermehrt zu geometrischen Ver­zerrungen im Zentrum, sodass bei den 75\%-Stenosen eine breitere Streuung der Messwerte mit einer h{\"o}heren Standardabweichung von 14.77\% einherging. Leichte, randst{\"a}ndige Artefakte konnten bei allen Datens{\"a}tzen beobachtet werden. F{\"u}r die PTA wurden drei interaktive Gef{\"a}ßmodelle aus Polyvinylchlorid (l: 100 mm, ID: 8 mm) mit zu- und abf{\"u}hrendem Schlauchsystem entwickelt, welche mittels Kabelband von außen hochgradig eingeengt werden konnten. Analog zu einer konventionellen PTA mittels r{\"o}ntgenbasierter digitaler Subtraktionsangiographie (DSA), wurden alle erforder­lichen Arbeitsschritte (Gef{\"a}ßdarstellung, Drahtpassage, Ballonplatzierung, Angioplastie, Erfolgskontrolle) unter (TW)MPI-Echtzeit-Bildgebung (Framerate: 2 - 4 FPS, Latenz: ca. 100 ms) abgebildet bzw. durchgef{\"u}hrt. Im Rahmen der PTA war eine Echtzeit-Visualisierung der Stenose im Gef{\"a}ßmodell durch Tracer-Bolusgabe sowie die F{\"u}hrung des markierten Instrumentariums zum Zielort m{\"o}glich. Die Markierung der Instrumente hielt der Beanspruchung w{\"a}hrend der Prozedur stand und erm{\"o}glichte eine genaue Platzierung des Ballonkatheters. Die Stenose konnte mittels Angioplastie-Ballons unter Echtzeit-Darstellung gesprengt werden und der Interventionserfolg im Anschluss durch erneute Visualisierung des Lumens validiert werden. Insgesamt zeigt sich MPI somit als ad{\"a}quate Bildgebungstechnik f{\"u}r die beiden in der Fragestellung bzw. Zielsetzung definierten experimentellen Anwendungen. Stenosen im Gef{\"a}ßmodell konnten erfolgreich in Echtzeit visualisiert und bildmorphologisch nach NASCET-Kriterien quantifiziert werden. Ebenso war eine PTA im Gef{\"a}ßmodell unter TWMPI-Echtzeit-Bildgebung machbar. Diese Ergebnisse unter­streichen das grundlegende Potenzial von MPI f{\"u}r medizinische Zwecke. Um zu den bereits etablierten Bildgebungsmethoden aufzuschließen, ist jedoch weitere Forschung im Bereich der Scanner-Hard- und -Software sowie bez{\"u}glich SPION-Tracern n{\"o}tig.},
  subject      = {Medizinische Radiologie},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Vogel2016,
  author    = {Vogel, Patrick},
  title     = {Traveling Wave Magnetic Particle Imaging},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-132700},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2016},
  abstract  = {Magnetic Particle Imaging (MPI) ist eine noch sehr junge Technologie unter den nicht-invasiven tomographischen Verfahren. Seit der ersten Ver{\"o}ffentlichung 2005 wurden einige Scannertypen und Konzepte vorgestellt, welche durch die Messung des Antwortsignals von superparamagnetischen Eisennanopartikeln (SPIOs) auf wechselnde Magnetfelder ein dreidi-mensionales Bild ihrer Verteilung berechnen k{\"o}nnen. Durch die direkte Messung des Tracers handelt es sich beim MPI um eine sehr sensitive und hochspezifische bildgebende Methode. Zu Beginn dieser Forschungsarbeit gab es nur wenige bekannte MPI-Scanner, die jedoch alle ein nur kleines Field-of-View (FOV) vorweisen konnten. Der Grund daf{\"u}r liegt in der Ver-wendung von Permanentmagneten. Das Ziel war es nun, ein neues Konzept auszuarbeiten und einen 3D-MPI-Scanner zu entwer-fen, der in der Lage ist, ein mausgroßes Objekt zu messen. In dieser Arbeit wird ein alternatives Scannerkonzept f{\"u}r die dreidimensionale Bildge-bung superparamagnetischer Eisennanopartikel vorgestellt. Der Traveling Wave MPI-Scanner (TWMPI) basiert auf einem neu entwickelten Hauptspulensystem, welches aus mehreren Elektromagneten besteht. Dadurch ist die Hardware bereits in der Lage, eine Linie entlang der Symmetrieachse {\"u}ber einen großen Bereich dynamisch zu kodieren. Mit Hilfe weiterer Ab-lenkspulen kann schließlich ein FOV von 65 x 25 x 25 Millimetern dreidimensional abgetastet werden. Dazu stehen mehrere Scanverfahren zur Verf{\"u}gung, welche das Probenvolumen li-nienweise oder ebenenweise abtasten und mit einer Aufl{\"o}sung von ca. 2 Millimetern die Ver-teilung der SPIOs in wenigen Millisekunden abbilden k{\"o}nnen. Mit diesem neuen Hardwareansatz konnte erstmals ein MPI-Scanner mit einem MR-Tomographen (MRT) kombiniert werden. Das MPI/MRT-Hybridsystem liefert tomographi-sche Bilder des Gewebes (MRT) und zeigt die Verteilung des eisenhaltigen Kontrastmittels (MPI), ohne die Probe bewegen zu m{\"u}ssen. In einer in-vivo Echtzeitmessung konnte der TWMPI-Scanner mit 20 Bildern pro Se-kunde die dynamische Verteilung eines eisenhaltigen Kontrastmittels im K{\"o}rper und speziell im schlagenden Herzen eines Tieres darstellen. Diese Echtzeitf{\"a}higkeit er{\"o}ffnet in der kardi-ovaskul{\"a}re Bildgebung neue M{\"o}glichkeiten. Erste Messungen mit funktionalisierten Eisenpartikeln zeigen die spezifische Bildge-bung verschiedener Zelltypen und stellen einen interessanten Aspekt f{\"u}r die molekulare Bild-gebung dar. Die Sensitivit{\"a}t des Scanners liegt dabei im Bereich von wenigen Mikrogramm Eisen pro Milliliter, was f{\"u}r den Nachweis von wenigen 10.000 mit Eisen markierten Zellen ausreicht. Neben Messungen an diversen Ferrofluiden und eisenhaltigen Kontrastmitteln konnte der Einfluss von massiven Materialen, wie Eisenst{\"u}ckchen oder Eisensp{\"a}nen, auf die rekon-struierten Bilder untersucht werden. Erste Messungen an Gestein zeigen die Verteilung von Eiseneinschl{\"u}ssen und bieten die M{\"o}glichkeit einer weiteren zerst{\"o}rungsfreien Untersuchungsmethode f{\"u}r Materialwissen-schaftler und Geologen. Weiterf{\"u}hrende Testmessungen mit einer unabh{\"a}ngigen μMPI-Anlage zeigen erste Ergebnisse mit Aufl{\"o}sungen im Mikrometerbereich und liefern Erkennt-nisse f{\"u}r den Umgang und Messung mit starken Gradientenfeldern. Eine Modifizierung der Messanlage erlaubt es, in gerade einmal 500 μs ein komplettes Bild aufzunehmen, womit die Bewegung eines Ferrofluidtropfens in Wasser sichtbar gemacht werden konnte. Damit ist diese TWMPI-Anlage das schnellste MPI-System und er{\"o}ffnet die M{\"o}glichkeit grundlegende Erfahrungen in der Partikeldynamik zu erlangen. Der vorgestellte Traveling Wave MPI-Scanner ist ein alternativer Scannertyp, welcher sich von anderen MPI-Scannern abhebt. Mit neuen Ans{\"a}tzen ist in der Lage ein mausgroßes Objekt auf dynamische Weise sehr schnell abzutasten. Dabei konnten in verschiedenen Mes-sungen die Funktionalit{\"a}t und Leistungsf{\"a}higkeit des TWMPI-Konzeptes demonstriert wer-den, welche die gesteckten Ziele deutlich {\"u}bertreffen.},
  subject      = {Magnetpartikelbildgebung},
  language  = {de}
}