@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{Klauer2018,
  author    = {Klauer, Peter},
  title     = {Vollst{\"a}ndig integrierter Traveling-Wave-MPI-MRI-Hybridscanner},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-161314},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2018},
  abstract  = {Magnetic Particle Imaging (MPI) ist ein neuartiges tomographisches Bildgebungsverfahren, welches in der Lage ist, dreidimensional die Verteilung von superparamagnetischen Nanopartikeln zu detektieren. Aufgrund des direkten Nachweises des Tracers ist MPI ein sehr schnelles und sensitives Verfahren [12] und ben{\"o}tigt f{\"u}r eine Einordnung des Tracers (z.B. im Gewebe) eine weitere bildgebende Modalit{\"a}t wie die Magnetresonanztomographie (MRI) oder die Computertomographie. Die strukturelle Einordnung wird h{\"a}ufig mit dem Fusion-Imaging-Verfahren durchgef{\"u}hrt, bei dem die Proben separat in den Ger{\"a}ten vermessen und die Datens{\"a}tze retrospektiv korreliert werden [75][76]. In einem ersten Experiment wurde bereits ein Traveling-Wave-MPI-Scanner (TWMPI) [17] mit einem Niederfeld-MRI-Scanner kombiniert und die ersten Hybridmessung durchgef{\"u}hrt [15]. Der technische Aufwand, zwei separate Ger{\"a}te aufzubauen sowie die Tatsache, dass ein MRI-Ger{\"a}t bei 30mT sehr lange ben{\"o}tigt, diente als Motivation f{\"u}r ein integriertes TWMPIMRI- Hybridsystem, bei dem das dynamische lineare Gradientenarray (dLGA) eines TWMPI-Scanners intrinsisch das B0-Feld f{\"u}r ein MRI-Ger{\"a}t erzeugen sollte. Das Ziel dieser Arbeit war es, die Grundlagen f{\"u}r einen integrierten TWMPI-MRIHybridscanner zu schaffen. Die Geometrie des dLGAs sollte dabei nicht ver{\"a}ndert werden, damit TWMPI-Messungen weiterhin ohne Einschr{\"a}nkungen m{\"o}glich sind. Zusammenfassend werden hier noch mal die wichtigsten Schritte und Ergebnisse dieser Arbeit aufgezeigt. Zu Beginn dieser Arbeit wurde mittels Magnetfeldsimulationen nach einer geeigneten Stromverteilung gesucht, um allein mit dem dLGA ein ausreichend homogenes Magnetfeld erzeugen zu k{\"o}nnen. Die Ergebnisse der Simulationen zeigten, dass bereits zwei unterschiedliche Str{\"o}me in 14 der 20 Einzelspulen des dLGAs gen{\"u}gten, um ein Field of View (FOV) mit der Gr{\"o}ße 36mm x 12mm mit ausreichender Homogenit{\"a}t zu erreichen. Die Homogenit{\"a}t innerhalb des FOVs betrug dabei 3000 ppm. F{\"u}r die angestrebte Feldst{\"a}rke von 235mT waren Stromst{\"a}rken von 129A und 124A n{\"o}tig. Die hohen Str{\"o}me des dLGAs erforderten die Entwicklung eines daf{\"u}r angepassten Verst{\"a}rkers. Das urspr{\"u}ngliche Konzept, welches auf einem linear angesteuerten Leistungstransistors aufbaute, wurde in zahlreichen Schritten so weit verbessert, dass die n{\"o}tigen Stromst{\"a}rken stabil an- und ausgeschaltet werden konnten. Mithilfe eines Ganzk{\"o}rper-MRIs konnte erstmals das B0-Feld des dLGAs, welches durch den selbstgebauten Verst{\"a}rker erzeugt wurde, gemessen und mit der Simulation verglichen werden. Zwischen den beiden Verl{\"a}ufen zeigte sich eine qualitativ gute {\"U}bereinstimmung. Das Finden des NMR-Signals stellte wegen des selbstgebauten Verst{\"a}rkers eine Herausforderung dar, da zu diesem Zeitpunkt die n{\"o}tige Pr{\"a}zision noch nicht erreicht wurde und der wichtigste Parameter, die Magnetfeldst{\"a}rke im dLGA, nicht gemessen werden konnte. Dagegen konnte die L{\"a}nge der Pulse f{\"u}r die Spin-Echo- Sequenz sehr gut gemessen werden, jedoch war der optimale Wert noch nicht bekannt. Durch iterative Messungen wurden die richtigen Einstellungen gefunden, die nach {\"A}nderungen an der Hardware jeweils angepasst wurden. Die Performanz des Verst{\"a}rkers konnte anhand wiederholter Messungen des NMRSignals genauer untersucht werden. Es zeigte sich, dass die Pr{\"a}zision weiter verbessert werden musste, um reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten. Mithilfe des NMR-Signals konnten auch das B0-Feld ausgemessen werden. Es zeigte eine gute {\"U}bereinstimmung zur Simulation. Mithilfe von vier Segmentspulen des dLGAs war es m{\"o}glich einen linearen Gradienten entlang der z-Achse zu erzeugen. Ein Gradient wurde zus{\"a}tzlich zum B0-Feld geschaltet und ebenfalls ausgemessen. Auch dieser Verlauf zeigte eine gute {\"U}bereinstimmung zur Simulation. Mithilfe des Gradienten wurde erfolgreich die Frequenzkodierung und die Phasenkodierung implementiert, durch die bei beiden Messungen zwei Proben anhand des Ortes unterschieden werden konnten. Damit war die Entwicklung des MRIScanners abgeschlossen. Der Aufbau des TWMPI-Scanners ben{\"o}tigte neben dem Bau des dLGAs die Anfertigung von Sattelspulen. F{\"u}r die MPI-Messungen konnte der fehlende Teil der Sendekette sowie die gesamte Empfangskette von einer fr{\"u}heren Version benutzt werden. Auch f{\"u}r das MPI wurde die Funktionalit{\"a}t mithilfe einer Punktprobe und eines Phantoms {\"u}berpr{\"u}ft, allerdings hier in zwei Dimensionen. Die Erweiterung zu einem Hybridscanner erforderte weitere Modifikationen gegen{\"u}ber einem reinen TWMPI- bzw. MRI-Scanner. Es musste ein Weg gefunden werden, die Beschaltung des dLGAs f{\"u}r die jeweilige Modalit{\"a}t z{\"u}gig anzupassen. Daf{\"u}r wurde ein Steckbrett gebaut, das es erlaubt, die Verkabelung des dLGAs in kurzer Zeit zu {\"a}ndern. Außerdem mussten innerhalb des dLGAs die Sattelspulen und die Empfangsspule des TWMPIs sowie die Empfangsspule des MRIs untergebracht werden. Ein modulares System erlaubte die gleichzeitige Anordnung aller Komponenten innerhalb des dLGAs. Das messbare FOV des MRIs ist der Homogenit{\"a}t des B0-Feldes angepasst, das FOV des TWMPI ist ausgedehnter. Zum Ende dieser Arbeit wurde erfolgreich eine Hybridmessung durchgef{\"u}hrt. Das Phantom bestand aus je zwei Kugeln gef{\"u}llt mit {\"O}l und mit einem MPI-Tracer (Resovist). Mit TWMPI war die r{\"a}umliche Abbildung der Resovistkugeln m{\"o}glich, w{\"a}hrend mit MRI die der {\"O}lkugeln m{\"o}glich war. Diese in situ Messung zeigte die erfolgreiche Umsetzung des Konzeptes f{\"u}r den TWMPI-MRI-Hybridscanner. Zusammenfassend wurden in dieser Arbeit die Grundlagen f{\"u}r einen TWMPIMRI- Hybridscanner gelegt. Die gr{\"o}ßte Schwierigkeit bestand darin, ein ausreichend homogenes B0-Feld f{\"u}r das MRI zu erzeugen, mit dem man ein gutes NMRSignal aufnehmen konnte. Mit einer einfachen Stromverteilung, bestehend aus zwei unterschiedlichen Str{\"o}men, konnte ein ausreichend homogenes B0-Feld erzeugt werden. Durch komplexere Stromverteilungen l{\"a}sst sich die Homogenit{\"a}t noch verbessern und somit das FOV vergr{\"o}ßern. Die MRI-Bildgebung wurde in dieser Arbeit f{\"u}r eine Dimension implementiert und soll in fortf{\"u}hrenden Arbeiten auf 2D und 3D ausgedehnt werden. Letztendlich soll anhand eines MRI-Bildes die Partikelverteilung des MPI-Tracers in Lebewesen deren Anatomie zugeordnet werden. In [76][77][78] sind die ersten pr{\"a}klinischen Anwendungen mit dem TWMPI-Scanner durchgef{\"u}hrt worden. Diese Anwendungen erlangen eine h{\"o}here Aussagekraft durch die zus{\"a}tzlichen Informationen eines TWMPI-MRI-Hybridscanners. In weiteren Arbeiten sollte zus{\"a}tzlich die Gr{\"o}ße des FOVs f{\"u}r das MRI erweitert werden. Außerdem macht es Sinn, einen elektronischen Schalter zum Umschalten des dLGAs zwischen MRI und MPI zu realisieren. Die n{\"a}chste Version des Hybridscanners k{\"o}nnte beispielsweise ein komplett neu gestaltetes dLGA enthalten, in dem jede Segmentspule in radialer Richtung einmal geteilt wird und dadurch in eine innere und eine {\"a}ußere Spule zerlegt wird. F{\"u}r das MRI werden die beiden Spulenteile gegen geschaltet, um ein homogenes Feld in radialer Richtung zu erhalten. F{\"u}r das TWMPI werden die Spulenteile gleichgeschaltet, um einen m{\"o}glichst starken Feldgradienten zu erreichen. In dieser Arbeit wurde f{\"u}r die n{\"a}chste Version eines TWMPI-MRI-Hybridscanners viel Wissen generiert, das {\"a}ußerst hilfreich f{\"u}r das neue Design sein wird. Anhand der Vermessung des B0-Feldes hat sich gezeigt, dass die simulierten Magnetfelder gut mit den gemessenen Magnetfeldern {\"u}bereinstimmen. Außerdem wurde viel gelernt {\"u}ber die Kombination von TWMPI mit MRI.},
  subject      = {Magnetpartikelbildgebung},
  language  = {de}
}