Traveling Wave Magnetic Particle Imaging: Visuelle Stenosequantifizierung und Perkutane Transluminale Angioplastie im Gefäßmodell

Traveling Wave Magnetic Particle Imaging: visual stenosis quantification and percutaneous transluminal angioplasty in a phantom model

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-352517
  • Magnetic Particle Imaging (MPI) ist ein innovatives tomographisches Bildgebungs­verfahren, mit dem Tracerpartikel äußerst sensitiv und schnell mehrdimensional abgebildet werden können. 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 größeres Field of View (FOV) und eine geringereMagnetic Particle Imaging (MPI) ist ein innovatives tomographisches Bildgebungs­verfahren, mit dem Tracerpartikel äußerst sensitiv und schnell mehrdimensional abgebildet werden können. 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 größeres Field of View (FOV) und eine geringere Latenz bis zur Bildanzeige erreicht werden konnte. TWMPI weist einige für medizinische Zwecke vielversprechende Eigenschaften auf: Es liefert zwei- und dreidimensionale Bildrekonstruktionen in Echtzeit mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung. Dabei ist die Bildgebung von Grund auf hintergrundfrei und erfordert keinerlei ionisierende Strahlung. Zudem ist die Technik äußerst sensitiv und kann SPION-Tracer noch in mikromolaren Konzentrationen detektieren. Ziel dieser Arbeit war es daher zu untersuchen, inwiefern es mittels TWMPI möglich ist, künstliche Stenosen im Gefäßmodell visuell in Echtzeit darzustellen und quantitativ zu beurteilen sowie überdies eine perkutane transluminale Angioplastie (PTA) im Gefäßmodell unter TWMPI-Echtzeit-Bildgebung durchzuführen. Alle Experimente wurden in einem speziell angefertigten TWMPI-Scanner durchgeführt (JMU Würzburg, Experimentelle Physik V (Biophysik), FOV: 65 x 29 x 29 mm³, Auflösung: ca. 1.5 - 2 mm). Die Lumen-Darstellungen erfolgten mittels des SPION-Tracers Ferucarbotran in einer Verdünnung von 1 : 50 (entspr. 10 mmol [Fe]/l). Das PTA-Instrumentarium wurde mit eigens hergestelltem ferucarbotran­haltigem Lack (100 mmol [Fe]/l) markiert. Für die verschiedenen Teilexperimente wurden den jeweiligen speziellen Anforderungen entsprechend mehrere Gefäßmodelle handgefertigt. Für die visuelle Stenosequantifizierung wurden fünf starre Stenosephantome unterschiedlicher Stenosierung (0%, 25%, 50%, 75%, 100%) aus Polyoxymethylen her­gestellt (l: 40 mm, ID: 8 mm). Die Gefäßmodelle 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 unabhängig vom Stenosegrad aufgrund einheitlicher Fensterung sowie konstanter Scannerparameter untereinander gut vergleichbar. Niedrig­gradige Stenosen konnten insgesamt genauer abgebildet werden als höhergradige, was sich neben der subjektiven Bildqualität 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 höheren Standardabweichung von 14.77% einherging. Leichte, randständige Artefakte konnten bei allen Datensätzen beobachtet werden. Für die PTA wurden drei interaktive Gefäßmodelle aus Polyvinylchlorid (l: 100 mm, ID: 8 mm) mit zu- und abführendem Schlauchsystem entwickelt, welche mittels Kabelband von außen hochgradig eingeengt werden konnten. Analog zu einer konventionellen PTA mittels röntgenbasierter digitaler Subtraktionsangiographie (DSA), wurden alle erforder­lichen Arbeitsschritte (Gefäßdarstellung, Drahtpassage, Ballonplatzierung, Angioplastie, Erfolgskontrolle) unter (TW)MPI-Echtzeit-Bildgebung (Framerate: 2 - 4 FPS, Latenz: ca. 100 ms) abgebildet bzw. durchgeführt. Im Rahmen der PTA war eine Echtzeit-Visualisierung der Stenose im Gefäßmodell durch Tracer-Bolusgabe sowie die Führung des markierten Instrumentariums zum Zielort möglich. Die Markierung der Instrumente hielt der Beanspruchung während der Prozedur stand und ermöglichte 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 adäquate Bildgebungstechnik für die beiden in der Fragestellung bzw. Zielsetzung definierten experimentellen Anwendungen. Stenosen im Gefäßmodell konnten erfolgreich in Echtzeit visualisiert und bildmorphologisch nach NASCET-Kriterien quantifiziert werden. Ebenso war eine PTA im Gefäßmodell unter TWMPI-Echtzeit-Bildgebung machbar. Diese Ergebnisse unter­streichen das grundlegende Potenzial von MPI für medizinische Zwecke. Um zu den bereits etablierten Bildgebungsmethoden aufzuschließen, ist jedoch weitere Forschung im Bereich der Scanner-Hard- und -Software sowie bezüglich SPION-Tracern nötig.show moreshow less
  • Magnetic Particle Imaging (MPI) is an innovative tomographic imaging method with which tracer particles can be depicted multidimensionally quickly and extremely sensitively. The method is based on the nonlinear magnetization response of superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPION) in a measuring point that runs through a measurement volume. In the present work, the so-called Traveling Wave MPI (TWMPI) method was used, whereby a larger Field of View (FOV) and a lower latency from measurement to image display could be achieved compared toMagnetic Particle Imaging (MPI) is an innovative tomographic imaging method with which tracer particles can be depicted multidimensionally quickly and extremely sensitively. The method is based on the nonlinear magnetization response of superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPION) in a measuring point that runs through a measurement volume. In the present work, the so-called Traveling Wave MPI (TWMPI) method was used, whereby a larger Field of View (FOV) and a lower latency from measurement to image display could be achieved compared to conventional MPI scanners. TWMPI has some promising properties for medical purposes: it delivers two- and three-dimensional image reconstructions in real time with high temporal and spatial resolution. The imaging is background-free by default and does not require any ionizing radiation. In addition, the technology is extremely sensitive and can detect SPION tracers in micromolar concentrations. The aim of this work was therefore to investigate to what extent it is possible to use TWMPI to graphically visualize and quantitatively assess artificial stenoses in a phantom model in real time and furthermore to perform a percutaneous transluminal angioplasty (PTA) in a phantom model under TWMPI real-time imaging. All experiments were carried out in a specially manufactured TWMPI scanner (JMU Würzburg, Experimental Physics V (Biophysics), FOV: 65 x 29 x 29 mm³, resolution: approx. 1.5 - 2 mm). Lumen visualization was achieved by use of the SPION tracer Ferucarbotran in a dilution of 1 : 50 (corresponding to 10 mmol [Fe] / l). The PTA instruments were marked with specially produced ferucarbotran-containing lacquer (100 mmol [Fe]/l). For the different sub-experiments, several vessel phantoms were custom-made according to the respective specific requirements. For visual stenosis quantification, five rigid stenosis phantoms of different grade of stenosis (0%, 25%, 50%, 75%, 100%) were built from polyoxymethylene (l: 40 mm, ID: 8 mm). The vessel phantoms were placed centrally in the FOV several times and the stenotic lumen was depicted as two-dimensional quasi-projections using a so-called slice scanning mode (SSM, single recording incl. averaging 10‑fold: 200 ms, frame rate: 5 frames per second, latency: approx. 100 ms). A uniform gray scaling was applied to these images (n = 80, 16 per phantom) before they were visually evaluated according to the NASCET criteria. Due to the uniform gray scaling, display settings and constant scanner parameters, all eighty images were well comparable with each other, regardless of the degree of stenosis. Overall, low-grade stenoses could be depicted more accurately than higher-grade ones, which, in addition to the subjective image quality, was also reflected in lower standard deviations (0%: 3.70 % ± 2.71, 25%: 18.64 % ± 1.84, 50%: 52.82 % ± 3.66, 75%: 77.84 % ± 14.77, 100%: 100 % ± 0). With increasing­ degree of stenosis, geometric distortions in the center increased, so that within the 75% stenoses a wider spread of the measured values led to a higher standard deviation of 14.77%. Faint, marginal artifacts could be observed over all data sets. For PTA, three interactive vessel phantoms made of polyvinyl chloride (l: 100 mm, ID: 8 mm) were developed with additional tubing to and from the phantom. These vessel phantoms could be highly constricted from the outside by use of cable ties. Analogous to a conventional PTA using X-ray-based digital subtraction angiography (DSA), all necessary steps (vascular visualization, wire passage, balloon placement, angioplasty, control imaging) were depicted by resp. carried out under (TW)MPI real-time imaging (frame rate: 2 – 4 FPS, latency: approx. 100 ms). During the PTA, real-time visualization of the stenosis in the vascular phantom by tracer bolus administration as well as guidance of the marked instruments to the destination was possible. The marking of the instruments withstood the stress during the procedure and allowed an accurate placement of the balloon catheter. The stenosis could be dilated with an angioplasty balloon under real-time imaging and the intervention success could then be validated by re-visualization of the lumen. Overall, MPI thus proves to be an adequate imaging technique in regard of the two experimental applications defined in the questions and aims of this study. Stenoses in a vascular phantom could be successfully visualized in real time and quantified visually according to NASCET criteria. Furthermore, a PTA in a vascular phantom guided by TWMPI real-time imaging was feasible. These findings underscore the fundamental potential of MPI for medical purposes. In order to catch up with the already established imaging methods, however, further research is needed in the field of scanner hard- and software as well as regarding SPION tracers.show moreshow less

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Metadaten
Author: Philipp DietrichORCiD
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-352517
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Medizinische Fakultät
Faculties:Fakultät für Physik und Astronomie
Medizinische Fakultät / Institut für diagnostische und interventionelle Radiologie (Institut für Röntgendiagnostik)
Referee:Prof. Dr. Thorsten Alexander BleyORCiD, Prof. Dr. Volker Christian BehrORCiD
Date of final exam:2024/03/14
Language:German
Year of Completion:2024
DOI:https://doi.org/10.25972/OPUS-35251
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 61 Medizin und Gesundheit / 610 Medizin und Gesundheit
GND Keyword:Medizinische RadiologieGND; MagnetpartikelbildgebungGND; InterventionsradiologieGND; Transluminale AngioplastieGND
Tag:Experimentelle Bildgebung; Interventionelle Radiologie; MPI; MPI <Bildgebendes Verfahren>; Magnetic Particle Imaging; Traveling Wave Magnetic Particle Imaging
experimental imaging; interventional radiology; magnetic particle imaging; traveling wave magnetic particle imaging
Release Date:2024/03/26
Licence (German):License LogoCC BY-NC-SA: Creative-Commons-Lizenz: Namensnennung, Nicht kommerziell, Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International