Peter Klauer

• 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 benötigt für eine Einordnung des Tracers (z.B. im Gewebe) eine weitere bildgebende Modalität wie die Magnetresonanztomographie (MRI) oder die Computertomographie. Die strukturelle Einordnung wird häufig mit dem Fusion-Imaging-VerfahrenMagnetic 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 benötigt für eine Einordnung des Tracers (z.B. im Gewebe) eine weitere bildgebende Modalität wie die Magnetresonanztomographie (MRI) oder die Computertomographie. Die strukturelle Einordnung wird häufig mit dem Fusion-Imaging-Verfahren durchgeführt, bei dem die Proben separat in den Geräten vermessen und die Datensätze 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 durchgeführt [15]. Der technische Aufwand, zwei separate Geräte aufzubauen sowie die Tatsache, dass ein MRI-Gerät bei 30mT sehr lange benötigt, diente als Motivation für ein integriertes TWMPIMRI- Hybridsystem, bei dem das dynamische lineare Gradientenarray (dLGA) eines TWMPI-Scanners intrinsisch das B0-Feld für ein MRI-Gerät erzeugen sollte. Das Ziel dieser Arbeit war es, die Grundlagen für einen integrierten TWMPI-MRIHybridscanner zu schaffen. Die Geometrie des dLGAs sollte dabei nicht verändert werden, damit TWMPI-Messungen weiterhin ohne Einschränkungen möglich 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 können. Die Ergebnisse der Simulationen zeigten, dass bereits zwei unterschiedliche Ströme in 14 der 20 Einzelspulen des dLGAs genügten, um ein Field of View (FOV) mit der Größe 36mm x 12mm mit ausreichender Homogenität zu erreichen. Die Homogenität innerhalb des FOVs betrug dabei 3000 ppm. Für die angestrebte Feldstärke von 235mT waren Stromstärken von 129A und 124A nötig. Die hohen Ströme des dLGAs erforderten die Entwicklung eines dafür angepassten Verstärkers. Das ursprüngliche Konzept, welches auf einem linear angesteuerten Leistungstransistors aufbaute, wurde in zahlreichen Schritten so weit verbessert, dass die nötigen Stromstärken stabil an- und ausgeschaltet werden konnten. Mithilfe eines Ganzkörper-MRIs konnte erstmals das B0-Feld des dLGAs, welches durch den selbstgebauten Verstärker erzeugt wurde, gemessen und mit der Simulation verglichen werden. Zwischen den beiden Verläufen zeigte sich eine qualitativ gute Übereinstimmung. Das Finden des NMR-Signals stellte wegen des selbstgebauten Verstärkers eine Herausforderung dar, da zu diesem Zeitpunkt die nötige Präzision noch nicht erreicht wurde und der wichtigste Parameter, die Magnetfeldstärke im dLGA, nicht gemessen werden konnte. Dagegen konnte die Länge der Pulse für 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 Änderungen an der Hardware jeweils angepasst wurden. Die Performanz des Verstärkers konnte anhand wiederholter Messungen des NMRSignals genauer untersucht werden. Es zeigte sich, dass die Präzision weiter verbessert werden musste, um reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten. Mithilfe des NMR-Signals konnten auch das B0-Feld ausgemessen werden. Es zeigte eine gute Übereinstimmung zur Simulation. Mithilfe von vier Segmentspulen des dLGAs war es möglich einen linearen Gradienten entlang der z-Achse zu erzeugen. Ein Gradient wurde zusätzlich zum B0-Feld geschaltet und ebenfalls ausgemessen. Auch dieser Verlauf zeigte eine gute Übereinstimmung 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 benötigte neben dem Bau des dLGAs die Anfertigung von Sattelspulen. Für die MPI-Messungen konnte der fehlende Teil der Sendekette sowie die gesamte Empfangskette von einer früheren Version benutzt werden. Auch für das MPI wurde die Funktionalität mithilfe einer Punktprobe und eines Phantoms überprüft, allerdings hier in zwei Dimensionen. Die Erweiterung zu einem Hybridscanner erforderte weitere Modifikationen gegenüber einem reinen TWMPI- bzw. MRI-Scanner. Es musste ein Weg gefunden werden, die Beschaltung des dLGAs für die jeweilige Modalität zügig anzupassen. Dafür wurde ein Steckbrett gebaut, das es erlaubt, die Verkabelung des dLGAs in kurzer Zeit zu ändern. 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 Homogenität des B0-Feldes angepasst, das FOV des TWMPI ist ausgedehnter. Zum Ende dieser Arbeit wurde erfolgreich eine Hybridmessung durchgeführt. Das Phantom bestand aus je zwei Kugeln gefüllt mit Öl und mit einem MPI-Tracer (Resovist). Mit TWMPI war die räumliche Abbildung der Resovistkugeln möglich, während mit MRI die der Ölkugeln möglich war. Diese in situ Messung zeigte die erfolgreiche Umsetzung des Konzeptes für den TWMPI-MRI-Hybridscanner. Zusammenfassend wurden in dieser Arbeit die Grundlagen für einen TWMPIMRI- Hybridscanner gelegt. Die größte Schwierigkeit bestand darin, ein ausreichend homogenes B0-Feld für das MRI zu erzeugen, mit dem man ein gutes NMRSignal aufnehmen konnte. Mit einer einfachen Stromverteilung, bestehend aus zwei unterschiedlichen Strömen, konnte ein ausreichend homogenes B0-Feld erzeugt werden. Durch komplexere Stromverteilungen lässt sich die Homogenität noch verbessern und somit das FOV vergrößern. Die MRI-Bildgebung wurde in dieser Arbeit für eine Dimension implementiert und soll in fortführenden 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 präklinischen Anwendungen mit dem TWMPI-Scanner durchgeführt worden. Diese Anwendungen erlangen eine höhere Aussagekraft durch die zusätzlichen Informationen eines TWMPI-MRI-Hybridscanners. In weiteren Arbeiten sollte zusätzlich die Größe des FOVs für das MRI erweitert werden. Außerdem macht es Sinn, einen elektronischen Schalter zum Umschalten des dLGAs zwischen MRI und MPI zu realisieren. Die nächste Version des Hybridscanners könnte beispielsweise ein komplett neu gestaltetes dLGA enthalten, in dem jede Segmentspule in radialer Richtung einmal geteilt wird und dadurch in eine innere und eine äußere Spule zerlegt wird. Für das MRI werden die beiden Spulenteile gegen geschaltet, um ein homogenes Feld in radialer Richtung zu erhalten. Für das TWMPI werden die Spulenteile gleichgeschaltet, um einen möglichst starken Feldgradienten zu erreichen. In dieser Arbeit wurde für die nächste Version eines TWMPI-MRI-Hybridscanners viel Wissen generiert, das äußerst hilfreich für das neue Design sein wird. Anhand der Vermessung des B0-Feldes hat sich gezeigt, dass die simulierten Magnetfelder gut mit den gemessenen Magnetfeldern übereinstimmen. Außerdem wurde viel gelernt über die Kombination von TWMPI mit MRI.…
• Magnetic Particle Imaging (MPI) is a novel tomographic imaging technique, which can detect the distribution of superparamagnetic iron oxides in three dimensions. MPI is a fast and sensitive technique due to its immediate tracer detection [12] but needs another imaging modality like magnetic resonance imaging (MRI) or computed tomography for tracer classification (e.g. to tissue). The classification is often done with the fusion imaging technology where the sample is measured in different systems and the data are correlated afterwardsMagnetic Particle Imaging (MPI) is a novel tomographic imaging technique, which can detect the distribution of superparamagnetic iron oxides in three dimensions. MPI is a fast and sensitive technique due to its immediate tracer detection [12] but needs another imaging modality like magnetic resonance imaging (MRI) or computed tomography for tracer classification (e.g. to tissue). The classification is often done with the fusion imaging technology where the sample is measured in different systems and the data are correlated afterwards [75][76]. In a first experiment a traveling-wave-MPI-scanner (TWMPI) [17] was combined with a low-field-MRIscanner and first hybrid measurements were acquired [15]. The motivation for an integrated TWMPI-MRI-hybrid system, in which the dynamic linear gradient array (dLGA) generates the main magnetic field B0 intrinsically, was such that an MRI-system at 30mT needs a long time for data acquisition as well as the higher technical effort for assembling two separate systems. The aim of this work was to establish the basic principles of an integrated TWMPIMRI- hybrid scanner. The geometry of the dLGA should not be altered in this process so that TWMPI-measurements are still possible without limitations. All important steps and measurements of this work are presented here in summary. At the beginning of this work it was necessary to find a suitable current configuration by the use of magnetic field simulations. The aim was to generate a magnetic field that is homogenous enough for NMR measurements only with the dLGA coils. The results of the simulations showed that only two different currents in 14 of the 20 dLGA coils are necessary to obtain a field of view (FOV) with a sufficiently homogeneity of 3000ppm and a size of 36mm x 12 mm. For the target field strength of 235mT currents of 129A and 124A are required. The high currents in the dLGA made it necessary to develop a custom amplifier. The original concept, which is based on a linear controlled power transistor, was improved in numerous steps so that the high currents could be turned on and off in a stable way. The magnetic field B0 of the dLGA, which was generated by the custom amplifier, could firstly be measured with the aid of a full-body MRI. Its comparison to the simulation showed a qualitative good agreement. A challenge was to find the NMR-signal because of the custom amplifier which did not have the necessary precision at this particular time and also the most important parameter, the magnetic field strength inside the dLGA, could not be measured. In contrast the length of the pulses for the spin-echo-sequence could be measured accurately, but the ideal value was not known. Iterative measurements were used to find the right adjustments, which had to be adapted after each change in the hardware. The amplifier performance could be analyzed more in detail by repeated measurements of the NMR-signal. They indicated that the precision had to be improved further to achieve reproducible results. The B0-field could be measured by means of the NMR-signal. It showed good agreement to the simulation. By means of four segment coils of the dLGA it was possible to create a linear gradient along the z-axis. as well as the gradient along the z-axis By means of the gradient frequency encoding and phase encoding were successfully implemented. Two samples could be differentiated by its location for both encoding methods. That completes the development of the MRI-scanner. The design of the TWMPI-scanner required the construction of the saddle coils besides the production of the dLGA. The missing parts of the transmit chain and the whole receive chain could be used from an earlier version for MPI-measurements. The functionality of the MPI was tested with a point sample and a phantom, but this time in two dimensions. The extension to a hybrid scanner required additional modifications compared to a pure TWMPI- or MRI-scanner. An efficient way had to be found to change the connections of the dLGA for the particular modality. A pinboard was built which made a rapid change of the connections of the dLGA possible. Furthermore the saddle coils and the receive coil of the TWMPI-system as well as the receive coil of the MRI had to be placed inside the dLGA. This problem was solved with a modular system which made it possible to simultaneously place all components inside the dLGA. The measurable FOV of the MRI is adapted to the homogeneity of the B0-field, the FOV of the TWMPI is larger. At the end of this work a hybrid measurement was successfully performed. The phantom consisted of two spheres filled with oil and another two spheres filled with an MPI-tracer (Resovist). With TWMPI the spatial resolution of the Resovist spheres was possible, while with MRI it was possible for the oil spheres. This in situ measurement showed the successful implementation of the TWMPI-MRIhybrid scanner concept. In summary the basic principles for a TWMPI-MRI-hybrid scanner were established in this work. The highest obstacle was the generation of a homogenous magnetic field B0 for MRI, which lead to a good NMR-signal. A simple current configuration, consisting of two different currents, generated a sufficient homogenous magnetic field. With more complex current configurations a more homogenous field and thereby a larger FOV is possible. MRI-imaging was implemented in this work in one dimension and should be extended to 2D and 3D in further projects. Eventually an MRI-image should be used to display a relation between particle distribution of the MPI-tracer in living creatures and their anatomy. The first preclinical applications were implemented with the TWMPI-scanner [76][77][78]. These applications would reach a higher information value with the use of a TWMPI-MRI-hybrid scanner. The size of the FOV for the MRI should be extended in further projects. Furthermore it is reasonable to realize an electric switch for changing the connections of the dLGA between MRI and MPI. The next version of the hybrid scanner could contain for example a completely newly designed dLGA in which every segment coil is divided radially. The segment coils would consist of an inner and an outer part. For MRI-measurements both magnetic fields work against each other to create a radially homogenous magnetic field. For TWMPI both magnetic fields work together to create a high magnetic field gradient. For the next version of a TWMPI-MRI-hybrid scanner a lot of know-how was created which will be helpful for the new design. By means of the B0 measurements it was shown that the simulated magnetic fields fit well to the measured ones. Furthermore plenty was learned for the combination of TWMPI and MRI.…