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-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.

With increasing miniaturization in industry and medical technology, non-destructive testing techniques are an area of everincreasing importance. In this framework, X-ray microscopy offers an efficient tool for the analysis, understanding and quality assurance of microscopic species, in particular as it allows reconstructing three-dimensional data sets of the whole sample’s volumevia computed tomography (CT). The following thesis describes the conceptualization, design, construction and characterization of a compact laboratory-based X-ray microscope in the hard X-ray regime around 9 keV, corresponding to a wavelength of 0.134 nm. Hereby, the main focus is on the optimization of resolution and contrast at relatively short exposure times. For this, a novel liquid-metal-jet anode source is the basis. Such only recently commercially available X-ray source reaches a higher brightness than other conventional laboratory sources, i.e. the number of emitted photons (X-ray quanta) per area and solid angle is exceptionally high. This is important in order to reach low exposure times. The reason for such high brightness is the usage of the rapidly renewing anode out of liquid metal which enables an effective dissipation of heat, normally limiting the creation of high intensities on a small area. In order to cover a broad range of different samples, the microscope can be operated in two modes. In the “micro-CT mode”, small pixels are realized with a crystal-scintillator and an optical microscope via shadow projection geometry. Therefore, the resolution is limited by the emitted wavelength of the scintillator, as well as the blurring of the screen. However, samples in the millimeter range can be scanned routinely with low exposure times. Additionally, this mode is optimized with respect to in-line phase contrast, where edges of an object are enhanced and thus better visible. In the second “nano-CT mode”, a higher resolution can be reached via X-ray lenses. However, their production process is due to the physical properties of the hard X-ray range - namely high absorption and low diffraction - extremely difficult, leading typically to low performances. In combination with a low brightness, this leads to long exposure times and high requirements in terms of stability, which is one of the key problems of laboratory-based X-ray microscopy. With the here-developed setup and the high brightness of its source, structures down to 150 nm are resolved at moderate exposure times (several minutes per image) and nano-CTs can be obtained.

Röntgencomputertomographie (CT) hat in ihrer industriellen Anwendung ein sehr breites Spektrum möglicher Prüfobjekte. Ziel einer CT-Messung sind dreidimensionale Abbilder der Verteilung des Schwächungskoeffizienten der Objekte mit möglichst großer Genauigkeit. Die Parametrierung eines CT-Systems für ein optimales Messergebnis hängt stark vom zu untersuchenden Objekt ab. Eine Vorhersage der optimalen Parameter muss die physikalischen Wechselwirkungen mit Röntgenstrahlung des Objektes und des CT-Systems berücksichtigen. Die vorliegende Arbeit befasst sich damit, diese Wechselwirkungen zu modellieren und mit der Möglichkeit den Prozess zur Parametrierung anhand von Gütemaßen zu automatisieren. Ziel ist eine simulationsgetriebene, automatische Parameteroptimierungsmethode, welche die Objektabhängigkeit berücksichtigt. Hinsichtlich der Genauigkeit und der Effizienz wird die bestehende Röntgensimulationsmethodik erweitert. Es wird ein Ansatz verfolgt, der es ermöglicht, die Simulation eines CT-Systems auf reale Systeme zu kalibrieren. Darüber hinaus wird ein Modell vorgestellt, welches zur Berechnung der zweiten Ordnung der Streustrahlung im Objekt dient. Wegen des analytischen Ansatzes kann dabei auf eine Monte-Carlo Methode verzichtet werden. Es gibt in der Literatur bisher keine eindeutige Definition für die Güte eines CT-Messergebnisses. Eine solche Definition wird, basierend auf der Informationstheorie von Shannon, entwickelt. Die Verbesserungen der Simulationsmethodik sowie die Anwendung des Gütemaßes zur simulationsgetriebenen Parameteroptimierung werden in Beispielen erfolgreich angewendet beziehungsweise mittels Referenzmethoden validiert.

Diese Arbeit befasst sich mit der Konzeption, Umsetzung und Charakterisierung eines Rönt- genmikroskops für harte Röntgenstrahlung mit der Möglichkeit zur dreidimensionalen Bild- gebung. Der vorgestellte Aufbau basiert auf geometrischer Vergrößerung und verzichtet im Gegensatz zu anderen Röntgenmikroskopiemethoden auf den Einsatz optischer Elemente. Dreidimensionale Bildgebung wird durch einen linearlaminographischen Aufnahmemodus realisiert, bei dem unterschiedliche Durchstrahlungsrichtungen durch das Objekt durch eine relative Verschiebung von Quelle und Detektor zustande kommen. Die Röntgenquelle des Mikroskops besteht aus einer zu einer Nanofokusröntgenröhre um- gebauten Elektronenmikrosonde mit 30 kV Beschleunigungsspannung (dies entspricht einer Wellenlänge von bis zu 0,041 nm). Durch die Elektronenoptik kann ein intensiver Elektronen- strahl anstelle eine Probe auf ein Transmissionstarget fokussiert werden. In dieser Arbeit wird eine Möglichkeit evaluiert, die Schichtdicke der röntgenaktiven Schicht des Transmissionstar- gets für die gegebene Beschleunigungsspannung zu optimieren. Dabei werden eine Schichtdi- cke für maximale Röntgenleistung (700 nm Wolfram) und eine für maximale Röntgenleistung bezogen auf die entstehende Quellfleckgröße (100 nm Wolfram) identifiziert. Dadurch erreicht dieses System eine laterale Ortsauflösung von 197 nm, gemessen an einem Siemensstern. Diese ist eine Größenordnung besser als bei modernen SubμCT-Anlagen, die zur zerstörungsfrei- en Prüfung eingesetzt werden, und einen Faktor 2 besser als bei Laborröntgenmikroskopen basierend auf Fresnel’schen Zonenplatten. Abgesehen von der lateralen Auflösung bei hochkontrastigen Objekten werden auch die Abbil- dungseigenschaften für schwach absorbierende Proben mit Inline-Phasenkontrastbildgebung untersucht. Dazu wird eine Methode entwickelt mit der anhand der gegebenen Anlagenpara- meter der optimale Quell-Objekt-Abstand zur Maximierung des Fringe-Kontrasts gefunden werden kann. Dabei wird die Ausprägung des Fringe-Kontrasts auf die Phase −iα zurück geführt. Das vorgeschlagene Modell wird durch Messungen am Röntgenmikroskop und an einer weiteren Röngtenanlage verifiziert. Zur Beurteilung der dreidimensionalen Bildgebung mit dem vorgeschlagenen linearlaminogra- phischen Aufnahmemodus kann dieser auf eine konventionelle Computertomographie mit ein- geschränktem Winkelbereich zurückgeführt werden und so die maximal erreichbare Winkel- information bestimmt werden. Des Weiteren werden numerische Berechnungen durchgeführt, um die Einflüsse von Rauschen und geometrischen Vorgaben einschätzen zu können. Ein experimenteller Test des Laminographiesystems wird anhand eines hochkontrastigen (Fres- nel’sche Zonenplatte) und eines niederkontrastigen Objekts (Kohlefasergewebe) durchgeführt. Es zeigte sich, dass die laterale Auflösung während der dreidimensionalen Rekonstruktion gut erhalten bleibt, die Tiefenauflösung aber nicht die gleiche Qualität erreicht. Außerdem konnte festgestellt werden, dass die Tiefenauflösung sehr stark von der Geometrie und Zusammen- setzung des untersuchten Objekts abhängt.

Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung und die Anfertigung eines 3D Erdfeld-NMR Tomographen, um damit die benötigte Technik der MR eines MR-MPI-Tomographen am Lehrstuhl zu etablieren. Daraufhin wurden alle nötigen Komponenten für ein komplettes 3D Erdfeld-NMR-System entwickelt, gebaut und getestet. Mit diesem Wissen wurde in enger Zusammenarbeit mit der MPI-Arbeitsgruppe am Lehrstuhl ein multimodaler MR-MPI-Tomograph angefertigt und die prinzipielle Machbarkeit der technischen Kombination dieser zwei Modalitäten (MRT/MPI) in einer einzigen Apparatur gezeigt. Auf diesem Entwicklungsweg sind zusätzlich innovative Systemkomponenten entstanden, wie der Bau eines neuen Präpolarisationssystems, mit dem das Präpolarisationsfeld kontrolliert und optimiert abgeschaltet werden kann. Des Weiteren wurde ein neuartiges 3D Gradientensystem entwickelt, das parallel und senkrecht zum Erdmagnetfeld ausgerichtet werden kann, ohne die Bildgebungseigenschaften zu verlieren. Hierfür wurde ein 3D Standard-Gradientensystem mit nur einer weiteren Spule, auf insgesamt vier Gradientenspulen erweitert. Diese wurden entworfen, gefertigt und anhand von Magnetfeldkarten ausgemessen. Anschließend konnten diese Ergebnisse mit der hier präsentierten Theorie und den Simulationsergebnissen übereinstimmend verglichen werden. MPI (Magnetic Particle Imaging) ist eine neue Bildgebungstechnik mit der nur Kontrastmittel detektiert werden können. Das hat den Vorteil der direkten und eindeutigen Detektion von Kontrastmitteln, jedoch fehlt die Hintergrundinformation der Probe. Wissenschaftliche Arbeiten prognostizieren großes Potential, die Hintergrundinformationen der MRT mit den hochauflösenden Kontrastmittelinformationen mittels MPI zu kombinieren. Jedoch war es bis jetzt nicht möglich, diese beiden Techniken in einer einzigen Apparatur zu etablieren. Mit diesem Prototyp konnte erstmalig eine MR-MPI-Messung ohne Probentransfer durchgeführt und die empfindliche Lokalisation von Kontrastmittel mit der Überlagerung der notwendigen Hintergrundinformation der Probe gezeigt werden. Dies ist ein Meilenstein in der Entwicklung der Kombination von MRT und MPI und bringt die Vision eines zukünftigen, klinischen, multimodalen MR-MPI-Tomographen ein großes Stück näher.