Instrumentation, sequences and applications for magnetic particles in imaging and spectroscopy
Creators: name: Mohn, Fabian
Publisher: name: TUHH Universitätsbibliothek
Year: 2024
Subjects: subject: Magnetic Particle Imaging | Hardware Development | Instrumentation | Arbitrary Waveform Spectrometer | Inductive Coupling Network | Human-sized head scanner | Resotran | Negative Contrast
classificationCode: 6
subject: Technology::616: Deseases::616.0: Pathology, Deseaeses, Treatment::616.07: Pathology

description: As an emerging medical imaging modality, magnetic particle imaging (MPI) has demonstrated considerable potential in imaging scenarios where established techniques are limited or have adverse effects. However, it still faces several challenges for future clinical integration and for achieving theoretical predictions of performance. MPI is a quantitative, tracer-based, and indirect imaging technique, that measures the non-linear response of magnetic nanoparticles (MNPs) at high temporal and spatial resolution with very high sensitivity. Major milestones such as the in vivo measurement of a beating mouse heart in 2009 or the first MPI-tailored MNPs in the same year, have been complemented by progress in various disciplines that constitute the research field of MPI. These include image reconstruction, signal encoding, MNP synthesis, applications and hardware instrumentation as main categories. Today, real-time reconstructions are feasible for perfusion imaging, as well as simultaneous measurement and signal separation of different MNP systems, and intentional interaction of MNPs with their immediate environment by mechanical activation, hyperthermia or targeted drug delivery. Initial progress toward the development of a full-scale, human-sized system by the Philips research division in Hamburg, Germany, in 2015 was accompanied by a number of challenges. The enormous engineering effort included the development of instrumentation needed to generate strong alternating and static magnetic fields in a cost-effective and maintainable manner, with a complexity similar to that of an Magnetic Resonance Imaging (MRI) system. Ultimately, the project struggled to maintain funding. At the Institute of Biomedical Imaging, Hamburg University of Technology, the challenge in instrumentation was addressed on a smaller scale, but still within the range of human proportions. A human-sized head scanner was introduced in 2019 that incorporated numerous straightforward solutions to previous difficulties, benefiting from smaller components and lower electrical specifications. A significant aspect of this thesis is the comprehensive redesign of this head-sized imaging system to align with clinical standards in terms of 3D acquisition speed, safety, and resolution. The design process incorporates both feasibility and clinical trial requirements, and achievable results are highlighted for an approved, but inferior, Ferucarbotran-based tracer. One part of this thesis is devoted to an in-depth examination of the transmit-receive signal chain of the device, accompanied by a comprehensive account of the development and design process of a high current linear toroidal transformer. The high-gain transformer can also be utilized in applications beyond medical imaging, operating in the kHz range, such as wireless power transmission. Another section in the present thesis investigates the suitability of a novel Ferucarbotran tracer, its MPI signal quality, composition, and performance in comparison to other MNPs. In the fields of neurology and interventional radiology, a head-sized imaging system can be employed for the prompt diagnosis of various types of stroke, including ischemic stroke, which represents a significant cause of mortality in the context of cardiovascular disease. Intracerebral hemorrhage represents the second most common type of stroke for which perfusion imaging serves as an invaluable diagnostic tool. Our head-sized imaging system may facilitate long-term monitoring of such patients. In this study, we propose a negative contrast perfusion imaging technique based on a long-circulating tracer and a saline bolus, which enables the repeated generation of trackable dynamic changes in MNP concentration without increasing the total administered iron dose. It leverages several significant advantages of MPI over other modalities, including its sensitivity, linearity, and high temporal resolution for 3D volume tracking, enabling not only concentration changes but also the rate of these processes to be monitored. Given the limited iron uptake by the liver and spleen, reducing the administered dose is a crucial aspect to consider for repeated monitoring of an individual patient. MNP spectrometry is a highly valuable tool during the preclinical stage of MPI, as it allows for the assessment and evaluation of the non-linear response and relaxation behavior with high signal quality and low noise in homogeneous fields. Concerning the instrumentation of MNP spectrometry, this work presents an arbitrary waveform magnetic particle spectrometer (MPS) for the purpose of measuring and emulating data, including the development and calibration of the device. This spectrometer is capable of measuring particles in a variety of excitation and offset fields. The data is then processed by a custom software framework, which assembles a realistic dataset that can be used for complex sequence emulation. In particular, the device can be utilized to assess different excitation types, MPI signal encoding, saturation behavior, and the magnetization behavior of nanoparticles on a small scale with short measuring times, typically below one minute.
description: Als aufstrebende medizinische Bildgebungsmodalität hat die Magnet Partikel Bildgebung (MPI) ein beträchtliches Potenzial in Bildgebungsszenarien gezeigt, in denen etablierte Techniken begrenzt sind oder nachteilige Auswirkungen haben. Sie steht jedoch noch vor mehreren Herausforderungen, wenn es um die künftige klinische Integration und das Erreichen theoretischer Leistungsvorhersagen geht. MPI ist ein quantitatives, tracerbasiertes und indirektes Bildgebungsverfahren, das die nichtlineare Reaktion von magnetischen nanopartikeln (MNPs) mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung und sehr hoher Empfindlichkeit misst. Wichtige Meilensteine wie die In-vivo-Messung eines schlagenden Mäuseherzens im Jahr 2009 oder die ersten auf MPI zugeschnittenen MNPs im selben Jahr wurden durch Fortschritte in verschiedenen Disziplinen ergänzt, die das Forschungsgebiet der MPI ausmachen. Dazu gehören die Bildrekonstruktion, Signalkodierung, Synthese von MNPs, medizinische Anwendungen und Hardware-Instrumentierung als Hauptkategorien. Heute sind Rekonstruktionen in Echtzeit für die Perfusionsbildgebung möglich, ebenso wie die gleichzeitige Messung und Signaltrennung verschiedener Partikelsysteme und die gezielte Interaktion von MNPs mit ihrer unmittelbaren Umgebung durch mechanische Aktivierung, Hyperthermie oder gezielte Medikamentengabe. Die ersten Fortschritte bei der Entwicklung eines menschengroßen Systems durch die Philips-Forschungsabteilung in Hamburg, Deutschland, im Jahr 2015 wurde von einer Reihe von Herausforderungen begleitet. Der enorme technische Aufwand umfasste die Entwicklung von Feldgeneratoren, um starke magnetische Wechselfelder und statische Magnetfelder auf kosteneffiziente und wartbare Weise zu erzeugen. Das Gerät ist mit der Komplexität eines MRT-Systems zu vergleichen. Letztendlich hatte das Projekt jedoch Schwierigkeiten, die Finanzierung aufrechtzuerhalten. Am Institut für Biomedizinische Bildgebung der Technischen Universität Hamburg wurde die Herausforderung der Instrumentierung in kleinerem Maßstab, aber immer noch im Bereich von menschlichen Proportionen, angegangen. Im Jahr 2019 wurde eine erste Version eines Kopfscanners in menschlicher Größe vorgestellt, der zahlreiche unkomplizierte Lösungen für frühere Schwierigkeiten enthielt und von kleineren Komponenten und geringeren elektrischen Anforderungen profitierte. Ein wichtiger Aspekt dieser Arbeit ist die umfassende Neugestaltung dieses kopfgroßen Bildgebungssystems, um es in Bezug auf 3D-Erfassungsgeschwindigkeit, Sicherheit und Auflösung an klinische Standards anzupassen. Der Entwurfsprozess berücksichtigt sowohl die Machbarkeit als auch die Anforderungen klinischer Studien. Es wird außerdem aufgezeigt, welche Ergebnisse mit einem zugelassenen, aber minderwertigen Tracer auf Ferucarbotran-Basis erzielt werden können. Ein eigenständiger Teil dieser Arbeit ist einer genauen Untersuchung der Sende-Empfangs-Signalkette des Geräts gewidmet, begleitet von einer umfassenden Darstellung des Entwicklungs- und Konstruktionsprozesses eines linearen Hochstrom-Ringkerntransformators. Der toroidale Transformator kann auch in Anwendungen außerhalb der medizinischen Bildgebung eingesetzt werden, die im kHz-Bereich arbeiten, z.B. in der drahtlosen Energieübertragung. In einem weiteren Teil der vorliegenden Arbeit werden die Eignung eines neuartigen Ferucarbotran-Tracers, seine MPI-Signalqualität, Zusammensetzung und Leistung im Vergleich zu anderen MNPs untersucht. In der Neurologie und der interventionellen Radiologie kann ein kopfgroßes Bildgebungssystem zur schnellen Diagnose verschiedener Arten von Schlaganfällen eingesetzt werden, einschließlich des ischämischen Schlaganfalls, der im Zusammenhang mit kardiovaskulären Erkrankungen eine der führenden Todesursache darstellt. Die intrazerebrale Gerhinblutung ist die zweithäufigste Schlaganfallart, bei der die Perfusionsbildgebung ein unschätzbares diagnostisches Instrument darstellt. Unserkopfgroßes Bildgebungssystem kann die langfristige Überwachung solcher Patienten erleichtern. In einer eigenständigen Studie schlagen wir eine Perfusionsbildgebungstechnik mit negativen Konrast vor, die auf einem lang zirkulierenden Tracer und einem Kochsalzlösungsbolus basiert, der die wiederholte Erzeugung dynamischer Veränderungen der MNP-Konzentration ermöglicht, ohne die verabreichte Gesamtdosis an Eisen zu erhöhen. Dabei werden mehrere wesentliche Vorteile von MPI gegenüber anderen Modalitäten genutzt, darunter die Empfindlichkeit, Linearität und hohe zeitliche Auflösung für die 3D-Volumentomographie, so dass nicht nur Konzentrationsänderungen, sondern auch die Geschwindigkeit dieser Prozesse überwacht werden können. Angesichts der begrenzten Eisenaufnahme durch Leber und Milz ist die Verringerung der verabreichten Dosis ein entscheidender Aspekt, der bei der wiederholten und dauerhaften Überwachung eines einzelnen Patienten zu berücksichtigen ist. Die MNP-Spektrometrie ist ein äußerst wertvolles Instrument in der präklinischen Phase von MPI, da sie die Beurteilung und Bewertung der nichtlinearen Reaktion und des Relaxationsverhaltens mit hoher Signalqualität und geringem Rauschen in homogenen Feldern ermöglicht. Was die Instrumentierung der MNP-Spektrometrie betrifft, so wird in dieser Arbeit ein Magnetpartikelspektrometer (MPS) mit beliebiger Wellenform zur Messung und Emulation von Daten vorgestellt, einschließlich seiner Entwicklung und Kalibrierung. Dieses Gerät ist in der Lage, Partikel in einer Vielzahl von Anregungs- und Offsetfeldern zu messen. Die Daten werden dann von einer maßgeschneiderten Software verarbeitet, die einen realistischen Datensatz zusammenstellt, der für komplexe Sequenzemulationen verwendet werden kann. Das Gerät kann insbesondere dazu verwendet werden, verschiedene Anregungsarten, die Signalkodierung, das Sättigungsverhalten und das Magnetisierungsverhalten von Nanopartikeln in kleinem Maßstab mit kurzen Messzeiten, typischerweise unter einer Minute, zu bewerten.