Mit einem Geleitwort von Prof. Dr. Thorsten M. Buzug
Aktualisiert: 2023-03-14
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Effiziente Rekonstruktion und alternative Spulentopologien für Magnetic-Particle-Imaging
Schlüsselwort: Magnetic Particle Imaging
Scannertopologien und Optimierung von Feldsequenzen für Magnetic Particle Imaging
Mit Hilfe von statischen und hochfrequenten Magnetfeldern ist Magnetic Particle Imaging (MPI) in der Lage, die räumliche Verteilung magnetischer Nanopartikel tomographisch abzubilden. Mit einer hohen räumlichen und zeitlichen Auflösung bei hoher Sensitivität verspricht die Methode, in der Medizin breite Anwendung zu finden.
Das vorliegende Werk gibt einen Einblick in die Pionierarbeit im Bereich MPI am Institut für Medizintechnik der Universität zu Lübeck. Neben der Vorstellung verschiedener Scannertopologien werden zentrale Verfahren für eine erfolgreiche Entwicklung von Scannergeometrien sowie für eine Untersuchung bestehender Systeme auf ihre Bildgebungseigenschaften eingeführt.
Des Weiteren werden Methoden zur Optimierung von Magnetfeldsequenzen und elektromagnetischen Spulenanordnungen vorgestellt. Die Konzeptionierung und der Aufbau eines MPI-Bildgebungssystems wird am Beispiel der einseitigen Scannertopologie zur 3D-Bildgebung durchgeführt.
Aktualisiert: 2023-03-21
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Bildgebungskonzepte für Magnetic Particle Imaging
Magnetic Particle Imaging (MPI) ist ein bildgebendes Verfahren, das auf Basis hochfrequent-variierender Magnetfelder eine Visualisierung von magnetischen Tracer-Materialien ermöglicht. Aufgrund einer einzigartigen Kombination aus hoher örtlicher und zeitlicher Auflösung bei gleichzeitigem Vorliegen einer hohen Sensitivität bietet MPI ein hohes Potenzial im Hinblick auf die Weiterentwicklung medizinischer Diagnose- und Therapieansätze.
In dem vorliegenden Werk werden neuartige Konzepte vorgestellt, die sich sowohl einer effizienten Nutzung als auch einer Erweiterung des Messfeldes in MPI widmen. Neben einer leistungseffizienten Erzeugung von Magnetfeldern zur Erweiterung des Abtastbereiches wird sich mit der Charakterisierung der Bildgebungstrajektorie befasst. Die hierbei gewonnenen Erkenntnisse können anschließend in die MPI-Systemkalibrierung überführt und zur Datenreduktion genutzt werden.
Bezüglich der Strategien zur Erweiterung des Messfeldes wird sich in diesem Werk auf Ansätze in axialer Richtung fokussiert und ein Verfahren vorgestellt, das es in Anlehnung an die Computertomographie erlaubt, eine theoretisch unbeschränkte axiale Messfeldvergrößerung zu erreichen.
Aktualisiert: 2023-03-21
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Entwicklung einer Anregungsfeldspule für Magnetic Particle Imaging
Magnetic Particle Imaging (MPI) ist eine neue Bildgebungsmethode, die die räumliche und zeitliche Verteilung von Eisenoxid-Nanopartikeln mit hoher Auflösung darstellen kann. Zur Bildgebung werden die Anregung der Teilchen durch ein hochfrequentes Wechselfeld und die daraus resultierenden Signale verwendet. Da eine im ganzen Volumen homogene Anregung bei einem angemessenen Leistungsverlust anzustreben ist, werden in diesem Werk verschiedene Spulengeometrien für diese Anregung auf ihre Vorteile bei MPI hin überprüft und optimiert. Mit den Ergebnissen lässt sich in Abhängigkeit von der benötigten Homogenität und des im Scanner zur Verfügung stehenden Platzes eine Leistungseinsparung von bis zu 30% im Vergleich zum Standardansatz erreichen.
Aktualisiert: 2023-03-21
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25 Jahre Institut für Medizintechnik der Universität zu Lübeck
Das Institut für Medizintechnik der Universität zu Lübeck arbeitet an innovativen bildgebenden Verfahren, neuen Methoden der Bildverarbeitung und der Simulation biomedizinischer Prozesse. Ein interdisziplinäres Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus den Bereichen Ingenieurwissenschaften, Physik, Informatik, Chemie und Mathematik fokussiert sich dabei sowohl auf physikalische Grundlagen, z. B. bei der Erforschung des Potenzials der magnetischen Nanopartikelbildgebung in der Kardiologie und Onkologie, als auch auf die Weiterentwicklung etablierter Verfahren, z. B. im Feld der Röntgen-basierten Tomographie (CT), der Magnetresonanztomographie (MRT) sowie der nukleardiagnostischen Verfahren wie SPECT und PET. Bei der Simulation biomedizinscher Prozesse konzentriert sich das Institut für Medizintechnik auf multiphysikalische Vorgänge, die durch Differentialgleichungen beschrieben werden können, dazu gehören Wachstumsprozesse maligner Tumore ebenso wie Strömungsmodelle des Pharynx zur Therapie des Schlafapnoe-Syndroms. Das bessere Verständnis dieser Vorgänge soll zu gezielten, patientenindividualisierten Therapieansätzen führen.
Das Institut für Medizintechnik wird die technischen Grundlagen der Bildgebung (Instrumentierung, Rekonstruktionsverfahren, Tracerentwicklung) in enger Kooperation mit Kliniken und der Industrie weiterentwickeln. Gezielt wird dabei auch an der Verschmelzung der molekularen Medizin mit der technischen Instrumentierung bildgebender Verfahren gearbeitet.
Aktualisiert: 2023-03-21
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Biokompatible superparamagnetische Nanopartikel
Magnetic Particle Imaging (MPI) ist ein innovatives bildgebendes Verfahren, welches die Darstellung der 3D-Verteilung magnetischer Nanopartikel mit hoher zeitlicher und räumlicher Auösung ermöglicht. Der Erfolg der Technologie ist dabei an die Verfügbarkeit maßgeschneiderter in-vivo-tauglicher MPI-Tracer gebunden.
In diesem Werk wird die Synthese kolloidal stabiler Eisenoxidnanopartikel mit hoher MPS-Performance beschrieben. Nach physiologischer Formulierung und Sterilisierung konnte durch einen initialen in -vivo-Versuch die Biokompatibilität bestätigt werden. Die Modizierung der Partikeloberäche ermöglicht ferner die Herstellung zielgerichteter Nanopartikel sowie die Markierung von Zellen.
Auch mit einer zweiten bioinspirierten Syntheseroute konnten kolloidal stabile Partikel mit vielversprechender MPS-Performance generiert werden, welche eine hervorragende Eignung als MPI-Tracer erwarten lassen und somit die Weiterentwicklung der MPI-Technologie maßgeblich vorantreiben könnten.
Aktualisiert: 2023-03-21
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Lernen spärlicher Repräsentationen für die verbesserte MPI-Rekonstruktion
Die Magnetpartikelbildgebung (engl. Magnetic Particle Imaging – MPI) ist ein bildgebendes Verfahren, das die Konzentration superparamagnetischen Materials in einem Volumen quantitativ darstellt. Aktuell wird das Bild aus der gemessenen, verrauschten Spannung mittels iterativer Methoden rekonstruiert. Diese Methoden bieten durch Regularisierung die Möglichkeit, das Rauschen zu verringern. Das geschieht aber auf Kosten der Auflösung der Bilder. In diesem Werk wird die MPI-Rekonstruktion um einen zusätzlichen Entrauschungsschritt erweitert. Dafür wird das Bild zunächst mit dem Kaczmarz-Algorithmus rekonstruiert. Auf das Bild wird eine für MPI angepasste Variante eines mit spärlichen Repräsentationen arbeitenden Entrauschungsalgorithmus (expected patch log likelihood mit spärlichem Prior) angewendet. Die Simulation einer MPI-Rekonstruktion zeigt, dass die Bilder aus der Kaczmarz-Rekonstruktion mit der vorgestellten Methode verbessert werden können. Als beste Wahl erweist sich ein auf Beispielen gelerntes Wörterbuch, das über die Iterationen konstant gehalten wird. Der Algorithmus zeigt ein stabiles Verhalten und ist robust gegenüber verschiedenen Rauschniveaus.
Aktualisiert: 2023-03-21
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Imperfektionen bei Magnetic Particle Imaging
Magnetic Particle Imaging (MPI) ist ein neuartiges Bildgebungsverfahren, das es erlaubt, eine dreidimensionale Verteilung von superparamagnetischen Eisenoxidpartikeln in Echtzeit zu visualisieren. Sowohl technische Limitierungen in der Instrumentalisierung als auch Abweichungen von der idealisierten Theorie von MPI führen zu einer verringerten Bildqualität sowie Fehlinterpretationen der Bilddaten.
In dem Werk von Dr. Alexander Weber werden die negative Effekte dieser Imperfektionen mittels mathematischer Methoden behandelt. Bei den untersuchten Imperfektionen handelt es sich um die Inhomogenität und Stromabhängigkeit der statischen Magnetfelder, das Rauschen auf der MPI-Systemmatrix, den Einfluss von Partikeln außerhalb des intrinsisch sensitiven Bereichs sowie den Leckeffekt, der bei der Anwendung der diskreten Fouriertransformation auftritt.
Aktualisiert: 2023-03-21
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Echtzeitbildgebung mittels Magnetic Particle Imaging
Medizinwissenschaftlicher Fortschritt wird durch neue Messmethoden vorangetrieben. Ein neues Messverfahren in der medizinischen Bildgebung ist Magnetic Particle Imaging. Dieses tomographische Verfahren beruht auf der nichtlinearen Magnetisierungskurve von magnetischen Nanopartikeln, welche als Tracermaterial genutzt werden können. Das Potential der Methode besteht in ihrer hohen örtlichen und zeitlichen Auflösung bei hoher Sensitivität, ohne dabei schädlich auf den Patienten zu wirken.
In diesem Werk wird die Echtzeitfähigkeit des Verfahrens erstmals vorgestellt.
Dabei wurde gleichzeitig die Sensitivität des Messprozesses erhöht. Diese Errungenschaften wurden über eine Reihe von Änderungen des Verfahrens in der örtlichen Kodierung über magnetische Gradientenfelder erreicht. Es wurde ein Scanner mit einer elektronisch rotierbaren feldfreien Linie entworfen und realisiert. Parallel dazu wurde ein zur Kodierung passendes Rekonstruktionsschema entwickelt, welches das Magnetisierungsmodell der Nanopartikel berücksichtigt. Mit dem Scanner und der Rekonstruktion konnte die örtliche Verteilung von Nanopartikeln in Gefäßphantomen mit einem Durchmesser von 1 mm in Echtzeit rekonstruiert werden.
Aktualisiert: 2023-03-21
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Bildgebungskonzepte für Magnetic Particle Imaging
Dieses Buch beschäftigt sich mit verschiedenen Bildgebungskonzepten und Rekonstruktionsansätzen für große Bildgebungsvolumen bei Verwendung des ›Magnetic Particle Imaging‹ (MPI). MPI ist ein neues und innovatives medizinisches Bildgebungsverfahren, das die Visualisierung magnetischer Nanopartikel erlaubt. Werden solche Partikel in den menschlichen Organismus eingebracht, können diese mit Hilfe von den bei MPI verwendeten Magnetfeldern sichtbar gemacht werden. So entsteht eine Vielzahl an zukunftsweisenden diagnostischen Möglichkeiten.
Die technische Realisierung eines MPI-Gerätes sowie medizinische Sicherheitsaspekte limitieren jedoch die inhärente Größe des Bildgebungsvolumens. In diesem Buch werden aktuelle Forschungsergebnisse vorgestellt, die eine Vergrößerung des Volumens in den gegebenen Rahmenbedingungen ermöglichen und gleichzeitig eine schnelle und somit effektive Bildrekonstruktion für eine klinische Perspektive liefern. Die entstandenen Methoden stellen dabei wichtige Meilensteine für die Weiterentwicklung der Bildgebung mit MPI dar.
Aktualisiert: 2023-03-21
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Bildgebungskonzepte für Magnetic Particle Imaging
Dieses Buch stellt den weltweit ersten mehrdimensionalen asymmetrischen Magnetic Particle Imaging (MPI) Scanner vor. MPI nutzt zur Bildgebung die nichtlineare Magnetisierungskurve eines superparamagnetischen Tracermaterials. Die Lokalisation dieses Tracermaterials ist mit sehr guter Auflösung und hoher Sensitivität in Echtzeit möglich. Zur Validierung des MPI-Scanners wurden mehrdimensionale Phantome vermessen und rekonstruiert. Zusätzlich wurden Messungen an biologischem Material durchgeführt und Möglichkeiten geschaffen, zukünftig in-vivo-Modelle zu untersuchen. Denkbar ist ein Einsatz dieser innovativen Scannertopologie in der minimal-invasiven Chirurgie durch ein Konzept zur Verkleinerung der Scannergeometrie.
Ein medizinisches Anwendungsszenario dieses Scanners liegt in der Lokalisation des Wächterlymphknotens beim Mammakarzinom. In Zukunft könnte so auf die Verwendung von radioaktivem Tracermaterial verzichtet werden.
Aktualisiert: 2023-03-21
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Bildgebungskonzepte für Magnetic Particle Imaging
Dieses Buch stellt den weltweit ersten mehrdimensionalen asymmetrischen Magnetic Particle Imaging (MPI) Scanner vor. MPI nutzt zur Bildgebung die nichtlineare Magnetisierungskurve eines superparamagnetischen Tracermaterials. Die Lokalisation dieses Tracermaterials ist mit sehr guter Auflösung und hoher Sensitivität in Echtzeit möglich. Zur Validierung des MPI-Scanners wurden mehrdimensionale Phantome vermessen und rekonstruiert. Zusätzlich wurden Messungen an biologischem Material durchgeführt und Möglichkeiten geschaffen, zukünftig in-vivo-Modelle zu untersuchen. Denkbar ist ein Einsatz dieser innovativen Scannertopologie in der minimal-invasiven Chirurgie durch ein Konzept zur Verkleinerung der Scannergeometrie.
Ein medizinisches Anwendungsszenario dieses Scanners liegt in der Lokalisation des Wächterlymphknotens beim Mammakarzinom. In Zukunft könnte so auf die Verwendung von radioaktivem Tracermaterial verzichtet werden.
Aktualisiert: 2023-03-21
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Compressed Sensing und Sparse Rekonstruktion bei Magnetic Particle Imaging
Beim Magnetic Particle Imaging (MPI) regt ein zeitlich veränderliches Magnetfeld Nanopartikel an, und diese induzieren eine Spannung in Empfangsspulen. Mithilfe einer Systemmatrix kann aus den gemessenen Spannungen die Partikelkonzentration rekonstruiert werden. Die Systemmatrix wird erstellt, indem die Systemantwort auf eine Punktprobe in jedem Voxel gemessen wird. Die Theorie des Compressed Sensing besagt, dass ein Signal unter bestimmten Bedingungen unterabgetastet und verlustfrei rekonstruiert werden kann. Dabei ist es wichtig, dass das Signal eine sparse Repräsentation in einem anderen Raum besitzt und dieser Raum inkohärent zum Akquisitionsraum ist. In diesem Werk wird gezeigt, dass Compressed Sensing bei der Aufnahme von MPI-Systemmatrizen genutzt werden kann. Die Systemmatrix wird unterabgetastet und die Aufnahmezeit reduziert.
Aktualisiert: 2023-03-21
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Spektrometer zur Detektion der Brown- und Néelrotation magnetischer Nanopartikel
In einem magnetischen Feld sind zwei Rotationsmechanismen bekannt, mit denen superparamagnetische Nanopartikel rotieren. Dabei handelt es sich um die Brownsche und die Néelsche Rotation. Abhängig von der Frequenz des magnetischen Feldes und der partikelspezifischen Parameter ist einer der beiden Mechanismen dominant. Im vorliegenden Werk werden Methoden der Magnet-Partikel-Spektrometrie (MPS) genutzt, um die Übergangsfrequenz zwischen diesen Mechanismen zu finden. Dazu wird im Vorfeld das Partikelverhalten simuliert und diskutiert. Ein einfacher Messaufbau wird beschrieben und die gemessenen Ergebnisse analysiert. Es werden mögliche Indikatoren für einen Übergang der Rotationsmechanismen vorgestellt. Das Werk schließt mit einem Ausblick auf zukünftige Experimente.
Aktualisiert: 2023-03-21
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Optimierung der Permanentmagnetengeometrie zur Generierung eines Selektionsfeldes für Magnetic Particle Imaging
Magnetic-Particle-Imaging (MPI) ist ein neues bildgebendes Verfahren, das es ermöglicht, die Verteilung superparamagnetischer Nanopartikel in hoher zeitlicher und örtlicher Auflösung zu bestimmen. Das Auflösungsvermögen des Systems hängt dabei direkt von dem für die Ortskodierung genutzten Selektionsfeld ab. Kürzlich wurde ein MPI-Scanner vorgestellt, der dieses Selektionsfeld mit Permanentmagneten generiert. Ausgehend von dieser Anordnung werden in diesem Werk die Geometrie- und Magnetisierungsparameter der Permanentmagneten optimiert. Durch die erreichte Erhöhung der Gradientenstärke um 39 %, kann die Auflösung von Magnetic-Particle-Imaging deutlich gesteigert werden, ohne das Messsystem zu vergrößern. Alternativ ist es möglich, das Permanentmagnetvolumen um 44 % zu minimieren, ohne dabei den Ausgangsgradienten zu ändern.
Aktualisiert: 2023-03-21
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Herstellung und Charakterisierung superparamagnetischer Lacke
Magnetic Particle Imaging (MPI) ist ein neuartiges bildgebendes Verfahren, das erstmals 2005 vorgestellt wurde und dem ein großes Potenzial in der medizinischen Anwendung zugeschrieben wird. Die für das MPI als Tracer verwendeten superparamagnetischen Eisenoxidnanopartikel (SPIONs) in Verbindung mit verschiedenen Polymeren sollen dieses Potenzial weiter steigern. Polymere wie Polyethylen und Polyurethan könnten als Lacke in Verbindung mit SPIONs in Form von Beschichtungen (Coatings) für medizinische Geräte dienen oder in direkter Kombination zur Herstellung von Operationsbesteck. Dies wäre von Interesse, da das Verfahren bei hoher Sensitivität und hoher räumlicher Auflösung dreidimensionale Aufnahmen in Echtzeit liefert, gleichzeitig aber keine ionisierende Strahlung verwendet. Hier werden daher verschiedene superparamagnetische Coatings hergestellt und charakterisiert. Abschließend ist ein erster Versuch dargestellt, SPIONs direkt mit Polymeren zu kombinieren, um so MPI-kompatible Objekte herzustellen.
Aktualisiert: 2023-03-21
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Bildgebungskonzepte für Magnetic Particle Imaging
Dieses Buch beschäftigt sich mit verschiedenen Bildgebungskonzepten und Rekonstruktionsansätzen für große Bildgebungsvolumen bei Verwendung des ›Magnetic Particle Imaging‹ (MPI). MPI ist ein neues und innovatives medizinisches Bildgebungsverfahren, das die Visualisierung magnetischer Nanopartikel erlaubt. Werden solche Partikel in den menschlichen Organismus eingebracht, können diese mit Hilfe von den bei MPI verwendeten Magnetfeldern sichtbar gemacht werden. So entsteht eine Vielzahl an zukunftsweisenden diagnostischen Möglichkeiten.
Die technische Realisierung eines MPI-Gerätes sowie medizinische Sicherheitsaspekte limitieren jedoch die inhärente Größe des Bildgebungsvolumens. In diesem Buch werden aktuelle Forschungsergebnisse vorgestellt, die eine Vergrößerung des Volumens in den gegebenen Rahmenbedingungen ermöglichen und gleichzeitig eine schnelle und somit effektive Bildrekonstruktion für eine klinische Perspektive liefern. Die entstandenen Methoden stellen dabei wichtige Meilensteine für die Weiterentwicklung der Bildgebung mit MPI dar.
Aktualisiert: 2023-03-21
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Automatische Bestimmung der Entfaltungsparameter bei der x-Space-Rekonstruktion für FFL-MPI
Magnetic Particle Imaging (MPI) ist ein neues bildgebendes Verfahren, das sich durch hohe Sensitivität und räumliche Auflösung auszeichnet. Abgebildet wird bei MPI die räumliche Verteilung von injizierten Eisenoxid-Nanopartikeln, deren nichtlineares Magnetisierungsverhalten ausgenutzt wird, welches beim Anlegen eines oszillierenden Magnetfeldes zu partikelspezifischen induzierten Spannungen in Empfangsspulen führt. In diesem Werk wird die Raumkodierung mit einer feldfreien Linie (FFL) diskutiert. Problematisch hierbei ist das Relaxationsverhalten der Nanopartikel, das die Form der Magnetisierungskurve und somit auch die Bildqualität beeinflusst. Hier wird gezeigt, wie die benötigten Parameter der Entfaltung automatisch aus den Spannungsdaten berechnet und damit Bilder erzeugt werden können. Die hier beschriebene Modellierung ermöglicht eine präzise und schnelle Bildrekonstruktion.
Aktualisiert: 2023-03-21
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Effiziente Rekonstruktion und alternative Spulentopologien für Magnetic-Particle-Imaging
Tobias Knopp erläutert die Rekonstruktion von MPI-Daten und entwickelt auf Grundlage eines Modells der MPI-Signalkette eine effiziente Methode zur Bestimmung der Systemmatrix. Für die Rekonstruktion der örtlichen Partikelverteilung nutzt er einen gewichteten, regularisierten Kleinste-Quadrate-Ansatz. Im zweiten Teil der Arbeit stellt der Autor verschiedene neuartige Spulentopologien vor.
Aktualisiert: 2023-04-04
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Beschleunigtes Magnetic Particle Imaging
Das bildgebende Verfahren Magnetic Particle Imaging (MPI) ist in der Lage, die räumliche Verteilung eines magnetischen Tracers mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung darzustellen. Dabei können diese beiden Parameter klassischerweise nicht unabhängig voneinander gesteigert werden, stattdessen bedingt eine Erhöhung der zeitlichen Auflösung eine Verringerung der räumlichen Auflösung. Im vorliegenden Werk wird Compressed Sensing (CS) zur Abtastung und Rekonstruktion des MPI-Signals eingesetzt, um die Signalaufnahme zu beschleunigen und damit die zeitliche Auflösung zu erhöhen. Dieses Verfahren ermöglicht eine verlustfreie Rekonstruktion des Bildes mit gleichbleibender räumlicher Auflösung. Die erzielte Beschleunigung resultiert dabei aus der Aufnahme eines unterabgetasteten Messsignals mit wesentlich weniger Abtastwerten als durch das Nyquist-Shannon-Abtasttheorem vorgegeben.
Aktualisiert: 2023-03-21
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