Magnetic Particle Imaging

Magnetic Particle Imaging (MPI) (deu.: Magnetpartikelbildgebung) ist eine tomographische Bildgebungsmethode, bei welcher sich die Verteilung und Konzentration von magnetischen Nanopartikeln quantitativ mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung sowie hoher Sensitivität messen und darstellen lässt. Die Methode basiert auf dem nichtlinearen Magnetisierungsverhalten der Nanopartikel innerhalb von homogenen Gradientenfeldern und dynamischen Wechselfeldern und eröffnet die Möglichkeit einer strahlungsfreien Ergänzung bestehender Bildgebungsverfahren.

Neben der physikalischen und chemischen Grundlagenforschung im Bereich der für dieses Verfahren grundlegenden magnetischen Nanopartikel bestehen zwei essentielle Forschungsschwerpunkte im Bereich MPI in der Instrumentierung dieser medizinischen Bildgebungsmodalität und der Bildrekonstruktion der entstehenden Daten.

Erfahren Sie hier mehr über unsere Leistungen in den Bereichen Technische und Präklinische Bildgebung, Magnetische Systeme und Instrumentierung und Algorithmenentwicklung.

Instrumentierung

Die Instrumentierung umfasst die ganzheitliche Analyse und Entwicklung aller für die klinische und präklinische Bildgebung notwendigen Komponenten entlang der gesamten Sende- und Empfangskette dieser Bildgebungsmodalität sowie die Entwicklung von Apparaten zur Prüfung und Charakterisierung der Nanopartikel und schließt dabei auch die Identifikation und Bewertung von potentiell neu entstehenden Diagnose- und Therapiemöglichkeiten ein. Um das volle Potential von MPI ausschöpfen zu können, ist die Instrumentierung ein entscheidender Teil der Forschung. Dazu zählt unter anderem die Entwicklung von dedizierten Filterschaltungen und speziellen Feldtopologien, um die Ortskodierung und Partikelanregung zu realisieren. Die Aufnahme der schwachen Partikelsignale mit hoher Qualität wird durch die Entwicklung speziell auf die Empfangseigenschaften des jeweiligen Systems abgestimmter Verstärker erreicht.

Das Fraunhofer IMTE beschäftigt sich insbesondere mit der Kombination von Elektromagneten und Permanentmagneten für die Erzeugung der benötigten Felder. Durch die geschickte Anordnung von Permanentmagneten in einer sogenannten Halbach-Konfiguration lassen sich starke Magnetfelder ohne zusätzlichen Bedarf an elektrischer Leistung für die Felderzeugung realisieren. Dies führt zu kompakten Systemen, die insbesondere in der präklinischen Forschung ein hohes Potential bieten. Unser aktuelles Scannerkonzept bietet für die präklinische Forschung eine ideale Basis für die Forschung mit funktionalisierten magnetischen Nanopartikeln und in gleichem Maße für die Weiterentwicklung der Instrumentierung und der Entwicklung dedizierter Rekonstruktionsalgorithmen.

Rekonstruktion

Die Bildrekonstruktion bei MPI lässt sich abhängig von der verwendeten Hardware, des verwendeten Tracermaterials und der zugrundeliegenden Bildgebungssequenz auf unterschiedliche Weise durchführen. Am IMTE werden applikationsspezifische Algorithmen entwickelt, die eine optimale Bildqualität für unterschiedliche medizinische Anwendungsfälle liefern. Verschiedene Forschungsaspekte sind dabei von besonderer Bedeutung: die Identifikation neuer Bildgebungssequenzen, die Echtzeit-Rekonstruktion, die Vergrößerung des Bildgebungsvolumens und die Verwendung hybrider Systemmatrizen für eine Beschleunigung des Kalibrierprozesses. Dabei sind individuelle Anpassungen an den Algorithmen und den Rekonstruktionsparametern erforderlich, um eine optimale Grundlage für die Verwendung von MPI bei der Diagnose, Behandlung und Therapie zu erzielen.