Field Free Line Magnetic Particle Imaging

175 Pages·2014·4.912 MB·English

by  Marlitt Erbe (auth.)

Aktuelle Forschung Medizintechnik
Editor-in-Chief:
Th. M. Buzug, Lübeck, Deutschland
Unter den Zukunftstechnologien mit hohem Innovationspotenzial ist die Medizintechnik
in Wissenschaft und Wirtschaft hervorragend aufgestellt, erzielt überdurchschnittliche
Wachstumsraten und gilt als krisensichere Branche. Wesentliche Trends der Medizin-
technik sind die Computerisierung, Miniaturisierung und Molekularisierung. Die Com-
puterisierung stellt beispielsweise die Grundlage für die medizinische Bildgebung, Bild-
verarbeitung und bildgeführte Chirurgie dar. Die Miniaturisierung spielt bei intelligenten
Implantaten, der minimalinvasiven Chirurgie, aber auch bei der Entwicklung von neuen
nanostrukturierten Materialien eine wichtige Rolle in der Medizin. Die Molekularisierung
ist unter anderem in der regenerativen Medizin, aber auch im Rahmen der sogenannten
molekularen Bildgebung ein entscheidender Aspekt. Disziplinen übergreifend sind daher
Querschnittstechnologien wie die Nano- und Mikrosystemtechnik, optische Technologien
und Softwaresysteme von großem Interesse.
Diese Schriftenreihe für herausragende Dissertationen und Habilitationsschriften aus
dem Themengebiet Medizintechnik spannt den Bogen vom Klinikingenieurwesen und
der Medizinischen Informatik bis hin zur Medizinischen Physik, Biomedizintechnik und
Medizinischen Ingenieurwissenschaft.
Editor-in-Chief:
Prof. Dr. Thorsten M. Buzug
Institut für Medizintechnik,
Universität zu Lübeck
Editorial Board:
Prof. Dr. Olaf Dössel Prof. Dr.-Ing. Tim C. Lüth
Institut für Biomedizinische Technik, Micro Technology
Karlsruhe Institute for Technology and Medical Device Technology,
TU München
Prof. Dr. Heinz Handels
Institut für Medizinische Informatik, Prof. Dr. Dietrich Paulus
Universität zu Lübeck Institut für Computervisualistik,
Universität Koblenz-Landau
Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger
Lehrstuhl für Mustererkennung, Prof. Dr. Bernhard Preim
Universität Erlangen-Nürnberg Institut für Simulation und Graphik,
Universität Magdeburg
Prof. Dr. Marc Kachelrieß
German cancer Research Center, Prof. Dr.-Ing. Georg Schmitz
Heidelberg Lehrstuhl für Medizintechnik,
Universität Bochum
Prof. Dr. Edmund Koch,
Klinisches Sensoring und Monitoring,
TU Dresden
Marlitt Erbe
Field Free Line Magnetic
Particle Imaging
Marlitt Erbe
University of Lübeck
Germany
Dissertation University of Lübeck, 2013
ISBN 978-3-658-05336-9 ISBN 978-3-658-05337-6 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-658-05337-6
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Preface by the Series Editor
ThebookFieldFreeLineMagneticParticleImagingbyDr. MarlittErbeisthe8th
volumeofthenewSpringer-Viewegseriesofexcellentthesesinmedicalengi-
neering.ThethesisofDr.Erbehasbeenselectedbyaneditorialboardofhighly
recognizedscientistsworkinginthatfield.
TheSpringer-ViewegseriesaimstoestablishaforumforMonographsandPro-
ceedingsonMedicalEngineering.Theseriespublishesworksthatgiveinsights
intothenoveldevelopmentsinthatfield. Prospectiveauthorsmaycontactthe
SeriesEditoraboutfuturepublicationswithintheseriesat:
Prof. Dr. ThorstenM.Buzug
SeriesEditorMedicalEngineering
InstituteofMedicalEngineering
UniversityofLübeck
RatzeburgerAllee160
23562Lübeck
Web: www.imt.uni-luebeck.de
Email: [email protected]
Geleitwort
Magnetic-Particle-Imaging ist eine bildgebende Methode, die den Tracer-Ver-
fahren zuzuordnen ist. Eine Suspension von Dextran-umhüllten Eisenoxid-
basierten Nanopartikeln soll dabei dem Organismus appliziert werden. Die
hoch sensitive und echtzeitfähige Abbildung der räumlichen Verteilung der
Partikel ist das Ziel der Methode. Dazu wird über eine Maxwellspulenpaar-
anordnung zunächst ein Selektionsfeld erzeugt. Der Null-Durchgang des Se-
lektionsfeldgradientenwirddannübereinsogenanntesDrive-Fieldperiodisch
imRaumverschoben,sodasssicheinegewünschteAbtasttrajektorieergibt,die
derSpurdiesesNull-Durchganges(demfeldfreienPunkt-FFP)entspricht.Die
ÄnderungderMagnetisierungderNanopartikelwirdübereineEmpfangsspu-
leneinrichtungdetektiert. DabeimachtdieNichtlinearitätderMagnetisierung,
dieüberdieLangevin-TheorieinersterNäherunggutbeschriebenwerdenkann,
dieMessungderMagnetisierungsänderungerstmöglich,dennsieerzeugteine
ReihevonOberwellen, dievomanregendenDrive-Fieldnichtüberlagertwer-
den. DanichtnurdieMagnetisierungsänderungderPartikelimdirektenFFP-
Durchgang,sondernauchdiederPartikeletwasaußerhalbzumEmpfangssig-
nalbeitragen,isteineEntfaltungdesSignalserforderlich.WährenddasPrinzip
bis hierher einfach zu beschreiben und zu verstehen ist, liegt die Kunst der
BildgebungimDetail. AuchdavonberichtetdasvorliegendeBuchvonMarlitt
Erbe. SiebeschreibtdiePrinzipiendieserneuenModalitätsehrpräzise,disku-
tiert eine alternative Signalkodierung, bei der die Spur des Null-Durchgangs
desSelektionsfeldgradientennichteinemPunkt,sonderneinerfeldfreienLinie
(FFL) entspricht, und stellt viele Originalbeiträge vor. Gleichzeitig gibt dieses
Werk auch eine detaillierte Einführung in das Forschungsgebiet MPI und in
viii Geleitwort
dieFFL-Bildgebung,dieeinedeutlicheSensitivitätssteigerungimVergleichzu
derFFP-BildgebungversprichtunddieMöglichkeiteröffnet,effizienteRadon-
basierteRekonstruktionsalgorithmenzunutzen.FrauErbebeschreibtdieInno-
vationenimBereichdesFFL-Scanner-DesignsundgibteineEinführungindie
unterschiedlichenFFL-Bildgebungstechniken.DasvorliegendeWerkistalsher-
ausragend zu beurteilen. Sprachlich schnörkellos reihen sich Originalbeiträge
indieserArbeitaneinander.
Prof. Dr. ThorstenM.Buzug
Acknowledgements
TomymentorThorstenBuzugforhisabilitytocreateanenvironmentformeto
prosperinscientific,professional,andpersonalregard.
TomycolleaguesanddearfriendsTimoSattelandTobiasKnoppfortheircon-
stantsupportandthemostdelightfulcollaboration.
TothemostdedicatedandbrightstudentsMatthiasWeberandKlaasBente.
ToBärbelKratzandAndreasMangfortheirenduringinterpersonalsupport.
TotheMPIteamatourinstitutefortheirideasanddedication.
TomyparentsHelgaandPeterErbeforkeepingmefromconcerns.
ToAnniErbeforbeingatimelessrolemodelofkindness.
TomydearfriendsAnnikaandChristinaPagel,SophiaBeuster,andEvaDahlke
forkeepingmeopen-minded.
TomybrotherJanniErbeforhiswitsandforproof-reading.
TomybelovedLeroyJönsson.
Abstract
Modernmedicineisintrinsicallytiedtotechnology. Notonlymedicaltherapy,
butalsomedicaldiagnosticsconsiderablybenefitfromtechnologicalprogress.
This connection is impressively demonstrated by the development of medical
imagingtechnologies,whichhaverevolutionizedacountlessnumberofmedi-
calapplications. Sincetheveryfirstx-rayimageswereproducedin1895[R9¨8],
itwasnotuntilthe1960sand1970sthatthepowerfulmedicalimagingtechnolo-
giescomputedtomography(CT)andmagneticresonanceimaging(MRI)were
introduced[Lau73,Hou73,Cor63,Cor64]. Sincethosefirststeps,groundbreak-
ingprogressinspatialandtemporalresolutionaswellasdoseissueshavebeen
achieved. CTofferssliceimagesofthehumanbodywiththeuseofx-rayradi-
ation[Buz08]. WhileinCTahighspatialandtemporalresolutionisachieved,
the disadvantage of this method is the exposure of the patient and the physi-
ciantoionizingradiation. MRIincontrast,workswithouttheneedofionizing
radiation,butsuffersfrompoortemporalresolution.
In2005,B.GleichandJ.Weizeneckerintroducedanovelmedicalimagingtech-
nology called magnetic particle imaging (MPI) [GW05], which combines high
spatialandtemporalresolutionwithabdicationofharmfulradiation. MPIim-
ages the distribution of a superparamagnetic iron oxide (SPIO) nanoparticle
tracermaterialwithinapatient.Itintrinsicallyprovidesthreedimensional(3D)
data with a sub-millimeter resolution and is capable of performing real-time
imaging. In the very first in-vivo MPI experiments, 3D images of a beating
mouseheartwereproduced[WGR+09]demonstratingthepotentialheldbythis
fascinatingnewtomographicmethodtoconsiderablyimproveimagingoffast
blood-flowphenomena.