Evaluation of imaging parameters in Magnetic Particle Imaging

Magnetic Particle Imaging (MPI) is a medical imaging modality, that is (in the current state in 2017) in the preclinical stage. It is based on the spatially encoded detection of magnetic nanoparticles that are magnetized by an external magnetic field. Employing gradient fields for spatial encoding and pickup coils to measure the overall magnetization, the particle distribution can be reconstructed from the measurement signal. Body tissue is ignored with this technology. Due to the nonusage of radiopharmaceuticals or ionizing radiation, MPI has an inherent advantage over its potential competitors CT-angiography and the methods of nuclear medicine imaging like SPECT and PET. Based on this advantage and the potential high spatial and temporal resolution, MPI is a worldwide topic of research.
Besides MPI, the Magnetic Particle Spectroscopy (MPS) has been established for the characterization of magnetic nanoparticles under MPI conditions. Except for the gradient field and therefore the spatial encoding, the potential tracers are exposed to the typical MPI environment and their response to the excitation field is measured. This response is taken as an indicator of the suitability of the magnetic nanoparticles as a tracer for MPI. Since this method only yields relative information, an MPI scanner is still needed for quantitative estimations regarding the spatial resolution under consideration of the signal-to-noise ratio. This leaves room for optimization.
The first part of the thesis describes the in
uence of the measurement signal on the spatial resolution in MPI. Based on classic theories of signal-processing and imaging, the MPI signal is analyzed regarding the Nyquist-Shannon-Sampling-Theorem and the spatial frequencies and a direct relationship between spatial frequencies and harmonic structure is indicated. Depending on the amount of tracers and their properties, the signal-to-noise ratio varies and the spatial resolution is related to the harmonics above noise level.
In the second part, it is presented based on simulation results how the tracer properties may be optimized for MPI to maximize the spatial resolution. It is shown, that due to dynamic eects, tracers need to be attuned specifically for MPI via several parameters and sometimes even slight deviations from this may diminish the corresponding MPI signal. Finally, a parameter is presented that was mostly independent of the applied field strength and frequency. This parameter may therefore be suitable as a general criterion for optimized MPI tracers.
In the third and last part of the thesis, an enhancement of the standard MPS characterization is presented. In contrast to the established method, an estimation of the spatial resolution of the tracer is possible with this new method in dependence on the amount of the tracer and its properties. Besides the characterization of several commercially available tracers, the theory from the first part of the thesis is successfully verified. Moreover, a study is presented in which several resolution phantoms were imaged in a commercial MPI-scanner and compared to the previous resolution characterization of the tracer. It turned out, that the results of both phantom study and the method presented here were very similar. It is therefore concluded that the new method is suitable to characterize the spatial resolution in MPI. Magnetic Particle Imaging (MPI) ist eine medizinische bildgebende Methode, die sich aktuell (Stand: 2017) im präklinischen Stadium befindet. Die Bildgebung basiert auf der ortsaufgelösten Detektion magnetischer Nanopartikel, die in einem magnetischen Wechselfeld periodisch magnetisiert werden. Mittels Gradientenfeldern, die eine Ortsau
flösung ermöglichen, sowie Detektionsspulen, die die Magnetisierungsvorgänge erfassen, kann die Partikelverteilung aus dem Messsignal rekonstruiert werden. Dabei wird Körpergewebe von der Bildgebung ignoriert. Aufgrund des Verzichts auf Radiopharmazeutika sowie ionisierender Strahlung hat MPI gegenüber seinen potenzielle Konkurrenten CT-Angiographie und Bildgebungsmethoden der Nuklearmedizin wie SPECT und PET einen inhärenten Vorteil. Aufgrund dieses Vorteils sowie der hohen räumlicher als auch zeitlichen Auflösung ist MPI ein weltweites Forschungsthema.
Parallel zum MPI hat sich die Magnetic Particle Spectroscopy (MPS) als Methode zur Charakterisierung des Verhaltens magnetischer Nanopartikel unter MPI-Bedingungen etabliert. Mit Ausnahme der Gradientenfelder und somit ohne Ortscodierung werden die potentiellen Tracer der typischen MPI-Umgebung ausgesetzt und die Antwort auf das Anregungsfeld gemessen. Diese Antwort gilt als Indikator einer guten oder schlechten Eignung der magnetischen Nanopartikel als Tracer für MPI. Da diese Methode jedoch nur relative Aussagen über die Bildqualität zulässt und quantitative Abschätzungen über eine erreichbare räumliche Au
flösung unter Berücksichtigung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses nur in Phantomstudien im MPI-Scanner möglich sind, besteht hier Optimierungspotential.
Der erste Teil der Arbeit beschreibt den Ein
uss des Messsignals im MPI auf die räumliche Au
flösung. Basierend auf klassischen Theorien der Signalverarbeitung und der Bildgebung wird das MPI-Signal bezüglich des Nyquist-Shannon-Sampling-Theorems und der Ortsfrequenzen analysiert und auf einen direkten Zusammenhang zwischen Harmonischen und den Ortsfrequenzen hingewiesen. Auf Basis eines je nach Tracermenge und -eigenschaften variierenden Signal-zu-Rausch-Verhältnisses wird die räumliche Au
flösung in einen Zusammenhang mit den über dem Rauschlevel liegenden Harmonischen des MPI-Signals gebracht.
Im zweiten Teil wird anhand einer Simulation präsentiert, wie die Tracereigenschaften für MPI-Bedingungen optimiert werden können, um dadurch die räumliche Au
flösung zu maximieren. Es wird dabei gezeigt, dass die Optimierung der Tracer für MPI aufgrund dynamischer Eekte nur über die Abstimmung mehrerer Parameter geschehen kann und dass die Partikel mitunter bei nur leichter Abweichung von dieser Abstimmung bedeutend schwächere Signale im MPI erzeugen können. Final wird ein Faktor präsentiert, der sich in den Simulationen als weitestgehend unabhängig von den externen Parametern Feldstärke und Frequenz zeigt und sich somit als allgemeiner Fixpunkt für optimierte MPI Tracer zu eignen scheint.
Im dritten und letzten Teil der Arbeit wird eine Erweiterung der MPS vorgestellt, die im Gegensatz zur gängigen Methode eine Abschätzung der erreichbaren räumlichen Au
flösung des Tracers in Abhängigkeit von Tracermenge und -eigenschaften ermöglicht. Neben der Charakterisierung mehrerer kommerziell erhältlicher Tracer wird darüber hinaus die im ersten Teil vorgestellte Theorie erfolgreich verifiziert. Vergleichend wird zudem eine Studie vorgestellt, in der mehrere Au
flösungsphantome eines Tracers in einem kommerziellen MPI-Scanner gemessen wurden. Auch hier stellte sich heraus, dass die Ergebnisse aus der vorgestellten Methode und den Phantom-Experimenten sehr ähnlich sind. Es wird daraus geschlossen, dass die Methode sich gut zur Charakterisierung der erreichbaren räumlichen Au
flösung in MPI eignet.