2023-06-252023-06-25https://tore.tuhh.de/handle/11420/16841Magnetic-Particle-Imaging (MPI) ist ein bildgebendes Verfahren, mit dem sich die örtliche Verteilung magnetischer Nanopartikel bestimmen lässt. Derzeit befindet sich das Verfahren nach einer schnellen technologischen Entwicklung in der präklinischen Erprobung, bei der es bereits bei verschiedenen medizinischen Fragestellungenein hohes Anwendungspotential zeigen konnte. Insbesondere bei neurologischen Fragestellungen wie dem Schädelhirntrauma und dem Schlaganfall, sowie bei der Darstellung von Hirnaneurysmen konnte MPI bereits wegweisende Ergebnisse erzielen. Bislang konnten die Ergebnisse jedoch primär nur im Kleintiermodell gezeigt werden,da die bislang entwickelten MPI-Scanner zu klein für Messungen an Großtieren oder Menschen sind. Das Ziel dieses Projektes ist die Weiterentwicklung eines MPI-Scanners für neurologische Fragestellungen, der sich von der Größe auch für die Untersuchung am Menschen eignet. Basierend auf einem Prototypen, mit dem die Machbarkeit bereits gezeigt werden konnte, werden wir ein System entwerfen, das sich optimal füraufgaben auf der neurologischen Intensivstation eignen wird. Durch eine geringe Größe und durch optimierte Spulen braucht es keinen dedizierten Kühlungsanschluss und kann somit direkt am Patientenbett montiert werden.Durch effiziente Signalführung und durch Detektion von Störungen im Raum kann das System auch außerhalb von geschirmten Räumen betrieben werden. Dies ermöglicht eine permanente Überwachung des Patienten in den Stunden nach einer Schlaganfallbehandlung ohne die potentielle Schädigung durch ionisierende Strahlung. Bislang werden von diesen Patienten nur bei akuter Verschlechterung und unter großem Aufwand CT-Bilder aufgenommen. Der bestehende Prototyp ist als Niedrigfeld-MPI-System realisiert und erreicht mit einer Gradientenstärke des Selektionsfeldesvon ca. 0,2T/m eine Ortsauflösung bis zu 6 mm in horizontaler und 28 mm in vertikaler Richtung. Im Rahmen des Projektes wird eine zweidimensionale Anregungseinheit und eine dreidimensionale Empfangseinheit entworfen, welche drei wesentliche Anforderungen erfüllen. Die Einheiten sind hocheffizient und benötigen keineaktive Kühlung, sie sind elektrisch sicher und können nach Projektende bedenkenlos auch in Humanversuchen genutzt werden und sie sind rauschoptimiert, sodass die Sensitivität des bestehenden Prototypen weiter gesteigert werden kann. Durch die zweidimensionale Anregung und den dreidimensionalen Empfang wird der Kopfscannereine isotrope Auflösung von ca. 5 mm erreichen. Durch eine Optimierung der Messsequenz wird der Scanner eine hohe zeitliche Auflösung von ca. 250 ms für ein dreidimensionales Messvolumen mit einer Kantenlänge von 100 mmerreichen. Für die Datenrekonstruktion werden Algorithmen entwickelt, welche Imperfektionen der Magnetfelder berücksichtigen. Der entwickelte MPI-Scanner und die Rekonstruktionsalgorithmen werden an realistischen Flussphantomen getestet, welche das Gefäßsystem des menschlichen Kopfes nachbilden.Magnetic Particle Imaging (MPI) is an imaging technique that allows the local distribution of magnetic nanoparticles to be determined. After rapid technological development, the method is currently undergoing preclinical trials, in which it has already shown a high potential in various medical applications. In particular, MPI has already achievedpioneering results in neurological questions such as craniocerebral trauma and stroke, as well as in the imaging of brain aneurysms. So far, however, the results could only be shown in small animal models because the MPI scanners developed so far are too small for measurements on large animals or humans.The goal of this project is the development of an MPI scanner for neurological questions, which is also suitable for human examination. Based on a prototype with which the feasibility has already been demonstrated, we will design a system that is optimally suited for monitoring tasks in the neurological intensive care unit. Due to its small sizeand optimized coils, it does not require a dedicated cooling and can therefore be mounted directly on the patient’s bed. The system can also be operated outside shielded rooms thanks to efficient signal routing and the detection of disturbances in the room. This enables permanent monitoring of the patient in the hours following stroke treatmentwithout exposure to X-rays. Up to now, CT images of these patients are only taken in cases of acute deterioration and at great expense.The existing prototype is implemented as a low-field MPI system and achieves a spatial resolution of up to 6mm in the horizontal direction and 28 mm in the vertical direction with a gradient strength of the selection field of approx. 0.2 T/m. Within the project, a two-dimensional excitation unit and a three-dimensional receiver unit will be designed which meets three essential requirements. They are highly efficient and do not require active cooling, they are electrically safe and can also be used in human experiments without hesitation and they are noise optimized so that the sensitivity of the existing prototype can be further increased. Due to the two-dimensional excitation and three-dimensional reception, the head scanner will achieve an isotropic resolution of approx. 5 mm. By optimizing the measurement sequence, the scanner will achieve a high temporal resolution of approx. 250 ms for a three-dimensional measurement volume with an edge length of 100 mm. For data reconstruction algorithms are developed, which consider imperfections of the magnetic fields. The developed MPI scanner and the reconstruction algorithms are tested on realistic flow phantoms, which simulate the vascular system of a human head.