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Tomografische Bildgebung der Temperatur mit magnetischen Nanopartikeln

Antragsteller Professor Dr. Frank Ludwig, seit 6/2021
Fachliche Zuordnung Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
Förderung Förderung von 2018 bis 2022
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 396479783
 
Erstellungsjahr 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen des DFG-Projektes wurde ein am Institut vorhandenes MPI-System, das für die breitbandige Standard-„X-space"-Bildgebung der MNP-Konzentration ausgelegt war, so modifiziert, dass für die simultane Konzentrations- und Temperaturbildgebung nur das komplexe Signal der 3. und/oder 5. Harmonischen verwendet wird. Dafür wurde die Detektionsseite des Systems mit der Spule, dem Ausgangsfilter und der anschließenden Verstärkerschaltung neu konstruiert. Vorteile dieses auf einer oder zwei Harmonischen basierenden „narrowband"-MPI (nbMPI) sind zum einen der deutlich reduzierte Hardware-Aufwand sowie die Tatsache, dass die Systemmatrix aus der an einer Position im „field-of-view" bestimmten PSF generiert werden kann. Als Anregungsfrequenz wurde 5 kHz als guter Kompromiss zwischen der Dominanz des Brownschen Mechanismus auf die MNP- Dynamik, was für die MNP-Temperaturbestimmung vorteilhaft ist, und einem möglichst großen Detektionssignal gewählt. Verschiedene MNP-Systeme wurden hinsichtlich ihrer Eignung für die nbMPI-Bildgebung charakterisiert. Synomag70 und perimag stellten sich als geeignete MNP-Systeme heraus. Bilder der Verteilung der MNP-Konzentration wurden aus den gemessenen Amplituden der 3. oder 5. Harmonischen in Verbindung mit einer Kaczmarz-Rekonstruktion gewonnen. Dabei konnten Eisenmengen von 254 ng detektiert werden, und es wurde eine räumliche Auflösung von 0,5 mm erreicht. Die lokale Temperatur wurde aus der Phase über Kalibrierkurven bestimmt. Es zeigte sich, dass die Verwendung der Phase anstelle eines Harmonischenverhältnis diverse Vorteile für eine Temperaturbildgebung hat. Es zeigte sich aber auch, dass die Genauigkeit des beschriebenen Verfahrens bei hohen MNP-Konzentrationen durch den Einfluss dipolarer Wechselwirkungen auf das komplexe Detektionssignal und bei kleinen Konzentrationen durch die fehlerhafte Phasenbestimmung infolge eines zu kleinen SNR begrenzt ist. Die simultane Bildgebung von MNP-Konzentration und lokaler Temperatur wurde an verschiedenen Phantomen demonstriert. Hierbei wurden einzelne MNP-Regionen mit einem spezielle entwickelten Warmwasser-Pumpsystem geheizt. Für die Messung einer Referenztemperatur wurde ein faseroptisches Thermometer verwendet. Es wurde gezeigt, dass die Temperatur mit einer Genauigkeit besser als ± 0,5°C bestimmt werden kann. Es stellte sich auch heraus, dass die Phase nicht – wie in erster Näherung zu erwarten – MNP-konzentrationsunabhängig ist, sondern eine schwache Abhängigkeit aufweist. Insofern ist es erforderlich, dass Phase-Temperatur- Kalibrierkurven für verschiedene MNP-Konzentrationen aufgenommen werden, um diesen Einfluss auf die Genauigkeit der Temperaturbestimmung zu eliminieren. Im Rahmen des DFG-Projektes wurde die simultane 2D-Bildgebung von MNP-Konzentration und Temperatur demonstriert, wobei der feldfreie Punkt (FFP) nur in x-Richtung elektronisch verfahren wurde. Eine Erweiterung auf 2D bzw. 3D sollte ohne Probleme möglich sein. Für eine echtzeitfähige Bildgebung müsste die bestehende Mess-Software lediglich um die Auswerteroutine auf Basis der Phase erweitert werden. Grundsätzlich sollte diese Art der Temperaturbildgebung auch für Néel-dominierte MNP-Systeme funktionieren.

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