Erstes Niedrigfeld Magnetic-Particle-Imaging System für humane Neurologische Anwendungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Matthias Gräser; Professor Dr.-Ing. Tobias Knopp
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 428087693

Magnetic-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.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen