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Magnetic particle imaging (MPI) is a noninvasive medical imaging technique introduced in 2005. MPI utilizes the unique properties of magnetic nanoparticles (MNP), which are of high interest for biomedical applications. One major advantage compared to other imaging modalities is that MPI images contain quantitative information about the MNP distribution. This information is beneficial for many applications for instance magnetic hyperthermia, drug delivery and cell tracking studies. But a detailed characterization of quantitative MPI, a comparison to other imaging techniques and the opportunities that it offers have not yet been reported.
In this thesis a comprehensive characterization of quantitative MPI was performed, employing the first commercial MPI scanner available. Imaging and quantification of MNP samples were achieved for iron masses above 16 ng with an accuracy of 8.8 %. The three strongest factors influencing the limit of detection and accuracy have been identified by investigating the MPI hardware, the data processing and the influence of the MNP environment. The first factor, affecting mainly the limit of detection, is the detection of systematic background signals generated by the MPI excitation fields. These background signals are partly attenuated and removed by using a gradiometric receive coil and by subtracting empty scanner measurements, but temporal variations of the background signals hamper a complete removal. Second, the quantification accuracy of MPI is strongly affected by large deviations of the reconstructed iron masses from the nominal values up to 1000 % caused by the variation of reconstruction parameters. A method was proposed and verified in phantom measurements, which eliminates these variations by calibrating the MPI intensities utilizing a reference measurement. The third dominant factor with strong influence on the quantification accuracy and the limit of detection is the MNP environment. Typical biomedical environments, for instance MNPs interacting with monocytic cells, show deviations from the nominal iron amount of more than 100 %. Correction of these deviations were achieved using a technique, called multi-color MPI, resulting in an improved quantification accuracy of 12 %.
The MPI results were compared to measurements performed with magnetic resonance imaging (MRI) and showed a lower limit of detection (factor of 5) and a higher accuracy (factor of 2) for MNP samples in realistic biological environments. However, MRI provides a larger field of view, a higher spatial resolution and the simultaneous acquisition of anatomical information in the images.
The strength of quantitative MPI was utilized in an in-vitro experiment, demonstrating that MPI can image and quantify the cellular uptake of MNPs into living cells by analyzing changes of their dynamic magnetic behavior with a temporal resolution of seconds. This technique provides information about the uptake dynamics, which is especially interesting since the uptake behavior is correlated with pathological changes and might open the opportunity for an early diagnostics of inflammatory diseases.
The achievements of this thesis form a foundation for further developments of MPI technology and the translation into clinical applications.
Magnetic particle imaging (MPI) ist eine nicht-invasive, medizinische Bildgebungsmodalität, die im Jahr 2005 erstmals vorgestellt wurde. Diese Technik basiert auf den physikalischen Eigenschaften magnetischer Nanopartikel (MNP), welche für zahlreiche biomedizinische Anwendungen interessant sind. Ein großer Vorteil von MPI verglichen mit anderen Bildgebungsmethoden ist, dass quantitative Informationen über die Partikelverteilung in den Bildern enthalten sind. Diese Informationen werden in mehreren Bereichen wie zum Beispiel in der magnetischen Hyperthermie oder in der Verfolgung von Medikamenten und Zellen benötigt. Aber eine detaillierte Charakterisierung der quantitativen MPI Parameter, ein Vergleich mit anderen Bildgebungsmethoden und eine Untersuchung, welche Anwendungsmöglichkeiten quantitatives MPI bietet, wurden bisher noch nicht durchgeführt.
Diese Dissertation beinhaltet eine detaillierte Charakterisierung von quantitativem MPI. Die präsentierten Messungen wurden unter Verwendung des ersten kommerziell erwerbbaren MPI Systems durchgeführt. Die Bildgebung und Quantifizierung von MNP Proben mittels MPI wurde erfolgreich nachgewiesen für Eisenmassen größer als 16 ng mit einer Quantifizierungsgenauigkeit von 8.8 %. Die drei Faktoren mit dem stärkstem Einfluss auf das Detektionslimit und die Quantifizierungsgenauigkeit wurden identifiziert, indem die MPI Hardware, die Datenverarbeitung und der Einfluss der Umgebung der MNP untersucht wurden. Der erste Faktor, der hauptsächlich das Detektionslimit beeinflusst, sind detektierte Hintergrundsignale, verursacht durch die MPI Anregungsfelder. Diese Signale können teilweise durch die Verwendung einer speziellen Empfangsspule in Gradiometer-Anordnung und durch die Subtraktion von Leermessungen entfernt werden. Zeitliche Variationen der Hintergrundsignale verhindern allerdings eine komplette Korrektur. Der zweite Faktor ist bedingt durch die MPI Bildrekonstruktion und betrifft vor allem die Quantifizierungsgenauigkeit. Eine Modifikation der Rekonstruktionsparameter führt zu rekonstruierten Eisenmassen mit Abweichungen von bis zu 1000 % verglichen mit den nominellen Werten. Eine Methode, die diese Abweichungen basierend auf einer Kalibrations-Messung eliminiert, wurde vorgestellt und in Phantommessungen verifiziert. Der dritte Faktor, mit starkem Einfluss auf das Detektionslimit und die Quantifizierungsgenauigkeit, ist der Einfluss der MNP Umgebung. Typische biomedizinische Umgebungen, z.B. MNP in Kontakt mit lebendigen Zellen, führen zu Änderungen der quantifizierten Werte von mehr als 100 %. Eine Korrektur dieser Abweichungen wurde mithilfe der Technik namens „multi-color MPI“ erreicht und verbesserte die Quantifizierungsgenauigkeit auf 12 %.
Die MPI Ergebnisse wurden verglichen mit Magnetresonanztomographie-Messungen und zeigten ein geringeres Detektionslimit (Faktor 5) und eine höhere Quantifizierungsgenauigkeit (Faktor 2) für MNP Proben in Medien mit realistischen Relaxationszeiten. Allerdings bietet MRI auch Vorteile gegenüber MPI, wie z.B. ein größeres Sichtfeld, eine höhere Ortsauflösung und die zeitgleiche Aufnahme von anatomischen Informationen in den Bildern.
Die Stärken vom quantitativen MPI wurden in einem in-vitro Experiment genutzt, um die Aufnahme von MNP in Zellen mit hoher zeitlicher Auflösung abzubilden und zu quantifizieren. Dafür wurden die Änderungen der dynamisch magnetischen Eigenschaften der Partikel während der zellulären Aufnahme verwendet. Diese Technik ermöglicht es Informationen über die dynamische Zellaufnahme zu erhalten, welche von großem Interesse sind, da das Aufnahmeverhalten mit pathologischen Veränderungen auf zellulärer Ebene korreliert ist. Daher bietet diese Technik die Chance für eine frühzeitige Diagnose von Entzündungskrankheiten.
Die Ergebnisse dieser Arbeit bilden die Basis für weitergehende Entwicklungen der MPI Technologie und mögliche klinische Anwendungen.
