Magnetic Particle Imaging

MPI Signalgenerierung.

Magnetic Particle Imaging (Magnetpartikelbildgebung, MPI) ist eine Methode zur Bestimmung der Verteilung von magnetischem Material in einem Volumen. Anders als bei MRI, wo der Einfluss des Materials auf die Magnetresonanzeigenschaften von Protonen gemessen wird, wird dabei die Magnetisierung des magnetischen Materials direkt detektiert. Für die Untersuchung von Lebewesen verspricht diese Vorgehensweise eine große Empfindlichkeit und eine hohe zeitliche Auflösung.^[1]

Das magnetische Material besteht typischerweise aus Eisenoxidpartikeln mit einem Durchmesser von wenigen zehn Nanometern. Zur Detektion der Partikel wird die Untersuchungsregion beaufschlagt mit einem räumlich homogenen und zeitlich sinusförmig oszillierenden Magnetfeld (Aussteuerungsfeld, engl. drive field). Das magnetische Material wird dann periodisch in den nichtlinearen Teil der Magnetisierungskurve getrieben. Dadurch weist die Magnetisierung und das von ihr generierte Magnetfeld höherfrequente Harmonische des Aussteuerungsfeldes auf. Diese können aus dem Signal einer Empfangsspule bestimmt werden.

Das Bild illustriert die Signalentstehung. Die schwarze Kurve beschreibt dabei die Magnetisierung der Eisenoxidpartikel. Durch die geringen Abmessungen dieser Teilchen tritt keine Hysterese auf. Dies wird auch als Superparamagnetismus bezeichnet. Die rote Kurve illustriert das Aussteuerungsfeld als Funktion der Zeit. Dieses bringt die Eisenoxidpartikel mit hoher Frequenz in magnetische Sättigung, um sie gleich wieder zu entmagnetisieren. Die grüne Kurve in der Mitte der Grafik veranschaulicht die Magnetisierung der Eisenoxidpartikel als Funktion der Zeit. Diese Funktion ist nun nicht mehr rein sinusförmig. Gleichwohl muss diese Funktion periodisch sein mit der Frequenz des Aussteuerungsfeldes. Sie lässt sich folglich als Fourier-Reihe schreiben, wobei die Grundfrequenz mit der Frequenz des Aussteuerungsfeldes identisch ist. Hieraus folgt, dass bei Darstellung des Messsignals als Fourier-Reihe die höheren Harmonischen als Maß für die Konzentration der Eisenoxidpartikel dienen können.

Um eine räumliche Auflösung zu erzielen wird ein zeitlich konstantes Gradientenfeld verwendet (Selektionsfeld, engl. selection field). Dieses Feld besitzt eine Nullstelle (feldfreier Punkt), von der aus der Betrag der Magnetisierung in alle Raumrichtungen stark ansteigt. Die Magnetisierung von Partikeln, die genügend weit von diesem Punkt entfernt sind, wird durch das Selektionsfeld gesättigt und produziert keine Harmonischen. Die Entstehung des Signals ist dadurch beschränkt auf ein kleines Volumen.

Zur Erzeugung eines Bildes wird die Region, in der der feldfreie Punkt oszilliert, über das Objekt bewegt. Dazu kann das Objekt mechanisch verschoben werden.^[1] Vorteilhafter ist jedoch, diese Region durch zusätzliche homogene Magnetfelder zu bewegen, welche gleichzeitig auch die Funktion der Aussteuerung erfüllen können.^[2][3] Im Experiment konnte eine räumliche Auflösung von etwa 1 mm bei einer zeitlichen Auflösung von 42 Volumina pro Sekunde erreicht werden.

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b} Tomographic imaging using the nonlinear response of magnetic particles, Nature 435(7046), 1214–1217 (30. Juni 2005)
2. ↑ Experimental results on fast 2D-encoded magnetic particle imaging, Phys. Med. Biol. 53(6), N81-4 (21. März 2008)
3. ↑ Three-dimensional real-time in vivo magnetic particle imaging, Phys. Med. Biol. 54(5), L1-L10 (7. März 2009)