Kurzfassung. In dieser Arbeit wird erstmals das Konzept einer feldfreien Linie (FFL) in der neuen Bildgebungsmodalita¨t Magnetic-ParticleImaging (MPI) anhand von Magnetfeldmessungen validiert. Aufgrund theoretischer Abscha¨tzungen wird eine Sensitivita¨tssteigerung fu¨r MPI um einen Faktor zehn bei Verwendung einer FFL anstelle des konventionell verwendeten feldfreien Punktes (FFP) erwartet. Um sich das FFLKonzept fu¨r MPI zu Nutze zu machen, ist der Spulenaufbau im Hinblick auf die elektrische Verlustleistung zu optimieren. Das in dieser Arbeit vorgestellte Setup weist eine Verlustleistung auf, die sich in der Gro¨ßenordnung eines FFP-Scanners bewegt, und liefert somit eine gute Voraussetzung fu¨r die Durchfu¨hrbarkeit dieser Methode. Weiterhin ist eine Rotation des FFL-Feldes bei ra¨umlich konstanter Scanner-Anordnung ein entscheidender Vorteil auf dem Weg, die FFL-Bildgebung in den klinischen Alltag zu integrieren. Der vorgestellte Aufbau wird auch dieser Bedingung gerecht und ermo¨glicht eine experimentelle Validierung des bis dato nur theoretisch betrachteten Konzeptes einer FFL fu¨r die Anwendung in MPI.
Die neue Bildgebungsmodalitat Magnetic-Particle-Imaging (MPI), die kurzlich
von B. Gleich und J. Weizenecker vorgestellt wurde [
In einer Reihe von Optimierungsschritten konnte jedoch gezeigt werden, dass
die in Abbildung 1 b) vorgestellte Spulenanordnung mit nur etwa 1; 6 Mal
hoherem Leistungsverlust als ein FFP-Scanner die Erzeugung eines zur
FFLBildgebung geeigneten Feldes ermoglicht [
Bis zu diesem Zeitpunkt sind alle Betrachtungen des FFL-Konzeptes rein theoretischer Natur. In dieser Arbeit wird erstmals ein Aufbau vorgestellt, der es ermoglicht, die fur die FFL-Bildgebung in MPI benotigten Magnetfelder experimentell zu validieren. 2
Der implementierte Aufbau, der in Abbildung 2 a) zu sehen ist, erzeugt ein in der xy-Ebene beliebig rotierbares FFL-Feld. Er besteht aus funf MaxwellSpulenpaaren. Zwei gro e Spulenpaare bilden den au eren Wurfel, zwei kleinere Spulenpaare bilden den inneren Wurfel, der um 45 Grad dazu gedreht angeordnet ist. Dazu kommt ein Maxwell-Spulenpaar, welches entlang der z-Achse orientiert ist und den statischen Stromanteil ubernimmt. Genaue Angaben zu den Eigenschaften der verschiedenen Spulenpaare, sind der Tabelle 1 zu entnehmen. Der Strom in den au eren Spulen wird wie folgt gewahlt:
IaAuCen( FFL) = 6:76 A cos(2 FFL) (1) Abb. 1. Entwicklung des FFL-Scanner-Designs. Setup (a) zeigt den ersten vorgestellten FFL-Scanner, der aus 16 Maxwell-Spulenpaaren und zwei gro¨ßeren umgebenden Helmholtz-Spulenpaaren besteht. In Setup (b) wurde die Anzahl der MaxwellSpulenpaare auf 4 reduziert und die sogenannten z-Spulen eingefu¨hrt. Eine Skizze der im Rahmen dieser Arbeit aufgebauten Spulenanordnung ist in Setup (c) zu sehen.
Spule Außendurchmesser Innendurchmesser La¨nge Abstand der Spulenzentren Induktivita¨t maximale Verlustleistung außen 92 mm 50 mm 12 mm 107 mm 219 H 4; 79 W innen 58 mm 19 mm 6 mm 65; 3 mm 38 H 0; 74 W Tabelle 1. Angaben zu den im Aufbau verwendeten Spulenpaaren. z-Spulen 92 mm 50 mm 16 mm 85 mm 365 H 11; 58 W (2) (3) Der Strom in den inneren Spulen hat die Form
IiAnCnen( FFL) = 4:54 A sin(2 FFL) wobei FFL den Winkel der FFL zur x-Achse bezeichnet. Die z-Spulen sind wie bereits erwahnt nur von einem statischen Strom durch ossen:
IzDC = 9:1 A Es wurden sechs Magnetfelder, die sich durch eine FFL entlang von sechs aquidistanten Winkeln zwischen 0 und 90 Grad auszeichnen, vermessen und die Feldqualitat validiert. Dazu wurden die Messdaten mit simulierten Daten, die aus der numerischen Auswertung des Biot-Savart-Integrals gewonnen wurden, verglichen. Der Strom wurde mittels Sorensen DLM 8-75 DC Stromquellen erzeugt. Zur Vermessung des Magnetfeldes wurde ein Gaussmeter (LakeShore 475) mit einem axialen Sensor (Vermessung der z-Komponente) und einem transversalen Sensor (Vermessung von x- und y- Komponente) verwendet. Die Hall-Sonde wurde mittels eines Roboters (Iselautomation GmbH & Co. KG) durch den Messbereich bewegt, der aus 15 x 15 Voxeln und 28 x 28 mm2 besteht. Abb. 2. Links: Foto des implementierten FFL-Feldgenerators. Rechts: La¨nge der FFL, wobei der a¨ußerste Kreis den Durchmesser des freien Raums im Zentrum des Aufbaus darstellt.
Die Absolutbetrage der vermessenen Magnetfelder sind in Abbildung 3 dargestellt. Die Rotation der FFL, die einzig durch die Variation der eingestellten Strome erzeugt wurde, ist deutlich erkennbar. Um die Qualitat der erzeugten Felder zu validieren, wurde die normierte mittlere Standardabweichung berechnet, indem die Messwerte mit simulierten Daten verglichen wurden. Der Fehler bewegt sich, wie in Tabelle 2 abzulesen ist, zwischen 1; 39 % und 3; 46 %. Fur die beiden Falle einer FFL unter 0 und 90 Grad ist der Strom in den inneren Spulen Null, siehe Gleichung (2). Aus diesem Grund sind hier geringere Abweichungen zu erwarten, da nur drei der funf Maxwell-Spulenpaare potenziell Fehler verursachen. Eine Erwarmung des Systems konnte den Anstieg der Fehlers erklaren. Als weitere Fehlerquellen fungieren sowohl eine nicht exakte Geometrie der Spulen als auch leichte Abweichungen in den eingepragten Stromen. Unter Berucksichtigung dieser Faktoren versprechen die erzielten Ergebnisse eine Durchfuhrbarkeit des FFL-Konzeptes fur MPI.
Um die Qualitat der FFL in Abhangigkeit ihres Winkels zu untersuchen, wurde fur jeden Winkel der Abstand vom Zentrum bestimmt, fur den die bei MPI als Tracer eingesetzten magnetischen Nanopartikel ihre Sattigungsmagnetisierung erreichen und somit nicht mehr fur die Bildgebung verwendet werden konnen. Dabei wurde Sattigungsmagnetisierung als 90 % der maximal erreichten Magnetisierung de niert. Fur Partikel mit einem Kerndurchmesser von 30 nm kann anhand des Langevin-Modells die Sattigungsmagnetisierung zu 6; 35 mT 0 1 bestimmt werden. In Abbildung 2 b) ist die Lange der FFL, also der zur Bildgebung nutzbare Bereich, in Abhangigkeit vom Winkel aufgetragen. Die Kreise stellen 70 %, 80 %, 90 % und 100 % des Durchmessers der Messkammer der imAbb. 3. Vermessene Magnetfelder mit einer FFL entlang sechs a¨quidistanten Winkeln zwischen 0 und 90 Grad.
Erbe et al.
Tabelle 2. Normierte mittlere Standardabweichung (engl. normalized root mean square deviation, NRMSD) fu¨r die gemessenen Magnetfelder. Verglichen wurde mit simulierten Daten, die mittels numerischer Evaluation des Biot-Savart-Integrals gewonnen wurden.
Angle in rad NRMSD in % 0 1:79 1=10 1:62 1=5 2:22 3=10 2:91 2=5 3:46 1=2 1:39 plementierten Spulenanordung dar. Diese Berechnungen zeigen, dass sich fur die Bildgebung ein erheblicher Vorteil ergibt, wenn der Aufbau um 45 Grad gedreht angeordnet wird, da in diesem Fall ein quadratischer Messbereich optimal die Form des zur Bildgebung verwendbaren Bereiches ausnutzen wurde. 4
Das Konzept einer feldfreien Linie fur Magnetic-Particle-Imaging ist eine viel versprechende Moglichkeit, die Sensitivitat des Verfahrens merklich zu steigern. Im Rahmen dieser Arbeit konnte erstmals experimentell gezeigt werden, dass die Erzeugung eines FFL-Feldes mit den fur die MPI-Bildgebung erforderlichen Eigenschaften durch einen statischen Aufbau realisierbar ist, dessen elektrische Verlustleistung sich in der Gro enordnung eines FFP-Scanners bewegt. Weiterhin konnte die Erkenntnis gewonnen werden, dass ein MPI-Scanner dieser Geometrie in Relation zu dem hier vorgestellten Aufbau um 45 Grad gedreht aufgebaut werden sollte, um die erreichte Feldqualitat optimal auszunutzen. In einem nachsten Schritt ist ein bildgebendes System zu installieren, welches sich des FFL-Konzeptes bedient, um die erwartete Sensitivitatssteigerung auch experimentell zu belegen.
Literaturverzeichnis