Magnetic Particle Imaging
From Wikipedia, the free encyclopedia
Magnetic Particle Imaging (Magnetpartikelbildgebung, MPI) ist eine Methode zur Bestimmung der Verteilung von magnetischem Material in einem Volumen. Die Technologie hat vielfältige Anwendungsmöglichkeiten in der diagnostischen Bildgebung und Materialwissenschaft. Derzeit wird sie in der medizinischen Forschung eingesetzt, um die 3D-Position und Konzentration von Nanopartikeln zu messen. Die Bildgebung verwendet keine ionisierende Strahlung und kann ein Signal in jeder Tiefe innerhalb eines zu untersuchenden Körpers erzeugen.
Für die Untersuchung von Lebewesen bietet das Verfahren eine große Empfindlichkeit und eine hohe zeitliche Auflösung.[1][2] Man bringt kleine Mengen des magnetischen Tracer-Materials per Injektion in die Blutbahn ein und kann so dynamisch seine Ausbreitung im Tier- oder Menschenkörper beobachten. Das Verfahren eignet sich daher ebenso wie z. B. PET zur Visualisierung biologischer Prozesse, ist jedoch wesentlich schneller[3] und nicht radioaktiv, d. h. er verursacht keine Strahlenbelastung.
Das magnetische Material (der Tracer) besteht typischerweise aus Eisenoxidpartikeln mit einem Durchmesser von wenigen zehn Nanometern. Zur Detektion der Partikel wird die Untersuchungsregion mit einem räumlich homogenen und zeitlich sinusförmigen Magnetfeld (Aussteuerungsfeld, engl. drive field) beaufschlagt. 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 für ein Partikel im feldfreien Punkt. Die schwarze Kurve ist die Magnetisierungskurve 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 diejenige des Aussteuerungsfeldes ist. Die Harmonischen sind ein Maß für die Konzentration der Eisenoxidpartikel.
Um eine räumliche Auflösung zu erzielen, wird zusätzlich ein statisches, also zeitlich konstantes, aber räumlich inhomogenes Magnetfeld verwendet (Selektionsfeld, engl. selection field). Dieses Feld besitzt einen Punkt im Raum, an dem die Feldstärke null ist. Von diesem „feldfreier Punkt“ aus steigt der Betrag der Magnetisierung in alle Raumrichtungen stark an. Die Magnetisierung von Partikeln, die genügend weit vom feldfreien Punkt entfernt sind, wird durch das Selektionsfeld gesättigt. Deshalb erzeugen die Partikel an solchen fernen Orten keine Harmonischen als Antwort auf das Aussteuerungssignal. Die Entstehung des Signals ist dadurch beschränkt auf ein kleines Volumen in unmittelbarer Nähe des feldfreien Punkts.
Zur Erzeugung eines Bildes wird der feldfreie Punkt, in dem ggf. dort vorhandene Partikel Harmonische generieren, 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.[4][5] Im Experiment konnte eine räumliche Auflösung von etwa 1 mm bei einer zeitlichen Auflösung von 42 Volumina pro Sekunde erreicht werden.
Die Magnetpartikelbildgebung wurde von den deutschen Physikern Bernhard Gleich und Jürgen Weizenecker und deren Team vom Philips Research Laboratory in Hamburg erfunden und entwickelt.[6] Seitdem wurde die Technologie sowohl von der Industrie als auch von Wissenschaftlern an mehreren Universitäten in Deutschland und weltweit weiterentwickelt. In den Jahren 2011 bis 2016 gab es das BMBF-geförderte Forschungsvorhaben MAPIT (Magnetic Particle Imaging Technology) mit industriellen und akademischen Partnern, bei dem von der Philips Forschung in Hamburg der weltweit erste Ganzkörperscanner aufgebaut wurde.[7] Die ersten kommerziellen Kleintier-MPI-Scanner wurden von Bruker Biospin in Deutschland und später von Magnetic Insight in den USA auf den Markt gebracht.
Vergleich zu MRT
Die Magnetpartikelbildgebung (MPI) ist ebenso wie die Magnetresonanztomographie (MRT) ein bildgebendes Verfahren für die medizinische Diagnose. Beide Verfahren beruhen auf magnetischen Feldern und verwenden Spulen zum Senden und Empfangen dieser Felder, sind aber in den technischen Details, z. B. den verwendeten Geometrien der Magnetfelder, ihrer Amplituden und ihrer Frequenzen sehr unterschiedlich.[8] Bei der MRT wird typischerweise das Körpergewebe selber untersucht, in dem man eine Bildgebung der Protonen der Wasserstoffatome macht. Ein Kontrastmittel kann optional hinzugegeben werden, um einen Kontrast zu verändern/zu verstärken. Bei MPI hingegen ergibt sich aus dem Gewebe allein kein Kontrast, also kein Bild. Es ist grundsätzlich notwendig, eine spezielles magnetisches Material („Tracer“) in den Körper einzubringen. Das Bild entsteht durch die Bestimmung der räumlichen Verteilung und Konzentration des Tracers.