Tomografische Bildgebung der Temperatur mit magnetischen Nanopartikeln

Magnetic Particle Imaging (MPI) is a tracer-based imaging modality with great potential in medical diagnostics and therapy. It can expand the spectrum of existing imaging procedures such as magnetic resonance imaging (MRT) or computer tomography (Computer-Tomographie (CT)). In addition, with its low limit of detection for magnetic material, millimetre resolution and potential real-time capability, it also offers the possibility of replacing or at least reducing the use of existing systems based on radioactive markers, such as single-photon-emission-computer-tomography (SPECT) and positron emission tomography (PET). Two other promising methods based on MPI are hyperthermia for the generation of localised fever and targeted drug delivery (TDD). For both processes, knowledge of the temperature of the particles and the environment is of great importance, as recent publications in the research field of magnetic nanoparticles (MNP) show. This work concerns the tomographic imaging of the temperature of MNP. The aim is to simultaneously measure the concentration-distribution and the temperature of the MNP using a single harmonic of the induction signal. The temperature is determined on the basis of the phase shift of the MNP under the influence of temperature. In addition, the system should be kept technically simple in order to minimise the hardware development effort. A single-harmonic-based narrow-band MPI-system (nbMPI) is constructed for this purpose. The thesis first describes the concept of the system and then reports the construction process, which was based on an existing MPI scanner. The characterisation of suitable MNPs for the system is also part of this work. The commissioning of the MPI system has demonstrated that a resolution in the submillimetre range and a limit of detection in the order of a few hundred nanograms can be achieved. Experiments on line and dot phantoms have been carried out to demonstrate the potential of the temperature determination based on the phase change of the MNP. It has been shown that the method is suitable for temperature estimation. Magnetic Particle Imaging (MPI) ist ein tracer-basiertes Bildgebungsverfahren mit großem Potenzial in der medizinischen Diagnostik und Therapie. So kann es das Spektrum bestehender bildgebender Verfahren wie der Magnetresonanztomographie (MRT) oder der Computertomographie (CT) erweitern. Darüber hinaus bietet es mit einem niedrigen Detektionslimit für magnetisches Material, einer Auflösung im Millimeterbereich und einer möglichen Echtzeitfähigkeit auch die Möglichkeit, bestehende, auf radioaktiven Markern basierende Systeme wie die Single-Photon-Emmissions-Computertomograhpie (SPECT) und die Positronen-Emmissions-Tomographie (PET) zu ersetzen oder zumindest deren Einsatz zu reduzieren. Zwei weitere vielversprechende Verfahren auf Basis des MPI sind die Hyperthermie zur Erzeugung eines lokalen Fiebers und die zielgerichtete Medikation (targeted drug delivery, TDD). Für beide Prozesse ist die Kenntnis der Temperatur der Partikel und der Umgebung von großer Wichtigkeit, wie jüngste Publikationen auf dem Forschungsgebiet der magnetischen Nanopartikel (MNP) zeigen. Diese Arbeit befasst sich mit der tomografischen Bildgebung der Temperatur von MNP. Das Ziel ist eine simultane Messung der Konzentrationsverteilung und der Temperatur der MNP unter Verwendung einer einzelnen Harmonischen des Induktionssignals. Die Temperatur wird dabei auf Basis der Phasenverschiebung der MNP unter Temperatureinfluss bestimmt. Gleichzeitig soll das System technisch einfach gehalten werden, um den Aufwand der Hardware-Entwicklung möglichst gering zu halten. Zu diesem Zweck wurde ein single-harmonic-based narrow-band MPI-System (nbMPI) konstruiert. Die Arbeit beschreibt zunächst die Konzeption des Systems und anschließend den Aufbau auf Basis eines vorhandenen MPI-Scanners. Für das System müssen geeignete MNP gefunden werden, deren Charakterisierung ebenfalls Teil dieser Arbeit ist. Die Inbetriebnahme des MPI-Systems zeigt, dass ein Auflösungsvermögen im Submillimeterbereich und eine magnetische Nachweisgrenze in der Größenordnung weniger hundert Nanogramm erreicht werden. Experimente an Linien- und Punktphantomen werden durchgeführt, um das Potential der Temperaturbestimmung auf Basis der Phasenänderung der MNP zu demonstrieren. Dabei zeigt sich, dass die Methode zur Temperaturbestimmung geeignet ist.