Design and implementation of magnetic particle imaging (MPI) scanner for medical applications

Abstract

2005 yılında sunulan manyetik parçacık görüntüleme (MPG=MPI), vasküler damar görüntüleme, onkoloji görüntüleme, akciğer görüntüleme, beyin görüntüleme, ilaç hedefleme, hücre temelli terapi ve termal terapi gibi çeşitli uygulamalar için büyük umut vaat eden yeni bir görüntüleme tekniğidir. Süperparamanyetik demir oksit nanoparçacıklarının (SDON=SPION'lar) uzaysal-zamansal olarak yüksek çözünürlüğüyle birlikte, MPI tekniğinin gerçek zamanlı görüntülenmesi, yenilikçi biyomedikal uygulamalara yeni bir pencere açmıştır. Bu tez kapsamında ilk olarak, manyetik nanoparçacıkların (MNP'ler) karakterizasyonu için 4.6 kHz ve 9.9 kHz'de çalışan bir manyetik parçacık relaksometre (MPR) tasarlanmış ve uygulanmıştır. Özel tasarım MPR, MPI uygulamaları için yeni izleyici ajanların tasarlanma sürecine yardımcı olmak için kullanıldı. İkinci olarak, fantom görüntüleme için 28 mm oyuk büyüklüğüne sahip 4.3 T/m gradyan alanına sahip bir MPI tarayıcı tasarlanmış ve uygulanmıştır. 15 mT'lik bir eksitasyon alanıyla (tepe genliği) 9.3 kHz'de bir solenoid sürücü ve alıcı bobinler tasarlandı. Perimag referans izleyici için 9.3 kHz'de 15 mT sürücü alanında 5.04 mm'lik uzaysal çözünürlük elde edildi. Uzaysal çözünürlüğün donanımsal kısımlara ve izleyici ajanlara bağlılığı kapsamlı bir şekilde incelendi. Üçüncü olarak, uzaysal kodlama için manyetik alansız nokta (MAN=FFP) kullanılarak 6.2 T/m gradyan alanıyla orta çapta oyuk büyüklüğüne sahip bir MPI tarayıcısı da geliştirildi. 15 mT eksitasyon alanı ile oyuk ekseni (tarama ekseni) boyunca 9.2 kHz için solenoid sürücü ve alıcı bobinler kullanıldı. 15 mT'lik bir eksitasyon alanı ile oyuk eksenine dik 9 kHz'de eyer tipi (saddle) sürücü ve alıcı bobinler kullanıldı.Magnetic particle imaging (MPI) is a novel imaging technique presented in 2005 with great promise for various applications, such as vascular imaging, oncology imaging, lung imaging, neuro imaging, drug targeting, cell-based therapy, and thermal therapy. Real-time imaging of the MPI technique with a high spatio-temporal resolution of superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) opened a window to innovative biomedical applications. Under the scope of this thesis firstly, a magnetic particle relaxometer (MPR) was designed and implemented at 4.6 kHz and 9.9 kHz for the characterization of the magnetic nanoparticles (MNPs). In-house MPR was used to help the synthesis process of the novel tracer agents for MPI applications. Secondly, an MPI scanner was designed and implemented with a gradient field of 4.3 T/m for phantom imaging with a bore size of 28 mm. A solenoid drive and receive coils were constructed at 9.3 kHz with an excitation field of 15 mT (peak amplitude). The spatial resolution of 5.04 mm was achieved for Perimag tracer at 15 mT drive field at 9.3 kHz. The dependence of spatial resolution on instrumentation and tracer agents was thoroughly studied. Thirdly, a medium bore size MPI scanner was also developed with a 6.2 T/m gradient field using field-free point (FFP) spatial encoding. Solenoid drive and receive coils at 9.2 kHz along the bore axis (scanning axis) with an excitation field of 15 mT were used. Saddle drive and receive coils at 9 kHz perpendicular to the bore axis with an excitation field of 15 mT were utilized.