Magnetic particle imaging: Introduction to imaging and hardware realization

Magnetic Particle Imaging (MPI) is a recently invented tomographic imaging method that quantitatively measures the spatial distribution of a tracer based on magnetic nanoparticles. The new modality promises a high sensitivity and high spatial as well as temporal resolution. There is a high potential of MPI to improve interventional and image-guided surgical procedures because, today, established medical imaging modalities typically excel in only one or two of these important imaging properties. MPI makes use of the non-linear magnetization characteristics of the magnetic nanoparticles. For this purpose, two magnetic fields are created and superimposed, a static selection field and an oscillatory drive field. If superparamagnetic iron-oxide nanoparticles (SPIOs) are subjected to the oscillatory magnetic field, the particles will react with a non-linear magnetization response, which can be measured with an appropriate pick-up coil arrangement. Due to the non-linearity of the particle magnetization, the received signal consists of the fundamental excitation frequency as well as of harmonics. After separation of the fundamental signal, the nanoparticle concentration can be reconstructed quantitatively based on the harmonics. The spatial coding is realized with the static selection field that produces a field-free point, which is moved through the field of view by the drive fields. This article focuses on the frequency-based image reconstruction approach and the corresponding imaging devices while alternative concepts like x-space MPI and field-free line imaging are described as well. The status quo in hardware realization is summarized in an overview of MPI scanners. Magnetic Particle Imaging (MPI) ist ein neues tomographisches Bildgebungsverfahren, mit dem sich die lokale Konzentration von magnetischen Nanopartikeln quantitativ sowohl mit hoher Empfindlichkeit als auch mit hervorragender räumlicher Auflösung in Echtzeit darstellen lässt. Diese Vorteile gegenüber etablierten Verfahren, die oft nur einen der Bereiche abdecken können oder nicht quantitativ sind, lassen ein hohes klinisches Potenzial in vielen Anwendungen erwarten. Die Grundidee besteht in der Nutzung der nichtlinearen Magnetisierungskurve der magnetischen Nanopartikel. Das Verfahren nutzt dazu zwei überlagernde Magnetfelder, zum einen ein statisches Selektionsfeld, zum anderen ein dynamisches Wechselfeld. Werden die Nanopartikel in das Wechselfeld gebracht, ändert sich ihre Magnetisierung nichtlinear, was mit einer Empfangsspule gemessen werden kann. Aufgrund der Nichtlinearität enthält das gemessene Signal neben der Grundfrequenz des Wechselfelds auch Harmonische. Nach Separation der Harmonischen von dem eingespeisten Grundsignal kann die Konzentration der Nanopartikel ermittelt werden. Eine örtliche Kodierung wird durch das statische Selektionsfeld erreicht, das einen feldfreien Punkt erzeugt. Die inhaltliche Ausrichtung dieses Beitrages konzentriert sich auf die Bildrekonstruktion im Frequenzraum sowie die dazugehörigen Bildgebungssysteme und beschreibt kurz alternative Konzepte, wie die Bildrekonstruktion im Zeitbereich und die Bildgebung mit einer feldfreien Linie. Zusammenfassend wird ein Überblick über den gegenwärtigen Stand von MPI-Bildgebungssystemen gegeben.