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Über dieses Buch

Sven Biederer entwickelt ein Magnet-Partikel-Spektrometer (MPS) zur Analyse und Charakterisierung von superparamagnetischen Eisenoxid-Nanopartikeln (SPIOs). Das MPS nutzt dabei denselben physikalischen Effekt wie die Bildgebung mittels Magnetic-Particle-Imaging (MPI). Der Autor beschreibt die Hardware des MPS und stellt die zur Nutzung und Auswertung der Messdaten benötigte Software vor. Abschließend präsentiert er die Messungsergebnisse und analysiert die Nutzbarkeit verschiedener SPIOs in MPI.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einleitung

In den letzten Jahrzehnten haben bildgebende Verfahren in der medizinischen Diagnostik eine sehr wichtige Rolle erlangt. Zu den bildgebenden Verfahren in der Medizin zählen alle Untersuchungsmethoden, die Bilddaten von menschlichen Organen, Strukturen und Funktionen liefern. Die bekanntesten und gebräuchlichsten sind die Endoskopie [116], das Röntgen [114], die Computertomographie (CT) [104], die Magnetresonanztomographie (MRT) [156] und die Sonographie [111]. Die Sonographie wird häufig auch als Ultraschall (US) bezeichnet. Weitere, noch neuere Verfahren sind die Positronenemissionstomographie (PET) [226] und die Einzelphotonenemissionstomographie (SPECT) [225]. Eine Untergruppe der bildgebenden Verfahren bilden die tomographischen Verfahren, die es erlauben, Schichtaufnahmen oder Schnittbilder zu erstellen. Bis auf das Röntgen und die Endoskopie gehören alle bisher genannten Verfahren zu der Gruppe der tomographischen Verfahren. Das Röntgen gehört zur Untergruppe der Verfahren, die Projektionsbilder erzeugen, und die Endoskopie zu der Untergruppe, die Oberflächenstrukturen abbilden.
Sven Biederer

2. Magnetic-Particle-Imaging

Magnetic-Particle-Imaging (MPI) ist ein neues tomographisches Verfahren für die medizinische Diagnostik. Es wurde erstmals 2005 in der Zeitschrift Nature von B. Gleich und J. Weizenecker vorgestellt [125]. In MPI wird keine natürliche Konstante des Gewebes gemessen, sondern die örtliche Verteilung eines speziell verabreichten Tracers. Somit ist MPI eine funktionelle Bildgebungsmodalität und liefert keine morphologischen Informationen. Als Tracer dienen superparamagnetische Eisenoxid-Nanopartikel (SPIOs), die mittels magnetischer Anregung detektiert werden. Die SPIOs werden als Tracer bezeichnet, da sie nicht kontrastverstärkend wirken, sondern erst den Kontrast liefern. Eine detaillierte Einführung zu SPIOs ist in Kapitel 3 zu finden. MPI verspricht eine sehr hohe Sensitivität und räumliche Auflösung im Submillimeter-Bereich bei einer sehr kurzen Messzeit, die 3D-Aufnahmen in Echtzeit ermöglicht.
Sven Biederer

3. Superparamagnetische Eisenoxid-Nanopartikel

Im vorherigen Kapitel wurden die physikalischen Grundlagen von MPI erklärt. Dabei wurde mehrmals erwähnt, dass zur Bildgebung superparamagnetische Eisenoxid-Nanopartikel (SPIOs) als Tracer verwendet werden. Um die räumliche Verteilung der SPIOs darzustellen, werden diese mittels oszillierender Magnetfelder angeregt. Durch eine nichtlineare Magnetisierungskurve der SPIOs erzeugen sie Harmonische, die gemessen und zur Bildrekonstruktion genutzt werden.
Sven Biederer

4. Hardwareaufbau

In den bisherigen Teilen dieser Arbeit wurde MPI eingeführt, die physikalischen Grundlagen erklärt und eine generelle MPI-Systemübersicht gegeben. Weiterhin wurden der chemische Aufbau und das Verhalten von superparamagnetischen Eisenoxid-Nanopartikeln untersucht. Im dem nun folgenden Kapitel wird der Hardwareaufbau des in dieser Arbeit entwickelten Magnet-Partikel-Spektrometers (MPS) beschrieben. Hierfür werden zuerst die Anforderungen spezifiziert. Daran anschließend wird eine Systemübersicht des MPS gegeben, bevor schließlich die einzelnen Komponenten der Sende- und der Empfangskette detailliert beschrieben werden.
Sven Biederer

5. Softwareentwicklung

Nachdem im vorherigen Kapitel die Hardware des Spektrometers beschrieben wurde, wird in diesem Kapitel die Software dargestellt, die den Betrieb des Spektrometers ermöglicht. Diese Software lässt sich in zwei Teile gliedern.
Sven Biederer

6. Systemkalibrierung

In den bisherigen Kapiteln wurden sowohl die Hardware als auch die Software des Spektrometers dargestellt. Grundsätzlich ist damit das Vermessen von Nanopartikeln möglich. Allerdings können den Messwerten bisher keine physikalischen Größen zugeordnet werden, da z. B. die Übertragungsfunktion des Empfangskanals zur Umrechnung der erfassten Spannung in das magnetische Moment der Nanopartikel unbekannt ist. Mit den Messergebnissen können daher noch keine quantitativen Aussagen über die Güte der Nanopartikel getroffen werden. Um dies zu ermöglichen, wird in diesem Kapitel eine Kalibrierung des Spektrometers durchgeführt, bei der alle unbekannten Parameter ermittelt werden, sodass das magnetische Moment der Nanopartikel bestimmt werden kann.
Sven Biederer

7. Messungen und Auswertung

Im Anschluss an die Entwicklung des Spektrometers und dessen Kalibrierung werden in diesem Kapitel Messungen mit dem Spektrometer durchgeführt. Die ermittelten Messdaten werden weiterhin mit den verschiedenen Auswertekriterien analysiert.
Sven Biederer

8. Zusammenfassung und Ausblick

Im Rahmen dieser Arbeit wurden sowohl die Hardware als auch die Software eines Magnet-Partikel-Spektrometers (MPS) entwickelt. Mit diesem Spektrometer ist es möglich, superparamagnetische Eisenoxid-Nanopartikel (SPIOs) zu analysieren und ihre Nutzbarkeit für das bildgebende Verfahren Magnetic-Particle-Imaging (MPI) zu bestimmen. Die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten des Spektrometers konnten durch verschiedene Messungen veranschaulicht werden.
Sven Biederer

Backmatter

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