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Nachweisgrenze magnetischer Nanopartikel verbessert

Eine neuentwickelte Empfangsspule macht das Magnetic Particle Imaging noch leistungsfähiger

PTB-News 1.2018
12.01.2018
Besonders interessant für

biomedizinische Anwendungen und Forschung

Magnetic-Particle-Imaging (MPI)-Technologie

(magnetische) Nanopartikelforschung

Die PTB hat in einer Industriekooperation eine Empfangsspule für die neuartige Bildgebungsmethode des Magnetic Particle Imaging (MPI) entwickelt. Sie wurde bereits erfolgreich an dem Berliner MPI-System implementiert und getestet. Die neue Spule verbessert die Sensitivität deutlich, sodass sich jetzt bereits wenige Nanogramm magnetischer Nanopartikel detektieren lassen.

a) Rekonstruktionen von Nanopartikelverteilungen der angegebenen Menge mit dem MPI-Scanner jeweils gemessen mit konventionellem Transmitreceive-Spulensystem (obere Reihe) und mit der separaten Receive-only-Empfangsspule (untere Reihe). Die roten Punkte markieren die Probenpositionen.b) Produktlayout einer optimierten 1D-Receive-only-Spule.

Magnetische Nanopartikel weisen besondere magnetische Eigenschaften auf, die in einer Vielzahl biomedizinischer Anwendungen zur Therapie und Diagnostik nutzbar gemacht werden. Beispiele dafür sind Zell- oder Medikamentenverfolgung innerhalb des Körpers. Die Partikeloberfläche kann so modifiziert werden, dass sich die Partikel an bestimmte Zellen binden. Die magnetischen Eigenschaften dieser Partikel ermöglicht eine nicht-invasive Interaktion dieser Partikel, die auf verschiedene Arten genutzt werden kann. Eine dieser Möglichkeiten ist Magnetic Particle Imaging, eine quantitative, strahlenlose medizinische Bildgebungsmethode, die die physikalischen Eigenschaften magnetischer Nanopartikel für die Diagnostik nutzt. Nachdem solche Nanopartikel in den Körper eingebracht worden sind, können sie mithilfe von magnetischen (Wechsel-)Feldern angeregt werden. Aus dem gemessenen Signal lässt sich letztendlich die Verteilung der Nanopartikel millimetergenau rekonstruieren. Ein großer Vorteil von MPI im Vergleich zu anderen bildgebenden Verfahren ist, dass die Nanopartikel nicht nur dargestellt, sondern auch an jedem Bildpunkt quantifiziert werden können; darüber hinaus sind dynamische Aufnahmen mit einer hohen zeitlichen Auflösung von bis zu 21 ms möglich – zwei große Vorteile für funktionelle biomedizinische Anwendungen.

Ent scheidend für die meisten Anwendungsgebiete ist die Frage, wie sensitiv das System kleinste Mengen magnetischer Nanopartikel detektiert. Dabei spielt wiederum der Sensor eine maßgebliche Rolle. Die PTB Berlin hat in Kooperation mit Bruker BioSpin MRI GmbH eine neue Empfangsspule für MPI entwickelt, die eine verbesserte Signalaufnahme gewährleistet. Um sie zu charakterisieren, wurde ein Prototyp am eigenen MPI-Scanner im Virchow-Klinikum in Berlin installiert und vermessen. Im direkten Vergleich mit der vorherigen Transmit-Receive-Hardware ist die neue Receive-only-Empfangsspule viermal empfindlicher und bietet eine verbesserte Unterdrückung von Störsignalen. Damit lassen sich Nanopartikelmengen von wenigen Nanogramm detektieren; die Nachweisgrenze wurde also um eine Größenordnung verbessert.

Die von der PTB mit diesem Prototyp gewonnenen Erkenntnisse haben entscheidend die Einsatzmöglichkeiten der MPIBildgebung für die präklinische Forschung unterstützt.

Ansprechpartner

Frank Wiekhorst
Fachbereich 8.2
Biosignale
Telefon: (030) 3481-7347
Opens window for sending emailfrank.wiekhorst(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

J. Wells, H. Paysen, O. Kosch, N. Löwa, F. Schmitzberger, M. Makowski, J. Franke, L. Trahms, F. Wiekhorst: Characterizing a preclinical magnetic particle imaging system with separate pickup coil. IEEE Transactions on Magnetics 53 (11):1-5 (2017)