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Magnetic Particle Imaging (MPI) ist ein innovatives bildgebendes Verfahren, welches die Darstellung der 3D-Verteilung magnetischer Nanopartikel mit hoher zeitlicher und räumlicher Auösung ermöglicht. Der Erfolg der Technologie ist dabei an die Verfügbarkeit maßgeschneiderter in-vivo-tauglicher MPI-Tracer gebunden.In diesem Werk wird die Synthese kolloidal stabiler Eisenoxidnanopartikel mit hoher MPS-Performance beschrieben. Nach physiologischer Formulierung und Sterilisierung konnte durch einen initialen in -vivo-Versuch die Biokompatibilität bestätigt werden. Die Modizierung der Partikeloberäche ermöglicht ferner die Herstellung zielgerichteter Nanopartikel sowie die Markierung von Zellen.Auch mit einer zweiten bioinspirierten Syntheseroute konnten kolloidal stabile Partikel mit vielversprechender MPS-Performance generiert werden, welche eine hervorragende Eignung als MPI-Tracer erwarten lassen und somit die Weiterentwicklung der MPI-Technologie maßgeblich vorantreiben könnten.

This Book of Abstracts is a collection of contributions to the first symposium on functional autoantibodies targeting G-protein-coupled receptors (GPCRs) in Lübeck. GPCRs are involved in a variety of physiological and pathophysiological processes. So far, much effort has been made on anti-GPCR drug discovery with a focus on the development of small molecules and monoclonal antibodies for the treatment of cancer, infection, metabolic disorders or inflammatory diseases. Recently, functional autoantibodies against GPCRs were identified in various diseases associated with pathogenesis, uncovering a potential new field of therapeutic intervention. Thus, the aim of this symposium is to combine the current knowledge about the role of GPCRs in different pathologies, their mode of action and state-of-the-art research techniques to identify common fundamental pathways that can be transferred to other disease entities with similar manifestations.

Die Magnetpartikelbildgebung (engl. Magnetic Particle Imaging - MPI) ist ein bildgebendes Verfahren, das die Konzentration superparamagnetischen Materials in einem Volumen quantitativ darstellt. Aktuell wird das Bild aus der gemessenen, verrauschten Spannung mittels iterativer Methoden rekonstruiert. Diese Methoden bieten durch Regularisierung die Möglichkeit, das Rauschen zu verringern. Das geschieht aber auf Kosten der Auflösung der Bilder.In diesem Werk wird die MPI-Rekonstruktion um einen zusätzlichen Entrauschungsschritt erweitert. Dafür wird das Bild zunächst mit dem Kaczmarz-Algorithmus rekonstruiert. Auf das Bild wird eine für MPI angepasste Variante eines mit spärlichen Repräsentationen arbeitenden Entrauschungsalgorithmus (expected patch log likelihood mit spärlichem Prior) angewendet.Die Simulation einer MPI-Rekonstruktion zeigt, dass die Bilder aus der Kaczmarz-Rekonstruktion mit der vorgestellten Methode verbessert werden können. Als beste Wahl erweist sich ein auf Beispielen gelerntes Wörterbuch, das über die Iterationen konstant gehalten wird. Der Algorithmus zeigt ein stabiles Verhalten und ist robust gegenüber verschiedenen Rauschniveaus.

Magnetic Particle Imaging (MPI) ist ein neuartiges Bildgebungsverfahren, das es erlaubt, eine dreidimensionale Verteilung von superparamagnetischen Eisenoxidpartikeln in Echtzeit zu visualisieren.Sowohl technische Limitierungen in der Instrumentalisierung als auch Abweichungen von der idealisierten Theorie von MPI führen zu einer verringerten Bildqualität sowie Fehlinterpretationen der Bilddaten. In dem Werk von Dr. Alexander Weber werden die negative Effekte dieser Imperfektionen mittels mathematischer Methoden behandelt. Bei den untersuchten Imperfektionen handelt es sich um die Inhomogenität und Stromabhängigkeit der statischen Magnetfelder, das Rauschen auf der MPI-Systemmatrix, den Einfluss von Partikeln außerhalb des intrinsisch sensitiven Bereichs sowie den Leckeffekt, der bei der Anwendung der diskreten Fouriertransformation auftritt.

Medizinwissenschaftlicher Fortschritt wird durch neue Messmethoden vorangetrieben. Ein neues Messverfahren in der medizinischen Bildgebung ist Magnetic Particle Imaging. Dieses tomographische Verfahren beruht auf der nichtlinearen Magnetisierungskurve von magnetischen Nanopartikeln, welche als Tracermaterial genutzt werden können. Das Potential der Methode besteht in ihrer hohen örtlichen und zeitlichen Auflösung bei hoher Sensitivität, ohne dabei schädlich auf den Patienten zu wirken.In diesem Werk wird die Echtzeitfähigkeit des Verfahrens erstmals vorgestellt. Dabei wurde gleichzeitig die Sensitivität des Messprozesses erhöht. Diese Errungenschaften wurden über eine Reihe von Änderungen des Verfahrens in der örtlichen Kodierung über magnetische Gradientenfelder erreicht. Es wurde ein Scanner mit einer elektronisch rotierbaren feldfreien Linie entworfen und realisiert. Parallel dazu wurde ein zur Kodierung passendes Rekonstruktionsschema entwickelt, welches das Magnetisierungsmodell der Nanopartikel berücksichtigt. Mit dem Scanner und der Rekonstruktion konnte die örtliche Verteilung von Nanopartikeln in Gefäßphantomen mit einem Durchmesser von 1 mm in Echtzeit rekonstruiert werden.

In einem magnetischen Feld sind zwei Rotationsmechanismen bekannt, mit denen superparamagnetische Nanopartikel rotieren. Dabei handelt es sich um die Brownsche und die Néelsche Rotation. Abhängig von der Frequenz des magnetischen Feldes und der partikelspezifischen Parameter ist einer der beiden Mechanismen dominant. Im vorliegenden Werk werden Methoden der Magnet-Partikel-Spektrometrie (MPS) genutzt, um die Übergangsfrequenz zwischen diesen Mechanismen zu finden. Dazu wird im Vorfeld das Partikelverhalten simuliert und diskutiert. Ein einfacher Messaufbau wird beschrieben und die gemessenen Ergebnisse analysiert. Es werden mögliche Indikatoren für einen Übergang der Rotationsmechanismen vorgestellt. Das Werk schließt mit einem Ausblick auf zukünftige Experimente.

Durch die Weiterentwicklung medizinischer Verfahren wie der Magnetresonanztomographie ist heute die Akquisition von 4D-Bildsequenzen möglich. In der Medizin werden kardiologische Bildsequenzen beispielsweise für die Funktionsdiagnostik des Herzens verwendet, welche die Segmentierung kardiologischer Strukturen erfordert. Das vorliegende Werk beschäftigt sich mit der atlasbasierten Segmentierung des Herzens in cine-MR-Bildsequenzen. Hierfür ist die Registrierung der 4D-Bildsequenzen notwendig. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine räumlich-zeitliche 4D-Registrierung durch eine Multichannel-3D-Registrierung unter der Verwendung von Trajektorienbeschränkungen implementiert, die garantieren, dass dieselben Bildpunkte über die Zeit abgebildet werden. Die Multichannel-3D-Registrierung wurde mit einem direkten 3D-Registrierungsansatz verglichen und anhand von synthetischen als auch von kardiologischen cine-MR-Sequenzen des Herzens evaluiert. Hierbei lieferte die direkte 3D-Registrierung leicht bessere Ergebnisse der Registrierungsgenauigkeit als die Multichannel-3D-Registrierung.

Magnetic Particle Imaging (MPI) ist ein neues bildgebendes Verfahren, das sich durch hohe Sensitivität und räumliche Auflösung auszeichnet. Abgebildet wird bei MPI die räumliche Verteilung von injizierten Eisenoxid-Nanopartikeln, deren nichtlineares Magnetisierungsverhalten ausgenutzt wird, welches beim Anlegen eines oszillierenden Magnetfeldes zu partikelspezifischen induzierten Spannungen in Empfangsspulen führt. In diesem Werk wird die Raumkodierung mit einer feldfreien Linie (FFL) diskutiert. Problematisch hierbei ist das Relaxationsverhalten der Nanopartikel, das die Form der Magnetisierungskurve und somit auch die Bildqualität beeinflusst. Hier wird gezeigt, wie die benötigten Parameter der Entfaltung automatisch aus den Spannungsdaten berechnet und damit Bilder erzeugt werden können. Die hier beschriebene Modellierung ermöglicht eine präzise und schnelle Bildrekonstruktion.

Mit Hilfe von Röntgenstrahlen werden bei der Computertomographie Absorptionsprofile des Körpers gemessen, aus denen mit mathematischen Methoden wie der gefilterten Rückprojektion anatomische Strukturen rekonstruiert werden können. Dabei kommt es nicht selten vor, dass es durch Bewegungen des untersuchten Patienten zu Fehlern in den rekonstruierten Bildern kommt. Im Rahmen dieses Werkes wird eine Methode zur Kompensation von Artefakten, die durch rigide Bewegungen verursacht sind, vorgestellt. Die Bestimmung der Bewegungsparameter erfolgt dabei durch Optimierung einer Zielfunktion, die mit der Stärke der Bewegungsartefakte korreliert. Um die Methoden zu evaluieren, wurden sie mit simulierten und realen Daten der Computertomographie untersucht. Hierbei wurden sowohl abrupte als auch kontinuierliche Bewegungen betrachtet.

Das bildgebende Verfahren Magnetic Particle Imaging (MPI) ist in der Lage, die räumliche Verteilung eines magnetischen Tracers mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung darzustellen. Dabei können diese beiden Parameter klassischerweise nicht unabhängig voneinander gesteigert werden, stattdessen bedingt eine Erhöhung der zeitlichen Auflösung eine Verringerung der räumlichen Auflösung. Im vorliegenden Werk wird Compressed Sensing (CS) zur Abtastung und Rekonstruktion des MPI-Signals eingesetzt, um die Signalaufnahme zu beschleunigen und damit die zeitliche Auflösung zu erhöhen. Dieses Verfahren ermöglicht eine verlustfreie Rekonstruktion des Bildes mit gleichbleibender räumlicher Auflösung. Die erzielte Beschleunigung resultiert dabei aus der Aufnahme eines unterabgetasteten Messsignals mit wesentlich weniger Abtastwerten als durch das Nyquist-Shannon-Abtasttheorem vorgegeben.

Beim Magnetic Particle Imaging (MPI) regt ein zeitlich veränderliches Magnetfeld Nanopartikel an, und diese induzieren eine Spannung in Empfangsspulen. Mithilfe einer Systemmatrix kann aus den gemessenen Spannungen die Partikelkonzentration rekonstruiert werden. Die Systemmatrix wird erstellt, indem die Systemantwort auf eine Punktprobe in jedem Voxel gemessen wird. Die Theorie des Compressed Sensing besagt, dass ein Signal unter bestimmten Bedingungen unterabgetastet und verlustfrei rekonstruiert werden kann. Dabei ist es wichtig, dass das Signal eine sparse Repräsentation in einem anderen Raum besitzt und dieser Raum inkohärent zum Akquisitionsraum ist. In diesem Werk wird gezeigt, dass Compressed Sensing bei der Aufnahme von MPI-Systemmatrizen genutzt werden kann. Die Systemmatrix wird unterabgetastet und die Aufnahmezeit reduziert.

Magnetic-Particle-Imaging (MPI) ist ein neues bildgebendes Verfahren, das es ermöglicht, die Verteilung superparamagnetischer Nanopartikel in hoher zeitlicher und örtlicher Auflösung zu bestimmen. Das Auflösungsvermögen des Systems hängt dabei direkt von dem für die Ortskodierung genutzten Selektionsfeld ab. Kürzlich wurde ein MPI-Scanner vorgestellt, der dieses Selektionsfeld mit Permanentmagneten generiert. Ausgehend von dieser Anordnung werden in diesem Werk die Geometrie- und Magnetisierungsparameter der Permanentmagneten optimiert. Durch die erreichte Erhöhung der Gradientenstärke um 39 %, kann die Auflösung von Magnetic-Particle-Imaging deutlich gesteigert werden, ohne das Messsystem zu vergrößern. Alternativ ist es möglich, das Permanentmagnetvolumen um 44 % zu minimieren, ohne dabei den Ausgangsgradienten zu ändern.

Im vorliegenden Werk werden zwei unterschiedliche aus der Bildregistrierung stammende Verfahren zur mathematischen Modellierung der Gewebedeformation bei der Progression von primären Hirntumoren diskutiert und deren Kopplung an eine der Wachstumsmodellierung unterliegende, anisotrope Reaktions-Diffusionsgleichung vorgestellt. Dabei beschränken sich die Betrachtungen auf die aggressivste Manifestation primärer Hirntumoren, den Gliomen. Die Reaktions-Diffusionsgleichung wird hierbei auf einem hochaufgelösten Voxelgitter diskretisiert. Die Einbindung von Diffusions-Tensor-Bildgebungsdaten ermöglicht eine zusätzliche Modellierung der Anisotropie des Diffusionsprozesses.