Experimentelle Charakterisierung von Aortenaneurysmen mittels Magnetic Particle Imaging unter Verwendung von 3D-gedruckten Modellen

Abstract

Einleitung Die Magnetpartikelbildgebung (Magnetic Particle Imaging, MPI) ist eine neuartige, strahlenfreie, dreidimensionale bildgebende Modalität wobei magnetische Nanopartikel (Tracer) in hoher Auflösung dargestellt werden können. Wir untersuchten hierbei das Potenzial der ersten kommerziell erhältlichen MPI-Scanner für weitere Experimente und mögliche klinische Anwendungen zur Darstellung von Aortenaneurysmen. Methodik Mehrere in-vitro Experimente wurden mit zwei verschiedenen MPI Geräten (Scannern) durchgeführt. In einem Scanner wurde eine separate Empfängerspule eingebaut. Wir untersuchten die Bildgebung der Scanner. Gerade Silikonschläuche mit Innendurchmessern von 1 oder 2 mm wurden als Modelle verwendet und mit Resovist® (Ferucarbotran), magnetischen Nanopartikeln in unterschiedlichen Konzentrationen von 1, 5, 25, 250 und 500 mmol/l, gefüllt. Zur Darstellung von Aortenaneurysmen im Tiermodell wurden 3D-gedruckte Kaninchen- (ohne Aneurysma) und Mäusemodelle (mit Aortenaneurysma) erstellt. Die Mäusemodelle wurden in Originalskalierung und vergrößert (Faktor x1,5 und x2) hergestellt und mit Resovist-Konzentrationen gefüllt. Ein erstes in-vivo Experiment mit diesem Scanner wurde an einer Maus durchgeführt, um die Verteilung des Tracers im zeitlichen Verlauf und die Möglichkeit der Darstellung der Aorta zu untersuchen. Rekonstruktionen wurden mit dem Kaczmarz-Algorithmus durchgeführt. Resultate In den geraden Silikonschläuchen mit Innendurchmesser von 1 und 2 mm war die Morphologie ab einer Konzentration von 25 mmol/l deutlich erkenntlich. Für den Scanner mit separater Empfängerspule waren Konzentrationen von 5 mmol/ml 13 teilweise erkenntlich. Zwei anliegende Schläuche mit Innendurchmesser von 1 und 2 mm Wanddicke konnten bei 5 mmol/l unterschieden werden. Die Darstellung der Kaninchenaorta war möglich, die Morphologie war ersichtlich. Die Darstellung der Mäusaortenmodelle in Skalierungen x1, x1,5 und x2 war ab einer Konzentration von 25 mmol/l oder höher deutlich ersichtlich. Das in-vivo Experiment erlaubte die problemlose zeitlich und räumliche Darstellung der Mäuseaorta. Diskussion Unsere Ergebnisse zeigen die vergleichbare und adäquate Leistung der untersuchten präklinischen MPI Geräte und moderate Verbesserung der Bildgebung mit separater Empfängerspule. Sie zeigen die notwendigen Voraussetzungen für weitere in-vivo Experimente zur Erforschung von medizinischen Anwendungen wie der Darstellung von Aortenaneurysmen.

Magnetic Particle Imaging (MPI) is a novel radiation-free, three-dimensional imaging modality that visualizes magnetic nanoparticles (tracers) with a high temporal resolution. We examined the suitability of the first commercially available MPI-scanners for experiments and clinical applications, particularly the imaging of aortic aneurysms. Methods A series of in-vitro experiments were performed with two preclinical MPI scanners. In one scanner, a prototype signal receiver coil was installed. We compare the imaging performance offered by the old and new hardware designs. Straight silicone tubes with internal diameters of either 1 mm or 2 mm were used as imaging phantoms. These were filled with Resovist® (Ferucarbotran) nanoparticles at concentrations of 1, 5, 25, 50, 250 and 500 mmol/l. To demonstrate the capabilities of the studied MPI scanners for use in animal models, 3D-printed models of rabbit aortas without aneurysms and mice aortas with abdominal aneurysms were produced. Mice models were printed in their original size and scaled by factors of 1.5 and 2.0. A first in-vivo experiment with a mouse on this scanner was performed to evaluate the temporal distribution of the tracer and to assess its ability to visualize the aorta. Reconstructions were performed using the Kaczmarz algorithm. Results For the straight-tube models of both 1 and 2 mm internal diameter, morphology was clearly visible for reconstructed MPI images at concentrations of 25 mmol/l or higher. For the upgraded scanner, concentrations as low as 5 mmol/l were suitable for imaging, depending on model sizes. It was possible to distinguish twoadjacent tubes of 1 mm internal diameter and 1 or 2 mm wall-thickness each, at tracer concentrations of 5 mmol/l. Imaging the rabbit aortic model served as a proof of concept, morphology was easily visible. Imaging the aortic aneurysm models at magnifications of 1.0, 1.5 and 2.0, all scanners were able to visualize the vessel clearly at concentrations of 25 mmol/l and higher. The in-vivo experiment allowed the temporal and spatial visualization of the mice aorta without difficulty. Discussion These results show comparable and adequate performance of these available preclinical MPI scanners and moderately improved visualizations after modification with a separate receiver-coil. They also demonstrate the required capabilities of existing MPI systems for in-vivo experiments examining clinical problems such as visualizing aortic aneurysms.