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Bimodale Rekonstruktion und Magnetic Particle Imaging

ArbeitsgruppeAG Technomathematik
Leitung: Prof. Dr. Peter Maaß ((0421) 218-63801, E-Mail: pmaass@math.uni-bremen.de)
Bearbeiter: Dr. Tobias Kluth ((0421) 218-63817, E-Mail: tkluth@math.uni-bremen.de)
Christine Bathke ((0421) 218-63824, E-Mail: cbathke@math.uni-bremen.de)
Projektförderung: CDZ, DFG
Projektpartner: Prof. Ming Jiang, PhD, Peking University, China
Prof. Dr. Alfred K. Louis, Universität des Saarlandes
Prof. Dr. Christina Brandt, https://www.math.uni-hamburg.de/home/brandt/
Laufzeit: seit 01.08.2015

Bild des Projekts Bimodale Rekonstruktion und Magnetic Particle Imaging

In der Medizin existiert eine Vielzahl an bildgebenden Verfahren, wie zum Beispiel Computer- und Magnet-Resonanz-Tomografie oder Positronen-Emissions-Tomografie. All diese Verfahren haben gemein, dass sie nur bestimmte physikalische Größen und damit auch nur bestimmte Informationen abbilden können. Es liegt also nahe, verschiedene bildgebende Verfahren zu kombinieren, um mehr Informationen über den zu untersuchenden Patienten zu erhalten. In den meisten Fällen werden dabei funktionelle Bildgebung, die beispielsweise Stoffwechsel oder Blutfluss sichtbar macht, und anatomische Bildgebung verknüpft.

Üblicherweise werden die Bilder aus den verschiedenen Verfahren, auch Modalitäten genannt, zunächst unabhängig voneinander rekonstruiert und dann über eine Bildregistrierung zusammengebracht. Die bimodale Rekonstruktion hingegen verknüpft die Informationen zweier Modalitäten schon während der Rekonstruktion. Dabei wird angenommen, dass die verschiedenen Modalitäten bestimmte Merkmale, wie zum Beispiel Kanten, gemeinsam haben. So erhält man nicht nur anatomische und funktionelle Informationen, die sich gegenseitig ergänzen, sondern kann auch von der höheren Auflösung der etablierteren anatomischen Verfahren profitieren. Außerdem können bei dieser Art der Rekonstruktion fehlende Informationen mit Hilfe der zweiten Modalität ergänzt werden.

Ein vielversprechendes Verfahren, das in den letzten Jahren an Popularität gewonnen hat, ist das sogenannte Magnetic Particle Imaging (auch kurz MPI bzw. magnetische Partikelbildgebung genannt). Es ist in der Lage, mit Hilfe eines magnetischen Tracers den Blutfluss abzubilden sowie Instrumente während eines medizinischen Eingriffes zu verfolgen. Dabei verzichtet es auf schädliche Strahlung und verspricht eine für diese Anwendungen hohe Auflösung. Da die alleinige Rekonstruktion des Tracers keine Information über dessen Lage innerhalb des Patienten liefert, wird Magnetic Particle Imaging meist mit Magnet-Resonanz-Tomografie kombiniert. So kann das Tracer-Material in bestimmten Blutgefäßen lokalisiert werden.

Für die Rekonstruktion der Tracer-Konzentration aus dem Magnetic Particle Imaging unter Berücksichtigung der anatomischen Informationen aus der Magnet-Resonanz-Tomografie wurde eine Erweiterung des TV-Funktionals (Total Variation) getestet. Diese Erweiterung arbeitet mit einer Projektion der Kanten aus der zu rekonstruierenden Modalität auf die Zusatzinformationen und begünstigt wie das klassische TV-Funktional gleichzeitig stückweise konstante Flächen.

Erste Simulationen zeigen den potentiellen Nutzen dieses Rekonstruktionsansatzes für Magnetic Particle Imaging. Verglichen mit dem Kaczmarz-Verfahren, das bislang für Magnetic Particle Imaging verwendet wird, liefert die Rekonstruktion unter Einbeziehung von Zusatzinformationen deutlich bessere Ergebnisse mit schärferen Kanten und homogenerem Hintergrund (vgl. Bilder). Die Verbesserung der Rekonstruktionsqualität macht sich vor allem an den Rändern des Messbereiches bemerkbar, wo die Signalqualität des Magnetic Particle Imaging systembedingt deutlich schlechter ist als im Inneren dieses Bereiches. Dort können die anatomischen Zusatzinformationen, die durch die Magnet-Resonanz-Tomografie gewonnen werden, die fehlenden Information zur Tracer-Konzentration teilweise ersetzen, da viele Kanten in den beiden Modalitäten übereinstimmen.

Arterie 3 Arterie 3
Arterie 2Arterie 2
Arterie 1Arterie 1


Links: Einfache Rekonstruktion bei stark verrauschten/unvollständigen Daten – verschwommene Kanten und deutliches Hintergrundrauschen

 Mitte: Zusatzinformationen aus einer zweiten Modalität – teilweise Übereinstimmung mit dem gesuchten Bild

 Rechts: Rekonstruktion mit Zusatzinformation – schärfere Kanten und glatterer Hintergrund