Das Teilprojekt SKAMPI (FKZ 13GW0071D) lief vom 1. Januar 2017 bis zum 31. Dezember 2020 und wurde vom deutschen Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) finanziert. Sein Ziel war es, einen biokompatiblen Katheter zu entwickeln, der mit Magnetic Particle Imaging (MPI) sichtbar gemacht werden kann. Geleitet wurde das Projekt von Prof. Dr. Thorsten M.Buzug vom Institut für Medizintechnik der Universität zu Lübeck, in enger Zusammenarbeit mit der Abteilung für Radiologie und Nuklearmedizin des Universitätsklinikums Schleswig-Holstein (UKSH) und des Universitätsklinikums Hamburg-Eppendorf (UKE). Die Materiallieferanten Osypka und Evonik lieferten die magnetischen Tracer-Additive und Polymermatrizen, während Prof. Tobias Knopp aus Hamburg sein Fachwissen über den Betrieb des MPI-Systems und die Echtzeitrekonstruktion beisteuerte.
Die technische Arbeit begann mit einer systematischen Materialauswahl. Evonik stellte mehrere Testmuster her, die zwei verschiedene Magnetpartikel-Additive (MPI-Additiv 1 und MPI-Additiv 2) enthielten, eingebettet in drei Polymermatrizen (Vestamid, Epotek und Silikon). Jede Probe wurde zunächst mit einem speziell angefertigten Magnet-Partikel-Spektrometer (MPS), das mit 25 kHz arbeitet, charakterisiert und dann mit einem Bruker MPI 25/20FF System gemessen. Die MPI-Daten zeigten, dass die Signalstärke unabhängig vom Polymerwirt war, aber MPI-Additiv 2 erzeugte durchweg das niedrigste MPI-Signal, was auf den am besten geeigneten Tracer für die Sichtbarkeit des Katheters hinweist. Die MPS-Spektren zeigten auch, dass die magnetische Reaktion des Additivs von einer einzigen Relaxationskomponente dominiert wurde, was für eine stabile Bildgebung günstig ist.
Nach der Materialauswahl entwickelte das Team ein Beschichtungsverfahren für Führungsdrähte und Ballonkatheter. Die beschichteten Prototypen wurden im MPI-Scanner getestet, wo das Tracer-Signal von dem Hintergrundsignal des Blutes unterschieden werden konnte. Um dies zu erreichen, wurde im Rahmen des Projekts ein Algorithmus zur Signaltrennung implementiert, der die Unterschiede in der Relaxationszeit und der räumlichen Verteilung ausnutzt. Der Algorithmus wurde in Phantomstudien und in einem präklinischen MPI-System validiert und zeigte, dass das Tracersignal des Katheters in Echtzeit isoliert werden konnte. Parallel dazu hat die Gruppe die MPS auf ein mehrdimensionales Spektrometer erweitert, das verschiedene MPI-Pulssequenzen emulieren kann und ein schnelles Screening der Tracer-Leistung ohne einen vollständigen Scanner ermöglicht.
Die Bildrekonstruktion in Echtzeit wurde durch die Integration eines System-Matrix-Ansatzes in die MPI-Datenpipeline erreicht. Mit der vom Bruker-System abgeleiteten Matrix erreichte das Team Rekonstruktionszeiten von weniger als einer Sekunde, was eine Live-Visualisierung des Katheters während simulierter Eingriffe ermöglichte. Die rekonstruierten Bilder bestätigten, dass der mit Tracer beschichtete Katheter mit einer räumlichen Auflösung von wenigen Millimetern verfolgt werden konnte, was für die Steuerung von Eingriffen ausreichend ist.
Am Ende des Projekts wurde ein Prototyp eines MPI-sichtbaren Ballonkatheters hergestellt und erfolgreich in einer präklinischen Umgebung untersucht. Die Tracer-Beschichtung des Katheters blieb unter physiologischen Temperaturen stabil, und das MPI-Signal blieb über die Dauer eines typischen Eingriffs erhalten. Die Zusammenarbeit mit dem UKSH stellte sicher, dass das Design des Katheters den klinischen Anforderungen entsprach, während die Partnerschaft mit dem UKE den Zugang zu einem alternativen MPI-System ermöglichte, als der Lübecker Scanner vorübergehend nicht verfügbar war. Zu den Ergebnissen des Projekts gehören ein validierter Arbeitsablauf für die Materialauswahl, ein Beschichtungsprozess für MPI-Tracer, ein Algorithmus zur Signaltrennung und eine Echtzeit-Rekonstruktionspipeline, die alle die Grundlage für die künftige klinische Umsetzung von MPI-gesteuerten Kathetereingriffen bilden.