徐振

上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院，上海市，201203

醫(yī)學(xué)影像技術(shù)從無到有、從不完善到功能齊全、分類精細(xì)，經(jīng)歷了一個(gè)100多年的發(fā)展過程。現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，相繼出現(xiàn)了諸如X射線攝影系統(tǒng)、磁共振成像系統(tǒng)、超聲診斷系統(tǒng)、核醫(yī)學(xué)圖像系統(tǒng)等多種技術(shù)。近20多年來，人們利用人體內(nèi)特定原子的磁性與外界磁場的關(guān)聯(lián)，相繼開發(fā)了磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）、生物體磁共振波譜分析（Magnetic Resonance Spectroscopy，MRS）、基于超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）的心磁圖（Magnetocardiography，MCG）和腦磁圖（Magnetoencephalogram，MEG），已經(jīng)廣泛應(yīng)用于臨床的醫(yī)療診斷[1-3]。

磁微粒成像(Magnetic Particle Imaging，MPI)是一門年輕的磁影像技術(shù)，通過高靈敏度，高分辨率和高成像速度的三維圖像進(jìn)行醫(yī)學(xué)診斷，2005年由設(shè)在漢堡的飛利浦公司的研究實(shí)驗(yàn)室首先研發(fā)成功，原型設(shè)備成像分辨率較目前最常用的磁成像技術(shù)有了很大的提高[4]。該項(xiàng)技術(shù)在諸如硬件升級(jí)、納米磁性顆粒的設(shè)計(jì)和圖像重建方法的優(yōu)化等方面有了很大的進(jìn)展。

本文首先介紹MPI的基本工作原理與創(chuàng)新點(diǎn)；其次介紹最近MPI研究的發(fā)展動(dòng)態(tài)，分別從單側(cè)檢測、無磁場線增強(qiáng)靈敏度和磁性粒子優(yōu)化三個(gè)角度展開。

1 MPI的原理

圖1 MPI 裝置原理示意圖Fig.1 Schematic structure of MPI

患者服用一種含有無害磁性顆粒的液體后，將其置于一個(gè)磁場中，注入體內(nèi)的超順磁性納米顆粒成像的分布隨外界振蕩磁場而變化。為了得到納米粒子分布的圖像，整個(gè)樣品需要置于一個(gè)強(qiáng)的靜態(tài)磁場梯度環(huán)境中。梯度磁場是通過在線圈對(duì)中反向通入電流來實(shí)現(xiàn)的，中間就是無磁場點(diǎn)（FFP）如圖1所示。選擇磁場把除了FFP之外的所有粒子都磁化飽和。驅(qū)動(dòng)線圈疊加了一個(gè)振蕩磁場，通過一系列的接收線圈檢測納米粒子的反應(yīng)。由于超順磁性納米粒子在振蕩磁場中的非線性響應(yīng)，通過傅里葉變換檢測到的信號(hào)包含的高階諧波可以用于成像功能。磁性納米粒子響應(yīng)的具體過程可以通過圖2來展示。只有沒有磁性響應(yīng)飽和的粒子，即在FFP附近的粒子，在測試信號(hào)中存在明顯的高階諧波信號(hào)，如圖2(a)所示，諧波信號(hào)的有效部分如圖中灰色部分所示，基波頻率f不作為有效信號(hào)。FFP以外的粒子由于已經(jīng)飽和，振蕩磁場將不會(huì)引起磁矩的大幅度變化，振蕩磁場的諧波信號(hào)部分幾乎沒有，灰色區(qū)域信號(hào)很弱，如圖2(b)所示。通過掃描全部樣品的FFP，可以重建一個(gè)完整的粒度分布的圖像。飛利浦公司通過測試在塑料基板上放置的由13個(gè)磁性顆粒組成的大“P”圖案驗(yàn)證了他們裝置的成像能力，水平方向達(dá)到0.5 mm分辨率，豎直方向達(dá)到0.3 mm的分辨率，信噪比比傳統(tǒng)磁共振成像提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)[4]。

圖2.磁性納米粒子響應(yīng)原理Fig.2 .Principle of different response of magnetic nanoparticle at

2 MPI的發(fā)展

2.1 單側(cè)的檢測方法（single sided detection）

目前正在研究的MPI掃描儀由兩對(duì)發(fā)射線圈和兩對(duì)較小的接收線圈放置在一個(gè)方形對(duì)稱的位置構(gòu)成。在線圈之間的二維視域（FOV）限制了成像對(duì)象的大小。

在德國呂貝克大學(xué)的研究人員開發(fā)單側(cè)MPI掃描儀，所有磁場發(fā)生線圈和接收納米顆粒反應(yīng)的線圈都放置在成像目標(biāo)的一側(cè)。這種集成方式意味著探測目標(biāo)不需要足夠小以適應(yīng)掃描儀有限的尺寸[5]。

為創(chuàng)建單側(cè)設(shè)備，研究人員重新設(shè)計(jì)了MPI掃描儀的幾何架構(gòu)，用兩個(gè)同心發(fā)射線圈來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)同時(shí)將相反方向的電流通入相對(duì)方向的線圈中時(shí)，疊加的誘導(dǎo)磁場在線圈軸兩側(cè)產(chǎn)生一些FFP，其中某個(gè)可用于成像。將交流電接通到一個(gè)或兩個(gè)發(fā)射線圈產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)磁場中后可以得到軸向掃描的FFP。

為實(shí)現(xiàn)二維成像，F(xiàn)FP必須在和軸向正交的方向進(jìn)行掃描，這需要額外的發(fā)射線圈。Buzug和他的同事們模擬了各種單側(cè)線圈的幾何形狀，并發(fā)現(xiàn)一組兩個(gè)D形線圈產(chǎn)生的磁場可以將FFP左右推動(dòng)，引導(dǎo)FFP在兩維空間內(nèi)移動(dòng)。目前穿透深度大約幾厘米。

2.2 無磁場線（Field-Free-Line FFL）增強(qiáng)靈敏度

Buzug的團(tuán)隊(duì)還在致力于通過用無磁場線取代FFP來增加MPI的靈敏度。對(duì)某個(gè)區(qū)域用FFL掃描信噪比相對(duì)于用FFP掃描可以提高一個(gè)數(shù)量級(jí)[6]。

要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，研究者們必須研究一種方法可以產(chǎn)生、旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)換FFL。Buzug解釋說在前期設(shè)計(jì)中使用了16個(gè)麥克斯韋線圈對(duì)圍繞樣品環(huán)形放置，實(shí)現(xiàn)了FFL的產(chǎn)生和旋轉(zhuǎn)，外加兩個(gè)額外的線圈實(shí)現(xiàn)FFL的平移。然而，這樣一個(gè)系統(tǒng)不能作為實(shí)際應(yīng)用因?yàn)槠湫枰峁┑哪芰刻摺?/p>

隨后，研究人員提出了僅用三個(gè)麥克斯韋線圈對(duì)產(chǎn)生一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)的FFL，而四個(gè)線圈對(duì)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了最高的磁場質(zhì)量。該系統(tǒng)預(yù)計(jì)將顯著增加成像靈敏度而電力損耗只有適當(dāng)?shù)纳撸ㄅc同等的FFP掃描器相比）。該小組目前正在進(jìn)一步改進(jìn)FFL的設(shè)計(jì)，并已建立了一個(gè)用于初步測試的原型。

2.3 磁性粒子的優(yōu)化

在MPI進(jìn)程中一個(gè)重要組成部分就是納米粒子本身。美國華盛頓大學(xué)Krishnan小組的Matthew Ferguson在SPIE會(huì)上提出了納米顆粒設(shè)計(jì)的問題，有明確的證據(jù)顯示顆粒自身能直接影響成像性能[6]。

雖然MPI的分辨率主要受到梯度磁場的限制，也同樣取決于納米磁芯的大小，分辨率一般隨核心尺寸的增加而增加。同樣，MPI的信號(hào)強(qiáng)度隨納米粒子增大而增加，針對(duì)每一個(gè)成像系統(tǒng)有一個(gè)最佳的最大尺寸。

除了在顆粒尺寸上進(jìn)行優(yōu)化，在MPI中使用的納米粒子應(yīng)該有最小的體積分布變化，而磁弛豫時(shí)間必須保證顆粒的響應(yīng)速度足夠更上激勵(lì)磁場的變化。在上述這些限制條件下，F(xiàn)erguson和他的同事們正在開發(fā)新型的具有生物相容性的氧化鐵（Fe3O4）納米粒子。該小組已經(jīng)成功制備了性能優(yōu)越的粒子，比Resovist效果更好。（Resovist是一個(gè)專業(yè)生產(chǎn)超順磁性氧化鐵納米顆粒示蹤粒子的公司）。

要制備更大的尺寸一致、大小可控的納米粒子，華盛頓大學(xué)的研究人員在有機(jī)溶劑中合成了該粒子。然后粒子轉(zhuǎn)移到水溶液中與生物相容性雙親聚合物官能化。

研究人員表征了兩個(gè)磁鐵礦納米粒子樣品的性質(zhì)。其一是22.4 nm的有效磁核直徑，尺寸分布在±7 nm，鐵濃度為1.35 mg/ml。其二是20.1 nm的有效磁核直徑，尺寸分布在±5 nm，鐵濃度為6.1 mg/ml。Resovist公司相應(yīng)的值是14 nm，±7 nm和1.99 mg/ml。

納米粒子的MPI信號(hào)用一個(gè)定制的MPI譜儀測試，在25 kHz傳輸下測量了高達(dá)40次諧波。較大顆粒呈現(xiàn)了比Resovist更好的性能，得到更多可探測的諧波，信號(hào)強(qiáng)度的幅度在各個(gè)磁場強(qiáng)度下有了近一個(gè)數(shù)量級(jí)的提高。

該小組還測量納米粒子在直流偏置場下的本征空間分辨率。磁鐵礦顆粒的本征分辨率在高次諧波上比Resovist超過25%。對(duì)于他們實(shí)驗(yàn)中測試使用信號(hào)最大的三次諧波，梯度強(qiáng)度為1.3 T/ m，Resovist圖像分辨率是12.7 mm，22 nm以及20 nm的粒子分辨率是分別是10.8 mm和7.7 mm。在2.6 T/ m，相應(yīng)的分辨率為6.3 mm、5.4 mm和3.8 mm。

Ferguson指出，這些初步的結(jié)果表明新的納米粒子顆粒有望實(shí)現(xiàn)亞毫米的空間分辨率。比如22 nm磁性粒子在6 T/m（第37次諧波）下展出了0.4 mm的分辨率。

[1] 吳恩惠.醫(yī)學(xué)影像學(xué)[M].北京:人民衛(wèi)生出版社,2008

[2] 胡潔,胡凈,黃定君.腦磁圖研究進(jìn)展[J].生物醫(yī)學(xué)工程與臨床，2003,7(03):181–184.

[3] 楊裕華,楊貞振,黃定君.功能性影像技術(shù)應(yīng)用概況[J].醫(yī)學(xué)影像學(xué)雜志, 2004,14(01):71–73.

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[5]Sattel T,Knopp T,Biederer S,et al.Single-sided device for magnetic particle imaging[J].Journal of Physics D:Applied Physics,2009,42(2):1–5.

[6]Weizenecker J,Gleich B,Borgert J.Magnetic particle imaging using a field free line[J].Journal of Physics D:Applied Physics,2008,41(10):1–3.

[7]Ferguson RM,Minard KR,Krishnan KM.Optimization of nanoparticle core size for magnetic particle imaging[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials,2009,321:1548–1551.