磁微粒成像——一種新的醫(yī)學(xué)影像方法

徐振

上海市計量測試技術(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，經(jīng)歷了一個100多年的發(fā)展過程?，F(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驗室首先研發(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]。該項技術(shù)在諸如硬件升級、納米磁性顆粒的設(shè)計和圖像重建方法的優(yōu)化等方面有了很大的進展。

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

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，整個樣品需要置于一個強的靜態(tài)磁場梯度環(huán)境中。梯度磁場是通過在線圈對中反向通入電流來實現(xiàn)的，中間就是無磁場點（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)動線圈疊加了一個振蕩磁場，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，在測試信號中存在明顯的高階諧波信號，如圖2(a)所示，諧波信號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。FFP以外的粒子由于已經(jīng)飽和，振蕩磁場將不會引起磁矩的大幅度變化，振蕩磁場的諧波信號部分幾乎沒有，灰色區(qū)域信號很弱，如圖2(b)所示。通過掃描全部樣品的FFP，可以重建一個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個磁性顆粒組成的大“P”圖案驗證了他們裝置的成像能力，水平方向達到0.5 mm分辨率，豎直方向達到0.3 mm的分辨率，信噪比比傳統(tǒng)磁共振成像提高了兩個數(shù)量級[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掃描儀由兩對發(fā)射線圈和兩對較小的接收線圈放置在一個方形對稱的位置構(gòu)成。在線圈之間的二維視域（FOV）限制了成像對象的大小。

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的一側(cè)。這種集成方式意味著探測目標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)計了MPI掃描儀的幾何架構(gòu)，用兩個同心發(fā)射線圈來實現(xiàn)。當同時將相反方向的電流通入相對方向的線圈中時，疊加的誘導(dǎo)磁場在線圈軸兩側(cè)產(chǎn)生一些FFP，其中某個可用于成像。將交流電接通到一個或兩個發(fā)射線圈產(chǎn)生的驅(qū)動磁場中后可以得到軸向掃描的FFP。

為實現(xiàn)二維成像，F(xiàn)FP必須在和軸向正交的方向進行掃描，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D形線圈產(chǎn)生的磁場可以將FFP左右推動，引導(dǎo)FFP在兩維空間內(nèi)移動。目前穿透深度大約幾厘米。

2.2 無磁場線（Field-Free-Line FFL）增強靈敏度

Buzug的團隊還在致力于通過用無磁場線取代FFP來增加MPI的靈敏度。對某個區(qū)域用FFL掃描信噪比相對于用FFP掃描可以提高一個數(shù)量級[6]。

要實現(xiàn)這一點，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)計中使用了16個麥克斯韋線圈對圍繞樣品環(huán)形放置，實現(xiàn)了FFL的產(chǎn)生和旋轉(zhuǎn)，外加兩個額外的線圈實現(xiàn)FFL的平移。然而，這樣一個系統(tǒng)不能作為實際應(yīng)用因為其需要提供的能量太高。

隨后，研究人員提出了僅用三個麥克斯韋線圈對產(chǎn)生一個可以旋轉(zhuǎn)的FFL，而四個線圈對的設(shè)計實現(xiàn)了最高的磁場質(zhì)量。該系統(tǒng)預(yù)計將顯著增加成像靈敏度而電力損耗只有適當?shù)纳撸ㄅc同等的FFP掃描器相比）。該小組目前正在進一步改進FFL的設(shè)計，并已建立了一個用于初步測試的原型。

2.3 磁性粒子的優(yōu)化

在MPI進程中一個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會上提出了納米顆粒設(shè)計的問題，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的信號強度隨納米粒子增大而增加，針對每一個成像系統(tǒng)有一個最佳的最大尺寸。

除了在顆粒尺寸上進行優(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，而磁弛豫時間必須保證顆粒的響應(yīng)速度足夠更上激勵磁場的變化。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信號用一個定制的MPI譜儀測試，在25 kHz傳輸下測量了高達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，信號強度的幅度在各個磁場強度下有了近一個數(shù)量級的提高。

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%。對于他們實驗中測試使用信號最大的三次諧波，梯度強度為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.

[4] Gleich,B.and Weizenecker,J.Tomographic imaging using the nonlinear response of magnetic particles[J].Nature,2005,435:1214–1217.

[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.