磁微粒成像——一种新的医学影像方法

徐振

上海市计量测试技术研究院，上海市，201203

医学影像技术从无到有、从不完善到功能齐全、分类精细，经历了一个100多年的发展过程。现代医学影像技术的应用与发展，相继出现了诸如X射线摄影系统、磁共振成像系统、超声诊断系统、核医学图像系统等多种技术。近20多年来，人们利用人体内特定原子的磁性与外界磁场的关联，相继开发了磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）、生物体磁共振波谱分析（Magnetic Resonance Spectroscopy，MRS）、基于超导量子干涉仪（SQUID）的心磁图（Magnetocardiography，MCG）和脑磁图（Magnetoencephalogram，MEG），已经广泛应用于临床的医疗诊断[1-3]。

磁微粒成像(Magnetic Particle Imaging，MPI)是一门年轻的磁影像技术，通过高灵敏度，高分辨率和高成像速度的三维图像进行医学诊断，2005年由设在汉堡的飞利浦公司的研究实验室首先研发成功，原型设备成像分辨率较目前最常用的磁成像技术有了很大的提高[4]。该项技术在诸如硬件升级、纳米磁性颗粒的设计和图像重建方法的优化等方面有了很大的进展。

本文首先介绍MPI的基本工作原理与创新点；其次介绍最近MPI研究的发展动态，分别从单侧检测、无磁场线增强灵敏度和磁性粒子优化三个角度展开。

1 MPI的原理

图1 MPI 装置原理示意图Fig.1 Schematic structure of MPI

患者服用一种含有无害磁性颗粒的液体后，将其置于一个磁场中，注入体内的超顺磁性纳米颗粒成像的分布随外界振荡磁场而变化。为了得到纳米粒子分布的图像，整个样品需要置于一个强的静态磁场梯度环境中。梯度磁场是通过在线圈对中反向通入电流来实现的，中间就是无磁场点（FFP）如图1所示。选择磁场把除了FFP之外的所有粒子都磁化饱和。驱动线圈叠加了一个振荡磁场，通过一系列的接收线圈检测纳米粒子的反应。由于超顺磁性纳米粒子在振荡磁场中的非线性响应，通过傅里叶变换检测到的信号包含的高阶谐波可以用于成像功能。磁性纳米粒子响应的具体过程可以通过图2来展示。只有没有磁性响应饱和的粒子，即在FFP附近的粒子，在测试信号中存在明显的高阶谐波信号，如图2(a)所示，谐波信号的有效部分如图中灰色部分所示，基波频率f不作为有效信号。FFP以外的粒子由于已经饱和，振荡磁场将不会引起磁矩的大幅度变化，振荡磁场的谐波信号部分几乎没有，灰色区域信号很弱，如图2(b)所示。通过扫描全部样品的FFP，可以重建一个完整的粒度分布的图像。飞利浦公司通过测试在塑料基板上放置的由13个磁性颗粒组成的大“P”图案验证了他们装置的成像能力，水平方向达到0.5 mm分辨率，竖直方向达到0.3 mm的分辨率，信噪比比传统磁共振成像提高了两个数量级[4]。

图2.磁性纳米粒子响应原理Fig.2 .Principle of different response of magnetic nanoparticle at

2 MPI的发展

2.1 单侧的检测方法（single sided detection）

目前正在研究的MPI扫描仪由两对发射线圈和两对较小的接收线圈放置在一个方形对称的位置构成。在线圈之间的二维视域（FOV）限制了成像对象的大小。

在德国吕贝克大学的研究人员开发单侧MPI扫描仪，所有磁场发生线圈和接收纳米颗粒反应的线圈都放置在成像目标的一侧。这种集成方式意味着探测目标不需要足够小以适应扫描仪有限的尺寸[5]。

为创建单侧设备，研究人员重新设计了MPI扫描仪的几何架构，用两个同心发射线圈来实现。当同时将相反方向的电流通入相对方向的线圈中时，叠加的诱导磁场在线圈轴两侧产生一些FFP，其中某个可用于成像。将交流电接通到一个或两个发射线圈产生的驱动磁场中后可以得到轴向扫描的FFP。

为实现二维成像，FFP必须在和轴向正交的方向进行扫描，这需要额外的发射线圈。Buzug和他的同事们模拟了各种单侧线圈的几何形状，并发现一组两个D形线圈产生的磁场可以将FFP左右推动，引导FFP在两维空间内移动。目前穿透深度大约几厘米。

2.2 无磁场线（Field-Free-Line FFL）增强灵敏度

Buzug的团队还在致力于通过用无磁场线取代FFP来增加MPI的灵敏度。对某个区域用FFL扫描信噪比相对于用FFP扫描可以提高一个数量级[6]。

要实现这一点，研究者们必须研究一种方法可以产生、旋转和转换FFL。Buzug解释说在前期设计中使用了16个麦克斯韦线圈对围绕样品环形放置，实现了FFL的产生和旋转，外加两个额外的线圈实现FFL的平移。然而，这样一个系统不能作为实际应用因为其需要提供的能量太高。

随后，研究人员提出了仅用三个麦克斯韦线圈对产生一个可以旋转的FFL，而四个线圈对的设计实现了最高的磁场质量。该系统预计将显著增加成像灵敏度而电力损耗只有适当的升高（与同等的FFP扫描器相比）。该小组目前正在进一步改进FFL的设计，并已建立了一个用于初步测试的原型。

2.3 磁性粒子的优化

在MPI进程中一个重要组成部分就是纳米粒子本身。美国华盛顿大学Krishnan小组的Matthew Ferguson在SPIE会上提出了纳米颗粒设计的问题，有明确的证据显示颗粒自身能直接影响成像性能[6]。

虽然MPI的分辨率主要受到梯度磁场的限制，也同样取决于纳米磁芯的大小，分辨率一般随核心尺寸的增加而增加。同样，MPI的信号强度随纳米粒子增大而增加，针对每一个成像系统有一个最佳的最大尺寸。

除了在颗粒尺寸上进行优化，在MPI中使用的纳米粒子应该有最小的体积分布变化，而磁弛豫时间必须保证颗粒的响应速度足够更上激励磁场的变化。在上述这些限制条件下，Ferguson和他的同事们正在开发新型的具有生物相容性的氧化铁（Fe3O4）纳米粒子。该小组已经成功制备了性能优越的粒子，比Resovist效果更好。（Resovist是一个专业生产超顺磁性氧化铁纳米颗粒示踪粒子的公司）。

要制备更大的尺寸一致、大小可控的纳米粒子，华盛顿大学的研究人员在有机溶剂中合成了该粒子。然后粒子转移到水溶液中与生物相容性双亲聚合物官能化。

研究人员表征了两个磁铁矿纳米粒子样品的性质。其一是22.4 nm的有效磁核直径，尺寸分布在±7 nm，铁浓度为1.35 mg/ml。其二是20.1 nm的有效磁核直径，尺寸分布在±5 nm，铁浓度为6.1 mg/ml。Resovist公司相应的值是14 nm，±7 nm和1.99 mg/ml。

纳米粒子的MPI信号用一个定制的MPI谱仪测试，在25 kHz传输下测量了高达40次谐波。较大颗粒呈现了比Resovist更好的性能，得到更多可探测的谐波，信号强度的幅度在各个磁场强度下有了近一个数量级的提高。

该小组还测量纳米粒子在直流偏置场下的本征空间分辨率。磁铁矿颗粒的本征分辨率在高次谐波上比Resovist超过25%。对于他们实验中测试使用信号最大的三次谐波，梯度强度为1.3 T/ m，Resovist图像分辨率是12.7 mm，22 nm以及20 nm的粒子分辨率是分别是10.8 mm和7.7 mm。在2.6 T/ m，相应的分辨率为6.3 mm、5.4 mm和3.8 mm。

Ferguson指出，这些初步的结果表明新的纳米粒子颗粒有望实现亚毫米的空间分辨率。比如22 nm磁性粒子在6 T/m（第37次谐波）下展出了0.4 mm的分辨率。

[1] 吴恩惠.医学影像学[M].北京:人民卫生出版社,2008

[2] 胡洁,胡净,黄定君.脑磁图研究进展[J].生物医学工程与临床，2003,7(03):181–184.

[3] 杨裕华,杨贞振,黄定君.功能性影像技术应用概况[J].医学影像学杂志, 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.