磁纳米粒子介导的磁致振动超声成像研究现状及展望∗

齐亭亭 丁格 陈铁梅 胡雨阳 陈冕 林浩铭 陈昕 陈思平

(1 医学超声关键技术国家地方联合工程实验室 广东省生物医学信息检测和超声成像重点实验室 深圳大学医学部生物医学工程学院 深圳 518055)

(2 西安交通大学生命科学与技术学院 西安 710000)

0 引言

超声成像作为临床上常用的影像检测方法，在疾病诊断、术中导航和术后评估等方面发挥重要作用[1−2]。经过近几十年的发展，超声成像设备和成像性能越来越完善，并发展出多种成像功能。常用的超声成像功能包括灰阶结构成像、彩色多普勒成像、弹性成像等。以肝脏疾病检测为例，超声灰阶结构成像，能较好地检出肝内可疑占位性病变，并且能够提供实时术中反馈。其次，彩色多普勒成像可用于观察肝脏内的异常血流信息，对评估组织的炎性病变或恶性肿瘤有着重要的意义。近年来，超声弹性成像可以显示和量化组织弹性信息，突破了解剖结构显像的局限性，得到了快速发展和应用。在我国《原发性肝癌诊疗规范》中，弹性成像已被推荐为肝脏硬度检测以及术前肝功能储备评估的重要手段之一[3]。本研究团队也长期从事超声弹性成像相关研究，并建立了基于声辐射力的超声弹性成像设备检测方法和体系，主持制定了中国医疗器械行业标准《基于声辐射力的超声弹性成像设备性能试验方法》[4−8]。除此之外，随着纳米技术等交叉学科的快速发展，不同的微纳米材料或成像探针的构建，为超声成像提供新的发展动力。

超声微泡作为超声成像最常见的造影剂，可显著增强超声回波信号，从而提高超声成像检测的灵敏度[9]。同时，通过观察微泡在血管内的流动路径和流动速度，对评价血管的分布和血流信息具有积极的促进作用[10−11]。另一方面，利用微泡的表面进行特异的靶向分子修饰，可进一步实现超声的分子成像检测[12−14]。然而微泡尺寸通常相对较大，难以实现跨血管外显像，又容易被网状内皮系统吞噬、破坏，从而影响病灶部位的聚集。相变纳米液滴是替代微泡、用于解决渗透性问题的重要方法之一。其相变过程主要是在外部激励(光热、声热、磁热等)作用下实现的[15]。但由于相变过程容易受活体内复杂环境的影响，气泡的形态难以保持稳定，操作时间窗口较短。

与增强声阻抗差异的微纳米泡超声造影成像不同，光声成像是利用脉冲激光照射生物组织或探针，组织或探针获得能量并发生热弹性膨胀进而产生声波，通过接收声波信号重建出组织或探针的光吸收分布图像[16]。由于光声成像中用来重建图像的信号是超声信号，生理组织对超声信号的散射要比光信号低2～3个数量级，因此它可以提供比光学成像更深的成像深度；另一方面，光声成像是利用不同组织或探针对光的选择性吸收，因此它比传统超声成像具有更高的成像分辨率。于此同时，众多具有光热转化特性的无机或有机纳米探针的构建，大大推动了光声成像的研究与应用[17−18]。光声成像已成为目前研究的热点，并获得广泛的研究报道[19−20]。

磁纳米粒子介导的磁致振动超声成像是近年来发展的另一种新兴的成像技术[21]。其主要原理是基于磁纳米粒子在变化磁场作用下产生磁致振动，利用超声波探测粒子的振动信息即可获得该粒子的空间分布信息。该成像方法的核心在于振动的产生和检测。其中，磁纳米粒子构建的探针已广泛用于磁共振(Magnetic resonance,MR)分子成像[22]。这些磁纳米探针理论上都可以用于磁致振动超声成像中的分子识别，并用于产生振动激励信用。另一方面，超声对振动的检测具有更高的灵敏度。相比光声成像，磁致振动超声成像有望进一步解决激励信号在活体复杂环境中的穿透性、安全性和特异性等问题，具有较大的研究价值和应用前景。相比MR成像，磁致振动超声成像具有超高的成像速度，并且成像设备相对简单。目前，磁致振动超声成像仍处于起步阶段，相关研究相对比较零散，缺乏系统性归纳。因此，本文将围绕磁致振动超声成像技术的原理和研究现状展开介绍，并对该技术的发展趋势进行展望。

1 原理概述

磁纳米粒子介导的磁致振动超声成像主要涉及变化磁场对磁纳米粒子的磁力作用、振动信号的检测和粒子中心定位等关键过程。为了更好理解成像原理，将对这些过程的理论公式或数学模型做简要介绍。

激励电流产生的电磁场可以根据麦克斯韦方程组推导：

其中，Js是激励电流，E和B1分别是感应电场和磁场，J是涡流密度，σ和µ分别是电导率和磁导率。

如果某磁纳米粒子在以磁通密度B的外部磁场中，则该粒子的磁能U可表示为[23]

其中，µ0为自由空间的磁导率，χnp为纳米粒子的磁化率，Vnp为纳米粒子的总体积，fm为磁芯的体积分数(磁芯体积与整个纳米粒子的体积之比)。因此，作用在纳米粒子上的磁力Fmag可表示为[23]

假定沿z轴方向的正弦磁通密度为

磁力Fmag可以表示为

公式(5)表示了磁动超声成像的几个重要方面。首先，作用在磁纳米粒子上的磁力与纳米粒子的材料性质(χnp)和几何形状(Vnp和fm)密切相关。由磁化率较高的材料制成的具有较大磁芯的纳米粒子将产生更大的磁力，从而产生较大振动位移。其次，作用在纳米粒子上的磁力与磁通量密度的大小(Bz)和梯度(dBz/dz)成正比，磁场和磁场梯度越大，磁感应运动越大。

磁纳米粒子受到磁力作用产生振动，通过对振动位移检测获得振动信息。其原理是利用超声成像技术，获取组织的回波信号，进而估计组织的振动。组织振动估计主要基于自相关算法，该算法是将接收到的射频信号首先进行正交解调，得到同向分量I与正交分量Q，然后通过估计中心频率的平均相位偏移来求解组织，具体求解的公式如下[24]：

该算法中，中心频率fc被认为是不变的。但实际上中心频率在不断变化，针对中心频率改变的情况，使用二维互相关算法进行计算，计算公式表达为[25]

该方法在计算中心频率fc的时候进行了改进，计算精度进一步提高，计算得到的信噪比也有明显提高，但是该方法不能实现对较大位移的估计，所以在选择这两种方法的时候要视情况而定。

依次估计二维空间中各质点的振动位移幅值并形成二维图像，通过预先设定振动阈值排除异常干扰，即可得到组织内部的振动强度图像。该图像可以反映磁纳米粒子在软组织内部的分布。在得到二维振动强度图像的基础上，运用图像分析方法，可对磁纳米探针位置实现粗定位。在此基础上，利用二维高斯公式对振动强度图像做拟合，可进一步实现对磁纳米粒子分布的中心实现精细定位，从而实现对磁纳米粒子检测的目的。

2 研究现状

磁致振动超声成像由Oh等[26]于2006年在《Nanotechnology》杂志上首次发表。如图1所示，他们对注射磁纳米粒子的猪肝组织分别通过彩色多普勒成像和M-mode成像，观察施加周期性变化磁场的激励信号下的粒子运动信息。该研究是借鉴了Oldenburg等[27]于2005年提出的磁致振动光学相干断层扫描。相比光学，超声波更容易实现内部振动信号的检测，因此也引起了人们的重视和研究。基于已报道的研究，本文将从仪器平台、振动检测算法、磁纳米粒子和磁致振动超声弹性成像等方面展开介绍。

图1 磁纳米粒子介导的磁致振动超声成像研究[26]Fig.1 The research of magnetomotive ultrasound imaging mediated by magnetic nanoparticles[26]

2.1 仪器平台

目前还未有成熟的商业化系统用于磁致振动超声成像检测。已报道的研究都是在自主搭建的仪器平台上展开，主要包括磁场激励信号和超声采集信号这两方面。根据麦克斯韦方程，变化的电场可以产生变化的磁场。因此，磁场激励信号通常利用导电线圈装置实现。感应的磁场强度与线圈的匝数、线圈中的电流强度、导线的横截面积以及导线电导率等参数密切相关。为了增强局部磁场强度，研究者还会在线圈中间放置带尖锥的铁芯。部分研究者直接利用商用的经颅磁刺激线圈系统(Transcranial magnetic stimulation,TMS)也可以获得较强的感应磁场[28]。另一方面，感应磁场的激励方式还可分为连续激励和脉冲波激励。如Oh等[26]使用1 Hz的正弦波和多频率叠加的连续波激励线圈产生磁场，探讨激励信号频率和磁纳米粒子浓度对多普勒频移的影响。由于磁致振动与磁力成正比，而磁力又与磁通密度平方成正比，为了获得明显的粒子振动信号，激励线圈中的电流强度通常较高。因此，连续激励的模式容易导致线圈和组织的发热进而影响使用效果。为了克服这一局限性，2009年，Mohammad等[29]利用脉冲磁场激励的成像方法，原理如图2所示。该方法使用相对较短的脉冲(6～10 ms)使磁纳米粒子在脉冲后约50 ms内达到最大位移，并且探究了脉冲磁动信号对磁纳米粒子浓度的依赖性。由于使用短脉冲激励，为了能够捕捉到磁纳米粒子的振动信息，需要用到高帧率的信号采集系统。

图2 脉冲磁致振动超声成像原理图[29]Fig.2 Schematic diagram of pulsed magnetomotive ultrasound imaging[29]

超声采集信号主要由商用化的超声成像设备完成。其中，Verasonics超声成像系统最为常用。Verasonics是一种多通道的可编程的超声成像平台，拥有较高的灵活度。该超声成像系统具有独立控制各通道发射或/与接收、可实时访问各通道RF数据、超高帧率成像(成像帧率高达14000帧/秒)等特性，是目前最先进的超声成像科研平台之一。而且Verasonics Vantage还支持不同类型的超声探头如线阵、凸阵、相控阵等，也支持自定义的非常规超声探头。用户可以通过Matlab编译环境自定义超声系统的任意功能组件，如换能器发射接收波形的设置和延时设置、波束合成的构建、信号和图像后处理算法的嵌入等，实现对信号的采集和处理[30]。

2.2 检测方法

磁致振动超声成像中，粒子运动产生的位移变化是一种弱信号，需要优化检测方法以提高成像分辨率。常规的位移估计是基于对同相和正交(In-phase/Quadrature,I/Q)数据的相位进行采样评估。其中数据中的低信噪比会引入相位噪声，增加了位移估计偏差。为了减小误差，有研究评估了两种基于时移的位移估计器的性能，分别是归一化互相关(Normalized cross-correlation,NCC)估计器和递归贝叶斯估计器[31]。它们与传统的基于频移的估算方法不同，结合了轴向部分的数据和相邻部分的空间信息，适合检测较小的位移。除此之外，李孟林教授团队提出了基于主成分分析(Principal component analysis,PCA)的运动放大方法，使用基于频率的滤波器来提取和放大无法与噪声分离的目标运动(图3)。该方法有望可视化B模式图像中本来不可见的亚波长运动，从而实现磁纳米粒子定位[32]。

图3 基于PCA的运动放大的框架图[32]Fig.3 Overview of the PCA-based motion magnification framework[32]

2.3 磁纳米粒子

由于磁纳米粒子的磁学特性与磁力大小密切相关，进而影响粒子的振动信号检测。如何优化磁纳米粒子的特性以提高检测的灵敏度也引起人们的兴趣。磁纳米粒子可以分为超顺磁性纳米粒子、顺磁性纳米粒子和铁磁性纳米粒子。尽管铁磁性纳米粒子在磁场中的磁力最强，但粒子具有自发的磁化现象，容易导致粒子间的相互团聚。因此，铁磁性纳米粒子并不适合发展分子成像探针。而超顺磁性纳米粒子具有独特的磁学特性和分散性，是磁致振动超声成像中应用最多的一类纳米材料。Mehrmohammadi等[33]发现通过将3 nm的铁前体组装成大尺寸的铁纳米簇，能提高磁致振动超声成像检测的信噪比。另外，他们还制备了锌掺杂氧化铁的超顺磁纳米粒子，通过提高粒子的饱和磁化强度来增强对磁场的响应强度，并用于肿瘤内的振动检测[34]，如图4所示。而Andersson等[35]通过比对10 nm和25 nm的两种超顺磁氧化铁纳米粒子(Superparamagnetic iron oxide,SPIO)的振动成像信号发现，在相同的铁元素含量的条件下，小尺寸的SPIO具有更大的振动位移。Arsalani等[36]研究了天然胶乳表面修饰的SPIO对磁致振动检测灵敏度的影响。结果表明，修饰较厚天然胶乳的SPIO增强了检测的灵敏度和信噪比。

图4 磁致振动超声成像用于肿瘤内的振动成像[34]Fig.4 Magnetomotive ultrasound imaging for vibration imaging in tumors[34]

除了提高振动检测灵敏度和信噪比外，John等[37]利用修饰具有乳腺肿瘤靶向识别抗体的磁纳米粒子，首次将磁致振动成像和分子影像相结合，实现对乳腺肿瘤的高灵敏检测。Li等[38]通过制备(氧化铁-金)核壳磁纳米粒子，将磁动成像和光声成像结合起来，在实现检测的基础上，消除由生理运动引起的伪影。

2.4 磁致振动超声弹性成像

磁致振动超声成像除了可以用于检测磁纳米粒子的振动信息，同时还可以基于超声弹性成像原理，实现磁纳米粒子介导的超声弹性成像，即磁致振动超声弹性成像。其原理是利用磁致振动产生周围组织的剪切波传播，通过超声探测剪切波传播即可获得周围组织的弹性信息。这一概念由Almeida等[39]首次在仿体上证实。随后，Grasland-Mongrain等[40]还利用TMS和外置静磁场，探讨对洛伦兹力作用下产生的剪切波的检测，如图5所示。尽管相关的研究报道很少，但相比传统的超声弹性成像，磁致振动超声弹性成像仍具有较大的发展空间。一方面，该方法可以与磁纳米粒子的振动成像紧密结合，实现粒子的分布和周围组织弹性信息的同时获取。另一方面，磁纳米粒子在构建分子成像探针的同时，也为靶向弹性成像提供了可能。

图5 磁致振动超声弹性成像示意图及装置[40]Fig.5 Schematic diagram and device of magnetomotive ultrasound elastography[40]

3 总结与展望

本文对磁致振动超声成像的发展背景、成像原理做了初步介绍，并从该成像技术所涉及的仪器平台、振动检测算法、磁纳米粒子和磁致振动超声弹性成像等方面介绍其研究现状。磁致振动超声成像作为一种新兴的成像技术，国内外相关的研究并不多，但其具有独特的优势和应用前景值得学者进一步重视和研究。首先，这是一种多物理场融合的成像方法。通过电磁激励-超声检测的方法，有望突破单一物理场成像的局限性，并且更容易获取反映同一生理状态下的各种功能性信息，也是医学成像技术发展的趋势和前沿。其次，随着磁纳米粒子在分子成像领域的不断开发和应用，该技术有望为超声分子成像提供新的检测途径。同时，也为磁纳米粒子在超声成像领域的应用提供了广阔的空间。另外，该技术的应用进一步拓展了超声成像的功能性，并为发展具有结构成像、分子成像和弹性成像于一体的超声成像系统提供新的思路。与MRI分子成像相比，磁致振动超声成像既有分子影像的灵敏性，也有超高的成像速度，而且成像设备相对简单。与光声分子成像相比，磁致振动超声成像解决了光在组织内传播的局限性。当然，磁致振动超声成像也面临众多问题需要进一步解决，包括仪器系统的完善、弱信号的处理和提取、磁纳米粒子的优化和探针构建、在体实验以及安全性评估等方面。最后，磁致振动超声成像作为多学科交叉的研究领域，还需要综合数学、物理、生物工程、材料科学、化学、生物等学科的参与和支持。随着磁致振动超声成像的不断研究和完善，相信该技术将在临床疾病诊断、术中导航和疗效评估等方面发挥重要作用，并将推动相关基础科学研究的发展。