磁性粒子成像(Magnetic Particle Imaging, MPI)是一种新型示踪剂成像技术,利用磁性纳米粒子示踪剂在零磁场中的非线性磁化特性,可视化被测物内的示踪剂质量分数,从而检测磁性纳米粒子示踪剂的空间分布。由于MPI的信号直接来自于可视范围内的示踪剂质量分数,可以获得纳摩尔级检测灵敏度,以及亚毫米级的成像分辨率,因此近年来得到广泛的关注,并应用于细胞跟踪、血管造影以及炎症成像等领域。
MPI由德国科学家Bernhard Gleich和Jürgen Weizenecker教授首次提出,于2005年在《Nature》上发表了一篇文章,成像实验初步证实了MPI成像的可行性。并在2009年首次实现体内MPI扫描,对搏动的小鼠心脏进行三维实时扫描成像。
近几年,MPI的相关研究工作取得了飞速发展。飞利浦实验室研究团队提出了一种新的零磁场方案,通过利用线型零磁场(Field-Free Line, FFL)来提高MPI的灵敏度。Lübeck大学的研究团队引入了第一个可行的FFL线圈布置系统,并引入了基于FFL扫描方式的图像重建算法,进一步提高FFL线圈几何的效率。日本Kyushu大学的研究团队开发了一种检测3次谐波的高灵敏度线型零磁场MPI系统,检测到在50mm距离处1μg的磁性纳米粒子。
但现阶段的MPI系统以封闭式结构居多,封闭式系统虽能产生较稳定且较大的磁场梯度,但限制了成像目标的体积大小,造成测量上的局限性。同时,由于MPI技术是利用磁性纳米粒子在零磁场下的独特响应来进行成像,使用基于系统矩阵的方法进行重建,仅零磁场附近的粒子可以发出特征信号。因此具有高灵敏度和高成像速度的线型零磁场的扫描方式成为首选。同时成像分辨率与零磁场的梯度强度直接相关。因此,利用开放式成像空间结构构造线型零磁场,即对复杂磁场的设计,尤其是零磁场的精细设计对MPI成像具有重要意义。
针对现阶段成像系统的开放式扫描结构问题,沈阳工业大学电气工程学院的研究人员利用高灵敏度的线型零磁场,提出了一种基于开放式线型零磁场设计的MPI方法,实现了高成像分辨率的线型零磁场扫描成像方法。
研究人员设计了一种开放式线圈结构的线型零磁场,通过改进线圈形状及布置结构的方法构建零磁场线圈布置结构,提高零磁场的均匀性,并设计相应的电场驱动方式实现MPI线圈结构的成像区域磁场扫描,控制输入电流的幅度,实现线型零磁场的平移扫描。同时,进行有限元仿真分析研究,确定实现高精度的线型零磁场所需的电流驱动方式,详细分析其磁场分布、磁场均匀性及线型零磁场的分辨率,实现高分辨率的平面二维扫描成像方法。
图1 磁场分布仿真计算结果
图2 图像扫描重建过程
图3 磁性粒子质量分数模型及其二维成像
研究人员最后得出具体结论如下:
以上研究成果发表在2020年第10期《电工技术学报》,论文标题为“磁性粒子成像线型零磁场设计及性能分析”,作者为刘洋洋、杜强、柯丽、祖婉妮。