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纳米磁颗粒电磁探测及成像技术研究进展

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37卷3期 2018年6月 中 国 生 物 医 学 工 程 学 报 Chinese Journal of Biomedical Engineering Vo1.37 NO.3 June 2Ol8 纳米磁颗粒电磁探测及成像技术研究进展 朱健健 杨文晖 魏树峰 王 铮 吕 行 (中国科学院电工研究所,北京100190) (中国科学院大学电气电子与通信工程学院,北京100049) 摘要:近10年来,磁纳米颗粒已由最初的核磁共振造影剂发展成为集疾病诊断、靶向药物输送及磁热疗等一体 化诊断平台的功能性材料。磁纳米颗粒成像(MPI)是一种通过检测注射到血管中的超顺磁性纳米颗粒的磁性来 构建i维图像的计算机断层成像技术。除血管造影和干细胞跟踪,磁纳米颗粒成像在生物医学上有一系列令人激 动的潜在的应用,例如实时透视、诊断和分期癌症、体内炎症成像、温度显示和功能性分子成像等。该技术试图在 现有的造影剂成像技术上以更敏感、更快捷、更安全的方式得到确定体积内的示踪剂分布的图像。首先介绍磁纳 米颗粒在分子成像与诊疗应用研究进展,进一步说明磁纳米颗粒的电磁探测的原理,重点从扫描仪线圈拓扑结构 和图像重建两方面介绍磁颗粒的电磁成像技术的研究现状和存在的问题,最后提出未来技术重要的发展趋势。 关键词:分子成像;诊疗;电磁探测;磁纳米颗粒成像技术 中图分类号:R318 文献标志码:A 文章编号:0258—8021(2018)03—0344—09 Progress of Electromagnetic Detection and Imaging of Magnetic NanOparticles Zhu Jianjian ·。Yang Wenhui Wei Shufeng Wang Zheng Lv Xing‘ (Institute ofElectrical Engineering,University ofChinese Academy ofSciences,Beijing 100190,China) (School of Electronic,Electrical and Communication Engineering,University of Chinese Academy of Sciences Beijing 100049,China) Abstract:Over the past decade,magnetic nanoparticles have been developed from the initial M RI contrast agent into a muhi—functional material for diagnosis,targeted drug delivery and magneto—hyperthermia.Magnetic nanoparticle imaging(MPI)is a computer tomography technique to construct 3 d images by detecting the magnetic properties of superparamagnetic nanoparticles injected into the blood vessels.In addition to angiography and stem cell tracking,magnetic nanoparticle imaging has a range of exciting potential biomedical applications such as real—time fluoroscopy,diagnosis and staging of cancer,in vivo inflammation imaging, temperature display,and functional molecular imaging.MPI attempts to obtain a tracer distribution of measured volumes in a more sensitive,faster and safer way based on existing contrast imaging techniques.In this paper, we first introduced the application of magnetic nanoparticles in molecular imaging and diagnosis,and then introduced the principle of e1ectromagnetic detection of magnetic nanoparticles and the present situation of research as well as problems about system topologies and imaging reconstruction.At the end of this article,we proposed future important trend of the technology. Key words:molecular imaging;diagnosis;electromagnetic detection;magnetic particle imaging 引言 近年来,磁性纳米颗粒(magnetic nanoparticle, MNP)已经越来越多地应用于生物医学和生物科技 的相关研究中,包括靶向给药、肿瘤磁过热疗法、 MRI的对比增强、生物传感器、环境生物学的快速 doi:10 3969/j.issn.0258—8021.2018.03.012 收稿日期:2017.12-12,录用日期:2018-.03-22 基金项目:国家自然科学基金(51607169) 通信作者(Corresponding author).E-mail:Lvxing@mail.iec.ac.cn 3期 朱艟缝,等:纳米磁颗粒电磁探测及成像技术研究进展 345 分离以及特异靶点(如细菌、白细胞、蛋白质)的浓 度示踪等 。 磁纳米颗粒成像(magnetic particle imaging, MPI)作为一项新型的断层成像技术首次由学者 Gleich与Weizenecker于2005年提出并设计研制首 个静态扫描仪 。2009年,Weizenecker等第一次 呈现了老鼠体内心脏的3D的实时图像 。在过去 的12年里,磁纳米颗粒成像技术经历了一维的原型 设计发展到三维的商业化的成像系统。在生物医 学领域,磁纳米颗粒成像技术显示了的巨大应用潜 力,诸如血管造影术 、细胞跟踪 、炎症成像 、 靶向纳米粒子成像 叫和靶向磁热疗¨¨等。由于 MPI高灵敏度、高分辨率的优点,它还可以很好地用 于分子影像中,比如利用超顺磁氧化纳米颗粒 (superparamagnetic iron oxide nanoparticles,SPIONs) 标记头部和颈部的鳞状癌细胞,来可视化癌细胞的 迁移过程 。 1 基于磁纳米颗粒的分子成像与诊疗 磁性纳米粒子(magnetic nanoparticles,MNP) 是一种纳米级的颗粒,一般由铁、钴、镍等金属氧化 物组成的磁性内核及包裹在磁性内核外的高分子 聚合物/硅/羟基磷灰石壳层组成。它既具有纳米 材料所特有的性质,又具有超顺磁性,且在外加磁 场下实现定向移动,在交变磁场下吸收电磁波产 热。基于以上优良的特性,磁纳米颗粒被广泛应用 于生物医学领域,包括核磁共振成像(MRI)、肿瘤的 分子医学影像、肿瘤磁热疗、药物的靶向治疗等。 分子影像是指将小的结构(如细胞、受体甚至 药剂)可视化。以前已经有学者将超顺磁性氧化铁 分子的纳米颗粒应用于磁共振分子影像,但它的局 限在于磁共振成像灵敏度非常低,因而找到一个合 适的方法非常重要。磁纳米颗粒成像由于高灵敏 度、高分辨率和特异性,故而可以很好地用于分子 影像中。Bulte等早些年已证实了细胞水平的MPI 的适用性,并且将磁纳米颗粒成像的技术应用于干 细胞的探测中 。 。2015年,Buhe等将不同数目 的嵌入磁性纳米粒子的干细胞植入小鼠大脑的两 个半球,且用临床前的MPI扫描仪进行断层成像, 发现可以定量化不同干细胞的MPI信号的差异 。 将磁颗粒嵌入间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSCs)是实现磁纳米颗粒靶向成像的一个很 好的方案,因为MSCs可以在很多组织类型中被发 现,而且可用于各种疾病的治疗,比如中风、心肌梗 塞、外创性大脑损伤和癌症。其中,Zheng等分别于 2015、2016年首次展示了在小鼠体内嵌入纳米磁颗 粒的干细胞的体内影像¨ 。关于嵌人MNP的干 细胞的图像重建,Them等于2016年发表文章介绍 了更多的细节¨ ,基于系统矩阵的图像重建,在干 细胞的条件下需要严格要求磁纳米颗粒的流动性。 通过静脉注射,磁纳米颗粒作为跟踪剂可以在 血管系统中停留一段时间,直到在网状内皮组织中 堆积,然后转移到正常的体内代谢中。因此,磁纳 米颗粒非常适合用于心脏或大型组织的动态血管 造影中或者脑和心肌的灌注研究中。故而在诊断 方面,由于磁纳米颗粒不含辐射和允许使用可跟踪 装置的优势,其在心血管诊断方面也能有很好的应 用,包括大血管的诊断、冠状动脉评估,以及心肌灌 注到介人手术。各种各样专用的纳米磁颗粒都已 经用于主动或被动的定位或药物输送 。 在肿瘤的磁热疗领域,磁纳米颗粒由于交变磁 场下磁颗粒的产热特性,在靶向热疗方面也有广阔 的应用前景。实际上,早在20世纪50年代末, Gilchrist等就提出了磁靶向热疗的概念,但由于材 料、温度测定方法、磁场等条件的,研究结果与 临床应用有很大差距 。随着纳米技术的飞速发 展,20世纪90年代初,Jordan等发现,磁性氧化铁纳 米颗粒具有很高的热效应,在临床允许的磁场强度 和频率范围内,其热效应比微米级的磁性粒子高得 多 。磁纳米颗粒的靶向热疗是一种通过直接注 射、静脉注射或者介入等方式使MNP聚集到病变区 域、并在交变磁场下发生磁致热效应的靶向治疗手 段。当肿瘤组织被靶区磁介质感应加热到40~ 70℃时,热效应将破坏肿瘤细胞促使其凋亡,而非热 区的健康细胞不受影响,从而达到细胞水平的精准 靶向治疗的目的 ” 。 2015年,Muraser等发现,磁纳米颗粒对于预测 磁热疗的治疗效果确实有用,因为在肿瘤组织中 MPI相关的特性与温度升高有着重要的关系 。 2016年,又有众多学者用实验表明,MPI可以用在 定量评估磁热疗中肿瘤的早期反应 。最近几 年的研究发展,比如用于MPI导向的磁热疗的新的 表现很好的氧化金属颗粒 、谱MPI的温度场 成像 、靶向磁热疗等,均表明MPI在磁热疗方面 的巨大的医学应用潜能 。 另外,作为一种新的缓释靶向给药系统,磁性 纳米铁颗粒在肿瘤靶向治疗方面的研究飞速发展, 成为国内外抗癌药物剂型研究的重点和热点 。 37苍 2 磁纳米颗粒的电磁探测 “{外nlIII寸 磁场做输入时.磁流体(互1 影响 的 儆 纳水 j 成)的磁化l¨l线成1.atigevhl 通常低于25 kHz,这 i J 吁f小n 波l 约l kl1, 外,MP1分辨率精细 J 『lJ‘以 过f f小的 It:K 6 个数量级,单位达到毫水绒圳 这种 术1 他Jtl IU 离辐射 人体足逆磁性的,昕以 1 会J : M PI 力‘ 分 ,I 通过删} j 磁感心强度米榆测卡Il关磁 I】『『J f、 化 jn1过伶 1{差收 蛇 rI1的 J 【{fJ fl丁俭湖0 + 表,IF磁颗粒的浓度来 融感 曲 瞍 化,1¨此进信 人体组织埘MPI rII他川I,1 低 融场采晚 屯 造 剃的愉 令透明,冈此M})I对于尢 翳纳水 测卜分卵想,它具有高 敏f堑flI j 刊f 的f ll== 1,1,12 2003年,Gle-i h提…r· 个 I,10 J 爪踪制 代 Ml’I f。’ 【 JIJ他 ll{‘变换l暂fl,r域的电JI f. ‘ 牟々换 域,Ul JI1 J‘ff} lj信 ‘的龆!谱 坫j: 述 州, tl Prt 1’等提川r能测量磁纳 米 I,f0交 臌场卜感 fI{的 j涛的磁谱f义,并通 过建● 粒使,I ,丧『JJ]rI『以Jl}J缸拔谱仪来探测纳米颗 ‘ 2()1 2 , ,rl等已 提…r商、i 化的磁谱 仪.jf ff{ J i丁场 仃研究 lJ J],除r磁 的溶液黏度、温度和 赫 物的状怠,磁颗粒的J 干u 料特 比盘【1 …蚌 均会影响 的动力 :特忡”,从而影响 榆洲 l ‘fI1磁 牲浓瞍之I1{】的火系 这就表明.磁 电磁探测的f ‘ 会包含一些町以提取的功能  、敞 t,J‘以利川磁 }U磁探测的频谱来估 汁濉 、黏 、 黏 物的组分 2009 1,1-..w .、¨‘等提…-种A接对M NP进行 濉瞍测 的,J‘法,根 MNP的 线性磁化响幢与 濉J 之川仃 ·定的 州特 求进i于MNt 本曙的 洲f ’ -Jnh” 参 ( t·}】等提 的磁 粒 线 u… 波 愉测 ,id!【Jj利川t这种 ‘法 精确扶 o.3 K n 濉度洲 纳果 H『人J.刘史 t…川 ¨融纳水 的温瞍电磁探测力‘法进行 入 究.1 断捉 温度洲 精度,从理论和实验 l 进仃r 交 磁场或 定磁场下的磁纳米颗粒 的 探川“ ’ 刘艾r1l川队研究J 一维空删上 磁纳水 成像. 果 ,J 一维空 I 颗粒浓 的 坚化越l,i-IJ , 浓度分 对温瞍洲 的影响 越人 腰J戊像,J‘mf,Iq内 自‘人,导到_r很女f 的·维成像效 ,敞In 现的温度成像柯待进 一少研究 20l 6 ,Sh hllIf1g等实现了谱MPI 的 ^瞍成像“ .他f『J提…_r磁 粒分伽的同步成像 采川“多 ”墨建乃‘法的 腹测绘,为 像介入治 疗比 融 川匝热疗的温度 时蛤控提供了可 能. MI)l领域}L仃II 碑式的意义 3 磁纳米颗粒的电磁成像 磁纳米成像(magyv.qi{·part P imaging,MPI)足 磁纳水 的 嘤 川领域.MPI装 r}1激励频率 的成像方式一磁纳米预粒哎f 它利川 磁场 下的超顿磁纳米颗粒的 磁化呐j .i血过伶洲 磁纳米粒子的浓度分布逊什成 r ylJ做 粒分布的 像,整个佯一 J - 能J l 拳融 场点(field—ifce point,FI" l’)或 磁场 ( hl-fl¨ lir ,FFL)的悌度磁场 J 磁场把除r 、I)成 FFI 之外的昕有 于都f融化饱f1I.从 刮 t f川 功能 驱动线圈产生交 磁场,嗵过·系列的接收 线圈榆测纳米粒f产 的fU 价 ,j血过f·掉l l一 换俭洲0到的信 包禽的『 阶i 波川J JlJ J 』 f啄JJlJ订皂 MPI装 的原理 同1所/J 图1 MPI装置原理 Fig.1 Schematic structure flr M PI 3.1 磁纳米颗粒成像扫描仪的研制 2005年,Glei{-h仵飞刊浦 聆 ‘i 制 JlJJ r 个MPI静态扫描仪 , 址 J 发 的 小的 t 成像原理,它需要 浓J蔓的她 舱 束求系统矩阵 f1]丁 场I 融场 ·_的fj;功 ^ 要磁颗粒佯 的饥械移动,敝m 个 f象过 嘤 儿分钟的较长的信 果 时川 2()07 . Weizene( r等发表r芙M1)1嗷感J f【I。 Ih ). } 的仿 沦文 为 ’ f 数 采 lIlJ’lilJ.2008{ Glei{-h等扩展 二维Lissa… 轨迹的¨椭 ,帧j坐 叮以达到25帧/s,并H ·玖 、 r动怠的 d 3 未健健,等:纳米碰颗粒电磁探测及成像技术研究进 像“。为了提高M1)l的灵敏度,同年Weizenecker 等提“{了新的编码方案,陔方案使用“零场线” , 其扫捕仪的结构和FFL的轨迹如图2所示,32个小 的线圈产生旋转的零磁场线,FFI 沿着驱动线圈磁 场矢量移动即FFL的方向垂直于驱动线圈磁场矢 由图巾箭头表示的相反方向的电流叠加产生选择 梯度场。 垃 使川FFI 的断层成像需要零场线旋转起来,E一.}Je 等介绍r第一个旋转FFI 的原型 ,且Konk等 和Bente等 都展示了相关的成像实验。 图2 扫描仪的结构和FFL的轨迹 Fig.2 Schematic setup of the simulated scanner 图4 单边MP!扫描仪结构 1。(a)一维单边MPI geometry and the path of the FFI 【 线圈结构;(b)D形状线圈产生垂直磁场的原理;(C) 二维单边MPI线圈结构;(d)三维单边MPI线圈结构 Fig.4 Setup of a single-sided MPI scanner ’ 。 .2009年,Weizen ̄ cker等建立了三维实时成像, 第一次展示j-MPI体内成像数据,揭示了小鼠的心 跳特性(永踪齐lJ的浓度经过了临床验证,且证明MP! (a) Coil assembly of 1 d single·sided MP!scanner;(b) Principle of generating an orthogonal magnetic field 能实现高实时分辨牢(46帧/s)的四维成像) ,如 罔3所爪为飞利浦研究【才I队的小鼠MPI扫描仪。 using a pair of D·shaped coils:(C)Coil assembly of 2 d single-sided MPI scanner;(d)Coil assembly of 3 d single·sided MPI scanner 从 4中可以看m,轴线 向的信 传输和信 号接收足通过环形线圈来实现,D形状的线圈对lI『 }H于成像的单边MPl扫椭仪与轴线雁 厅 的磁场部分的建 器 后来Sattel和Gr ̄ife及 合 作者建立了能实现成像的单边的MPI扫捕 但足这种单边的MPl扫捕仪与最初的扫 描器没汁相比,单边线圈拓扑结构¨捕仪的空间分 辨率表现出强烈的非均匀性,它随荇距离的增『Jf1而 图3 飞利浦研究团队的小鼠MPI扫描仪 Fig.3 Picture of the MPI mice scanner 减小 不同于在这之前所有提¨{的磁颗粒成像的 图像重建一套理论.20l0年,Goodwill等提…r一种 基于x—space投影的MP1的 像重建方法,并 建 立了第一个基于x—space投影的MPI扫描 ,如 5 所示” ..图中NlWeB磁铁产生1轴 向的零磁 developed at Philips Research【 】 以I 扫椭仪的 场均处于一个对称的线圈装 置中,这样一束会 断放置样品的尺寸,为了 解决这个问题,2009年,Sattel等发明了单边MP1扫 场线(FFI ),FFI 缓慢移动磁铁.其电磁场的变化使 FFI 能沿 轴方向移动,激励驱动线圈xmit使FFI 在:轴上快速移动. 椭仪( 4),并 展示了动态的一维成像 如 『殳1 4(a)所 , 边MPl扫捕仪由两个同轴的驱动线 圈(浅灰色)和一个 独的接受线圈(深灰色)组成. ■■■■●一H㈣ … _\ '三 FFL Slow Shift Magnet 图5第一个基于四极磁铁的投影MPI扫描装置 。 (a)Berkeley研究团队的基于FFI 扫描仪原理;(b)投 影MPI扫描仪 Fig.5 First projection M PI scanner based on a quadrupole magnet .(a】1)iagram showing all the magnets in the Berkele) FFI scanner;(b)(7ompleted pro.ieclion M PI scanner 3.2磁纳米颗粒成像的图像重建 火J 融 J戊 的『 像 缱,人怵 口f以分 教的 理,J‘ f¨分fJ 缱力‘法 代教的 矬 ‘ clI lriiiOl| … 的 法.j 址建、 融 水 的 : tJ j ffj‘j蜘 半。 【U J f 父系 的系统/J ,然 f ,J‘ 离敞化砸过 『 求逆的方‘ 浊术求融 “i0浓J .仃 Sc=U (1) }I, 11 X、的系统 :,11为电 博f … 化j 0 波次教,、 磁纳水 牝的佯品的编码 个数,c X l n0i f芝 J h . /I X l的lU J f ’ 波l,10…} 系统I{= llJ‘以迎过 1: IJllII饺正方法、基r模 } n0,J‘泼 感 的,J‘法 刮 琏r样 的 准的 ‘浊 个体 『{IJ n0化 放苜已知浓 J芝n 融 水 的,J f州f 一 求i } fH 的fU Jfi f 的j顺 这种 的缺 t j。。{系统砸阼较大 【I1J‘刈‘j 人的运钾‘ ,I L 】 样。广11卡交lr的咀建力‘ 法 牦l IJ n】J 20l0 ,Kl1.1 ̄t, 捉¨ 建立一个合通 的 链的十Il JI 术 f 个M}JJ的系统,从 碍钊 j饺II 法炎似的 建效 为_r竹去这种 J I I 力‘ I, 1宋fj j‘I'llJ,Ktlol ̄t 干『1 。t I1 ’ ‘次 将 缩感nl 念引入M 系统 ,站i 发现住二 JJ f 一ll仪 l 求…系统II I,/} 的1/4 分析· , ‘法的 址做…确定的似设僻到 7 明确的算法,U前九J lJ 、一sI川t 的t fl 】Chehyshe ̄ 建 ‘法 j J X—sp ̄u. 的I x,I 的 前提似没足均匀融场fl】 r} ti,J‘1 系统以 !融 纳米 粒的l川 g iI1 If1 沦,它I’f披谴、 . 船 场点Ij电 佶 的父系.【!『】 P(.r(,))= H · …f,、 =,)(1 )·^(、 )(二) “ l‘ (t 1 式巾,/_, .为激励磁场. (/) }‘?洲的f ft ’ 川 为磁颗粒的磁砸,G 选{1 场 j ,, 伶州 的灵敏度.一 (,)为零诬J吻 · . (¨ ’l’)的瞬II1J f IllJLI. 『]( )为零磁场点的路 f 播 ‘ rh此,F}1已 的融 的f . 刊I J I l 进行零磁场点运动的述瞍补 f【1 十}}化接受 I :l 血接进行 像币建 基1:x—spa( -的弧 力‘ 匕J I‘【fl K系统l I/i; 的hal’lnolii(一pa 的 建/J‘淡仃fI 优 II, : lI. 产生线性时不坐的}冬1像【I_丛刮 I『l『坡f 的述j , 为 每个像素点的 1=Il埘阳t、 .;tlj. . f 仃 harm ̄)I1i(一 的 建 法的 运 ,4 川t 【 去眷 运算对提高分辨 的 响, lI__i r 积运锋所带求的噪声增f童 求 t}lll …. I,f以川 Cl l,v } 转换的 数 ’ IJfl0 信号 (  ̄illn ̄ 等发州.1 J 、一 l¨ 的t 让 Chel ̄sl r、重建方法存数 、 :I 址 ¨的. 刘 同样的结果 2010 .K vl-t,I- , 1人J’J。 苎 场线(FF【 )的重建方法…’、 不过日前为止,存J筝¨象 域, I然,, . 个主要挑战:对成像过 rII 的融化功JJ 汝 彳丁完全理解 如果天J Ml’l仃·1 个十l 啪的 .会加深对成像过程的 晰.从… 女 也分fJ 没 汁硬什系统、}、FP或者F 的运动轨迹、融 t 建箅法 3.3混合MRI/MPI的扫描器 J 磁纳米颗粒的伶洲缺少彤 、 幻 . 『 使得对真实器 构的铽化铁 (supe)’pal’ailiagneti(、iron()x_IlI、, 1)I())的。 I】,,n 0 确定变得 难 所以,Fi ̄lllk( 捉…t r-f1}l 融纳 米 粒成 干¨磁一tL振』戊 (…:l …-lit·n-SOil{Ill( imaging,MRI)卡}】结合的f岛f芝袋 的系统. 将 J MPI得到的白_炎SPI()分n 0 II,J‘n1J分刊f 的删 fIJ 基j MRI得到的彤态 f【 JJ_』J能 息fI j从 得到高的空间精瞍 20l 3 ,I:i’ti(ikt- /J<‘r 一 台能连续数据采样的M Pl—M…濉合 I椭 的 H “ 20l4匀:, ̄v'ogel 们f t J J j—ff 验 r{ f10 3期 朱健健,等:纳米磁颗粒电磁探测及成像技术研究进展 混合MRI/MPI的扫描器 ,他们用嵌入行波MPI 的欲极化的低场MRI系统得到二维混合图像 。 2015年,Franke等基于MPI.MRI混合系统得到初始 的三维混合图像 ,他们于2016年制造了第一台 率,必须能合成最佳的超顺磁性氧化铁颗粒。为 MPI量身定做SPIOs能显著改善其空间分辨率,故 而为MPI研发合成专门的超顺磁性氧化铁颗粒已 成为研究的一个新兴领域 。’ 。目前表现最好的 集成系统,其中MPI/MRI扫描器使用同一线圈系统 来产生MRI的静态磁场B0和MPI的选择场 ,且 得到三维时间分辨率的MPI数据和0.662× 1.25 m 空间分辨率的三维MRI数据,且不需要样 MPI示踪剂之一已于2015年由Ferguson等发明,它 由外面包裹着聚乙二醇的高分散性的金属磁颗粒 组成[751。 围绕MPI扫描仪的线圈拓扑结构也很多,各种 品的重置。这些初步的影像学研究表明了此高度 集成化的MPI.MRI系统适用于多模态的体内临床 研究,且在MRI数据的基础上提供了MPI精确的视 场设计特征。 4 展望 由于氧化超顺磁磁性纳米粒子的优良特性,被 用于分子影像、心脏或大型组织的动态血管造影、 脑和心肌的灌注研究、心血管诊断、药物输送、肿瘤 的磁热疗和靶向治疗这些重要的医学应用上。令 人振奋的是,从最近几年的发展来看,MPI在干细胞 示踪¨ 。 、红细胞长期监测 、肺部影像 等方面 也有着巨大的应用前景。 关于磁纳米颗粒的电磁探测,研究发现磁颗粒 的信号和温度变化存在一定的关系,这就表明在未 来有可能进一步发展磁纳米颗粒功能影像和磁热 疗。2015年,Rahmer等提出在MPI领域具有里程 碑意义的彩色或MPI技术 …,它能够提供更多 的功能信息,比如区别不同的MPI示踪剂或者决定 环境中的温度或者介质的黏度。2016年,Stehning 等实现了MPI的温度成像 …,他们提出了磁颗 粒分布的同步成像和采用“多色”重建方法的温度 测绘。不过此方法还应该试图研究在体内的没有 溶解或者血液悬浮的颗粒的情况,例如在肝脏。此 外,需要进一步通过测量或模拟评估产生与温度相 关的信号变化的机制,如改变粒子的磁化斜率或磁 滞。利用附加的线圈加热磁颗粒来诊断和治疗的 高热装置已于2016年问世,应用MPI的磁热疗将 成为MPI相关医学应用上的重要体现。 目前,磁纳米颗粒的一个重要的应用领域即磁 纳米颗粒成像。自从MPI被发明以来,科学家们致 力于发展提高其分辨率和灵敏度。在大部分研究 工作中,使用的MP1分辨率已达到1~5 mm。尽管 磁纳米颗粒成像的分辨率随颗粒的增大而增大,但 相应也会增加纳米颗粒的弛豫效应,因而造成成像 的模糊。为了达到能与MRI或CT竞争的空间分辨 拓扑结构设计除了追求分辨率和灵敏度比如提高 选择场梯度,将MPI扫描器的尺寸提高到满足人体 的要求也是研究趋势之一。对比核磁共振成像, MPI的扫描器可以从临床前小鼠尺寸扩大到人体适 用的尺寸。2008年,Gleich等展示的扫描仪有 32 mm的孔径 ,到2010年他们展示的扫描仪原 型的孔径能达到12 cm 。以人的尺寸设计的梯度 场肯定是可行的。例如,市售的3T的MRI扫描仪 外面的孔具有7.2 T/m的最大空间梯度。发展和扩 大针对基于人体的大小的扫描仪的MPI技术需要 解决诸如安全、功耗、图像重建的时间和造影剂生 产的问题。为了得到较大的激励磁场的需要由输 出功率较大的功率放大器去驱动线圈,为了使背景 场得到较高的梯度需要功率较大的电源。若采用 麦克斯韦线圈对达到1.3 T/m的梯度需要功率大约 900 W的直流电源,如果更大的磁场梯度即需要更 大的功率。研究表明若考虑安全因素,在交变磁场 频率为25 kHz的情况下约20 mT的磁场对于适用 人体的装置来说太高了。许多研究小组正在开发 一些临床前成像扫描仪。2011—2015年间飞利浦 公司的团队一直致力于第一款人类MPI扫描仪,并 在2016年的IWMPI会议上进行了展示。相关临床 前成像扫描仪的实现反过来可以让专家进一步深 入探究MPI潜在的医学应用。 关于磁纳米颗粒图像重建方法,其研究目标在 于追求高的信噪比和短的采集时间。Kaczmarz算 法作为一种重要的代数重建技术由于其快速的收 敛性和易于实现的优点,它可以被视为解决有关 MPI系统矩阵的重建方法的黄金方法。代数的图像 重建方法的局限在于储存系统矩阵的内存需求,比 如一个三维的MPI包含32 个位置,所有测量频率 的系统矩阵需要大约20 GB,故可以进一步考虑将 问题转化为稀疏矩阵进行压缩。 目前国外已有两家的厂商(Bruker Biospin MRI GmbH 2014,Magnetic Insight,Inc.2017)生产 出有商业化的临床MPI装置,而国内对MPI技术的 35O 中 国生物 医学工程学报 37卷 研究几乎还处于空白阶段。磁纳米颗粒的检测缺 少形态学的信息,使得其成像对真实器官结构的氧 化铁颗粒的空间分布的确定变得困难,所以有人提 出将MRI(或者其他影像手段)和MPI相结合实现 多模态成像。在未来也许会建立类似于PET/CT和 PET/MRI的MPI/MRI的混合系统,在相邻的空间 内有两种模态的影像。不过如果将MPI运用到需 要高的实时分辨率的应用上,比如呼吸和心跳上就 会存在问题,因为静态的背景图像只是真实背景的 近似。所以混合MRI/MPI的扫描器所面临的挑战 在于在MRI背景数据的基础上还要考虑MPI动态 数据,从而设计出相应的解决方案。 参考文献 Singh R,Lillard JW.Nanoparticle-based targeted drug delivery [J].Experimental and Molecular Pathology,2009,86(3): 215—223. 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