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磁性粒子成像（Magnetic Particle Imaging, MPI）是一種新型示蹤劑成像技術(shù)，利用磁性納米粒子示蹤劑在零磁場(chǎng)中的非線性磁化特性，可視化被測(cè)物內(nèi)的示蹤劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，從而檢測(cè)磁性納米粒子示蹤劑的空間分布。由于MPI的信號(hào)直接來自于可視范圍內(nèi)的示蹤劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，可以獲得納摩爾級(jí)檢測(cè)靈敏度，以及亞毫米級(jí)的成像分辨率，因此近年來得到廣泛的關(guān)注，并應(yīng)用于細(xì)胞跟蹤、血管造影以及炎癥成像等領(lǐng)域。

MPI由德國科學(xué)家Bernhard Gleich和Jürgen Weizenecker教授首次提出，于2005年在《Nature》上發(fā)表了一篇文章，成像實(shí)驗(yàn)初步證實(shí)了MPI成像的可行性。并在2009年首次實(shí)現(xiàn)體內(nèi)MPI掃描，對(duì)搏動(dòng)的小鼠心臟進(jìn)行三維實(shí)時(shí)掃描成像。

近幾年，MPI的相關(guān)研究工作取得了飛速發(fā)展。飛利浦實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)提出了一種新的零磁場(chǎng)方案，通過利用線型零磁場(chǎng)（Field-Free Line, FFL）來提高M(jìn)PI的靈敏度。Lübeck大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)引入了第一個(gè)可行的FFL線圈布置系統(tǒng)，并引入了基于FFL掃描方式的圖像重建算法，進(jìn)一步提高FFL線圈幾何的效率。日本Kyushu大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種檢測(cè)3次諧波的高靈敏度線型零磁場(chǎng)MPI系統(tǒng)，檢測(cè)到在50mm距離處1μg的磁性納米粒子。

但現(xiàn)階段的MPI系統(tǒng)以封閉式結(jié)構(gòu)居多，封閉式系統(tǒng)雖能產(chǎn)生較穩(wěn)定且較大的磁場(chǎng)梯度，但限制了成像目標(biāo)的體積大小，造成測(cè)量上的局限性。同時(shí)，由于MPI技術(shù)是利用磁性納米粒子在零磁場(chǎng)下的獨(dú)特響應(yīng)來進(jìn)行成像，使用基于系統(tǒng)矩陣的方法進(jìn)行重建，僅零磁場(chǎng)附近的粒子可以發(fā)出特征信號(hào)。因此具有高靈敏度和高成像速度的線型零磁場(chǎng)的掃描方式成為首選。同時(shí)成像分辨率與零磁場(chǎng)的梯度強(qiáng)度直接相關(guān)。因此，利用開放式成像空間結(jié)構(gòu)構(gòu)造線型零磁場(chǎng)，即對(duì)復(fù)雜磁場(chǎng)的設(shè)計(jì)，尤其是零磁場(chǎng)的精細(xì)設(shè)計(jì)對(duì)MPI成像具有重要意義。

針對(duì)現(xiàn)階段成像系統(tǒng)的開放式掃描結(jié)構(gòu)問題，沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員利用高靈敏度的線型零磁場(chǎng)，提出了一種基于開放式線型零磁場(chǎng)設(shè)計(jì)的MPI方法，實(shí)現(xiàn)了高成像分辨率的線型零磁場(chǎng)掃描成像方法。

研究人員設(shè)計(jì)了一種開放式線圈結(jié)構(gòu)的線型零磁場(chǎng)，通過改進(jìn)線圈形狀及布置結(jié)構(gòu)的方法構(gòu)建零磁場(chǎng)線圈布置結(jié)構(gòu)，提高零磁場(chǎng)的均勻性，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)MPI線圈結(jié)構(gòu)的成像區(qū)域磁場(chǎng)掃描，控制輸入電流的幅度，實(shí)現(xiàn)線型零磁場(chǎng)的平移掃描。同時(shí)，進(jìn)行有限元仿真分析研究，確定實(shí)現(xiàn)高精度的線型零磁場(chǎng)所需的電流驅(qū)動(dòng)方式，詳細(xì)分析其磁場(chǎng)分布、磁場(chǎng)均勻性及線型零磁場(chǎng)的分辨率，實(shí)現(xiàn)高分辨率的平面二維掃描成像方法。

圖1 磁場(chǎng)分布仿真計(jì)算結(jié)果

圖2 圖像掃描重建過程

圖3 磁性粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)模型及其二維成像

研究人員最后得出具體結(jié)論如下：

• 1）在MPI中，要實(shí)現(xiàn)亞毫米級(jí)分辨率，理論上所需的磁場(chǎng)梯度要大于1.093T/m。根據(jù)該精度要求，本文采用開放式線圈結(jié)構(gòu)，與封閉式結(jié)構(gòu)相比，在增加舒適度的同時(shí)，減小了對(duì)被測(cè)目標(biāo)體積的限制，進(jìn)而擴(kuò)大了成像面積。
• 2）采用線型零磁場(chǎng)的方式，與零磁場(chǎng)點(diǎn)相比，不僅提高了成像分辨率，也在一定程度上加快了成像速度，同時(shí)確保了線型零磁場(chǎng)良好的均勻性。
• 3）針對(duì)平移掃描方式，利用數(shù)值計(jì)算及仿真兩種方式對(duì)平移距離與驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系進(jìn)行分析，其兩種計(jì)算方式結(jié)果相同，平移距離與驅(qū)動(dòng)電流呈正比關(guān)系，因此通過對(duì)驅(qū)動(dòng)電流的控制，可以實(shí)現(xiàn)MPI的等距平掃。
• 4）采用這種設(shè)計(jì)方法后，其理論的成像分辨率可小于亞毫米級(jí)分辨率。最后重建的圖像分辨率為0.1mm×0.1mm，成像區(qū)域?yàn)?7mm×17mm，通過橫向掃描與縱向掃描疊加的方式，可以實(shí)現(xiàn)基于開放式線型零磁場(chǎng)的高成像分辨率掃描成像。理論證明了開放式線型零磁場(chǎng)掃描方式用于磁性粒子成像的可行性。

以上研究成果發(fā)表在2020年第10期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“磁性粒子成像線型零磁場(chǎng)設(shè)計(jì)及性能分析”，作者為劉洋洋、杜強(qiáng)、柯麗、祖婉妮。