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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中的非線性磁化特性，可視化被測物內(nèi)的示蹤劑質(zhì)量分數(shù)，從而檢測磁性納米粒子示蹤劑的空間分布。由于MPI的信號直接來自于可視范圍內(nèi)的示蹤劑質(zhì)量分數(shù)，可以獲得納摩爾級檢測靈敏度，以及亞毫米級的成像分辨率，因此近年來得到廣泛的關(guān)注，并應用于細胞跟蹤、血管造影以及炎癥成像等領(lǐng)域。

MPI由德國科學家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，成像實驗初步證實了MPI成像的可行性。并在2009年首次實現(xiàn)體內(nèi)MPI掃描，對搏動的小鼠心臟進行三維實時掃描成像。

近幾年，MPI的相關(guān)研究工作取得了飛速發(fā)展。飛利浦實驗室研究團隊提出了一種新的零磁場方案，通過利用線型零磁場（Field-Free Line, FFL）來提高MPI的靈敏度。Lübeck大學的研究團隊引入了第一個可行的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，進一步提高FFL線圈幾何的效率。日本Kyushu大學的研究團隊開發(fā)了一種檢測3次諧波的高靈敏度線型零磁場MPI系統(tǒng)，檢測到在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)定且較大的磁場梯度，但限制了成像目標的體積大小，造成測量上的局限性。同時，由于MPI技術(shù)是利用磁性納米粒子在零磁場下的獨特響應來進行成像，使用基于系統(tǒng)矩陣的方法進行重建，僅零磁場附近的粒子可以發(fā)出特征信號。因此具有高靈敏度和高成像速度的線型零磁場的掃描方式成為首選。同時成像分辨率與零磁場的梯度強度直接相關(guān)。因此，利用開放式成像空間結(jié)構(gòu)構(gòu)造線型零磁場，即對復雜磁場的設(shè)計，尤其是零磁場的精細設(shè)計對MPI成像具有重要意義。

針對現(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)大學電氣工程學院的研究人員利用高靈敏度的線型零磁場，提出了一種基于開放式線型零磁場設(shè)計的MPI方法，實現(xiàn)了高成像分辨率的線型零磁場掃描成像方法。

研究人員設(shè)計了一種開放式線圈結(jié)構(gòu)的線型零磁場，通過改進線圈形狀及布置結(jié)構(gòu)的方法構(gòu)建零磁場線圈布置結(jié)構(gòu)，提高零磁場的均勻性，并設(shè)計相應的電場驅(qū)動方式實現(xiàn)MPI線圈結(jié)構(gòu)的成像區(qū)域磁場掃描，控制輸入電流的幅度，實現(xiàn)線型零磁場的平移掃描。同時，進行有限元仿真分析研究，確定實現(xiàn)高精度的線型零磁場所需的電流驅(qū)動方式，詳細分析其磁場分布、磁場均勻性及線型零磁場的分辨率，實現(xiàn)高分辨率的平面二維掃描成像方法。

圖1 磁場分布仿真計算結(jié)果

圖2 圖像掃描重建過程

圖3 磁性粒子質(zhì)量分數(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，要實現(xiàn)亞毫米級分辨率，理論上所需的磁場梯度要大于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，減小了對被測目標體積的限制，進而擴大了成像面積。
• 2）采用線型零磁場的方式，與零磁場點相比，不僅提高了成像分辨率，也在一定程度上加快了成像速度，同時確保了線型零磁場良好的均勻性。
• 3）針對平移掃描方式，利用數(shù)值計算及仿真兩種方式對平移距離與驅(qū)動電流的關(guān)系進行分析，其兩種計算方式結(jié)果相同，平移距離與驅(qū)動電流呈正比關(guān)系，因此通過對驅(qū)動電流的控制，可以實現(xiàn)MPI的等距平掃。
• 4）采用這種設(shè)計方法后，其理論的成像分辨率可小于亞毫米級分辨率。最后重建的圖像分辨率為0.1mm×0.1mm，成像區(qū)域為17mm×17mm，通過橫向掃描與縱向掃描疊加的方式，可以實現(xiàn)基于開放式線型零磁場的高成像分辨率掃描成像。理論證明了開放式線型零磁場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)學報》，論文標題為“磁性粒子成像線型零磁場設(shè)計及性能分析”，作者為劉洋洋、杜強、柯麗、祖婉妮。