- 頭條一種磁動力超聲成像的新方法，可顯著提高癌癥檢測能力2020-09-30 作者：張帥、李子秀、張雪瑩、趙明康、徐桂芝 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室（河北工業大學電氣工程學院）、河北省電磁場與電器可靠性重點實驗室（河北工業大學電氣工程學院）的研究人員張帥、李子秀、張雪瑩、趙明康、徐桂芝，在2019年第16期《電工技術學報》上撰文指出（論文標題為“基于時間反演的磁動力超聲成像仿真與實驗”），磁性納米顆粒可以與腫瘤進行特異性結合，對腫瘤的早期診斷或特異性診斷具有重要意義和潛在應用前景。 該文研究一種基于時間反演的磁動力超聲成像方法，該方法利用時變磁場在標記了磁性納米粒子生物組織內產生的磁動力誘發超聲信號，并重建出納米粒子分布圖像。利用有限元法建立不同半徑的納米粒子標記生物組織模型，對模型進行仿真計算，獲取磁動力超聲的聲壓信號，并采用時間反演方法進行納米粒子分布重建。制作納米粒子標記的生物組織仿體模型和離體生物組織樣本，進行了磁動力超聲成像實驗。 仿真與實驗結果表明：納米粒子分布圖像邊界與標記生物組織的納米粒子邊界一致性較高，該成像方法能快速準確地獲得成像目標的尺寸和位置信息，表明該成像方法的有效性，有望用于磁性納米標記生物組織的分子成像。
癌癥是全球的主要公共衛生問題，占全球死亡率的13%，是工業化國家的第二大死因。癌癥嚴重地影響了病人的身體健康和生活質量，因此國內外的專家不斷探索攻克癌癥的方法，但情況仍不容樂觀。目前腫瘤的診斷方法主要包括影像學檢查和病理學檢驗。
其中，影像學檢查主要有X射線、CT、磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）、正電子發射成像（Positron Emission Tomography, PET）、超聲等。以上幾種影像學檢查方法在腫瘤的診斷方面起到了非常重要的作用，但這些傳統的腫瘤檢測方法需要腫瘤形成到一定尺寸才能檢測到，大多數患者在被確診時腫瘤細胞已發生浸潤和轉移，錯過了最佳治療時機。因此探尋癌癥早期檢測的新方法成為亟待解決的問題。
磁性納米顆粒作為一種新型納米材料，在生物醫學生物工程等方面具有廣闊的應用前景。磁性納米粒子具有特殊的磁導向性，在納米磁性分離、靶向給藥、靶向基因治療、磁共振成像顯影劑和磁熱療法治療腫瘤等方面得到了應用。近年來，與特異性抗體結合的磁性納米顆粒用于腫瘤的檢測也被世界廣泛關注。
Norton S. J. 和Vodinh T. 提出磁性納米粒子超聲成像，發現磁性納米顆粒被引入身體后可與抗體標記的靶向腫瘤細胞結合，從而對腫瘤進行檢測。Mohammad Mehrmohammadi等提出了脈沖磁動力超聲成像方法。該方法施加外部高強度脈沖磁場以在磁標記組織內引起運動，用超聲檢測誘發的組織內部運動，實驗證明脈沖磁動力超聲成像方法具有較高的靈敏度。Qu Min等研究了雙對比度納米粒子的磁光聲成像，對裸鼠的皮下腫瘤進行了實驗，實現了體內腫瘤的高靈敏度和高特異性檢測。
Tsalach A. 等應用納米粒子磁聲信號研究了單個腫瘤模型的定位算法，為臨床醫生提供必要的腫瘤位置數據，以方便進行順序活體檢測。Yoon Ki You等研究了氧化鐵納米粒子簇，磁化強度增強的氧化鐵納米粒子簇能增強磁特性，從而使脈沖磁動力超聲成像信號強度顯著增加。張帥等研究了基于真實乳腺模型的融合電阻抗成像和超聲成像的多物理場成像技術。Leo Mariappan等研究了一種磁聲層析成像方法，利用短脈沖磁場激勵標記磁性納米粒子的生物組織，誘發超聲信號，形成具有高分辨率的納米粒子分布圖像，并對裸鼠的下肢皮下LNCaP腫瘤進行活體在體成像。
此外，在時變磁場的研究方面也取得了重大成就，黃欣、劉國強等設計了脈沖激勵磁場，研究線圈激勵為時變電流時，空間磁通密度的分布，給出了磁通密度及變化規律曲線，并在實驗中進行了驗證。牛宗濤等研究重復頻率微秒脈沖電源對滑動放電特性的影響，采用重復頻率微秒脈沖電源，通過改變電源的脈沖重復頻率進行了實驗研究。Hu Gang和He Bin研究微秒脈沖磁刺激下，標記磁性納米粒子生物組織的磁聲成像實驗，利用反投影法重建納米粒子分布，提高成像的靈敏度和分辨率。Mohammad M. 等驗證了聚焦、高強度脈沖磁場激勵下，磁動力超聲成像不僅能檢測磁性納米粒子的存在，還能實時地提供細胞內納米粒子的累積信息；并應用高靈敏度的脈沖磁場激勵標記納米粒子的活裸鼠腫瘤，基于磁動力超聲成像對標記的氧化物納米粒子進行分布重建，得到高對比度圖像。
超聲波成像技術空間分辨率較高，磁動力超聲成像將納米粒子與超聲波成像相結合，是一種具有非侵入性的方法。本文針對磁動力超聲成像進行深入系統的研究，提出一種時間反演方法，用于納米粒子分布重建。已有關于磁動力的成像方法的文獻報道中，大多施加連續的交變磁場、毫秒級脈沖磁場，本文中采用微秒級脈沖電流激勵亥姆霍茲線圈產生時變磁場，以期獲得更高的分辨率，并重點考察成像目標半徑對磁動力超聲成像仿真與實驗過程中聲壓和納米粒子分布的影響。
本文利用有限元法構建不同半徑的納米粒子標記生物組織模型，對納米粒子磁動力超聲成像進行仿真分析，得到納米粒子標記生物組織模型的聲壓曲線，采用時間反演法重建出納米粒子分布。并根據磁動力超聲成像原理，構建磁動力超聲成像實驗平臺，基于不同半徑的納米粒子標記生物組織仿體模型和離體生物組織樣本進行實驗研究。本文的研究工作有助于探索磁動力超聲成像方法的性能，推動該技術向臨床應用更進一步。
圖6 磁動力超聲成像平臺示意圖
總結
本文采用理論分析、數值模擬和實驗研究相結合的方法進行研究，分析了納米粒子受力情況，研究了磁動力聲源發生機理，探討了磁性納米分布成像機理，對不同半徑的納米粒子標記生物組織模型進行了仿真，獲得了聲壓仿真曲線，應用時間反演算法根據得到的聲壓數據重建出納米粒子分布。并利用磁動力超聲成像平臺進行基于仿體模型和離體生物組織樣本的成像實驗，測得超聲信號，重建出不同半徑納米粒子標記仿體模型和離體生物組織樣本的納米粒子分布。
仿真與實驗結果表明，標記納米粒子的成像目標半徑的改變，對聲壓波形及納米粒子分布圖像均有影響，隨著成像目標半徑變大，納米粒子數目越多，受到的磁動力越大，聲壓信號的峰值出現的時間間隔也越大，重建的納米粒子分布圖像越清晰、位置越準確。由聲壓波形及納米粒子分布圖像可以清晰地分辨出標記納米粒子的成像目標的尺寸大小和所在位置，為下一步進行納米粒子磁動超聲成像的臨床研究創造了良好條件。
本文提出的基于時間反演的磁動力超聲成像方法可以獲得標記生物組織的納米粒子的邊界圖像，并且具有良好的成像分辨率，能快速準確地獲得腫瘤目標的尺寸和相對位置。這種方法很大程度上提高了現有的腫瘤檢測能力，提高了成像手段的靈敏性和特異性，有助于發展高靈敏度高分辨率的成像系統，可以提供體內磁性納米粒子的分布圖像。同時有助于推動磁動力超聲成像向細胞成像和分子成像水平發展，將納米粒子磁動力超聲技術向臨床應用推進一步。
