- 頭條磁性粒子成像線型零磁場設計及性能分析2021-05-27 作者：劉洋洋 杜強 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語磁性粒子成像是一種具有高成像分辨率的示蹤劑成像技術。針對現階段成像系統的開放式掃描難題，可利用高靈敏度的線型零磁場，實現高分辨率的二維掃描成像方法。 沈陽工業大學電氣工程學院的研究人員劉洋洋、杜強、柯麗、祖婉妮，在2020年第10期《電工技術學報》上撰文，設計了一種具有開放式線圈結構的線型零磁場，利用梯度靜磁場構造線型零磁場以確定示蹤劑的位置，在均勻交變磁場實現線型零磁場的平移掃描。 實驗結果表明，開放式線圈結構所構成的線型零磁場在1.316T/m的梯度磁場中，可以實現在成像區域為17mm×17mm內的磁性納米粒子示蹤劑的高分辨率成像，其分辨率可達亞毫米級，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。
磁性粒子成像（Magnetic Particle Imaging, MPI）是一種新型示蹤劑成像技術，利用磁性納米粒子示蹤劑在零磁場中的非線性磁化特性，可視化被測物內的示蹤劑質量分數，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的示蹤劑質量分數，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注，并應用于細胞跟蹤、血管造影以及炎癥成像等領域。
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年首次實現體內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的相關研究工作取得了飛速發展。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，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了一種檢測3次諧波的高靈敏度線型零磁場MPI系統，檢測到在50mm距離處1μg的磁性納米粒子。
但現階段的MPI系統以封閉式結構居多，封閉式系統雖能產生較穩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，使用基于系統矩陣的方法進行重建，僅零磁場附近的粒子可以發出特征信號。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。因此，利用開放式成像空間結構構造線型零磁場，即對復雜磁場的設計，尤其是零磁場的精細設計對MPI成像具有重要意義。
針對現階段成像系統的開放式掃描結構問題，沈陽工業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計的MPI方法，實現了高成像分辨率的線型零磁場掃描成像方法。
研究人員設計了一種開放式線圈結構的線型零磁場，通過改進線圈形狀及布置結構的方法構建零磁場線圈布置結構，提高零磁場的均勻性，并設計相應的電場驅動方式實現MPI線圈結構的成像區域磁場掃描，控制輸入電流的幅度，實現線型零磁場的平移掃描。同時，進行有限元仿真分析研究，確定實現高精度的線型零磁場所需的電流驅動方式，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果
圖2 圖像掃描重建過程
圖3 磁性粒子質量分數模型及其二維成像
研究人員最后得出具體結論如下：
- 1）在MPI中，要實現亞毫米級分辨率，理論上所需的磁場梯度要大于1.093T/m。根據該精度要求，本文采用開放式線圈結構，與封閉式結構相比，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，利用數值計算及仿真兩種方式對平移距離與驅動電流的關系進行分析，其兩種計算方式結果相同，平移距離與驅動電流呈正比關系，因此通過對驅動電流的控制，可以實現MPI的等距平掃。
- 4）采用這種設計方法后，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，成像區域為17mm×17mm，通過橫向掃描與縱向掃描疊加的方式，可以實現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。
以上研究成果發表在2020年第10期《電工技術學報》，論文標題為“磁性粒子成像線型零磁場設計及性能分析”，作者為劉洋洋、杜強、柯麗、祖婉妮。
