磁粒子成像，未来能否与磁共振平分天下？

磁粒子成像(Magnetic Particle Imaging,MPI)是一种全新的定量功能性成像技术,其利用了注入血流中的纳米颗粒示踪剂的磁性质,能够生成动脉血流和体积心脏运动的实时三维图像。

2001年,德国汉堡飞利浦实验室科学家B． Gleich首次提出MPI的概念。

2005年,B． Gleich和另一位科学家 J． Weizenecker研制成功了首台MPI设备,其可行性论证于当年在《自然》杂志上首次发表。

MPI可以直接检测到机体内任何时间和空间的纳米颗粒示踪剂,满足临床对安全、快速的三维血管造影技术的需求,帮助研究人员从器官、细胞和分子层面深入认识病程。

MPI具有高空间分辨率和高时间分辨率的优点。由于成像不显示解剖结构和背景组织,不产生干扰信号,因此示踪剂分布图像具有高对比度。同时,MPI 成像时不存在电离辐射,也无需使用毒性示踪剂,因为MPI的示踪剂由超顺磁氧化铁(SPIO)制成,相比用于CT的碘和用于磁共振的钆,SPIO要安全得多。

▲ 图1 各种影像诊断技术对比图

虽然全球目前只有用于小型动物的MPI设备上市,但MPI正处于快速发展时期,与20世纪80年代早期MRI的发展阶段类似。这种新的成像方式对医学科研及临床工作者都有着巨大的吸引力。

本文介绍了MPI工作原理、MPI与MRI的区别以及MPI设备制造商。

MPI工作原理

MPI成像需要使用示踪剂,只有示踪剂存在于成像区域才能产生信号。常用的示踪剂是氧化铁磁性纳米粒子(Fe3O4),也称为超顺磁性氧化铁(SuperParamagnetic Iron Oxide,SPIO)纳米粒子。示踪剂SPIO的性质很大程度上决定了MPI的图像质量。

由于机体内正常情况下不会存在示踪剂,因此MPI图像具有极佳的对比度和高灵敏度,使我们能够看到活的有机体中细胞(细胞跟踪)、血液(灌注)和其他功能系统(靶向、药物传递系统)中的示踪剂。

磁粒子成像利用磁力学独特的几何结构创建一个磁场自由区(Field Free Region,FFR),类似于将两块磁铁放在一起时的情况。由敏感点控制纳米颗粒的方向。这与MRI的物理原理截然不同,MRI的图像是由均匀的磁场产生的。

快速移动FFR会使得SPIO纳米颗粒的磁性方位发生翻转,从而在接收线圈中产生信号。因为我们始终知道敏感点在哪里,所以我们可以将信号分配到已知位置,产生定量的MPI图像。

MPI的性能、分辨率和灵敏度主要受纳米颗粒的影响。使用更好的或特定的SPIO可以提高设备的分辨率和/或灵敏度。

▲图2 利用MPI设备,一条灵敏磁场自由线(FFL)在整个样品上光栅化,用于绘制纳米粒子的分布图。

▲图3 扫描后,生成三维断层图像,可在肝脏和脾脏中检测到MPI信号(热铁色)。

MPI vs． MRI

▲ 图4 MRI的场强结构:使用弱梯度(mT)和强场强(T)创建一个均匀的场来生成图像。

▲ 图5 MPI的场强结构:两个相互指向的强磁体产生一个磁场梯度,中心是FFR。然后将FFR在样本中快速移动,利用强梯度(T)和弱场强(mT)来生成图像。