空间特异性混合激励技术用于磁粒子成像高信噪比空间编码
空间特异性混合激励技术用于磁粒子成像高信噪比空间编码
背景介绍
磁性粒子成像（Magnetic Particle Imaging，MPI）作为一种新兴的无辐射示踪成像技术，通过可视化超顺磁性氧化铁纳米颗粒（Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles，SPIOs）的空间分布，实现高灵敏度的量化成像。与光学成像不同，MPI在成像深度上没有限制，可以直接量化 SPIOs 而不受组织背景信号的干扰。尽管如此，常规的MPI 空间编码方法依赖于固定梯度强度的梯度磁场，生成无场点（Field-Free Point，FFP）或无场线（Field-Free Line，FFL）进行空间扫描。然而，增加梯度强度虽然可以提高理论空间分辨率，却也会导致成像系统的信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）和灵敏度下降。
MPI 在癌症检测、血管异常监测等前临床应用中展现了巨大的潜力，但其在空间分辨率和灵敏度之间的平衡问题一直是一个技术挑战。为了在不增加硬件复杂度的前提下，解决这一技术难题，北京航空航天大学的Yanjun Liu、Guanghui Li、Jiaqian Li、Zhenchao Tang、Yu An和Jie Tian等研究人员提出了一种新颖的空间专用混合激励（Space-Specific Mixing Excitation，SSME）技术。
论文来源
该研究论文由Yanjun Liu、Guanghui Li等人撰写，研究团队隶属于北京航空航天大学工医学院和生物科学与医学工程学院，并且与中国工业和信息化部大数据精准医学重点实验室（北京航空航天大学）合作。论文已被IEEE Transactions on Biomedical Engineering 接受，并将在2024年正式出版。
研究的详细过程
工作流程
研究对象与实验设备
研究团队使用一台自制的MPI扫描仪进行了验证实验，这台鼠标大小的MPI扫描仪配备了双通道接收器，孔径为30毫米，X-Y平面的二维视野（Field of View，FOV）为20×20毫米²。为了实现快速多维空间编码，该设备用SSME技术，通过交变梯度磁场（Oscillating Gradient Field，OGF）生成一个动态缩放的无场区域（Elastic Field-Free Region，EFFR）。
空间专用混合激励（SSME）
SSME 技术引入了双频激励磁场和非均匀场强，使得每个位置的磁性粒子生成独特的互调响应。这种激励策略主要依赖于 EFFR 在空间中的收缩和扩展，而与FFP的运动轨迹无关。通过多通道采集和基于系统矩阵的重建，可实现快速多维的高 SNR 影像。
研究方法与步骤
研究首先介绍了SSME理论和概念，并对SSME-MPI的二维系统功能进行了模拟分析。实验过程包括测试对象中的人体模型、颗粒和幽灵成像实验。系统矩阵校准完成后，通过基于 Kaczmarz 算法的重建方法生成影像，进一步对比了 SSME 模式和传统 MPI 的系统函数，评估了其空间分辨率、灵敏度和成像性能。
主要结果
系统函数对比分析：
- SSME 模式下，典型的一维系统函数显示了能量分布和各频率成分的空间结构。相较于 SGF 模式，SSME 模式下的谐波 SNR 明显提高，特别是在高频成分中，SSME 模式的谐波 SNR 增益可达 20 dB。
二维幽灵成像实验：
- 使用间距的双点源幽灵进行实验显示，SSME 模式在 1 mm 间距下有效区分，而 SGF 模式则无法做到。在 Y 方向上，SSME 模式也有效地分辨出两目标。
灵敏度评估：
- 通过一系列不同铁含量的粒子样本测试，确定了SSME-MPI 的检测下限（Limit of Detection，LOD）为 64 ng，相较于 SGF 模式（231 ng）有显著提高。成像结果显示铁含量达到 850 ng 的样本可准确重建。
体内成像实验：
- 小鼠体内实验验证了 SSME-MPI 在检测肿瘤位置和数量方面的高灵敏度及可行性。尤其在 FOV 边缘肿瘤的检测中，传统 MPI 受到限制，而 SSME-MPI 成功实现了高质量成像。
总结与意义
通过对体内和幽灵实验结果的深入分析，本研究提出的 SSME 技术在提高MPI 的 SNR 和灵敏度方面表现出显著优势，并在不增加硬件复杂度的前提下，实现了 1 mm 的空间分辨率。这为解决MPI 在空间分辨率和灵敏度之间平衡的问题提供了有效的解决方案，有潜力在更广泛的医学应用中推广。未来的研究方向之一是将 SSME 与现有 MPI 硬件配置结合，以进一步优化整体成像性能并降低系统复杂度和成本。
这些研究结果表明 SSME 技术不仅在技术上实现了创新突破，亦为生物医学影像技术的进一步发展提供了新的思路和方法。