一种磁性粒子成像的微创成像和传感方法及其植入式生物电子电路
基于磁性粒子成像的微创成像和传感方法及其植入式电子电路的应用
学术背景
在现代医学中，微创和生物相容性的植入式生物电子电路被广泛用于长期监控体内的生理过程。然而，这些设备在体内成像和同时提取传感器信息的方法依旧稀缺且成本高。磁性粒子成像（Magnetic Particle Imaging，MPI）因其零背景信号、高对比度、高灵敏度和定量成像能力，成为解决这一问题的理想选择。与增大组织深度而不被吸收的磁信号不同，MPI不涉及辐射剂量，提供了安全有效的成像途径。
论文来源
这篇论文题为“基于磁性粒子成像的微创成像和传感方法及其植入式电子电路的应用”，由Zhiwei Tay, Han-Joon Kim, John S. Ho和Malini Olivo等作者完成。论文发表在2024年5月的IEEE Transactions on Medical Imaging期刊上。
研究内容简介
a) 研究流程
研究对象和设备改造
研究通过将常见的植入设备进行改造，将超顺磁性氧化铁纳米颗粒（superparamagnetic iron oxide nanoparticles，SPIOs）封装并磁耦合到设备电路中，使其可被MPI成像。这些改造后的植入设备不仅提供了空间信息，还能通过调制谐波信号从磁性纳米颗粒中传输传感器信息。
实验设计和测试方法
论文提出了一种优化的MPI成像技术，通过包装和磁耦合SPIOs到设备电路上，使之在MPI中进行成像，并使用手持MPI阅读器传输传感器信息。这些信息通过磁性粒子谱中的编码传输，比如通过切换或频移电阻/电容传感器来调制谐波信号。
具体流程包括：
- 耦合提取MPI信号：通过电路传感器调制SPIO纳米颗粒的激发振幅变化来提取传感器信号。
- 建立3D成像理论：使用手持MPI阅读器提供的位置和传感器读数信息，通过坐标和传感器信号来重建3D位置。
算法和数据分析方法
使用系统矩阵或x-space方法记录并重建MPI信号。关键算法包括利用Lissajous轨迹生成非线性磁化响应信号，在视野范围内进行3D成像。
b) 主要结果
耦合与信号提取：通过调制由电路传感器传送的输入磁场强度，调制SPIO纳米颗粒的振幅，从而获得高灵敏度的传感器信号。
3D成像及信号位置重建：本文提出的角度修正策略也能定位植入设备的3D坐标，在一定的实验条件下，距离7cm深度内的多层组织依然可以成像，并精确提供生物传感数据。
不同传感器应用测试：结合NTC热敏电阻和薄膜压力传感器，实际验证了温度和压力等多种传感器的可行性和准确度（如温度读数误差±0.2°C，力读数误差1-3%）。
c) 结论
该研究证明了MPI技术结合植入式电路，能够实现空间信息与传感器数据的结合成像，为微创生物医学与诊断开创新的应用前景。研究结果显示，利用MPI的无背景信号和高效传感机制，使其在诊断和治疗等方面具有巨大潜力。例如诸如移动式胃肠道传感器、术后深部手术监测等实际临床应用。
d) 研究亮点
- 重要发现：研究展示了如何通过MPI结合植入式电子设备实现同时获取空间信息和传感器数据。
- 方法新颖性：开发了一种将SPIOs封装到电路中、并利用手持设备进行成像和数据传输的新方法。
- 应用广泛性：展示了用MPI成像来监控移动植入物或检测深部组织环境变化（如发炎、感染等）的可能性。
e) 其他重要信息
由于其无辐射、安全高效的成像特性，MPI有望在未来跨领域拓展其应用范围。然而，当前研究的局限性也表明，尚需改善成像深度，并进一步优化电路设计来减少传感器电流的热效应等问题。未来的工作将专注于这些方向，以实现更广泛的临床应用。
研究价值
这项研究通过将现代信息技术与医学成像技术结合起来，为实现非侵入性、远程、生理参数精准监控打开了大门。此创新方法在癌症治疗监控、术后康复和慢性病诊断等多个领域具有重大的潜在应用价值。通过进一步的开发和研究，基于MPI的技术有望成为下一代医疗成像和监控系统的重要组成部分。