空間特異性混合励起技術を用いた磁性粒子イメージングの高信号対雑音比空間エンコード

背景紹介

磁性粒子イメージング（Magnetic Particle Imaging、MPI）は、新興の無放射線トレーサーイメージング技術として、超常磁性酸化鉄ナノ粒子（Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles、SPIOs）の空間分布を可視化することにより、高感度の定量イメージングを実現します。光学イメージングとは異なり、MPIはイメージング深度に制限がなく、組織のバックグラウンド信号に影響されずに直接SPIOsを定量化できます。しかし、従来のMPI空間エンコード方法は、固定された勾配強度の勾配磁場に依存し、無場点（Field-Free Point、FFP）または無場線（Field-Free Line、FFL）を生成して空間スキャンを行います。勾配強度を上げることで理論的な空間分解能は向上しますが、イメージングシステムの信号対雑音比（Signal-to-Noise Ratio、SNR）および感度が低下することにつながります。

MPIは、がん検出、血管異常監視などの臨床前応用において大きな可能性を示していますが、空間分解能と感度の間のバランス問題は技術的な課題となっています。ハードウェアの複雑さを増すことなくこの技術的な問題を解決するために、北京航空航天大学のYanjun Liu、Guanghui Li、Jiaqian Li、Zhenchao Tang、Yu AnおよびJie Tianらの研究者は、新しい空間専用混合励起（Space-Specific Mixing Excitation、SSME）技術を提案しました。

論文の出典

この研究論文は、Yanjun Liu、Guanghui Liらによって書かれ、研究チームは北京航空航天大学の工学部および生物科学・医学工学学院に所属し、中国工業情報化部のビッグデータ精密医学重点実験室（北京航空航天大学）と協力しています。論文はIEEE Transactions on Biomedical Engineering に受理され、2024年に正式に出版される予定です。

研究の詳細な過程

ワークフロー

研究対象および実験機器

研究チームは自作のMPIスキャナーを使用して検証実験を行いました。このマウスサイズのMPIスキャナーは、双方向受信機を備え、開口径は30ミリメートルで、X-Y平面の二次元視野（Field of View、FOV）は20×20ミリメートル²です。高速多次元空間エンコードを実現するため、この装置はSSME技術を用い、交変勾配磁場（Oscillating Gradient Field、OGF）を通じて動的にスケーリングされる無場領域（Elastic Field-Free Region、EFFR）を生成します。

空間専用混合励起（SSME）

SSME技術は、二重周波数励起磁場および非均一場強を導入し、各位置の磁性粒子がユニークな相互変調応答を生成することを可能にします。この励起戦略は主にEFFRが空間で収縮し拡張することに依存し、FFPの運動軌跡には依存しません。多チャンネル収集およびシステムマトリックスに基づいた再構築を通じて、高速多次元の高SNRイメージングを実現できます。

研究方法および手順

研究はまず、SSMEの理論および概念を紹介し、SSME-MPIの二次元システム機能をシミュレーション分析しました。実験過程には、人体モデル、粒子およびファントムイメージング実験が含まれます。システムマトリックスキャリブレーションが完了した後、Kaczmarzアルゴリズムに基づく再構築方法によりイメージを生成し、SSMEモードと従来のMPIのシステム関数を比較し、空間分解能、感度およびイメージング性能を評価します。

主な結果

1. システム関数の比較分析：

   • SSMEモード下で、典型的な一次元システム関数はエネルギー分布および各周波数成分の空間構造を示しています。SGFモードに比べて、SSMEモードの高調波SNRは著しく向上し、特に高周波成分においてSSMEモードの高調波SNRの増益は20 dBに達します。

2. 二次元ファントムイメージング実験：

   • スペーシングの二つの点源ファントムを用いた実験では、SSMEモードは1mmの間隔で効果的に区別でき、SGFモードではこれが困難です。Y方向でも、SSMEモードは二つの目標を効果的に識別しています。

3. 感度の評価：

   • 鉄含有量が異なる一連の粒子サンプルのテストでは、SSME-MPIの検出下限（Limit of Detection、LOD）は64 ngであり、SGFモード（231 ng）と比較して著しく向上しています。イメージング結果は、鉄含有量が850 ngのサンプルが正確に再構築できることを示しています。

4. 体内イメージング実験：

   • マウス体内実験では、SSME-MPIが腫瘍の位置および数を検出する際の高感度と実行可能性を検証しました。特にFOVの端にある腫瘍の検出では、従来のMPIは制限されますが、SSME-MPIは高品質のイメージングを実現しました。

まとめと意義

体内およびファントム実験の結果の詳細な分析を通じて、本研究が提案するSSME技術は、MPIのSNRおよび感度の向上において顕著な優位性を示し、ハードウェアの複雑さを増すことなく、1mmの空間分解能を実現しました。これは、MPIの空間分解能および感度のバランス問題を解決するための有効なソリューションを提供し、より広範な医学応用において普及の可能性があります。将来の研究方向の一つとして、SSMEを既存のMPIハードウェアと組み合わせて、全体的なイメージング性能をさらに最適化し、システムの複雑さとコストを低減することが挙げられます。

これらの研究結果は、SSME技術が技術的に革新的な突破を実現しただけでなく、生物医学イメージング技術のさらなる発展に新しい考え方と方法を提供したことを示唆しています。