磁性粒子成像线型零磁场设计及性能分析
磁性粒子成像是一种具有高成像分辨率的示踪剂成像技术。针对现阶段成像系统的开放式扫描难题，可利用高灵敏度的线型零磁场，实现高分辨率的二维扫描成像方法。
沈阳工业大学电气工程学院的研究人员刘洋洋、杜强、柯丽、祖婉妮，在2020年第10期《电工技术学报》上撰文，设计了一种具有开放式线圈结构的线型零磁场，利用梯度静磁场构造线型零磁场以确定示踪剂的位置，在均匀交变磁场实现线型零磁场的平移扫描。
实验结果表明，开放式线圈结构所构成的线型零磁场在1.316T/m的梯度磁场中，可以实现在成像区域为17mm×17mm内的磁性纳米粒子示踪剂的高分辨率成像，其分辨率可达亚毫米级，理论证明了开放式线型零磁场扫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）是一种新型示踪剂成像技术，利用磁性纳米粒子示踪剂在零磁场中的非线性磁化特性，可视化被测物内的示踪剂质量分数，从而检测磁性纳米粒子示踪剂的空间分布。由于MPI的信号直接来自于可视范围内的示踪剂质量分数，可以获得纳摩尔级检测灵敏度，以及亚毫米级的成像分辨率，因此近年来得到广泛的关注，并应用于细胞跟踪、血管造影以及炎症成像等领域。
MPI由德国科学家Bernhard Gleich和Jürgen Weizenecker教授首次提出，于2005年在《Nature》上发表了一篇文章，成像实验初步证实了MPI成像的可行性。并在2009年首次实现体内MPI扫描，对搏动的小鼠心脏进行三维实时扫描成像。
近几年，MPI的相关研究工作取得了飞速发展。飞利浦实验室研究团队提出了一种新的零磁场方案，通过利用线型零磁场（Field-Free Line, FFL）来提高MPI的灵敏度。Lübeck大学的研究团队引入了第一个可行的FFL线圈布置系统，并引入了基于FFL扫描方式的图像重建算法，进一步提高FFL线圈几何的效率。日本Kyushu大学的研究团队开发了一种检测3次谐波的高灵敏度线型零磁场MPI系统，检测到在50mm距离处1μg的磁性纳米粒子。
但现阶段的MPI系统以封闭式结构居多，封闭式系统虽能产生较稳定且较大的磁场梯度，但限制了成像目标的体积大小，造成测量上的局限性。同时，由于MPI技术是利用磁性纳米粒子在零磁场下的独特响应来进行成像，使用基于系统矩阵的方法进行重建，仅零磁场附近的粒子可以发出特征信号。因此具有高灵敏度和高成像速度的线型零磁场的扫描方式成为首选。同时成像分辨率与零磁场的梯度强度直接相关。因此，利用开放式成像空间结构构造线型零磁场，即对复杂磁场的设计，尤其是零磁场的精细设计对MPI成像具有重要意义。
针对现阶段成像系统的开放式扫描结构问题，沈阳工业大学电气工程学院的研究人员利用高灵敏度的线型零磁场，提出了一种基于开放式线型零磁场设计的MPI方法，实现了高成像分辨率的线型零磁场扫描成像方法。
研究人员设计了一种开放式线圈结构的线型零磁场，通过改进线圈形状及布置结构的方法构建零磁场线圈布置结构，提高零磁场的均匀性，并设计相应的电场驱动方式实现MPI线圈结构的成像区域磁场扫描，控制输入电流的幅度，实现线型零磁场的平移扫描。同时，进行有限元仿真分析研究，确定实现高精度的线型零磁场所需的电流驱动方式，详细分析其磁场分布、磁场均匀性及线型零磁场的分辨率，实现高分辨率的平面二维扫描成像方法。
图1 磁场分布仿真计算结果
图2 图像扫描重建过程
图3 磁性粒子质量分数模型及其二维成像
研究人员最后得出具体结论如下：
1）在MPI中，要实现亚毫米级分辨率，理论上所需的磁场梯度要大于1.093T/m。根据该精度要求，本文采用开放式线圈结构，与封闭式结构相比，在增加舒适度的同时，减小了对被测目标体积的限制，进而扩大了成像面积。
2）采用线型零磁场的方式，与零磁场点相比，不仅提高了成像分辨率，也在一定程度上加快了成像速度，同时确保了线型零磁场良好的均匀性。
3）针对平移扫描方式，利用数值计算及仿真两种方式对平移距离与驱动电流的关系进行分析，其两种计算方式结果相同，平移距离与驱动电流呈正比关系，因此通过对驱动电流的控制，可以实现MPI的等距平扫。
4）采用这种设计方法后，其理论的成像分辨率可小于亚毫米级分辨率。最后重建的图像分辨率为0.1mm×0.1mm，成像区域为17mm×17mm，通过横向扫描与纵向扫描叠加的方式，可以实现基于开放式线型零磁场的高成像分辨率扫描成像。理论证明了开放式线型零磁场扫描方式用于磁性粒子成像的可行性。