磁粒子成像（Magnetic Particle Imaging，MPI）是一種全新的定量功能性成像技術(shù)，其利用了注入血流中的納米顆粒示蹤劑的磁性質(zhì)，能夠生成動(dòng)脈血流和體積心臟運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)三維圖像。

2001年，德國漢堡飛利浦實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家B． Gleich首次提出MPI的概念。

2005年，B． Gleich和另一位科學(xué)家 J． Weizenecker研制成功了首臺(tái)MPI設(shè)備，其可行性論證于當(dāng)年在《自然》雜志上首次發(fā)表。

MPI可以直接檢測到機(jī)體內(nèi)任何時(shí)間和空間的納米顆粒示蹤劑，滿足臨床對(duì)安全、快速的三維血管造影技術(shù)的需求，幫助研究人員從器官、細(xì)胞和分子層面深入認(rèn)識(shí)病程。

MPI具有高空間分辨率和高時(shí)間分辨率的優(yōu)點(diǎn)。由于成像不顯示解剖結(jié)構(gòu)和背景組織，不產(chǎn)生干擾信號(hào)，因此示蹤劑分布圖像具有高對(duì)比度。同時(shí)，MPI 成像時(shí)不存在電離輻射，也無需使用毒性示蹤劑，因?yàn)镸PI的示蹤劑由超順磁氧化鐵（SPIO）制成，相比用于CT的碘和用于磁共振的釓，SPIO要安全得多。

▲ 圖1 各種影像診斷技術(shù)對(duì)比圖

雖然全球目前只有用于小型動(dòng)物的MPI設(shè)備上市，但MPI正處于快速發(fā)展時(shí)期，與20世紀(jì)80年代早期MRI的發(fā)展階段類似。這種新的成像方式對(duì)醫(yī)學(xué)科研及臨床工作者都有著巨大的吸引力。

本文介紹了MPI工作原理、MPI與MRI的區(qū)別以及MPI設(shè)備制造商。

MPI工作原理

MPI成像需要使用示蹤劑，只有示蹤劑存在于成像區(qū)域才能產(chǎn)生信號(hào)。常用的示蹤劑是氧化鐵磁性納米粒子（Fe3O4），也稱為超順磁性氧化鐵（SuperParamagnetic Iron Oxide，SPIO）納米粒子。示蹤劑SPIO的性質(zhì)很大程度上決定了MPI的圖像質(zhì)量。

由于機(jī)體內(nèi)正常情況下不會(huì)存在示蹤劑，因此MPI圖像具有極佳的對(duì)比度和高靈敏度，使我們能夠看到活的有機(jī)體中細(xì)胞（細(xì)胞跟蹤）、血液（灌注）和其他功能系統(tǒng)（靶向、藥物傳遞系統(tǒng)）中的示蹤劑。

磁粒子成像利用磁力學(xué)獨(dú)特的幾何結(jié)構(gòu)創(chuàng)建一個(gè)磁場自由區(qū)（Field Free Region，F(xiàn)FR），類似于將兩塊磁鐵放在一起時(shí)的情況。由敏感點(diǎn)控制納米顆粒的方向。這與MRI的物理原理截然不同，MRI的圖像是由均勻的磁場產(chǎn)生的。

快速移動(dòng)FFR會(huì)使得SPIO納米顆粒的磁性方位發(fā)生翻轉(zhuǎn)，從而在接收線圈中產(chǎn)生信號(hào)。因?yàn)槲覀兪冀K知道敏感點(diǎn)在哪里，所以我們可以將信號(hào)分配到已知位置，產(chǎn)生定量的MPI圖像。

MPI的性能、分辨率和靈敏度主要受納米顆粒的影響。使用更好的或特定的SPIO可以提高設(shè)備的分辨率和／或靈敏度。

▲圖2 利用MPI設(shè)備，一條靈敏磁場自由線（FFL）在整個(gè)樣品上光柵化，用于繪制納米粒子的分布圖。

▲圖3 掃描后，生成三維斷層圖像，可在肝臟和脾臟中檢測到MPI信號(hào)（熱鐵色）。

MPI vs． MRI

▲ 圖4 MRI的場強(qiáng)結(jié)構(gòu)：使用弱梯度（mT）和強(qiáng)場強(qiáng)（T）創(chuàng)建一個(gè)均勻的場來生成圖像。

▲ 圖5 MPI的場強(qiáng)結(jié)構(gòu)：兩個(gè)相互指向的強(qiáng)磁體產(chǎn)生一個(gè)磁場梯度，中心是FFR。然后將FFR在樣本中快速移動(dòng)，利用強(qiáng)梯度（T）和弱場強(qiáng)（mT）來生成圖像。