这份研究论文发表于《international journal on magnetic particle imaging》2020年第6卷第2期增刊1中，文章ID为2009009，共3页，属于会议录文章。本研究由来自美国麻省总医院A.A. Martinos生物医学影像中心、哈佛大学、麻省理工学院、苏黎世联邦理工学院等机构的研究人员合作完成。主要作者包括K. Herb、E. E. Mason、E. Mattingly等人，其中K. Herb为通讯作者。
该研究属于生物医学工程与神经影像学的交叉领域，具体聚焦于一种新兴的影像技术——磁粒子成像（Magnetic Particle Imaging, MPI）。MPI因其直接检测高磁矩示踪剂且无背景信号的特点，被认为是一种高灵敏度的成像方式。在功能性神经影像研究中，功能磁共振成像（functional MRI, fMRI）是主流技术，但其信号间接反映神经活动，且灵敏度可能限制了对单一个体水平的研究。MPI则通过直接测量血流中示踪剂浓度来反映脑血容量（Cerebral Blood Volume, CBV）变化，有望提供更高的灵敏度。本研究的学术背景基于MPI技术在功能性成像中的潜力，旨在探索其用于监测活体大脑血流动力学变化的能力。具体研究目标是：利用一台专为时间序列成像设计的啮齿动物MPI扫描仪，首次演示“功能性MPI”（functional MPI, fMPI），通过高碳酸血症（hypercapnia）挑战来调制CBV，并获取大脑的时间序列影像数据，以评估该技术的成像能力、时间分辨率以及对CBV变化的检测灵敏度。
研究的工作流程包含几个相互关联的核心环节：实验系统搭建、动物准备与麻醉、成像序列与气体挑战实施、图像重建与数据分析。
首先，研究的核心是使用了一台特制的、可连续旋转的二维投影无场线（Field Free Line, FFL）MPI成像仪。该设备是本研究成功的关键，其特殊性在于实现了连续时间序列成像。系统由钕铁硼永磁体产生FFL梯度场（约2.8 T/m），用水冷钻石形平移线圈（shift coils）在投影轴上扫描FFL。一个利兹线螺线管产生25 kHz的驱动场。整个旋转部分通过滑环供电和供水，实现了不间断旋转，从而能够进行连续成像，时间分辨率最高可达3秒。与多数MPI系统不同，本系统仅在三次谐波（3 f0）进行信号检测。实验控制与数据采集通过基于LabVIEW定制的软件完成，该软件具有高度并行化架构，能够在成像过程中实时重建和处理投影数据。系统性能上，能在5秒内检测到100纳克铁的Vivotrax示踪剂，平均信噪比为5:1。动物被安置在3D打印的鼠床上，可通过步进电机精确定位，床体整合了加热水管和呼吸管、静脉及动脉导管管理功能。
其次，研究对象为两只Sprague-Dawley大鼠。动物准备遵循团队先前的工作：使用3%异氟烷诱导麻醉，进行股静脉和动脉导管植入术以及气管造口术以连接呼吸机。成像期间，用1-1.5%异氟烷维持麻醉。研究的关键干预是周期性交替的高碳酸血症与低碳酸血症（hypocapnia）挑战。具体而言，每3分钟手动切换一次气体：低碳酸血症通过用正常空气过度通气（呼吸频率升至55次/分钟）诱发；高碳酸血症则通过给予含有5% CO2的空气混合物并适度降低呼吸频率（35次/分钟）来诱发。成像前，通过静脉注射约30 mg/kg剂量的25 nm核心PEG包被的超顺磁性氧化铁纳米颗粒（Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles, SPIONs），注射速率约为40毫升/小时。
第三，成像序列与数据采集过程精心设计。如图2a所示，每轮采集三张5秒的图像，随后进行15秒的冷却暂停（用于驱动线圈的风冷），此序列在整个高/低碳酸血症交替期间重复进行。成像机架每10秒连续旋转一周，每半周产生一个约35毫米视野的图像。施加到平移线圈的三角波电流频率为2.7 Hz，每周期产生27个投影。一个特别的技术细节是，由于大鼠大脑在成像孔洞中位置相对较高，研究者通过在平移电流上叠加一个与旋转频率匹配的极低频正弦调制，从而在样本的静止参考系中实现FFL的直流平移，将视野调整到所需的大脑位置（图2b-c）。
第四，图像重建与数据分析采用了先进的算法。研究者没有使用简单的滤波反投影，而是采用了基于模型的预条件共轭梯度最小化方法进行重建。该模型利用了测量的旋转角度和平移电流波形来校正实验偏差，并将FFL与高斯轮廓卷积以赋予其有限宽度。为了稳定重建，应用了吉洪诺夫正则化来惩罚噪声解，并且正则化矩阵结合了加权的灵敏度分布图，以抑制在预期灵敏度较低像素处产生大信号贡献的解。对于时间序列分析，研究者对每个图像像素实施了广义线性模型来分析采集到的时间序列信号。该模型包含了血流动力学响应函数、常数和线性信号漂移项，以及纳米颗粒清除/摄取动力学（用两个指数衰减率描述：τ1代表脉冲响应，τ2代表因SPIONs清除导致的总体信号衰减）。通过逐体素拟合GLM到信号强度时间序列，最终生成了CBV响应图。
研究的主要结果清晰展示了fMPI的可行性。系统成功获取了具有5秒时间分辨率的大鼠脑部时间序列图像。图3a展示了一幅时间序列中的单张MPI图像，切片位于前囟（bregma）腹侧约2毫米处。对脑区内单个体素的分析（图3b）显示，信号强度随时间变化，并且GLM拟合曲线与数据吻合良好，直观反映了由气体挑战引起的CBV调制信号。最重要的是，通过GLM拟合得到的对比噪声比图（图3c）显示，大脑功能激活区域的CNR高达14。这一结果表明，通过检测注入的SPIONs浓度因CBV调制而产生的图像强度变化，该系统能够以高信噪比检测到大脑皮层的血流动力学响应。
这些结果直接支撑了研究的结论。本研究成功展示了在活体啮齿动物大脑中，使用MPI进行血流动力学调制成像的初步数据，并且获得了相对较高的CNR和足够的时间信噪比，以追踪CBV的动态变化。这标志着首次实现了基于时间序列成像的“功能性MPI”。结果证实了MPI作为一种高灵敏度成像模态，在研究活体大脑活动方面的潜力，特别是其直接测量CBV变化的能力，为未来实现单患者水平的灵敏度、迈向临床诊断应用迈出了关键一步。
该研究的科学价值与应用前景显著。其科学价值在于，它提供了一种不同于fMRI的、基于MPI原理的功能性神经影像新方法验证。通过活体实验数据，初步证实了MPI用于监测脑血流动力学变化的可行性和高灵敏度潜力。应用价值方面，fMPI未来可能成为一种新的脑功能研究工具，尤其在对灵敏度要求极高的场景，如单个受试者的功能研究、药物动力学监测或特定神经疾病的诊断中，可能具有独特优势。
本研究的亮点突出体现在以下几个方面：1. 方法学的创新性：首次演示了“功能性MPI”的概念，将MPI从静态或慢速成像拓展到快速功能成像领域。2. 专用设备的开发：使用了自主研发的、可连续旋转的二维投影FFL成像仪，实现了高达3秒的时间分辨率，这是获得动态血流动力学数据的技术基础。3. 高灵敏度结果：在脑像素中检测到高达14的CNR，直接证明了MPI对CBV微小变化的高检测能力，这是其区别于其他模态的核心优势。4. 先进的分析流程：采用了基于模型的图像重建和逐体素的广义线性模型时间序列分析，针对MPI信号和生理过程（如纳米颗粒清除）进行了定制化建模，提升了结果的可信度和解释力。
此外，文中还提及了未来改进方向，如需要更好的线圈系统冷却以提高成像占空比（有望使每个高碳酸血症周期内的图像数量翻倍），以及与CT或MRI图像进行配准以提供重要的解剖学信息，这些都为后续研究指明了路径。论文也明确列出了资金支持和无利益冲突声明，并提供了详细的参考文献，确保了研究的规范性和可追溯性。