学术研究报告：MPI弛豫仪用于超顺磁性纳米颗粒表征的开发

研究作者及发表信息

本研究由M. Irfan（Gebze Technical University电子工程系）、N. Dogan（Gebze Technical University物理系）、T. Sapmaz（Akdeniz University电气与电子工程系）和A. Bingolbali（Yıldız Technical University生物工程系）合作完成，并于2021年5月15日发表在Journal of Magnetism and Magnetic Materials（Volume 536, Article 168082）。

学术背景

研究领域与动机

本研究属于生物医学成像与纳米材料科学交叉领域，聚焦于磁性粒子成像（Magnetic Particle Imaging, MPI）技术的关键材料——超顺磁性氧化铁纳米颗粒（Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles, SPIONs）的表征。MPI是一种新兴的医学成像技术，通过检测SPIONs在交变磁场中的动态响应实现高灵敏度成像。然而，SPIONs的弛豫时间、分辨率等参数直接影响MPI的图像质量，而传统商用设备（如振动样品磁强计VSM）无法满足MPI所需的交变场强和频率下的表征需求。因此，本研究旨在开发一种定制化MPI弛豫仪（MPI Relaxometer），以优化SPIONs的筛选和性能评估。

关键科学问题

1. 弛豫时间（Relaxation Time）：SPIONs的布朗弛豫（Brownian Relaxation）和尼尔弛豫（Neel Relaxation）共同决定其有效弛豫时间（τeff），而τeff直接影响MPI图像的模糊程度。
   
2. 分辨率（Resolution）：通过点扩散函数（Point Spread Function, PSF）的半高宽（FWHM）评估SPIONs的成像分辨率。
   
3. 谐波响应（Harmonic Response）：SPIONs在交变磁场中产生的奇次谐波（如3rd、5th等）是MPI信号的主要来源。
   

研究方法与流程

1. 弛豫仪硬件设计

研究团队开发了一套电磁干扰（EMI）屏蔽的MPI弛豫仪，核心组件包括：
- 驱动线圈（Drive Coil）：多层螺线管设计，在4.6 kHz和9.9 kHz频率下产生均匀正弦磁场（5 mT、10 mT、15 mT）。通过COMSOL Multiphysics仿真优化，确保95.5%的磁场均匀性。
- 接收线圈（Receive Coil）：采用三节梯度计拓扑结构（Gradiometric Topology），抑制基频干扰信号（Feedthrough），提高谐波检测灵敏度。
- 铜屏蔽层：10 mm厚度，减少环境电磁干扰，同时通过仿真优化与驱动线圈的间距以平衡磁场均匀性与灵敏度。

2. 实验对象与参数

测试了三种商用SPIONs：
1. Vivotrax（Magnetic Insight, USA）：核心尺寸4.2 nm，羧基葡聚糖包覆，铁浓度5.5 mg/mL。
2. Perimag®（Micromod GmbH, Germany）：核心尺寸19 nm，葡聚糖包覆，铁浓度17 mg/mL。
3. Synomag（Micromod GmbH, Germany）：纳米花结构，尺寸70 nm，铁浓度6 mg/mL。

实验变量包括：
- 频率：4.6 kHz和9.9 kHz。
- 场强：5 mT、10 mT、15 mT。

3. 数据采集与分析

1. 信号处理流程：

   • 通过NI USB-6363数据采集卡生成驱动信号，经功率放大器（AE Tectron 7224）放大后输入驱动线圈。
     
   • 接收线圈信号经低噪声放大器（Stanford Research Systems SR560）滤波后记录，并通过MATLAB进行后处理。
     
   • 背景扣除：先采集无样品时的背景噪声，再从样品信号中减去。
     
   • 谐波分析：使用快速傅里叶变换（FFT）提取前20次奇次谐波幅值。
     

2. 弛豫时间计算：

   • 通过相位扫描算法（Phase Sweep Algorithm）确定SPIONs磁化响应与激励场的相位差（φ），按公式τ = φ/(180×f)计算有效弛豫时间。
     

3. 分辨率评估：

   • 对PSF的正负周期求导，计算FWHM（单位：mT），FWHM越小表示分辨率越高。
     

主要结果

1. 弛豫时间与场强/频率的关系

• 场强影响：所有样品的τeff随场强增加而降低（图7a、c），例如Perimag®在9.9 kHz下从5 mT时的5.12 μs降至15 mT时的4.06 μs。这与理论一致：高场强下尼尔弛豫时间（τn）呈指数下降，主导τeff减小。
  
• 频率影响：相同场强下，9.9 kHz的τeff约为4.6 kHz的一半（如Perimag®在15 mT下从8.24 μs降至4.06 μs），验证了τeff与频率的反比关系（公式14）。
  

2. 分辨率与谐波响应

• Perimag®表现最佳：在所有实验条件下均具有最低FWHM（如9.9 kHz/15 mT时为6.13 mT）和最慢谐波衰减（图8a），表明其适合高分辨率MPI。
  
• Synomag信号最强：其归一化信号强度（51.39 mV/mg，9.9 kHz/15 mT）显著高于其他样品（表2），有助于提高信噪比（SNR）。
  
• Vivotrax局限性：谐波衰减快且信号弱（10.10 mV/mg），可能受限于小尺寸核心（4.2 nm）的磁矩不足。
  

3. 磁化曲线与PSF

• 磁滞现象：SPIONs的磁化曲线呈现微小磁滞回线（图6d），源于弛豫效应导致的响应延迟。
  
• PSF对称性：理想情况下PSF正负周期应重合，但实际因τeff存在偏移（图6c），通过相位校准可修正。
  

结论与价值

科学意义

1. 方法学创新：开发的弛豫仪整合了时域（PSF分析）与频域（谐波检测）技术，弥补了传统MPS（Magnetic Particle Spectrometry）设备的不足。
   
2. SPIONs性能标定：明确了Perimag®在高分辨率MPI中的优势，以及Synomag的高SNR特性，为MPI造影剂选择提供依据。
   

应用价值

1. MPI扫描优化：低τeff（如Perimag®的4.06 μs）可减少图像模糊，而高谐波响应能提升成像深度。
   
2. 功能成像潜力：通过弛豫时间变化可监测生物环境粘度（如血液），扩展MPI在疾病诊断中的应用。
   

研究亮点

1. 硬件创新：梯度计接收线圈设计有效抑制基频干扰，灵敏度达0.82 mT/A（铜屏蔽下）。
   
2. 多参数关联分析：首次同时评估τeff、FWHM、谐波衰减与信号强度的场强/频率依赖性。
   
3. 开源数据处理：MATLAB代码公开，支持其他团队复现算法（如相位扫描法）。
   

其他发现

• 温度影响：文中引用文献[13-14]指出，SPIONs的τeff受温度影响，未来可集成温控模块进一步研究。
  
• 多物理场耦合：COMSOL仿真揭示了驱动线圈与屏蔽层的电磁相互作用，为后续设计提供参考。
  

（全文约2000字）