研究报告：一种用于大鼠脑功能成像的高灵敏度、稳定、连续旋转场自由线磁粒子成像系统

本研究的主要作者包括来自哈佛-麻省理工健康科学与技术部、麻省总医院Martinos生物医学成像中心、哈佛医学院、苏黎世联邦理工学院物理系、麻省理工学院电气工程与计算机科学系以及德国弗劳恩霍夫个体化和细胞医学工程研究所的研究人员Eli Mattingly、Erica E. Mason、Konstantin Herb、Monika Śliwiak、John Drago、Matthias Graeser和Lawrence L. Wald。该项研究以研究文章的形式发表于《国际磁粒子成像杂志》2022年第八卷第二期，文章ID为2212001，于2022年12月21日在线发表。

本研究的学术领域属于生物医学成像技术，具体聚焦于磁粒子成像（Magnetic Particle Imaging， MPI）这一新兴模态。磁粒子成像是一种非侵入性地、高灵敏度地绘制超顺磁性氧化铁纳米颗粒分布的技术。由于这些颗粒被限制在脑部血管内，MPI被认为非常适合基于脑血容量（Cerebral Blood Volume, CBV）的功能性神经成像。然而，要实现基于CBV的功能性磁粒子成像，需要一个能够在血流动力学时间尺度（约5秒）上连续、稳定地进行成像的系统。现有系统在长时间连续成像的稳定性、时间分辨率和灵敏度方面可能存在局限。因此，本研究旨在开发并验证一个专门为大鼠脑功能磁粒子成像设计的、具有高灵敏度、卓越时间稳定性和快速成像能力的连续旋转场自由线（Field-Free Line， FFL）MPI系统，以探测啮齿类动物大脑中CBV的快速调制。

研究的详细工作流程和技术开发可以概括为几个核心步骤：系统总体设计与目标设定、关键硬件组件的设计与制造（包括旋转机架、FFL磁体与偏转线圈、驱动场链、接收信号链）、系统性能评估（包括稳定性、灵敏度和空间分辨率测量）以及最终的成像验证。

首先，研究团队明确了系统的四大设计目标。 1) 时间分辨率目标：鉴于与认知、感觉或药物刺激相关的血流动力学变化的时间尺度约为5秒，系统必须达到单幅图像5秒的时间分辨率。这要求机架转速达到每分钟6转。2) 灵敏度与空间分辨率目标：为了实现3毫米的固有空间分辨率，需要约3 T/m的FFL梯度。灵敏度目标定义为能够在单个体素（3毫米立方体）的单次5秒图像中，以信噪比为1检测到大鼠脑血容量5%的变化。根据估算，这对应于约10纳克铁的浓度变化。3) 稳定性目标：对于持续30分钟的时间序列成像，要求系统的信号漂移低于热噪声水平，这转化为驱动电流在30分钟内的峰峰值稳定性需优于5%，相位漂移需小于0.05弧度。4) 视野目标：为了对大鼠大脑进行活体成像，成像视野直径需达到约30毫米。

其次，团队设计并构建了实现上述目标的硬件系统（方法部分）。 系统的核心是一个机械旋转的、由永磁体产生的FFL，其位置由水冷电磁偏转线圈进行调制。驱动螺线管和接收线圈（螺线管梯度计对）则是静止的，位于一个圆柱形铜屏蔽管内。旋转机架部分，为了实现连续旋转，系统采用了电滑环和用于冷却水的旋转接头。一个强大的步进电机通过皮带传动系统提供18.75倍的总机械减速，最终实现6.0 rpm（10秒每转）的转速，从而每5秒（半转）产生一幅图像。使用绝对编码器和归位开关来精确跟踪和控制机架位置。FFL磁体和偏转线圈方面，FFL由两块反平行磁化的N48钕铁硼磁块产生。偏转线圈采用近似亥姆霍兹配置的“跑道形”线圈，每线圈200匝，通过水冷散热片进行冷却，以约2.7 Hz的频率调制FFL位置，在每个5秒图像中形成27个投影。驱动场链是保证稳定性和灵敏度的关键。驱动场由一台功率放大器产生25 kHz电流，并通过一个精心设计的驱动滤波器馈送到驱动线圈。该滤波器是一个具有谐波陷波功能的变压器耦合带通滤波器，其拓扑结构旨在实现高谐波衰减（在二次和三次谐波处衰减超过90 dB）、阻抗变换以及放大器与线圈之间的共模隔离。更重要的是，滤波器的设计使其跨导（输出电流与输入电压之比）在工作频率处处于幅度局部最小值和相对平坦的相位区域，从而最大限度地减少了由电容器温度系数引起的热漂移影响。驱动线圈采用三层绕组设计，内层和外层为自制李兹线，中间层为空心铜管，允许冷却水流过。这种设计使李兹线与冷却铜管之间有极佳的热接触，确保在高占空比下（产生至少8 mT峰值的驱动场）稳定工作。接收信号链旨在高灵敏度地提取纳米颗粒产生的微弱谐波信号。接收线圈是一个与驱动线圈同轴的两部分梯度计设计，旨在抵消来自驱动场的感应电压（馈通）。一个四阶谐振陷波滤波器用于进一步抑制剩余的馈通信号。信号随后通过一个低噪声放大器进行放大，该放大器采用并联结型场效应管作为输入级。整个接收链具有频率相关的放大和相位特性，因此通过测量其传递函数并在后处理中应用以进行校正。

第三，研究团队对构建的系统进行了全面的性能测试（结果部分）。 稳定性测试：通过连续30分钟对中心放置的250纳克铁样品进行成像（驱动场8 mT峰值），测量驱动电流和图像信号幅度的漂移。结果显示，从冷启动开始30分钟内，驱动电流总幅度漂移约为1%；在前10分钟瞬态后，电流幅度的漂移速率约为-0.011%/分钟，相位漂移速率约为0.00059弧度/分钟。在稳定后30分钟的成像中，图像峰值强度的峰峰值漂移约为平均强度的6.5%。灵敏度测试：使用Synomag-D 70纳米颗粒进行稀释系列测试，测量5秒图像的信噪比。结果显示，图像信噪比与铁质量呈线性关系。系统的检测极限（信噪比=5时）约为6.7纳克铁。空间分辨率测试：通过成像一个已知尺寸的纳米颗粒分布并拟合点扩散函数，测得系统的平面内（x-y）空间分辨率约为3.0毫米全宽半高（对于测试的颗粒，考虑“法线方向”成像的2.3倍展宽因子，标称值为3.45毫米）。成像验证：研究展示了系统对多点浓度幻像、字母幻像以及活体大鼠头部进行三维体积扫描的成像结果，证明了其线性度、准确性和活体成像能力。

本研究的结论是，团队成功设计、构建并验证了一种用于大鼠头部尺寸的、基于FFL的MPI系统。该系统实现了5秒的稳定连续成像（可持续30分钟以上），检测限约为6.7纳克铁（5秒图像），空间分辨率为3.0毫米，满足了为啮齿类动物功能性磁粒子成像实验设定的时空分辨率和灵敏度目标。该系统可作为功能性磁粒子成像概念验证平台，并为未来人体尺度的研究铺平道路。研究的科学价值在于，它首次报道了一个专门为功能性脑成像需求而优化的、兼具高时间分辨率、高灵敏度和卓越长时间稳定性的MPI系统，解决了该领域迈向实际应用的一个关键技术挑战。其应用价值在于为神经科学、药理学等领域研究大鼠脑功能激活和血流动力学响应提供了强大的新型成像工具。此外，所有电气和机械设计、零件清单和控制软件均已基于开源许可证发布，有助于促进MPI技术社区的协作和发展。

本研究的亮点和重要性体现在以下几个方面：1) 目标的明确性与系统性实现：研究并非简单的设备改进，而是针对fMPI应用的特定需求（5秒分辨率、高稳定性、高灵敏度）制定了量化目标，并围绕这些目标进行了一体化系统设计，最终所有性能指标均达到或超过了预设目标。2) 创新性的硬件设计：连续旋转机架结合滑环和旋转接头的设计，为长时间无间断成像提供了机械基础；驱动滤波器独特的拓扑结构（谐波陷波、阻抗变换、针对热漂移优化的操作点）是达到超高稳定性的核心；驱动线圈的三层水冷绕组设计有效解决了散热问题。3) 卓越的综合性能：该系统在灵敏度（6.7 ng Fe）、时间分辨率（5秒）和长时间稳定性（漂移速率-0.011%/分钟）之间取得了目前文献报道中最佳的平衡，特别适合功能性时间序列成像。4) 开放科学贡献：团队将完整的设计方案开源，极大地降低了其他研究组复现或基于此开展进一步研究的门槛，对推动整个MPI领域的发展具有重要价值。5) 成功的活体验证：研究不仅展示了幻像成像，还提供了活体大鼠头部的三维MPI图像，并与磁共振成像进行了配准，有力地证明了系统的实用化潜力。