本研究由来自麻省总医院A.A. Martino生物医学影像中心、哈佛-麻省理工健康科学与技术学院、凯斯西储大学、加州大学伯克利分校以及哈佛医学院的Erica E. Mason、Clarissa Z. Cooley、Stephen F. Cauley、Mark A. Griswold、Steven M. Conolly和Lawrence L. Wald共同完成。相关研究论文《Design Analysis of an MPI Human Functional Brain Scanner》发表于2017年的《Int J Magn Part Imaging》期刊。

该研究属于医学影像技术和神经工程领域，具体聚焦于一种新兴的成像技术——磁粒子成像（Magnetic Particle Imaging, MPI）。MPI技术于2005年被提出，它通过检测体内注射的超顺磁性氧化铁纳米颗粒（Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles, SPIONs）的非线性磁化响应来生成图像。其核心优势在于极高的灵敏度和无背景信号干扰。迄今为止，MPI技术已成功应用于啮齿类动物（如小鼠、大鼠）尺寸的扫描仪，但在将其扩展到适用于人脑成像的全尺寸系统方面，存在巨大的技术挑战，包括如何保持足够的空间分辨率与灵敏度、如何满足人体安全限制（如周围神经刺激，PNS）等。

本研究旨在进行一项针对人脑功能性磁粒子成像（fMPI）扫描仪的可行性设计与性能分析。研究的核心动机源于MPI在功能性神经成像中的巨大潜力。在功能磁共振成像（fMRI）中，神经元活动通过神经血管耦合引发局部脑血容量（Cerebral Blood Volume, CBV）增加，进而改变血氧水平依赖（BOLD）信号。类似地，如果使用SPIONs作为血液示踪剂，其浓度将直接反映CBV。由于MPI直接、定量地测量SPIONs浓度，理论上fMPI可以提供比fMRI更灵敏、更直接的脑激活测量手段。因此，本研究的目标是：评估将MPI技术从啮齿动物规模扩展到人脑规模所面临的技术难题，利用全系统模拟器探索可行的硬件设计方案和编码策略，分析尺度扩大和安全限制带来的性能折衷，最终估算在当前技术条件下，人脑fMPI扫描仪可能达到的空间分辨率和灵敏度，并论证其科学和临床应用前景。

研究的工作流程基于一个全系统的MPI仿真平台进行，该平台使用MATLAB开发，能够对任意硬件设计和编码实践进行建模和测试。整个分析过程并未涉及对实体受试者或硬件样机的实验，而是通过严密的物理建模和数值模拟来完成。研究流程主要包含以下几个核心部分：

首先，确定编码方案与系统几何构型。研究团队选择了基于场自由线（Field-Free Line, FFL）的二维投影扫描方案。与基于场自由点（Field-Free Point, FFP）的方案相比，FFL方案具有预期的灵敏度优势。该设计类似于计算机断层扫描（CT）：一个产生FFL的梯度磁场系统（包含永磁体或电磁体）围绕患者头部旋转。FFL的方向（y‘轴）和投影轴（x’轴）随该框架一起旋转，而驱动场和接收线圈则固定于患者坐标系。通过沿x‘轴移动FFL（使用独立的慢变移位场），可以获取沿该轴的一维铁浓度投影。旋转框架获取不同角度的投影后，即可通过滤波反投影等算法重建出二维断层图像。轴向多层扫描可通过沿z轴移动患者实现。这种设计利用了成熟的CT机架和滑环技术。

其次，构建详细的物理与数学模型进行系统仿真。仿真模型是本研究工作的核心。它包含了以下几个关键模块：1. 线圈磁场计算：通过毕奥-萨伐尔定律数值计算梯度线圈、移位线圈、驱动线圈和接收线圈在空间各点产生的磁场。梯度场用于产生具有特定梯度强度（Gx, Gz）的FFL；移位场是空间均匀的，用于分步移动FFL的位置；驱动场是时间正弦变化的均匀场，用于激励SPIONs。2. SPIONs磁化响应模型：SPIONs的磁化强度使用朗之万（Langevin）函数建模，其参数（磁矩m，饱和磁化强度的倒数β）通过拟合商业SPIONs样品（PrecisionMRX®， 25 nm铁核）的实验磁化曲线获得。模型将SPIONs浓度分布c(x, y, z)作为输入。3. 信号生成模型：接收线圈中感应的电压通过计算SPIONs磁化强度随时间的变化率在空间上的积分获得，并投影到接收线圈灵敏度向量（B1场）上。这体现了电磁互易原理。4. 噪声模型：主要考虑了线圈导体中的交流损耗（约翰逊-尼奎斯特噪声）产生的白高斯噪声。研究通过计算特定Litz线绕制线圈在特定频率（如30 kHz，对应三次谐波）下的交流电阻来估算噪声电压。身体负载噪声和前置放大器噪声也被评估，但分析表明在低于100 kHz的频率下，对于室温线圈，导体损耗噪声占主导地位。5. 信号处理与图像重建模型：仿真中，在每个FFL位置记录多个周期（如16个周期）的驱动场响应信号，数字化后通过傅里叶变换提取特定谐波分量（如三次谐波或三、五、七、九次奇次谐波之和）。这些分量构成投影数据点。投影数据随后通过最小化数据一致性误差（或使用滤波反投影）进行图像重建。

第三，对关键硬件子系统进行设计与性能评估。研究利用上述仿真框架，结合现有商业技术和初步设计，逐一分析了构建人脑fMPI系统所必需的硬件组件的可行性和性能限制：1. 梯度/移位场硬件：目标是产生强度约1.5 T/m的FFL。研究评估了三种方案：a) 永磁体方案：通过COMSOL模拟了多种Halbach阵列和四极子结构设计，证明在头部尺寸下可实现0.9-1.5 T/m的梯度，且无需功耗和冷却。b) 常规电磁体方案：基于商用GMW电磁线圈规格，设计了大型跑道线圈对（Maxwell对构型），估算在140A电流下可产生约0.7-1.7 T/m的梯度，但需要水冷。c) 超导线圈方案：讨论了使用交流超导体（如Nb3Sn）的可能性，虽然可承受更高电流，但交流损耗和低温冷却使其性能与铜线圈方案大致相当。结论是1.5 T/m的梯度强度是可行的。移位场需要提供±150 mT以在1.5 T/m梯度下移动FFL±10 cm，这在电磁体和交流超导线圈能力范围内。2. 驱动场要求：驱动场振幅需足够大使SPIONs进入非线性饱和区域以获得强谐波信号，但受人体PNS安全限制。文献指出对于躯干，在25 kHz驱动频率下安全限值约为7.6 mT。头部线圈限值可能高2-3倍。研究通过仿真展示了接收信号（谐波分量）随驱动场振幅增加的非线性关系，并指出由于PNS限制，人用扫描仪的驱动场强度可能比动物扫描仪低约2倍，这将导致灵敏度相应下降。3. 接收策略与灵敏度分析：研究比较了多种室温接收线圈（螺线管、亥姆霍兹对、多通道阵列）在啮齿动物和人头尺寸下的性能。通过计算B1效率（单位电流产生的中心场强）和各类噪声（导体损耗、身体负载、前置放大），评估了相对检测灵敏度。分析明确显示，在低于100 kHz的工作频率下，对于室温线圈，导体交流损耗是主要噪声源，而非身体噪声。因此，采用低温冷却线圈或使用SQUID（超导量子干涉器件）等磁强计探测方案可能进一步提升灵敏度。表格1详细列出了不同线圈几何形状的参数和噪声估算。

第四，进行系统的灵敏度与性能仿真。这是验证设计可行性的关键步骤。研究者设定了具体的人脑fMPI扫描参数：梯度强度1.5 T/m，驱动场25 mT/10 kHz，接收线圈为25匝人头尺寸螺线管，投影轴覆盖20 cm视野（FOV），采样53个投影角度（覆盖180°），每个投影35个点，以实现约6 mm的空间分辨率。单幅图像采集时间设定为3秒，以符合视网膜磁刺激（光幻视）的安全阈值（由移位场dB/dt ≈ 5.4 T/s接近阈值所限定）。主要仿真包括：1. 点源灵敏度仿真：模拟了对位于等中心点的22 ng铁样本（对应于3 mm各向同性皮层体素在脑激活期间预期的铁变化量）的成像。在10分钟（200次平均）的模拟扫描后，重建图像的峰值信噪比（SNR）达到42。这表明fMPI的灵敏度足以检测到预期的脑激活信号，并显著优于典型的fMRI对比噪声比（CNR ~5）。2. 尺度缩放影响仿真：将上述人脑系统与一个假设的啮齿动物系统（梯度7 T/m，驱动场50 mT，相应尺寸的接收线圈）进行对比仿真。对于同一个22 ng点源，啮齿动物系统的模拟SNR为807，而人脑系统为42，缩放因子约为19倍。这一损失主要归因于接收线圈尺寸增大导致的相对检测灵敏度下降（约10倍）以及驱动场振幅因安全限制而降低（约2倍）。该结果与理论估算一致。3. 全脑血容量对比成像仿真：利用FreeSurfer分割的人脑模型，为灰质（5% CBV）和白质（1% CBV）分配相应的铁浓度（基于400 mg Fe/5 L血液的剂量）。仿真生成了在1.5 T/m和假设改进后5 T/m梯度下的fMPI脑部轴位切片图像，直观展示了fMPI描绘脑解剖结构和潜在功能对比的能力。

研究得出的主要结论是，基于现有常规技术，构建一台用于人脑功能成像的投影式FFL fMPI扫描仪是可行的。尽管与现有的啮齿动物系统相比，其灵敏度预计会降低约20倍，空间分辨率降低约5倍（约7 mm），但它仍能保持足够的性能，使其成为一种有吸引力的人脑研究未来工具。研究估算的灵敏度（CNR ~40）已显著高于典型fMRI，预示着fMPI在功能性神经成像中具有巨大的潜力。

本研究的科学价值和应用意义重大。在科学上，它首次对将MPI技术扩展至人体尺度的关键工程与物理挑战进行了全面、量化的分析，填补了该领域从动物实验迈向临床应用的中间环节的知识空白。研究建立的全系统仿真框架为未来MPI硬件优化和序列设计提供了有力的工具。在应用上，研究表明fMPI有望成为一种比fMRI更灵敏的功能性神经成像模态。其优势包括：直接、定量测量CBV变化，信号变化百分比更大（约20% vs. fMRI的~1%），对磁场不均匀性不敏感（可容忍1% vs. fMRI的10 ppm），从而避免了fMRI中常见的窦腔附近的信号丢失（T2* dropout）。更高的灵敏度可能减少研究中对大量被试平均的需求，甚至实现个体水平的诊断或表型分析，并有助于检测细微的神经活动或治疗反应。

本研究的亮点在于其系统性和前瞻性。首先，研究方法新颖，并非建造实体样机，而是通过建立高度逼真的全系统物理模型进行“虚拟”设计与性能预测，这种方法在评估昂贵且复杂的大型医疗设备初始可行性时高效且成本低廉。其次，研究内容全面，涵盖了从编码物理、硬件设计（梯度、驱动、接收）、安全限制（PNS、视网膜刺激）到系统级性能仿真（灵敏度、分辨率、成像时间）的完整链条，并量化了从动物到人尺度缩放带来的具体性能损失（20倍灵敏度，5倍分辨率）。最后，研究目标具有重要的前沿性和挑战性，直指下一代功能性神经成像技术的核心，为MPI技术的临床转化绘制了清晰的技术路线图和性能基准。

此外，研究还讨论了其他有价值的改进方向，例如使用“部分投影”和“内部重建”技术来减少移位场幅度和视网膜刺激风险；通过开发性能更优的SPIONs、采用低温冷却接收线圈或接收线圈阵列来进一步提升灵敏度和分辨率；以及探索替代法拉第检测的磁强计方案等。这些都为后续研究指明了潜在的突破点。