中国科学院分子影像重点实验室研发了一种手持式磁纳米粒子成像检测系统（MPI），首次用于非人灵长类动物脑血管中磁纳米粒子浓度的高灵敏度的直接检测。相关研究成果近期发表于IEEE磁学学会期刊IEEE Magnetics Letters，论文题目为“In vivo measurement of cerebral SPIO concentration in nonhuman primate using magnetic particle imaging detector”。论文发表当月即成为“Popular article” Top 1.
脑血容量(CBV)是评估脑组织脑血管改变和脑功能相关代谢的重要脑血流动力学参数。CBV也与神经元活动引起的血氧水平依赖 (BOLD)效应密切相关。目前，主要通过功能磁共振成像(fMRI) 技术，利用脑组织神经元活动造成血液中脱氧血红蛋白与氧合血红蛋白比例改变而造成的信号差异，从而间接评估CBV。通过在血管内注射超顺磁纳米粒子（SPIO）作为增强对比剂，可以在一定程度上提高CBV功能成像的灵敏度。然而，由于SPIO和BOLD效应同时增强信号，因此功能磁共振成像在CBV评估中的灵敏度提升有限。
针对上述问题，实验室利用磁纳米粒子在交变磁场激励下的非线性磁化响应原理，研发新型手持式MPI成像检测系统。区别于fMRI间接评估的方式，手持式MPI能够直接高灵敏检测血液中的SPIO浓度。由于该系统检测速度快，能够实时检测猕猴脑内SPIO浓度随时间变化的动态信息，从而直接反映CBV的改变。在猕猴在体实验结果表明，手持式MPI在1.46mg/kg的SPIO血液浓度情况下，其在脑部检测信噪比能达到134。而在相同SPIO浓度条件下，BOLD-fMRI中信号强度仅有其典型值的1/10。由此可见，手持式MPI相比BOLD-fMRI在信噪比上高1340倍。
图1. 手持式MPI成像设备实物图（左图），手持式MPI灵敏度分布图与猕猴头部MRI图像融合（右图）。(a)使用SPIO点源(黑点表示)对尺寸为15×30×13的三维网格测量MPI灵敏度分布图。(b)MPI响应信号灵敏度分布图(上)和猕猴头部MRI图像(下)。(c) MPI灵敏度分布图与MRI图像融合的三视图和3D渲染效果图。
图2. 手持式MPI在体检测猕猴脑内SPIO浓度变化。(a) MPI信号随血液中SPIO浓度增加呈对数增长。(b)两次注射SPIO后噪声的标准差分布。
MPI是一种新型分子影像成像技术，其成像信号来源于SPIO在动态磁场激励下的非线性磁化响应。MPI成像具有高灵敏度（相比MRI高1000倍）、高成像速度（实时动态）、无深度限制和无放射性的优势。在本文工作基础上，实验室团队依托重大科技基础设施（灵长类设施）灵长类MPI-CT融合成像设备研制项目（http://www.kiz.cas.cn/xwzx/zhxw/202302/t20230217_6679780.html），与中国科学院昆明动物研究所合作进一步研制了适用于猕猴和树鼩等动物全脑的MPI断层成像设备和融合可视化平台（http://mpilab.net/zh-hans/toolkits/），并开展了初步的在体实验。MPI成像系统的不断创新有望进一步提升在体分子影像的成像灵敏度，应用于灵长类动物脑血管疾病和神经系统疾病的研究中，从而为进一步从灵长类动物到临床转化研究奠定基础。该工作由中国科学院自动化研究所，中国科学院分子影像重点实验室惠辉研究员牵头与首都医科大学附属佑安医院放射科柳娇娇医生，北京航空航天大学张慧副教授，钟景教授合作完成，首都医科大学附属佑安医院放射科李宏军主任、中国医学科学院医学实验动物研究所李秦研究员和北京航空航天大学田捷教授为本文共同通讯作者。本文研究工作得到了基金委国家重大科研仪器研制项目（部门推荐）和北京市杰出青年科学基金等项目的资助。