磁粒子成像(Magnetic Particle Imaging,MPI)是一种全新的定量功能性成像技术,其利用了注入血流中的纳米颗粒示踪剂的磁性质,能够生成动脉血流和体积心脏运动的实时三维图像。
2001年,德国汉堡飞利浦实验室科学家B． Gleich首次提出MPI的概念。
2005年,B． Gleich和另一位科学家 J． Weizenecker研制成功了首台MPI设备,其可行性论证于当年在《自然》杂志上首次发表。
MPI可以直接检测到机体内任何时间和空间的纳米颗粒示踪剂,满足临床对安全、快速的三维血管造影技术的需求,帮助研究人员从器官、细胞和分子层面深入认识病程。
MPI具有高空间分辨率和高时间分辨率的优点。由于成像不显示解剖结构和背景组织,不产生干扰信号,因此示踪剂分布图像具有高对比度。同时,MPI 成像时不存在电离辐射,也无需使用毒性示踪剂,因为MPI的示踪剂由超顺磁氧化铁(SPIO)制成,相比用于CT的碘和用于磁共振的钆,SPIO要安全得多。
▲ 图1 各种影像诊断技术对比图
虽然全球目前只有用于小型动物的MPI设备上市,但MPI正处于快速发展时期,与20世纪80年代早期MRI的发展阶段类似。这种新的成像方式对医学科研及临床工作者都有着巨大的吸引力。
本文介绍了MPI工作原理、MPI与MRI的区别以及MPI设备制造商。
MPI工作原理
MPI成像需要使用示踪剂,只有示踪剂存在于成像区域才能产生信号。常用的示踪剂是氧化铁磁性纳米粒子(Fe3O4),也称为超顺磁性氧化铁(SuperParamagnetic Iron Oxide,SPIO)纳米粒子。示踪剂SPIO的性质很大程度上决定了MPI的图像质量。
由于机体内正常情况下不会存在示踪剂,因此MPI图像具有极佳的对比度和高灵敏度,使我们能够看到活的有机体中细胞(细胞跟踪)、血液(灌注)和其他功能系统(靶向、药物传递系统)中的示踪剂。
磁粒子成像利用磁力学独特的几何结构创建一个磁场自由区(Field Free Region,FFR),类似于将两块磁铁放在一起时的情况。由敏感点控制纳米颗粒的方向。这与MRI的物理原理截然不同,MRI的图像是由均匀的磁场产生的。
快速移动FFR会使得SPIO纳米颗粒的磁性方位发生翻转,从而在接收线圈中产生信号。因为我们始终知道敏感点在哪里,所以我们可以将信号分配到已知位置,产生定量的MPI图像。
MPI的性能、分辨率和灵敏度主要受纳米颗粒的影响。使用更好的或特定的SPIO可以提高设备的分辨率和/或灵敏度。
▲图2 利用MPI设备,一条灵敏磁场自由线(FFL)在整个样品上光栅化,用于绘制纳米粒子的分布图。
▲图3 扫描后,生成三维断层图像,可在肝脏和脾脏中检测到MPI信号(热铁色)。
MPI vs． MRI
▲ 图4 MRI的场强结构:使用弱梯度(mT)和强场强(T)创建一个均匀的场来生成图像。
▲ 图5 MPI的场强结构:两个相互指向的强磁体产生一个磁场梯度,中心是FFR。然后将FFR在样本中快速移动,利用强梯度(T)和弱场强(mT)来生成图像。
Bruker(布鲁克)
Bruker公司成立于1960年,以开发用于分析化学领域的高分辨核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance,NMR)系统起家,1975 年进入中国市场,2000年进行内部重组后在美国纳斯达克上市。
Bruker公司的业务领域包括:
蛋白质组学与表型组学(Proteomics & Phenomics);
微生物学与诊断(Microbiology & Diagnostics);
生物制药和应用市场(Biopharma & Applied Markets);
神经科学与细胞生物学(Neuroscience & Cell Biology);
新一代纳米技术和半导体工具(Next-gen Nanotechnology & Semiconductor Tools);
零件/售后(Aftermarket)。
▲图6 Bruker的六大业务领域
Bruker集团由两部分组成:
Bruker Scientific Instruments (BSI)
Bruker Energy &Supercon Technologies (BEST)
▲图7 Bruker 2015财年-2018财年收入
▲ 图8 Bruker集团组成
Bruker集团2018财年收入为19亿美元,BSI占了90%的收入,BEST占10%。研发支出占总收入的9%。
其中,BSI 包括三大业务单元:
Bruker BioSpin
Bruker CALID
Bruker Nano
▲图9 Bruker在2018财年的收入比例
MPI设备属于Bruker BioSpin旗下,与飞利浦合作开发。Bruker 发挥了其在磁共振分析仪器和临床前磁共振成像领域的领先优势,而飞利浦则充分运用了其在医学成像领域的优势。Bruker BioSpin在其位于德国埃特林根的工厂中开发和制造临床前MPI 设备。
注:Bruker BioSpin在核磁共振技术以及单模态和多模态成像技术方面具有竞争力,产品包括NMR、EPR、MRI、MPI、PET和CT,其中:
NMR(核磁共振)是一种定性和定量分析技术,核磁共振波谱被用于研究分子结构、不同分子间的相互作用、分子动力学或动态特征,以及生物溶液、合成溶液或复合材料混合物的成分。
EPR(电子顺磁共振),又称为 ESR(电子自旋共振)技术,是一种可检测含有未成对电子的物质的波谱学技术。
Bruker的MRI是用于临床前的小动物磁共振系统。
▲ 图10 Bruker 与飞利浦的合作
▲图11 Bruker的MPI设备
功能包括:
强大的驱动、选择和聚焦场技术 ParaVision®,采集与处理平台具备 DICOM 导出和导入功能;
全面三维成像和分段采集功能;
通过 ParaVision® 实现团注剂触发;
Bruker的多模态动物处理系统;
小鼠、大鼠、豚鼠和兔成像的 12 cm 自由通道;
Bruker AVANCE™ III / MPI 技术;
推荐的形态学参比技术:台式 MRI ICON™。
▲图12 Bruker MPI设备参数
▲图13 老鼠(mouse)心脏成像
▲ 图14 老鼠(rat)心脏实时成像
可用于:
心血管
介入放射学(3D)
肿瘤学
神经血管
细胞示踪
乳腺成像
器官灌注成像
Magnetic Insight
Magnetic Insight公司是从加州大学伯克利分校走出来的团队,由该校磁粒子成像领域的研究团队创立于2014年。创立之初得到了StartX、CLSA Fast和NIH C3i等知名创业孵化器的支持。
2017年,Magnetic Insight公司的MPI设备——MOMENTUM问世。
2018年底,Magnetic Insight公司完成了A轮融资,融资额达到1800万美元,资金将用于扩大商业规模和运营团队,扩大制造规模,并开发新的应用领域。
▲ 图15 MOMENTUM
▲ 图16 MOMENTUM
产品特点:
0-5．7 T/m(可变)场强
水冷铁芯电磁铁
X梯度线圈组(两个单独的主线圈)磁体配置
FOV: 6cm x 6cm x 12cm
完整射频屏蔽
RF发射强度:>15 mTpeak in (X,Z)
2个发射通道(X,Z), 2个接收通道(X,Z)
图像序列:二维投影,三维断层
主要应用:
肿瘤生长/转移
干细胞示踪
长期细胞示踪
脑血管成像
血管灌注研究
磁热疗,药物输送
多标记成像
2019年9月初举办的世界分子成像大会(WMIC)上,Magnetic Insight再次推出首款集成了CT模块的商业MPI系统,为最新突破的分子成像模式提供了解剖学背景。
▲ 图17 MOMENTUM CT
▲ 图18 MOMENTUM CT
▲ 图19 MOMENTUM CT参数
通过将CT与MPI成像相结合,研究人员将能够根据组织和骨骼结构,识别出身体功能事件的精确位置,如细胞迁移到疾病部位和MPI检测到的炎症。
现在,MOMENTUM MPI 既可以作为一个基础系统使用,也可以把CT模块集成进去。
目前,MPI被用于研究新的细胞疗法、免疫学和的临床前研究模型。这种技术可以定量检测身体里任何部位的磁性纳米粒子示踪剂,对身体内功能性成像具有卓越的对比度、灵敏度和分辨率。不过,虽然MPI提供了对身体内的功能性事件(比如细胞迁移到疾病部位和炎症反应)的高对比度检测,但它无法进行解剖成像。而集成了CT之后,研究人员将有能力根据组织和骨骼结构确定这些事件的精确位置。
Magnetic Insight公司的首席执行官Anna Christensen表示:“Magnetic Insight的CT平台专门为安全、低剂量、高质量的成像而设计,它是MPI在医学成像领域的一个补充。”
眼下,Magnetic Insight公司还在不断研发支持MPI的产品,包括:
HYPER(一种局部热疗模块)
VIVOTRAX(一种临床获批的MPI示踪剂)
RELAX(一种粒子弛豫测量模块)
以及支持多模态成像的配准(co-registration)软件
▲ 图20 Magnetic Insight公司主要产品
2019年,第5期《中华放射学杂志》发表了《磁粒子成像的发展与临床应用前景》一文,作者提到:“从技术的角度看,临床用MPI研发将是未来几年主要面临的挑战。为了保证临床上可靠且具有重复性的检查方法,基于标记的图像融合技术和MPI-MRI扫描仪已在研究中。”
虽然目前Bruker公司和Magnetic Insight公司的MPI设备都只用于小动物,但从原理上来说,小动物成像和临床成像没有不同,MPI的未来发展蕴含着巨大的想象空间。
注:1． 视频及图1-图5、图15-图19来源于Magnetic Insight官网。
2． 图7、图9-图14来源于Bruker官网。
END
器械汇
汇聚医疗器械各类信息
