磁性顆粒成像及其腫瘤診療研究進展

鐘景，金志發(fā)，王楚天，馮林，劉文中

（1. 德國布倫瑞克工業(yè)大學(xué)電測量技術(shù)和基礎(chǔ)電子技術(shù)研究所，下薩克森 布倫瑞克 38106；2. 中山大學(xué)附屬江門醫(yī)院放射科，廣東 江門529030；3. 北京航空航天大學(xué)機械工程及自動化學(xué)院，北京100191；4. 華中科技大學(xué)人工智能與自動化學(xué)院，湖北 武漢430074）

癌癥是危害人類健康的主要疾病之一。傳統(tǒng)癌癥治療手段主要有手術(shù)、放療和化療。在化療中，約1%的藥物能到達腫瘤病變區(qū)域，而99%的藥物都會被遞送到其他組織或器官。傳統(tǒng)化學(xué)藥物治療副作用大、治愈率低[1]。癌癥的早期檢測、藥物的精準輸送和新型腫瘤治療技術(shù)的發(fā)展在癌癥治療中具有決定性意義。納米技術(shù)給癌癥的精準診療帶來了曙光?？茖W(xué)家通過在藥物中添加磁納米粒子（magnetic nanoparticles，MNPs），通過物理靶向（如磁場）配合生物靶向技術(shù)實現(xiàn)藥物向癌變區(qū)域的精準輸送[2-4]。在此基礎(chǔ)上，利用溫度敏感的多聚體藥物膠囊封裝MNPs和特定的藥物，當(dāng)藥物到達癌癥病變區(qū)域，在該病變區(qū)域施加射頻交變磁場，使得MNPs因磁滯損耗而產(chǎn)熱；多聚體藥物超過低臨界溫度（lower critical solution temperature，LCST）時，多聚體膠囊開始釋放藥物；當(dāng)撤去外加交變磁場，多聚體膠囊低于LCST而停止釋放藥物[5-6]。磁納米靶向藥物有望實現(xiàn)藥物的定點精準運輸和釋放，有助于降低化療藥物的副作用，從而提高腫瘤的治愈率。此外，磁納米腫瘤熱療技術(shù)利用人體正常細胞和腫瘤細胞的可耐受溫度的不同，在殺死癌細胞的同時可確保人體正常細胞的存活，從而實現(xiàn)癌癥的精準治療。研究顯示，腫瘤細胞最高可耐受42℃，而人體正常細胞最高可耐受46℃[7-8]。在腫瘤熱療應(yīng)用于中晚期癌癥中，腫瘤病變區(qū)域的溫度是一個關(guān)鍵性參數(shù)。當(dāng)腫瘤病變區(qū)域無法達到下限溫度42℃時，難以殺死癌細胞；當(dāng)腫瘤病變區(qū)域超過上限溫度46℃時，在殺死癌細胞的同時也會損害人體正常細胞，從而產(chǎn)生副作用。因此，研發(fā)一種全新的分子影像技術(shù)，使其實現(xiàn)在體MNPs濃度及其周圍環(huán)境的溫度和生物分子含量成像，將有助于實現(xiàn)癌癥的精準診療，對于治療中晚期癌癥至關(guān)重要。

磁性顆粒成像（magnetic particle imaging，MPI）是一種全新的分子影像技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)實時的在體MNPs的三維空間分布成像。2005年德國飛利浦漢堡研究所研究人員首次在Nature上報道MPI技術(shù)及其儀器研發(fā)過程[9]。此后十多年來，MPI技術(shù)引起了德國[10-11]、中國[12-13]、美國[14]和日本[15]等國家研究人員的廣泛關(guān)注，并獲得了快速發(fā)展，涉及的領(lǐng)域包括工程技術(shù)、納米磁性物理和生物醫(yī)學(xué)等。目前，MPI主要包括基于零磁場點（field free point，F(xiàn)FP）和 零 磁 場 線（field free line，F(xiàn)FL）的2種成像方式。MPI的主要性能指標包括時間分辨率、空間分辨率和檢測下限（limit of detection，LOD）。2017年Bruker基于FFP方式推出了一種商業(yè)化的MPI儀器。德國Buzug教授團隊依據(jù)該儀器的測試結(jié)果顯示，其LOD約為5 ng鐵（測量時間為2.14 s）[16]。同年，美國Krishnan教授團隊利用美國Magnetic Insight基于FFL的商業(yè)化MPI儀器研究結(jié)果顯示，其LOD約為1.1 ng鐵（信噪比約為3.9 dB）[17]。美國團隊報道的LOD是在單點檢測（非成像）下實現(xiàn)，其測量時間不詳。MPI技術(shù)的空間分辨率取決于MNPs的磁學(xué)特性和外加梯度磁場的梯度，目前其空間分辨率為0.5 mm。根據(jù)德國Bruker的成像儀器實驗報道，MPI的時間分辨率最快能夠達到21.5 ms（20.4 mm× 12 mm× 16.8 mm的三維圖像），能夠?qū)崟r看到小鼠心臟的跳動[18]。有關(guān)MPI的成像方法和儀器仍處于快速研發(fā)階段。相關(guān)MPI的技術(shù)性能（包括空間分辨率和LOD）有待進一步提高。

1 磁性顆粒成像原理和儀器研發(fā)

1.1 成像的基本原理

理想情況下，在磁場激勵下具有超順磁特性的MNPs的磁化響應(yīng)服從郎之萬函數(shù)[19]。根據(jù)郎之萬函數(shù)的非線性，在頻率為f0的交變磁場激勵下，MNPs的磁化響應(yīng)不僅含有基波頻率f0信號，還含有該基波頻率的其他高次諧波i·f0信號，其中i表示諧波次數(shù)，f0表示激發(fā)磁場頻率。MPI技術(shù)主要利用具有超順磁性的MNPs在直流梯度磁場和交變磁場下的非線性磁化響應(yīng)來實現(xiàn)空間編碼和成像（見圖1）[9]。在純交變磁場（無直流偏置磁場）激勵下，MNPs在時域上表現(xiàn)出很強的交變磁化響應(yīng)信號，在頻域上具有豐富的頻譜信息；而在交變磁場的基礎(chǔ)上額外疊加直流偏置磁場，MNPs會因直流偏置磁場的增大而迅速飽和，不再對交變磁場的激勵產(chǎn)生任何響應(yīng)。此時，MNPs在時域上表現(xiàn)出沒有交變磁化響應(yīng)信號，在頻域上沒有頻譜信息。因此，為實現(xiàn)MNPs的空間編碼，在成像區(qū)域通過一對反向的永磁體（或超導(dǎo)磁體）施加梯度磁場，這對反向的永磁體將在中心位置產(chǎn)生一個FFP。在成像區(qū)域中施加交變磁場，只有FFP區(qū)域的MNPs對外加交變磁場產(chǎn)生響應(yīng)，具有交變磁化強度；遠離FFP區(qū)域的MNPs會因直流偏置磁場達到飽和而不產(chǎn)生交變磁化信號。此時，測量得到的信號就包含MNPs在FFP位置的濃度信息。當(dāng)將FFP在成像區(qū)域中移動，就能實現(xiàn)整個成像區(qū)域MNPs濃度分布信息的獲取，即MPI。

1.2 MPI儀器研發(fā)

根據(jù)MPI原理，所有MPI儀器主要包括磁場激勵和MNPs磁化響應(yīng)測量2個部分。三維MPI儀器的基本框架為（見圖2）[18]：一對反向的永磁鐵（電磁鐵）產(chǎn)生梯度磁場，配合三維Helmholtz或者螺線管線圈，從而產(chǎn)生三維磁場，最終采用探測線圈來檢測MNPs的交變磁化響應(yīng)。

MPI儀器中磁場激勵部分含有梯度磁場產(chǎn)生裝置和移動FFP/FFL的交變磁場產(chǎn)生裝置。在基于FFP的MPI儀器中，梯度磁場可以利用一對反向永磁體或者通反向電流的電磁鐵產(chǎn)生。目前，大多數(shù)MPI儀器都使用25 kHz的交變磁場激勵頻率，該交變磁場的幅值直接決定MPI成像區(qū)域（field-ofview，F(xiàn)OV）。如當(dāng)梯度磁場在x軸上的梯度（Gx）為5 T · m-1，且在x軸上交變磁場幅值（Hac）為25 mT，則該MPI儀器在x軸上的成像區(qū)域（FOVx）為10 mm。而該交變磁場的產(chǎn)生是MPI儀器研發(fā)中的一個難點。根據(jù)MPI成像原理，MPI主要測量MNPs的高次諧波。為實現(xiàn)高精度和高靈敏度的MNPs成像，激勵磁場中應(yīng)盡可能是單一頻率，如只有25 kHz的頻率成分，而在驅(qū)動激勵線圈產(chǎn)生該交變磁場時，功率放大儀器必然會產(chǎn)生非線性，使得激勵的交變磁場中產(chǎn)生高次諧波，稱為總諧波失真（total harmonic distortion，THD）。這些諧波失真信號會直接耦合到探測線圈中，從而降低MPI儀器的性能，如LOD。因此，在MPI儀器研發(fā)中，在激勵線圈前段需要設(shè)計濾波器（如低通濾波器或帶通濾波器），濾除功率放大器產(chǎn)生的諧波失真信號，從而盡可能產(chǎn)生單一頻率（如25 kHz）的激勵交變磁場（見圖3）[20]。此外，考慮在25 kHz下激勵線圈的阻抗，需要設(shè)計相應(yīng)的共振電路，使得在相同功率下產(chǎn)生盡可能大的交變磁場。

圖 1 磁性顆粒成像原理圖Figure 1 Schematic diagram of the principle of magnetic particle imaging

圖 2 三維磁性顆粒成像儀器設(shè)計原理圖Figure 2 Schematic diagram of a three-dimensional magnetic particle imaging scanner

圖 3 典型磁性顆粒成像儀器的信號鏈Figure 3 Signal chain of a typical magnetic particle imaging scanner

MPI儀器中MNPs磁化響應(yīng)測量部分是整個儀器研發(fā)中的核心。目前，考慮MNPs諧波信號測量所需要的線性度，MPI儀器中MNPs磁化響應(yīng)測量部分主要利用探測線圈。在成像區(qū)域中，探測線圈的輸出信號包括MNPs的磁化響應(yīng)信號uM（x，y，z，t），也包括激勵線圈中激勵磁場耦合到測量單元的信號uH（x，y，z，t）。通常情況下，激勵磁場耦合到探測線圈中的信號幅值可能比MNPs交變磁化強度高2～3個數(shù)量級（見圖3）。其中，圖3中的紅色部分主要為交變激勵磁場的耦合信號強度。因此，在探測線圈之后，必須設(shè)計帶阻濾波器（陷波器）以濾除基波信號，從而使得輸出信號主要為MNPs磁化響應(yīng)的信號。在帶阻濾波器（陷波器）之后，需要利用低噪聲前置放大器放大輸出電壓信號，再利用數(shù)據(jù)采集卡采集獲得時變的MNPs磁化響應(yīng)，以便進一步的數(shù)據(jù)處理和圖像反演[21]，從而實現(xiàn)MNPs空間分布成像。

2 MPI在腫瘤診斷上的應(yīng)用

精準的早期腫瘤診斷技術(shù)能夠使腫瘤病人獲得更充裕的干預(yù)時間，從而得到更有效的救治。通常情況下，隨著腫瘤的增殖和轉(zhuǎn)移，在特定的腫瘤病變部位會高表達出特定的生物分子。如乳腺癌細胞的產(chǎn)生和增殖會誘導(dǎo)microRNA-21的過表達[22]；很多肝細胞癌患者的血液存在較高水平的甲型球蛋白[23]；一些常用的腫瘤標志物，如糖類抗原CA19-9、癌胚抗原和癌抗原CA125，可以用來檢測和診斷膽管癌[24]。因此，通過精密檢測這些特定腫瘤的生物標志物，能夠?qū)崿F(xiàn)腫瘤的早期和快速診斷。而功能化的MNPs可作為生物分子檢測的傳感器，能夠定量檢測特定的抗原、抗體和病毒，從而實現(xiàn)相關(guān)疾病的早期診斷。其主要物理機制是：當(dāng)MNPs綁定有特定的生物分子（DNA/RNA、蛋白質(zhì)和抗體）時，其布朗弛豫時間會發(fā)生顯著變化，從而影響其在交變磁場下的磁化強度及其頻譜[25]。而MPI儀器能夠檢測MNPs在交變磁場激勵下的頻譜，通過重構(gòu)技術(shù)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)MNPs濃度的檢測（成像），也能夠分辨MNPs弛豫時間，從而實現(xiàn)特定生物分子的檢測（成像）。該檢測技術(shù)具有高靈敏度、易操作和定量檢測的特性。

利用功能化的MNPs實現(xiàn)特定生物分子含量的定量檢測是MNPs在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一個典型應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)MNPs綁定上目標生物分子時，一部分MNPs會形成聚集體，使得在交變磁場下MNPs的交流磁化率降低，從而實現(xiàn)抗生物素蛋白的檢測[26]。另有研究利用抗凝血酶DNA功能化MNPs，實現(xiàn)了凝血酶的高靈敏檢測，LOD約為2 pmol · L-1[27]。在旋轉(zhuǎn)磁場（rotating magnetic field，RMF）下，待檢測生物分子的存在使得MNPs旋轉(zhuǎn)速度變慢，表現(xiàn)為MNPs的磁化強度相對激勵磁場信號的時延增加（弛豫特性變化的表現(xiàn)）。因此，有研究利用MNPs在旋轉(zhuǎn)磁場下的弛豫特性實現(xiàn)生物分子（抗體）的高精度檢測[28]。另有研究利用磁粒子頻譜儀（magnetic particle spectroscopy，MPS）實現(xiàn)腫瘤標志物蛋白酶（MMP-2）的檢測[29]。原則上，MPI技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)在體MNPs弛豫特性的成像，從而反演獲得在體生物分子含量的圖像。因此，通過測量MNPs在交變磁場下一次諧波和三次諧波的空間分布，計算三次諧波和一次諧波比值即可實現(xiàn)抗體空間成像技術(shù)（見圖4）[30]：圖像中紅色區(qū)域的MNPs溶液中含有綁定有生物素的抗體，而其他地方的MNPs溶液中不含有抗體；當(dāng)MNPs綁定有抗體時，其布朗弛豫時間變長，表現(xiàn)為其三次諧波和一次諧波的比值R3rd/1st降低；此外，在其他外界條件（如溫度）相同的情況下，R3rd/1st只和MNPs的弛豫特性有關(guān)，而與其濃度無關(guān)。因此，通過三次諧波和一次諧波的圖像獲得的R3rd/1st圖像可以直接計算出特定生物分子的含量。有研究利用MPI技術(shù)成像觀測小鼠體內(nèi)的腫瘤情況，注射MNPs到種植有乳腺癌的小鼠體內(nèi)，再利用MPI實現(xiàn)了該MNPs的成像；該研究發(fā)現(xiàn)，種植有腫瘤的位置出現(xiàn)MNPs的富集，從而實現(xiàn)了腫瘤的成像[31]。目前，利用MNPs進行體外生物分子含量檢測已有大量的研究，而在體檢測仍處于初級階段。利用MPI技術(shù)在實現(xiàn)MNPs濃度成像的基礎(chǔ)上，有望實現(xiàn)MNPs弛豫特性的成像，從而能夠用于特定生物分子含量的成像，并進一步發(fā)展為腫瘤的診斷技術(shù)。

圖 4 基于磁性顆粒成像技術(shù)的抗體成像Figure 4 Imaging antibody with magnetic particle imaging

3 磁性顆粒成像在腫瘤治療上的應(yīng)用

3.1 靶向藥物運輸

目前，靶向藥物運輸僅僅實現(xiàn)了開環(huán)藥物運輸，而無法實現(xiàn)在體實時的藥物分布檢測。結(jié)合MPI技術(shù)和靶向藥物運輸將有助于實現(xiàn)具有閉環(huán)反饋控制的藥物精準靶向；在藥物運輸過程中，可以通過控制MPI儀器的梯度產(chǎn)生定向運動，從而牽引包裹有MNPs的多聚體藥物向特定的病灶運送。與此同時，利用MPI對MNPs的實時成像功能，可以實時監(jiān)測藥物的空間分布，從而構(gòu)建一個基于MPI技術(shù)的實時藥物追蹤和驅(qū)動的閉環(huán)靶向藥物運輸系統(tǒng)。有研究設(shè)計了一套結(jié)合MPI技術(shù)和MNPs驅(qū)動的儀器（見圖5）[32]：利用一對電磁鐵產(chǎn)生梯度磁場用于實現(xiàn)MNPs的成像（成像模式），也可編輯電磁鐵的電流產(chǎn)生聚焦磁場用于驅(qū)動MNPs在空間的移動（驅(qū)動模式）；當(dāng)該儀器工作在成像模式下，能夠?qū)崿F(xiàn)每秒2幀二維MNPs濃度的圖像；當(dāng)該儀器工作在驅(qū)動模式下，能夠牽引MNPs向特定的位置移動。因此，通過編輯該儀器在成像模式和驅(qū)動模式之間切換，實現(xiàn)了MNPs在成像空間中按照設(shè)定的路徑運動。該研究有望能夠用于靶向藥物的實時精準成像和運輸。

圖 5 靶向藥物運輸平臺中實時的二維磁性顆粒成像圖像Figure Real-time 2D magnetic particle imaging in the targeted drug delivery platform

此外，根據(jù)藥物釋放過程中MNPs弛豫時間及其磁化響應(yīng)頻譜的改變，可以利用MPI技術(shù)實現(xiàn)藥物釋放量的實時檢測。當(dāng)MNPs包覆在藥物膠囊中，MNPs的磁化過程以尼爾弛豫為主導(dǎo)；當(dāng)藥物釋放MNPs后，MNPs的弛豫模型包括布朗弛豫和尼爾弛豫。這些弛豫過程的變化會直接影響MNPs的磁化強度及其頻譜特性。因而，可以通過研究MNPs弛豫模型的變化實現(xiàn)實時、在體和定量的藥物釋放成像。Zhu等[33]合成了一種納米復(fù)合材料，該材料里面包覆有MNPs，并裝載有阿霉素（DOX,見圖6）：當(dāng)MNPs處于聚乳酸-羥基乙酸共聚物[poly(lactic-co-glycolic acid)，PLGA]的包裹狀態(tài)時，MNPs被固定在PLGA中，即固定狀態(tài)，則是尼爾弛豫主導(dǎo)；當(dāng)MNPs隨著藥物釋放出來，MNPs便可以自由移動，則是布朗弛豫和尼爾弛豫主導(dǎo)；隨著藥物的釋放，DOX的釋放量逐漸增加，并且可以自由移動的MNPs量逐漸增加。該研究發(fā)現(xiàn)，隨著時間推移，藥物釋放量逐漸增加，MNPs的MPI圖像強度也逐漸增加（見圖6a、圖6b），藥物釋放量和MNPs的MPI圖像強度成正比例線性關(guān)系；隨著組織厚度的增加，MPI圖像強度幾乎不變，而熒光成像（fluorescence imaging，F(xiàn)I）圖像強度嚴重降低，表明MPI在應(yīng)用于藥物成像上具有較大優(yōu)勢。該研究有望實現(xiàn)定量的藥物釋放檢測和成像，對于未來實現(xiàn)藥物定量釋放具有重要意義。

圖 6 基于磁性顆粒成像監(jiān)控的藥物釋放納米復(fù)合材料示意圖Figure 6 Schematic diagram of nanocomposite for magnetic particle imaging-based monitoring of drug release

3.2 腫瘤熱療

腫瘤病變區(qū)域的溫度控制是腫瘤熱療法治療腫瘤的關(guān)鍵之一。腫瘤病變區(qū)域的溫度在體測量技術(shù)的發(fā)展有助于研發(fā)一套具有溫度反饋控制的腫瘤熱療技術(shù)和系統(tǒng)，能夠優(yōu)化腫瘤病變區(qū)域溫度過低或過高的情況，從而提高腫瘤熱療法治療中晚期癌癥的治愈率。研究發(fā)現(xiàn)，在射頻磁場的基礎(chǔ)上額外施加直流磁場能夠?qū)崿F(xiàn)溫度的控制[34]。一般情況下，在直流磁場存在的情況下，MNPs的加熱效率降低，從而可避免腫瘤病變區(qū)域溫度過高。在此基礎(chǔ)上，有研究提出了在射頻磁場的基礎(chǔ)上施加直流梯度磁場，從而實現(xiàn)定點定位的腫瘤熱療方案（見圖7）[35]：當(dāng)在人體施加一個交變磁場，在整個人體區(qū)域都會產(chǎn)生相對均勻的射頻磁場，人體正常組織也會被加熱；當(dāng)利用單側(cè)線圈施加射頻磁場，只有人體淺表組織會加熱，而無法加熱人體深處組織；當(dāng)在射頻交變磁場下，施加直流梯度磁場時，只有FFP或零磁場區(qū)域（field free region，F(xiàn)FR）被加熱。此外，利用MPI儀器中的FFL和MPI儀器的20 kHz的交變磁場能夠?qū)崿F(xiàn)腫瘤的定點定位加熱；利用MPI可獲得體內(nèi)MNPs濃度分布圖像，并可通過該濃度分布圖像預(yù)測腫瘤熱療的吸收率（specific absorption rate，SAR）；無外加磁場時，SAR直接和體內(nèi)的MNPs濃度分布呈正比例關(guān)系；當(dāng)利用直流梯度磁場產(chǎn)生的FFL時，只有FFL的位置會被加熱，且根據(jù)測量的MNPs濃度和預(yù)測的SAR可預(yù)測溫度變化的空間分布[36]。這些研究有望推動腫瘤熱療的進一步發(fā)展，進而實現(xiàn)定點定位的腫瘤熱療。

圖 7 定點定位的磁流體熱療Figure 7 Localizing magnetic fluid hyperthermia

MPI技術(shù)不僅能夠檢測MNPs在體內(nèi)的空間分布，還可以利用MNPs作為溫度傳感器實現(xiàn)溫度成像。根據(jù)納米磁學(xué)理論，MNPs的磁化強度及其頻譜特性均具有溫度敏感特性。通過測量MNPs在外加磁場下的磁化強度及其頻譜可以反演獲得溫度信息。有研究利用MNPs頻譜儀測量MNPs在不同溫度下的三次諧波和五次諧波的幅值，并根據(jù)郎之萬函數(shù)模型，利用三次諧波和五次諧波比值實現(xiàn)了非侵入式的溫度測量[37]。另有研究通過解析郎之萬函數(shù)模型探討MNPs磁化曲線的溫度敏感特性，實現(xiàn)了利用MNPs磁化曲線的非侵入式溫度測量技術(shù)[19,38]；再進一步研究在交變磁場下MNPs磁化模型，實現(xiàn)了利用MNPs在三角波和正弦波磁場激勵下的非侵入式精密溫度測量[38-39]。然而，這些研究均只能實現(xiàn)單點溫度測量，而無法實現(xiàn)多維溫度成像。利用MNPs作為溫度傳感器實現(xiàn)多維溫度成像，仍面臨空間編碼方法不明確和MNPs濃度耦合等難題。2018年研究人員基于MNPs在不同溫度下的頻譜特性，利用彩色MPI技術(shù)測量MNPs在不同溫度下的弛豫，實現(xiàn)了定性的溫度成像[40]。同年，其他研究人員利用掃描磁粒子頻譜儀，測量MNPs一次諧波和三次諧波的空間分布，并利用獨立反演技術(shù)，實現(xiàn)了定量的溫度成像[41-42]。因此，相關(guān)研究成果有望能夠結(jié)合腫瘤熱療法，在射頻加熱的同時，檢測腫瘤病變部位的溫度（場），從而實現(xiàn)在體多維溫度場的測量和控制。

4 總結(jié)和展望

從2001年首次提出磁粒子MPI思路開始，到2005年首次公開報道實現(xiàn)MPI裝置，MPI技術(shù)至今已歷經(jīng)20年。目前，MPI技術(shù)在LOD、空間分辨率和時間分辨率上均得到了進一步優(yōu)化。此外，由于納米材料制備技術(shù)的進步，MPI示蹤劑MNPs的性能如飽和磁矩、粒徑分散度等也獲得了比較大的改進，MPI圖像的靈敏度和空間分辨率均因此得到進一步提升。與此同時，MPI也逐漸走向生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的實際應(yīng)用，包括干細胞示蹤、免疫細胞示蹤、腫瘤熱療、棕色脂肪示蹤和生物分子檢測等。另外，功能化成像的相關(guān)研究使得MPI在臨床前階段取得了一系列的進展。在多參數(shù)MPI技術(shù)上，基于納米磁學(xué)的物體特性，研究人員已經(jīng)在黏度、溫度和生物分子含量等多參數(shù)成像領(lǐng)域獲得了一些初步的研究結(jié)果。這些研究正在有力地推動著MPI在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域更深與更廣的應(yīng)用。

然而，盡管前景光明，MPI技術(shù)下一個20年的發(fā)展方向依然不是十分清晰。目前，MPI的理論LOD和空間分辨率以及現(xiàn)有MPI儀器架構(gòu)是否可最終實現(xiàn)人體成像并沒有十分清楚的結(jié)論。要進一步提升MPI的LOD和空間分辨率，必須要從物理層面的納米磁性機制出發(fā)，進一步詮釋MNPs在交變磁場和梯度磁場下的磁化特性，以及如何將MNPs及周邊微環(huán)境的信息高性能地傳輸?shù)襟w外檢測裝置，均有待有物理學(xué)背景的研究人員參與。在此基礎(chǔ)上，工程領(lǐng)域相關(guān)研究人員可參與研究全新的空間編碼優(yōu)化算法，改進現(xiàn)有MPI儀器研發(fā)中存在的交變磁場失真等問題。而在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域，必須要結(jié)合MNPs在生物體內(nèi)的弛豫特性，將彩色MPI技術(shù)應(yīng)用到活體成像研究中，從而能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的定量成像。MNPs的化學(xué)合成和生物功能化技術(shù)也會影響MPI的性能。可以明確的是，MPI向生物醫(yī)學(xué)各領(lǐng)域推廣應(yīng)用將會成為相關(guān)領(lǐng)域下一個20年全新的研究熱點。