磁性粒子イメージング（MPI）は、高感度と高空間分解能の可能性を秘めた新興の医療用画像診断法です。2005年に導入されて以来、研究者は小動物研究用の前臨床MPIシステムを数多く構築してきました。しかし、人間規模のMPIは未解決の課題のままです。現在、 アシノウラ A マルティノス バイオメディカルイメージングセンター 概念実証として人間の脳規模の MPI システムを構築し、機能的神経イメージングの可能性を実証しました。
MPI は、注入された超常磁性酸化鉄ナノ粒子 (SPION) を視覚化することで機能します。SPION は、印加磁場に対して非線形応答を示します。つまり、磁場が低い場合はほぼ線形に応答しますが、磁場強度が大きくなると、粒子の応答は飽和します。MPI は、中心に無磁場線 (FFL) があるイメージング空間全体に磁場勾配を作成することで、この動作を利用します。信号は FFL 内の飽和していない SPION によってのみ生成され、イメージング空間全体をスキャンして SPION 分布をマッピングできます。
筆頭著者 イーライ・マッティングリー 同僚らは、MPI は、干渉する背景信号なしに血液中のナノ粒子の局所分布を測定できるため、脳内の血液量の動態を画像化するのに特に興味深い可能性があると提案している。
「脳内では、トレーサーは血液中に留まるため、血液量分布の画像が得られます」とマッティングリー氏は説明します。「血液は代謝を支えるのに非常に重要なので、これはマッピングするべき重要な生理学的パラメータです。実際、脳の領域が精神的な作業に使用されると、それに応じて局所的な血液量が約 20% 増加します。そのため、脳の血液量を動的に画像化することで、機能的な脳活動をマッピングできます。」
スキャナーのスケール変更
研究者らは、まず人間の脳サイズの MPI システムを構築するために必要なパラメータを定義することから始めました。このようなデバイスは、6 mm の空間解像度 (多くの MRI ベースの機能的神経画像研究で使用されている) と 5 秒の時間解像度で少なくとも 30 分間頭部を画像化できる必要があります。これを実現するために、研究者らは既存のげっ歯類サイズの撮像装置のサイズを変更しました。
このスキャナーは、1.13 つの対向する永久磁石を使用して FFL を生成し、頭部の両側にある内側コイルと外側コイルで構成される高出力電磁石シフト コイルを使用して、頭部全体に FFL を走査します。磁石は 5 T/m の勾配を生成します。これは、高性能 SPION で 6～2 mm の解像度を達成するのに十分な値です。6D 画像を作成するために、機械式ガントリーが磁石とシフト コイルを 5 RPM で回転させ、XNUMX 秒ごとに画像を撮影できます。
MPIシステムには、水冷式の26.3kHz駆動コイルも組み込まれており、振動磁場（最大7mT）を生成します。ピーク) が必要です。SPION の応答を記録するために、グラジオメータ ベースの受信コイルが頭部に取り付けられます。
マッティングリー氏は、多くのパラメータが体積に応じて変化するため、この再スケーリングは決して簡単ではないと指摘している。 イメージングボアの約125倍の大きさのボアでは、体積は約XNUMX倍になります」と彼は言います。「これは、パワーエレクトロニクスがラットサイズのMPIシステムよりもXNUMX桁からXNUMX桁多くの電力を必要とすることを意味し、受信コイルは大きくなるにつれて同時に感度が低くなります。」
性能評価
研究者らは、一連のファントムを使用してスキャナーの性能をテストしました。最初に、Synomag SPION を充填し、間隔を 2.5 ～ 5 mm にした直径 9 mm の毛細管を画像化して空間分解能を評価しました。逆ラドン再構成アルゴリズムと順方向モデル反復再構成を使用して画像を再構成しました。
このシステムは、逆ラドン再構成で約 7 mm の空間解像度を示し、反復再構成では 5 mm まで向上しました。研究チームは、この解像度は脳機能や脳損傷に伴う脳血液量の変化を観察するのに十分であるはずだと指摘しています。
実用的な検出限界を決定するために、研究者らは6mgからXNUMXmgの濃度のSynomagサンプルを画像化した。Fe/mlから15.6µgFe/ml、約1µgの限界を観察Feこの結果に基づき、研究者らは、MPI では 100 秒の画像で灰白質を約 5 の信号対雑音比 (SNR) で、大血管を約 XNUMX の SNR で表示できると予測しています。また、脳の活性化中の変化を XNUMX を超えるコントラスト対雑音比で検出できると期待しています。
次に、彼らは、血液とほぼ同じ濃度のシノマグを充填したG字型のファントムを使用して、スキャナーの撮像視野を定量化した。視野は直径181mmで、ほとんどの人間の脳を包むのに十分な大きさだった。最後に、チームは35分間の連続撮像で駆動電流の安定性を監視した。駆動磁場が4.6mTのとき、ピーク電流の偏差は 2% 未満でした。このドリフトはスムーズでゆっくりなので、脳の活性化から予想される大きな信号の変化と区別するのは簡単なはずです。
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研究者らは、このスキャナー（人間の頭と同じ大きさで、機械的に回転するFFLベースのMPI）が、人間の機能的神経画像化に適した空間分解能、時間分解能、感度を備えていると結論付けている。そして、彼らはこのデバイスの改良を続けている。「現在、研究グループは、アプリケーション固有の受信コイルなどの研究を可能にするハードウェアを開発しており、 インビボの 「実験です」とマッティングリー氏は言う。
現在、スキャナーの感度は増幅器からのバックグラウンドノイズによって制限されています。このようなノイズを軽減することで感度が 20 倍に向上し、他の人間の神経画像化方法よりも桁違いの改善が実現し、脳活動に伴う血行動態の変化を視覚化できるようになると研究チームは予測しています。
MPIシステムについては、 医学と生物学の物理学.
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- 出典： https://physicsworld.com/a/magnetic-particle-imaging-designed-for-the-human-brain/
