学术简报︱一种磁动力超声成像的新方法，可显著提高癌症检测能力
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省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室（河北工业大学电气工程学院）、河北省电磁场与电器可靠性重点实验室（河北工业大学电气工程学院）的研究人员张帅、李子秀、张雪莹、赵明康、徐桂芝，在2019年第16期《电工技术学报》上撰文指出（论文标题为“基于时间反演的磁动力超声成像仿真与实验”），磁性纳米颗粒可以与肿瘤进行特异性结合，对肿瘤的早期诊断或特异性诊断具有重要意义和潜在应用前景。
该文研究一种基于时间反演的磁动力超声成像方法，该方法利用时变磁场在标记了磁性纳米粒子生物组织内产生的磁动力诱发超声信号，并重建出纳米粒子分布图像。利用有限元法建立不同半径的纳米粒子标记生物组织模型，对模型进行仿真计算，获取磁动力超声的声压信号，并采用时间反演方法进行纳米粒子分布重建。制作纳米粒子标记的生物组织仿体模型和离体生物组织样本，进行了磁动力超声成像实验。
仿真与实验结果表明：纳米粒子分布图像边界与标记生物组织的纳米粒子边界一致性较高，该成像方法能快速准确地获得成像目标的尺寸和位置信息，表明该成像方法的有效性，有望用于磁性纳米标记生物组织的分子成像。
癌症是全球的主要公共卫生问题，占全球死亡率的13%，是工业化国家的第二大死因。癌症严重地影响了病人的身体健康和生活质量，因此国内外的专家不断探索攻克癌症的方法，但情况仍不容乐观。目前肿瘤的诊断方法主要包括影像学检查和病理学检验。
其中，影像学检查主要有X射线、CT、磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）、正电子发射成像（Positron Emission Tomography, PET）、超声等。以上几种影像学检查方法在肿瘤的诊断方面起到了非常重要的作用，但这些传统的肿瘤检测方法需要肿瘤形成到一定尺寸才能检测到，大多数患者在被确诊时肿瘤细胞已发生浸润和转移，错过了最佳治疗时机。因此探寻癌症早期检测的新方法成为亟待解决的问题。
磁性纳米颗粒作为一种新型纳米材料，在生物医学生物工程等方面具有广阔的应用前景。磁性纳米粒子具有特殊的磁导向性，在纳米磁性分离、靶向给药、靶向基因治疗、磁共振成像显影剂和磁热疗法治疗肿瘤等方面得到了应用。近年来，与特异性抗体结合的磁性纳米颗粒用于肿瘤的检测也被世界广泛关注。
Norton S. J. 和Vodinh T. 提出磁性纳米粒子超声成像，发现磁性纳米颗粒被引入身体后可与抗体标记的靶向肿瘤细胞结合，从而对肿瘤进行检测。Mohammad Mehrmohammadi等提出了脉冲磁动力超声成像方法。该方法施加外部高强度脉冲磁场以在磁标记组织内引起运动，用超声检测诱发的组织内部运动，实验证明脉冲磁动力超声成像方法具有较高的灵敏度。Qu Min等研究了双对比度纳米粒子的磁光声成像，对裸鼠的皮下肿瘤进行了实验，实现了体内肿瘤的高灵敏度和高特异性检测。
Tsalach A. 等应用纳米粒子磁声信号研究了单个肿瘤模型的定位算法，为临床医生提供必要的肿瘤位置数据，以方便进行顺序活体检测。Yoon Ki You等研究了氧化铁纳米粒子簇，磁化强度增强的氧化铁纳米粒子簇能增强磁特性，从而使脉冲磁动力超声成像信号强度显著增加。张帅等研究了基于真实乳腺模型的融合电阻抗成像和超声成像的多物理场成像技术。Leo Mariappan等研究了一种磁声层析成像方法，利用短脉冲磁场激励标记磁性纳米粒子的生物组织，诱发超声信号，形成具有高分辨率的纳米粒子分布图像，并对裸鼠的下肢皮下LNCaP肿瘤进行活体在体成像。
此外，在时变磁场的研究方面也取得了重大成就，黄欣、刘国强等设计了脉冲激励磁场，研究线圈激励为时变电流时，空间磁通密度的分布，给出了磁通密度及变化规律曲线，并在实验中进行了验证。牛宗涛等研究重复频率微秒脉冲电源对滑动放电特性的影响，采用重复频率微秒脉冲电源，通过改变电源的脉冲重复频率进行了实验研究。Hu Gang和He Bin研究微秒脉冲磁刺激下，标记磁性纳米粒子生物组织的磁声成像实验，利用反投影法重建纳米粒子分布，提高成像的灵敏度和分辨率。Mohammad M. 等验证了聚焦、高强度脉冲磁场激励下，磁动力超声成像不仅能检测磁性纳米粒子的存在，还能实时地提供细胞内纳米粒子的累积信息；并应用高灵敏度的脉冲磁场激励标记纳米粒子的活裸鼠肿瘤，基于磁动力超声成像对标记的氧化物纳米粒子进行分布重建，得到高对比度图像。
超声波成像技术空间分辨率较高，磁动力超声成像将纳米粒子与超声波成像相结合，是一种具有非侵入性的方法。本文针对磁动力超声成像进行深入系统的研究，提出一种时间反演方法，用于纳米粒子分布重建。已有关于磁动力的成像方法的文献报道中，大多施加连续的交变磁场、毫秒级脉冲磁场，本文中采用微秒级脉冲电流激励亥姆霍兹线圈产生时变磁场，以期获得更高的分辨率，并重点考察成像目标半径对磁动力超声成像仿真与实验过程中声压和纳米粒子分布的影响。
本文利用有限元法构建不同半径的纳米粒子标记生物组织模型，对纳米粒子磁动力超声成像进行仿真分析，得到纳米粒子标记生物组织模型的声压曲线，采用时间反演法重建出纳米粒子分布。并根据磁动力超声成像原理，构建磁动力超声成像实验平台，基于不同半径的纳米粒子标记生物组织仿体模型和离体生物组织样本进行实验研究。本文的研究工作有助于探索磁动力超声成像方法的性能，推动该技术向临床应用更进一步。
图6 磁动力超声成像平台示意图
本文采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法进行研究，分析了纳米粒子受力情况，研究了磁动力声源发生机理，探讨了磁性纳米分布成像机理，对不同半径的纳米粒子标记生物组织模型进行了仿真，获得了声压仿真曲线，应用时间反演算法根据得到的声压数据重建出纳米粒子分布。并利用磁动力超声成像平台进行基于仿体模型和离体生物组织样本的成像实验，测得超声信号，重建出不同半径纳米粒子标记仿体模型和离体生物组织样本的纳米粒子分布。
仿真与实验结果表明，标记纳米粒子的成像目标半径的改变，对声压波形及纳米粒子分布图像均有影响，随着成像目标半径变大，纳米粒子数目越多，受到的磁动力越大，声压信号的峰值出现的时间间隔也越大，重建的纳米粒子分布图像越清晰、位置越准确。由声压波形及纳米粒子分布图像可以清晰地分辨出标记纳米粒子的成像目标的尺寸大小和所在位置，为下一步进行纳米粒子磁动超声成像的临床研究创造了良好条件。
本文提出的基于时间反演的磁动力超声成像方法可以获得标记生物组织的纳米粒子的边界图像，并且具有良好的成像分辨率，能快速准确地获得肿瘤目标的尺寸和相对位置。这种方法很大程度上提高了现有的肿瘤检测能力，提高了成像手段的灵敏性和特异性，有助于发展高灵敏度高分辨率的成像系统，可以提供体内磁性纳米粒子的分布图像。同时有助于推动磁动力超声成像向细胞成像和分子成像水平发展，将纳米粒子磁动力超声技术向临床应用推进一步。