基于超顺磁性纳米粒子的铁磁共振温度成像方法研究

Aiming at the problem of the acquisition and control of temperature information in the target region in the process of hyperthermia, and combining the temperature-sensitive characteristics of the superparamagnetic nanoparticles, the multi-slice selectivity and imaging precision of ferromagnetic resonance imaging, we propose the thermotherapy target ferromagnetic resonance temperature imaging method based on superparamagnetic nanoparticles. Firstly, the computable model of the relationship between the macroscopic magnetization vector and the temperature in the single voxel of the body tissue will be constructed by using the Landau–Lifshitz equation, the Bloch-Bloembergen equation and the Langevin equation. Secondly, according to the basic condition of ferromagnetic resonance, we will select the appropriate pulse sequence to obtain the macroscopic magnetization vector distribution and location. Thirdly, we will determine the filled trajectory and way of the measurement data in the acquisition space, and obtain dual of the Fourier transform space and magnetization vector real space. Finally, using of regularization, singular value decomposition or group intelligent optimization technique, an efficient, accurate and robust algorithm will be designed to solve the model to obtain the magnetization vector distribution and the corresponding temperature information. On this basis, the inversion and reconstruction algorithm will be designed to realize the stereoscopic reproduction of the temperature image. The project will be studied from three aspects: theoretical derivation, algorithm design and experimental verification. It will provide a feasible solution for the information acquisition, processing and reproduction of temperature field in the targeted hyperthermia.

针对超顺磁性纳米粒子靶向热疗在肿瘤治疗过程中的技术瓶颈——靶区温度信息的获取与控制问题，将超顺磁性纳米粒子的温度敏感特性与磁共振成像的多层面选择性及成像精细化相结合，建立一种基于超顺磁性纳米粒子的热疗靶区铁磁共振温度成像方法。首先利用朗道-利夫希兹方程、布罗兹-布鲁姆伯根方程和郎之万方程构建出肌体组织单一体素内宏观磁化矢量与温度关系的可计算模型；其次根据铁磁共振的基本条件，选取适宜的脉冲序列以获得宏观磁化矢量的分布定位；然后确定测量数据在采集空间的填充轨迹及方式，以获得傅里叶变换空间和磁化矢量实空间的对偶；最后采用正则化、奇异值分解或群智能优化技术设计出高效、准确和健壮的算法，对模型求解以获取磁化矢量分布及相应的温度信息，并在此基础上设计反演与重建算法实现温度图像立体视觉再现。项目拟从理论推导、算法设计及实验验证三个层面开展研究，为热疗靶区温度场信息的获取、处理及再现提供可行的解决方案。

现有癌症治疗传统相关技术仍存在不足之处，而很多新兴治疗手段也还存在技术难题亟待解决，作为癌症治疗的“绿色”疗法——超顺磁性纳米粒子靶向热疗依然存在肿瘤组织温度信息的获取与控制的制约疗效的评级问题。正是在此背景下，本项目在前期研究工作的基础上，建立铁磁共振条件下宏观磁化矢量温度计算模型；选取适宜的脉冲序列完成相应宏观磁化矢量空间分布定位；将测量数据分配至采集空间的数字化阵列中；设计宏观磁化矢量温度可计算模型的求解算法，从而实现热疗靶区温度图像的反演与重建。课题组按照项目计划书及项目申请书的相关内容项目组就磁性纳米粒子热疗靶区的温度信息基于超顺磁性纳米粒子的铁磁共振获取方法开展了研究工作。根据项目研究内容项目组主要从铁磁共振条件下宏观磁化温度模型建立、肌体组织宏观磁化矢量空间定位算法、脉冲序列及空间数据转码和热疗靶区温度图像的反演与重建四个方面进行研究，为磁性纳米粒子肿瘤靶向热疗中温度信息获取提供了一种为无创温度测量方法。尽管新冠疫情等带来了诸多的交流和实验上的不便，但项目组依然克服了很多困难使得研究工作圆满完成，并取得了一定的研究成果。目前，累计发表论文22篇，其中SCI、Ei收录16篇，中文核心3篇。申请国家发明专利9项（授权4项），授权实用新型专利1项，登记软件著作权11项；获河南省科技进步奖三等奖1项，教育厅科技成果奖一等奖1项。将磁共振成像的多层面选择、成像精细化与磁性纳米粒子测温的高信噪比相结合，探索了一种基于超顺磁性纳米粒子的铁磁共振温度成像方法，项目研究的完成势必对提高磁性纳米粒子靶向热疗的治疗效果具有非常重要的医学意义。