超顺磁性石墨烯-Fe3O4复合纳米粒子对极低场磁共振弛豫时间的影响研究

Magnetic Resonance Imaging (MRI) is an essential technology in clinic diagnosis. MRI contrast agents, such as superparamagnetic iron oxide (SPIO) nanoparticles, may significantly increase the MRI image contrast. The influence of contrast agents on the relaxation behavior of proton in water is determined by the magnetic field strength. Graphene?Fe3O4 composite nanoparticles regarded as a new kind of contrast agent own the advantages of magnetic and chemical stability as well as biocompatibility. The current studies on graphene?Fe3O4 nanoparticles are all carried out at high fields on the order of tesla. The superconducting quantum interference device (SQUID)-based ultra-low field (ULF) MRI system works at the range of μT. The ULF MRI study becomes one of the hot topics in SQUID applications, due to its simple setup, cheap price and the possibility of hybrid imaging with magnetoencephalography (MEG)..This project will focus on the influence of graphene?Fe3O4 nanoparticles on the relaxation of neighboring protons utilizing homemade ULF MRI system at microtesla range. The size-controlled composite nanoparticles will be prepared by adjusting the parameters. Then the pre-polarization field coil will be optimized in order to enhance the signal to noise ratio. Finally, in the light of theoretical model, the interactions between composite nanoparitcles and protons will be analyzed according to the measured relaxation times of nanoparticle-dispersed water with different particles sizes and concentrations.

磁共振成像（MRI）技术已成为临床医学诊断不可或缺的手段之一。利用以超顺磁性Fe3O4纳米粒子（SPIO）为代表的MRI造影剂可显著提高图像对比度，但其对水分子弛豫行为的影响效果由磁场强度决定。石墨烯-Fe3O4复合纳米粒子作为新型MRI造影剂，具有优良的化学、磁稳定性和生物相容性。目前对该种纳米粒子的研究仅限于特斯拉（T）量级的强场下。基于超导量子干涉器件（SQUID）检测的极低场MRI工作于μT量级场强下，具有装置简单、价格低廉、可与脑磁图仪融合成像等优点，已成为国际SQUID应用研究热点。本项目拟利用极低场MRI系统研究石墨烯-Fe3O4复合纳米粒子在μT量级场强下对水分子弛豫行为的影响：拟通过控制工艺参数制备粒径可控的复合纳米粒子；拟研究极低场系统预极化场关断特性以提高测量信噪比；拟根据不同粒径、不同浓度复合纳米粒子分散液的弛豫时间，借助理论模型理解其与水分子在极低场下的相互作用。

磁共振成像（MRI）作为临床医学研究和诊断的重要手段正在发挥越来越重要的作用。与传统高场MRI使用特斯拉量级的主磁场相比，极低场MRI的主磁场要低四个量级以上。由于极低场MRI具有更优的纵向弛豫时间T1对比度，且不存在磁化率伪影，因此成为一个国际研究热点。超顺磁性Fe3O4纳米粒子作为MRI造影剂对周围水分子弛豫行为的影响受主磁场强度决定，因此其在极低场下的性能研究非常吸引人。石墨烯—Fe3O4复合纳米粒子作为一种新型对比度造影剂，在极低场下的行为研究仍属空白。本项目通过优化工艺参数制备出粒径可控且单一的超顺磁性石墨烯—Fe3O4复合纳米粒子，并在129 μT磁场下研究了不同粒径的复合粒子的弛豫行为。为了提高极低场MRI信噪比，我们从两方面对基于低温超导量子干涉器件（SQUID）的现有极低场MRI系统进行改进。首先，我们采用大电流预极化线圈提供超过100 mT的预极化场（Bp）增加信号强度，搭建铝制屏蔽室对线圈进行射频屏蔽，并提出“涡流动态抵偿”技术将Bp脉冲在屏蔽室墙壁上感应出的涡流场抑制超过99%，缩短系统死区时间超过30 ms。其次，我们提出环境磁场梯度全张量补偿技术，消除环境梯度磁场对信号质量的影响，成功将信噪比提高一个数量级。通过上述改进，我们实现了四通道三维极低场MRI成像，图像分辨率达2 mm×2 mm×4 mm，为研究石墨烯—Fe3O4复合纳米粒子弛豫行为、获得高质量T1加权图奠定了基础。在对比研究石墨烯—Fe3O4复合纳米粒子和多巴胺改性Fe3O4粒子的弛豫率时，我们发现Fe3O4粒子与石墨烯结合后会降低其磁化强度，且石墨烯的存在阻止了Fe3O4粒子的进一步相互靠近，因此复合纳米粒子的磁化率低于普通多巴胺改性Fe3O4粒子。本项目的研究对极低场磁共振系统进行了多项改进，并在极低场强下研究了基于石墨烯的新型复合纳米粒子的弛豫行为，为将来开展相关成像、弛豫等研究奠定了基础。