电粒子成像方法研究

The application of nanomaterials in clinical medicine is an important trend in the development of the modern medicine. Among them, targeted nanoparticles, such as magnetic nanoparticles (MNPs), have broad prospects in targeting drugs or genes in vivo due to their strong magnetic orientation. So far, MNPs in vivo can be imaged by magnetic particles imaging (MPI) technology. However, a class of electric oriented nanoparticles named electrical nanoparticles (ENPs) in this project, has no effective in vivo imaging method. To solve this problem, this project proposes a new method named electrical particles imaging (EPI) based on the electromagnetic duality characteristics of MNPs and ENPs. And also the research ideas of MPI give a use for reference to EPI. Gold nanoparticles (AuNPs) were used as the research objects. The principle of the electric field tomography (EFT), the characteristics of electrical parameters of tissues and AuNPs, and the numerical and physical experiments were the foundation of this research. In the project, the mechanism of imaging electrical nanoparticles in tissues was analyzed; the inverse algorithms and the factors affecting the quality of imaging were studied; the quantitative relationship between the dielectric constant, the polarizability and the concentration distributions of AuNPs were explored. The results of this project will provide a powerful analytical tool for research areas such as early cancer clinical diagnosis, photothermal therapy and drug targeted delivery.

纳米材料应用于临床医疗是现代医学发展的重要趋势。其中具有靶向性的材料，如磁性纳米颗粒，因其较强的磁导向性，在靶向运送药物或基因等应用中前景广阔。目前对生物体内的磁性纳米颗粒成像可采用磁粒子成像技术（MPI），而对另一类具有电导向性，项目中统称电性纳米颗粒的材料，尚未有行之有效的方法。本项目依据磁性纳米颗粒和电性纳米颗粒的电磁对偶特性，借鉴MPI的研究思路，提出一种可实现生物体内电性纳米颗粒浓度分布成像的方法，即电粒子成像技术（EPI）。项目以金纳米颗粒为具体研究对象，以电场层析成像为基础，结合生物组织和金纳米颗粒介电常数的频谱特性，通过数值建模和物理实验，分析生物组织内金纳米颗粒成像机理，研究其介电常数成像的反演方法及成像质量影响因素，探索金纳米颗粒的介电常数、极化率与粒子浓度分布之间的定量关系。本项目研究成果将为癌症的早期临床诊断、光热治疗和药物的靶向递送等研究领域提供有力的分析工具。

本项目的研究目标是根据金纳米颗粒的电导向性，提出一种生物组织内金纳米颗粒（AuNPs）无损成像的方法，即电粒子成像（electric particles imaging, EPI）技术。项目以金纳米颗粒为具体研究对象,以电学层析成像技术为基础，采用理论分析、数值模拟与实际测量相结合的方式开展研究，通过建立数理模型和搭建实验平台，探索金纳米颗粒在体成像新方法。.项目提出的电粒子成像技术作为一种原创的技术，存在一些的机理研究方面的难题，项目首先对测量机理进行了探索，进一步完善了电粒子成像技术的测量原理和成像理论，并提出了基于电场激励的电阻抗特征参数成像方法。在系统实现上，项目以电学层析成像技术（electrical tomography, ET）为基础，实现对生物组织内金纳米颗粒（AuNPs）的无损成像。但由于电学测量的“软场”特性和反演矩阵的严重病态性，导致成像系统空间分辨力低、图像准确性差。为了解决该难题，本项目在成像理论上，应用最新理论研究成果——动量互易定理，提出了基于动量互易定理的矢量成像理论和三维矢量成像方法，增加有效测量数据，改善图像重建的病态性；在传感器设计上，提出含驱动电极的新型传感器及敏感场优化成像算法，提高成像中心区域的灵敏度，改善敏感场分布的不均匀性，提高图像重建的准确度；在系统研制上，研发了激励与检测电极阵列分离的新型三维信号检测系统，在不增加信号采集通道数量的前提下扩展有效测量数据量，提高三维图像重建的空间分辨力。项目研制了单通道相位测量实验平台、多通道相位测量实验平台和可实现相位信号检测的电粒子成像试验样机，并通过仿体实验和离体猪肉组织实验等，验证了项目提出的电粒子成像方法的可行性。.项目研究成果可为癌症的早期临床诊断、光热治疗和药物的靶向递送等研究领域提供新的分析工具。