磁粒子成像系统（Magnetic Particle Imaging，MPI）是基于功能和断层影像技术检测磁性纳米颗粒空间分布的示踪方法。作为功能学成像，MPI 在不使用放射性物质的同时，提高了成像的分辨率，使其成为近 20 年来，最具有临床转化潜力的技术。

MPI is the most promising emerging imaging technology in the last 20 years and is expected to change the landscape of modern medical imaging and in vivo translational research.                   

——IWMPI 2014标准层析成像计算可生成 3D 图像（通常与 CT 图像融合） 

MPI 技术使用临床认证的超顺磁性氧化铁纳米颗粒（SPIONs）作为示踪剂，具有以下优势：

nM 级灵敏度，可检测到 100 个细胞；

μm 级分辨率，目前最高 100 μm；

高对比度，绝对定量分析；

信号不随深度衰减，3D 断层扫描；

长达数个月的连续示踪成像。

目前，已在多模态活体成像、肿瘤检测和免疫治疗、细胞治疗监测、血管灌注成像、炎症定量、传染病研究、精准磁热疗、靶向药物递送、纳米材料等领域取得了显著进展。

北京理工大学蒋振奇、生命科学院院长邓玉林、副院长唐晓英等发表的综述文章「The Applications of Magnetic Particle Imaging：From Cell to Body」，详细阐述了 MPI 的成像原理、示踪剂以及 MPI 在细胞追踪、血池显像、肿瘤成像、可视化磁热疗四个方向的应用情况。成像原理MPI 利用磁力学独特的几何结构创建一个磁场自由区（Field Free Region，FFR），快速移动 FFR 会使得 SPIONs 的磁性方位发生翻转，从而在接收线圈中产生电压信号，通过计算后获取图像。MPI示踪剂

MPI 检测的是生物体内的示踪剂。通过检测不同直径、形状和磁化饱和度的纳米颗粒可以获取不同的 MPI 信号，显示不同的图像。目前，探索和设计适合的示踪剂是 MPI 研究的一个非常重要的方向。

例如，中国科学院的田捷教授团队设计了一种具有高灵敏度和高分辨率的 MPI 示踪剂 CIONs-22，并将其应用于长时间骨间充质干细胞（BMSC）监测中，显示出 CIONs-22 与 MPI 技术在促进干细胞治疗方面的巨大潜力，该研究成果于 2020 年发表在 ACS Nano 期刊。

MPI 体内实时追踪 CIONs-22 标记的 BMSC（Wang et al., 2020）MPI 应用MPI 理论和设备的发展，使 MPI 在生命科学各个领域的应用研究取得了显著的进展。MPI 适用的应用领域包括多模态成像、细胞追踪、炎症追踪、药物递送与检测、血池造影、肿瘤检测、精准磁热疗等各个领域。细胞追踪使用超顺磁性氧化铁纳米颗粒（SPIONs）进行细胞追踪是 MPI 最早的应用研究。SPIONs 体积小，容易被细胞吸收、标记，而 MPI 具有较高的组织穿透性和无生物背景信号的特点，使其非常适合应用于体内各种类型细胞的追踪。MPI 具有的高灵敏度和高分辨率，使其能检测到低于 250 个被标记的细胞。

MPI 活体追踪细胞的灵敏度可低于 250 个细胞（Song et al., 2017）肿瘤检测

MPI 的高灵敏度可满足肿瘤早期诊断的需求，有望在未来的临床上取代现有的技术。目前，MPI 主要利用实体瘤的高通透性和滞留效应（Permeability and retention，EPR）对早期肿瘤进行诊断。

加州大学伯利克分校的 Conolly 研究团队使用磁性纳米颗粒作为成像示踪剂，纳米颗粒通过 EPR 效应在肿瘤中积累。MPI 成像结果显示，因为肿瘤早期血管分布的原因，纳米颗粒首先在肿瘤边缘开始聚集，随后由于 EPR 效应，磁性纳米颗粒在肿瘤内部开始聚集。直到 96 h 后，磁性纳米颗粒通过代谢被清除。MPI 验证肿瘤的 EPR 效应（Yu et al., 2017）血池造影无论是 CT 血管造影（CTA）还是 MRI 血管造影（MRA），想要区分毛细血管中的血液和周围组织背景信号，都是难以解决的问题。

由于 MPI 只检测血液中的磁性纳米颗粒产生的信号，而无组织背景信号，因此更容易在毛细血管水平上研究灌注成像。目前，MPI 已被应用于测定胃肠道出血、脑损伤、脑血容量的变化等临床前研究，并提供了重要的研究结果。

由于 MPI 信号强度与纳米颗粒的数量呈线性相关，因此 MPI 可用于对胃肠道出血量进行定量分析，以及对颅内任何创伤性脑损伤的空间位置和出血量进行分析。

MPI 可以通过磁性纳米颗粒的聚集，在胃肠道息肉小鼠模型（APCmin/+）中实现胃肠道出血的高对比显示（Yu et al., 2017）精准磁热疗

SPIONs 可以同时产生 MPI 图像信号和热量。基于此原理，MPI 可以实现可视化的精准磁热疗。只有 FFR 区域的纳米颗粒在高频交变磁场中，在脉冲作用下不停旋转产生热量，从而加热周围组织。因此，通过控制 FFR 的区域和频率可实现精确的磁热疗。Conolly 研究团队使用不同的线圈来改变磁场的频率，实现了 MPI 在热疗中的应用。

在肝脏和肿瘤中有 SPIONs 的异种移植小鼠模型的治疗工作流程（Tay et al., 2018） 

参考文献Han X, Li Y, Liu W, et al. The Applications of Magnetic Particle Imaging: From Cell to Body. Diagnostics, 2020, 10(10): 800.