A magnetic particle imager (MPI) for functional brain imaging in humans
用于人类脑功能成像的磁粒子成像仪 (MPI)
基本信息
- 批准号:9418281
- 负责人:
- 金额:$ 101.01万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:
- 财政年份:2017
- 资助国家:美国
- 起止时间:2017-09-26 至 2022-08-31
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:AnimalsArchitectureAreaBase of the BrainBiomedical EngineeringBloodBrainBrain imagingDetectionDevelopmentDevicesDiseaseElectromagneticsEngineeringExerciseFoundationsFunctional ImagingFunctional Magnetic Resonance ImagingGenerationsGeometryGoalsGrantHeadHealthHumanHypercapniaImageImaging DeviceIndividualInjectableInvestigationIronLabelLaboratoriesMacacaMacaca mulattaMagnetic ResonanceMagnetic Resonance ImagingMagnetismMethodologyMethodsModalityModelingMonitorMonoclonal Antibody R24NeuronsNeurosciencesNoiseOxidantsPatternPerformancePhaseProtocols documentationProtonsRelaxationResolutionResourcesRestRiskRodentRodent ModelSafetyScanningSourceSpecialistStructureSystemTechniquesTechnologyTestingTimeValidationVisual CortexWorkawakebasecerebral blood volumecerebral capillarycerebral hemodynamicsdata acquisitiondesigndetectorexperimental studyferumoxytolhemodynamicshuman imagingimage reconstructionimaging modalityimprovedinstrumentiron oxidemodel buildingnanoparticlenext generationnonhuman primateoperationparticleprogramsresponsesimulationtoolvisual motor
项目摘要
In this U01 grant we propose a 5 year engineering development effort to advance Magnetic
Particle Imaging (MPI) to replace MRI as the next-generation functional brain imaging tool for human
neuroscience. MPI is a young but extremely promising technology that uses the non-linear magnetic
response of ironoxide nanoparticles to localize their presence in the body. MPI directly detects the
nanoparticle's magnetization rather than using secondary effects on the Magnetic Resonance
relaxation times. Thus, while MPI and MRI share many technologies, the MPI method does not use
the MR phenomena in any way. Our plan is to detect the activation-induced and resting-state
changes in the iron-oxide concentration in the cerebral capillary network by monitoring the local iron
oxide concentration (and thus local Cerebral Blood Volume, CBV). This CBV-contrast source is well-
proven in animal and human fMRI studies which detect CBV changes by MRI using the same iron-
oxide agents, but indirectly. But, by developing MPI as the detection modality, we show that there is a
potential 10-fold increase in the contrast-to-noise ratio (CNR) of human neuronal activation.
In the planning grant stage, we analyzed multiple potential MPI scanner designs for humans and
settled on a Field-Free-Line geometry. We developed the simulation tools to model the performance
of a human sized instrument. Additionally, we validated our modeling by building and testing a small,
rodent-scale MPI detector in our lab at MGH. Using this device, we showed the first ever
demonstration of functional imaging with MPI using a rodent hypercapnia model. In this U01 phase
we seek the resources to construct and validate the human scale, rotating FFL-style MPI device
analyzed in the planning grant. After construction, we will validate its performance in phantom
studies, and also in an awake-behaving macaque model that we have previously used for fMRI
studies. Finally, we will validate the performance of the device in limited human fMPI studies.
By developing a new and more sensitive detection methodology for functional human imaging, we
hope to add a powerful new non-invasive methods to the tools available to neuroscientists studying
the human brain in health and disease.
在这项 U01 拨款中,我们提出了为期 5 年的工程开发工作,以推进磁性技术的发展
粒子成像(MPI)将取代 MRI 成为人类下一代功能性脑成像工具
神经科学。 MPI 是一项年轻但极具前景的技术,它使用非线性磁
氧化铁纳米颗粒的反应来定位它们在体内的存在。 MPI 直接检测
纳米粒子的磁化而不是利用磁共振的二次效应
放松时间。因此,虽然 MPI 和 MRI 共享许多技术,但 MPI 方法不使用
MR 现象以任何方式。我们的计划是检测激活诱导和静息状态
通过监测局部铁来改变脑毛细血管网络中的氧化铁浓度
氧化物浓度(以及局部脑血量,CBV)。这个 CBV 对比源非常好
已在动物和人类 fMRI 研究中得到证实,这些研究使用相同的铁离子通过 MRI 检测 CBV 变化
氧化物试剂,但间接。但是,通过开发 MPI 作为检测方式,我们表明存在
人类神经元激活的对比噪声比 (CNR) 可能增加 10 倍。
在规划拨款阶段,我们分析了多种潜在的人类 MPI 扫描仪设计,
确定了无场线几何形状。我们开发了模拟工具来模拟性能
一个人体大小的仪器。此外,我们通过构建和测试一个小型的、
MGH 实验室中的啮齿动物规模 MPI 探测器。使用这个设备,我们展示了有史以来第一个
使用啮齿动物高碳酸血症模型演示 MPI 功能成像。在这个U01阶段
我们寻求资源来构建和验证人体规模的旋转 FFL 式 MPI 设备
在规划补助金中进行了分析。构建完成后,我们将在幻影中验证其性能
研究,以及我们之前用于功能磁共振成像的清醒行为猕猴模型
研究。最后,我们将在有限的人类 fMPI 研究中验证该设备的性能。
通过开发一种新的、更灵敏的人体功能成像检测方法,我们
希望为神经科学家研究可用的工具添加一种强大的新的非侵入性方法
健康和疾病中的人脑。
项目成果
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