A Single-Sided Magnetic Particle Imaging Scanner for In Vivo Breast Cancer Imaging

用于体内乳腺癌成像的单面磁粒子成像扫描仪

基本信息

  • 批准号:
    9812008
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 16.81万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2019
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2019-09-03 至 2021-07-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Magnetic Particle Imaging (MPI) is an emerging non-invasive tomographic imaging modality; like CT or MRI, it could be applied in clinical and research settings as a safe diagnostic technique, but without ionizing radiation or toxic tracers. One of the major MPI challenges toward clinical translation has been the ability to scale up the coils to surround a human body while being able to generate and drive the sufficiently strong magnetic field gradient required for high spatial resolution. These requirements, however, demand prohibitively high power consumption in a device with cylindrical geometry; therefore, alternative topologies, such as an open geometry scanner, would be highly desirable. The goal of this proposal is to develop a novel single-sided MPI imager and demonstrate in vivo cancer imaging in rodents. The single-sided device has all the hardware on one side of the imaging volume; therefore, such a device can be used equally well on small animals and humans for multidimensional diagnostic imaging and as an MPI spectrometer (MPS). In our unique approach, we will develop a single-sided MPI imager with much more promising field topology, namely, field-free line (FFL) as opposed to the more common and relatively easier to implement field-free point (FFP) geometry, for a potential 10-fold increase of SNR, more robust image reconstruction, and larger field of view. To date, we have built a first prototype of a single-sided coils assembly with the FFL geometry that consists of all the required coils in a unilateral configuration. The measured magnetic field showed perfect agreement with the simulations. We further validated our device by demonstrating magnetic particle signal detection using a point-source phantom. Developing a fully capable multidimensional scanner based on single-sided geometry has direct clinical relevance in breast cancer imaging. We pursue two specific aims: 1) Develop a multidimensional imaging technique, which can be implemented in our single-sided device. The main objectives of this aim are to drastically increase the sensitivity of the device and identify an imaging sequence that combines both selection and excitation coils and works in tandem with our unique surface-coil receive approach. We will implement the required hardware modification and signal automation. 2) Validate the imaging method by obtaining the MPI images. The performance of the MPI scanner will be analyzed using phantoms with iron oxide nanoparticles. Finally, we will validate the scanner performance in in vivo imaging of breast tumor-bearing mice. The overall strength of the proposed research lies in developing the first ever MPI scanner that could potentially be translated to clinical settings. Specifically, we hope to deliver a more sensitive and non-invasive tool for breast cancer screening that has a direct impact on women health.
磁粒子成像(MPI)是一种新兴的非侵入性断层扫描成像方式;像 CT 或 MRI 一样, 可以作为一种安全的诊断技术应用于临床和研究环境,但无需电离辐射 或有毒示踪剂。 MPI 临床转化面临的主要挑战之一是扩大临床转化规模的能力 线圈环绕人体,同时能够产生和驱动足够强的磁场 高空间分辨率所需的梯度。然而,这些要求需要极高的功率 具有圆柱形几何形状的装置的消耗;因此,替代拓扑,例如开放几何结构 扫描仪,将是非常理想的。该提案的目标是开发一种新型单面 MPI 成像仪 并展示啮齿类动物的体内癌症成像。单面设备将所有硬件都集中在一侧 成像体积;因此,这种装置同样适用于小动物和人类 多维诊断成像和 MPI 光谱仪 (MPS)。以我们独特的方法,我们将 开发一种具有更有前景的场拓扑的单面 MPI 成像器,即无场线 (FFL) 与更常见且相对更容易实现的无场点(FFP)几何形状相反,对于潜在的 信噪比提高 10 倍,图像重建更稳健,视野更大。 迄今为止,我们已经构建了第一个单面线圈组件原型,其 FFL 几何形状包括: 所有所需的线圈均采用单边配置。测量的磁场与 模拟。我们通过使用磁粉信号检测来进一步验证我们的设备 点源幻象。开发基于单面几何结构的功能齐全的多维扫描仪 在乳腺癌成像中具有直接的临床意义。我们追求两个具体目标:1) 开发 多维成像技术,可以在我们的单面设备中实现。主要 该目标的目标是大幅提高设备的灵敏度并识别成像序列 结合了选择线圈和励磁线圈,并与我们独特的表面线圈接收协同工作 方法。我们将实施所需的硬件修改和信号自动化。 2) 验证 通过获取MPI图像的成像方法。 MPI 扫描仪的性能将使用以下方法进行分析 具有氧化铁纳米颗粒的模型。最后,我们将验证扫描仪在活体成像中的性能 患有乳腺肿瘤的小鼠。 拟议研究的整体优势在于开发第一台 MPI 扫描仪,该扫描仪可以 可能会转化为临床环境。具体来说,我们希望提供一种更加灵敏和非侵入性的 乳腺癌筛查工具,对女性健康有直接影响。

项目成果

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