随着科技的进步，人类在医学领域的诊疗手段也接连取得突破，像计算机成像，磁共振成像和单光子成像技术都为患者带来了福音，尤其是在个性化医学方面，这些技术能够针对不同患者不同病况，提供准确的功能图像用于医生的判断，所以目前的医学领域中极为依赖这种技术。

然而，目前临床所普遍使用的成像技术并不具备高灵敏性和高分辨率等优点，甚至还有一定的不足之处，如CT射线虽然分辨率高，但会产生一定的辐射，MRI成像虽然没有辐射，但低灵敏度和长时间扫描又会影响诊断效率。

因此，2005年飞利浦实验室的研究人员提出了一种技术研究，“即磁性纳米粒子零磁场断层成像（简称为MPI）”，研究人员利用磁性纳米粒子在零磁场下具备非线性磁化响应的特性从而进行扫描成像。

MPI

相对于传统成像技术，MPI所使用的磁性纳米粒子无毒无害，并且具备良好的生物兼容性和无辐射性，加上检测方式是以驱动磁场附近的纳米粒子，所以信号采集时间短，分辨率高，能够灵活运用于血管成像、肿瘤影像和细胞追踪等多个方面。

自2005年首个MPI简易扫描仪问世后，各国争相对这一技术开始研究，2008年飞利浦公司改进技术提出了新的空间编码，2015年德国制造出能够用于医学领域的完整MPI系统，相较于国外，我国对MPI技术研究起步较晚，且主要团队集中在华中科技大学，西安电子科技大学以及沈阳工业大学等重点高校。

MPI的成像原理为：当检测物体被注入磁性纳米粒子后，将其置于磁场结构与驱动结构之中，然后驱动结构产生的磁场使得检测物体体内的磁性纳米粒子做出磁化响应，最终通过磁场变化传递信号，由外部的接收装置感应到电压信号，当所有粒子的信号传递归拢后进行模组重建，即可得到响应图案。

因此要实现MPI成像，需要“磁性纳米粒子，磁场结构，驱动结构和外部接收信号的装置共同完成”。

磁性纳米粒子在外加磁场下的磁化过程

早在20世纪80年代磁性纳米粒子就被科研人员发现，作为一种纳米级生物材料，磁性纳米粒子的直径通常在一到一百毫微米之间，相当于四倍的原子大小，甚至比单个细菌的长度还要小。

这种生物材料一经发现便被广泛应用于科研领域，尤其是在生物科技和医学方面更加突出，因其特有的物理性质和化学性质，加上具备良好的磁导向性和生物兼容性，通常被认为是“最理想且可注入的示踪剂材料”。

磁性纳米粒子共分为里外两部分，其中里面是磁性核芯层，外面是无磁涂层，外围无磁涂层的主要成分是葡萄糖或者聚乙二醇，该涂层的主要作用是防止化学侵蚀和防止粒子由于磁场作用过于饱和。

而磁芯的直径则决定了纳米粒子的磁化特性曲线，这种曲线的陡度会直接影响MPI成像的质量，目前世界各国在MPI实验中所普遍使用的磁性纳米粒子是一种商业可用的“超顺磁性氧化铁纳米颗粒”。

超顺磁性氧化铁纳米颗粒

这种纳米粒子的直径中值约为5毫微米，但是大量研究表明当纳米粒子粒径在30毫微米时，MPI成像的接收信号为最佳图像，因此证明MPI的性能会因纳米粒子尺寸而降低，而造成这种结果的原因与纳米粒子的磁化有关。

在MPI成像技术中，磁性纳米粒子的磁性行为可以通过磁矩表示，而当磁性纳米粒子的无磁涂层足够厚时，粒子与粒子之间是无相互作用的，也就是所谓的“超顺磁性”。

超顺磁性粒子有一个非常特殊的性质，其磁各向异性能量会小于热能，所以磁矩可以任意旋转，所以当粒子运动时，所有粒子磁矩的排列方向是任意的，因为各粒子之间的磁矩会抵消，因此总体粒子磁矩和是零，此时粒子的状态不会表现出任何磁性行为。

而MPI成像技术利用这一点，当粒子出现这种状态时给其添加一个外部磁场，让粒子的磁矩排列开始趋向于外部磁场方向，此时粒子就会任由外部磁场摆布，从而使得所有粒子在任意方向上的磁化，随着外部磁场强度开始增加，粒子磁矩之间的密度也随之增加，这种现象就是磁化增加。