Nový senzor detekuje chyby magnetické rezonance

26/05/2024 Iveta Mauci 0 komentářů 8 min read 224 Zobrazení Dánsko, Kodaň, magnetická rezonance, Senzor MRI

Medicína Technologie Věda Všechny články

Dítě podstoupí vyšetření magnetickou rezonancí — Nový prototyp by mohl potenciálně zvýšit kvalitu MRI skenů nebo dokonce snížit náklady a rychlost. Foto: Getty

Nemocnice Hvidovre má jako první na světě prototyp senzoru schopného detekovat chyby při skenování magnetickou rezonancí pomocí laserového světla a plynu. Nový senzor, vyvinutý mladým výzkumníkem z Kodaňské univerzity a nemocnice Hvidovre, dokáže to, co je pro současné elektrické senzory nemožné.

MRI skenery používají lékaři a zdravotníci každý den, aby získali jedinečný pohled do lidského těla. Používají se zejména ke studiu mozku, životně důležitých orgánů a dalších měkkých tkání prostřednictvím 3D snímků výjimečné kvality ve srovnání s jinými typy lékařského zobrazování.

I když je tento pokročilý nástroj pro zdravotníky neocenitelný a téměř nepostradatelný, stále existuje prostor pro zlepšení. Silná magnetická pole uvnitř MRI skenerů mají výkyvy, které způsobují chyby a poruchy při skenování. V důsledku toho musí být tyto drahé stroje pravidelně kalibrovány.

Speciální skenovací metody

Existují i speciální skenovací metody, které dnes bohužel v praxi nelze provést. Mezi nimi tzv. spirální sekvence, které by mohly zkrátit dobu skenování, např. při diagnostice krevních sraženin, sklerózy a nádorů. Spirální sekvence by byly atraktivním nástrojem také ve výzkumu MRI, kde by mimo jiné mohly poskytnout výzkumníkům a zdravotníkům nové poznatky o onemocněních mozku. Ale kvůli vysoce nestabilnímu magnetickému poli není provádění těchto typů skenování v současné době možné.

Teoreticky lze problém vyřešit senzorem, který čte a mapuje změny magnetického pole. A opravit chyby pomocí počítače přímo v obrázcích. V praxi to bylo se současnou technologií obtížné, protože jinak vhodné senzory ruší magnetické pole, protože jsou elektrické a napojené na kovové kabely.

Vynálezce doufá, že se tento problém stane minulostí. Pro boj s tímto problémem vyvinul výzkumník z Institutu Nielse Bohra a Dánského výzkumného centra pro magnetickou rezonanci (DRCMR), senzor, který využívá laserové světlo ve vláknových kabelech a malé skleněné nádobě naplněné plynem. Prototyp je v provozu a funguje.

Senzor MRI nebo magnetometr využ*ívá k měření magnetických polí laserové světlo a plyn.*

„Nejprve jsme prokázali, že to bylo teoreticky možné, a nyní jsme dokázali, že to lze provést v praxi. Ve skutečnosti nyní máme prototyp, který v zásadě dokáže provést potřebná měření, aniž by narušil skener MRI.“ A jako vyladěné má potenciál zlevnit, zlepšit a zrychlit skenování magnetickou rezonancí, i když ne nutně všechny tři najednou,“ směje se Hans Stærkind, postdoktorand z Institutu Nielse Bohra a DRCMR v nemocnici Hvidovre.

„Skener MRI už dokáže produkovat neuvěřitelné snímky, pokud si člověk udělá čas. Ale s pomocí mého senzoru si lze představit použít stejné množství času k vytvoření ještě lepších snímků, nebo strávit méně času a přesto získat stejnou kvalitu jako dnes. Třetím scénářem by mohlo být vybudování levnějšího skeneru, který by i přes pár chyb mohl s pomocí mého senzoru stále poskytovat slušnou kvalitu obrazu,“ říká výzkumník.

Jak prototyp funguje

MRI skenery používají silné magnety k vytvoření silného magnetického pole, které nutí protony v tělesné vodě, sacharidech a bílkovinách, aby se srovnaly s magnetickým polem. Když pacientem pulsují rádiové vlny, stimulují jeho protony. Ty se dočasně vychylují z této rovnováhy. Když se pak vrátí do zarovnání s magnetickým polem, uvolní rádiové vlny, které lze použít k vytvoření 3D obrazů čehokoli, co je skenováno. A to v reálném čase.

Navzdory tomu, že skenery MRI existují již od roku 1977, zůstávají jednou z nejpokročilejších lékařských technologií. Ve skutečnosti je vše od kvantové mechaniky, supravodivých magnetů až po pokročilou matematiku a informatiku nezbytným předpokladem pro jejich fungování.

Fakta o skenerech MRI

Zařízení se skládají z obřího magnetu s tak velkou magnetickou silou, že se musí ochladit na -269 °C, jinak hrozí, že se stane kouřem, a to doslova. Mimo jiné se to děje pomocí kapalného helia a činí primární magnet stroje supravodivým.

To znamená, že elektřina, která pohání elektromagnetismus, nemá žádný odpor a neustále běží v uzavřeném okruhu bez dodávky elektřiny. Obrovské účty za elektřinu spojené s provozem MRI, jsou příčinou jejich ochlazování.

V rámci MRI skeneru existuje řada dalších elektromagnetů, které lze použít k ovládání magnetického pole, takže můžete nahlížet do konkrétních částí těla a dělat to z různých úhlů.

Velmi vysoká síla magnetických polí vyžaduje, aby přezky na opascích, mince a všechny ostatní kovové předměty byly bezpečně uložené mimo dosah stroje v jiné místnosti. Ve skutečnosti došlo k řadě nehod se skenery MRI kvůli jejich výjimečně silnému magnetismu. Například invalidní vozík. Kdyby byl ve stejné místnosti, mohl by ho magnet přitáhnout obrovskou rychlostí. A to bez ohledu na to, co mu stojí v cestě.

Snímky přesné na milimtr

Pomocí počítače lze magnetickou rezonancí (MRI) vytvořit na milimetr přesné 3D snímky pacientovy měkké tkáně z libovolného úhlu. Prototyp Hanse Stærkinda využívá zařízení pro vysílání a příjem laserového světla, které vypadá jako stereo systém z 90. let. Laserové světlo posílá přes optické kabely, tedy bez kovu, a do čtyř senzorů umístěných ve skeneru.

Uvnitř senzorů prochází světlo malou skleněnou nádobou obsahující cesium, které absorbuje světlo ve správných světelných frekvencích.

„Když má laser při průchodu plynem správnou frekvenci, dochází k rezonanci mezi vlnami světla a elektrony v atomech cesia. Ale frekvence, neboli vlnová délka. při které se to děje, se mění. K tomuto procesu dochází ve chvíli, když je plyn vystaven magnetickému poli. Tímto způsobem můžeme změřit sílu magnetického pole tím, že zjistíme, jaká je správná frekvence,“ vysvětluje výzkumník.

Jak dochází k poruchám v ultravýkonném magnetickém poli MRI skeneru, prototyp Hanse Stærkinda mapuje, kde v magnetickém poli k nim dochází a jakou silou se pole změnilo. V blízké budoucnosti by to mohlo znamenat, že vadné snímky budou následně opraveny a můžou se použít. A to díky dat shromážděných senzory. Následně zpřesněny a zcela použitelné.

Rezonance

V Tintinových dobrodružstvích operní diva Bianca Castafiore rozbije křišťálovou sklenici tím, že silou svého hlasu narazí na rezonanční frekvenci sklenice. Vše má určitou frekvenci, na které sklo vibruje, neboli osciluje.

Pokud jste někdy jako dítě uvedli do pohybu houpačku pumpováním tam a zpět, použili jste k tomu rezonanční frekvenci. Když něco rezonuje, jeho oscilace se zesílí.

Pokud pošlete světlo do plynu, projde přímo skrz, pokud nemá správnou frekvenci. Ale při určité frekvenci je světlo absorbované plynem. A to ve chvíli, kdy kmitá stejnou frekvencí, jako elektrony v atomech plynu.

Elektrony při pohlcování energie oscilují a světlo je potom znovu vyzařované do všech směrů. Způsobují to elektrony, jak padají zpátky na své místo. Když se na to podíváte, uvidíte, že paprsek ztmavne a plynová pára se rozsvítí. Rezonance tedy je, když zasáhnete vlastní frekvenci systému tak, že osciluje. Tato frekvence se nazývá rezonanční frekvence.

Inovace s komerčními vyhlídkami

„Původní nápad přišel od mého nadřízeného zde na DRCMR, Esbena Petersena, který už bohužel není mezi námi. Viděl obrovský potenciál ve vývoji senzoru založeného na laserech a plynu, který by byl schopen měřit magnetická pole, aniž by je rušil,“ dodal Hans Stærkind.

Prototyp je v současné době umístěný na DRCMR v nemocnici Hvidovre v Kodani, kde vznikl původní nápad.

*Prototyp je funkční v nemocnici Hvidovre.*

Jak to funguje

Ve skeneru MRI jsou rozmístěné čtyři senzory. Jeden zůstává mimo dosah magnetického pole a funguje jako kontrola. Laserové světlo uvnitř senzorů s určitými světelnými frekvencemi prochází malou skleněnou nádobkou s cesiovým plynem.

Frekvence laseru vytváří rezonanci v elektronech atomů cesia. To ztlumí světlo na míru, kterou lze detekovat. Pokud je plyn vystavený magnetickému poli, mění se spouštěcí frekvence v závislosti na síle magnetického pole. Kolísání magnetického pole skeneru tak může být registrované a data mohou následně odhalit chyby v MRI skenu.

S pomocí kvantových fyziků z Institutu Nielse Bohra, včetně profesora Eugena Polzika, Stærkind rozvinul myšlenku do skutečné teorie. A s prototypem nyní tuto teorii uvedl do praxe.

Prototyp v provozu

„Prototyp se již testuje v nemocničním prostředí. A zatím naše testy ukázaly, že funguje, jak má. Lze si představit, že tento vynález bude nakonec integrované přímo do nových MRI skenerů,“ říká Stærkind.

Prototyp bude dále vyvíjený, aby se jeho měření stala ještě přesnější. Podle Stærkinda jsou bezprostřední cílovou skupinou pro jeho senzor výzkumné jednotky MRI. Ale také doufá, že se o nové technologii dozví některý z velkých výrobců MRI, a to v poněkud delším časovém horizontu.

Následující výzkumníci přispěli k výzkumnému projektu s prototypem:

Z Institutu Nielse Bohra, Univerzita v Kodani: Hans Stærkind, Kasper Jensen, Jörg H. Müller a Eugene S. Polzik. Z Dánského výzkumného centra pro magnetickou rezonanci (DRCMR) v nemocnici Hvidovre: Vincent O. Boer a Esben T. Petersen

*Hans Stærkind je hlavní silou teorie i prototypu.*

Senzor MRI bude pokračovat ve svém vývoji jako součást Kodaňského centra pro biomedicínské kvantové snímání. Prototyp je testován ve spolupráci s Dánským výzkumným centrem pro magnetickou rezonanci v nemocnici Hvidovre.

Článek byl upraven z tiskové zprávy Kobensovy univerzity.