Ο σαρωτής μαγνητικής τομογραφίας εξαιρετικά χαμηλού πεδίου θα μπορούσε να βελτιώσει την παγκόσμια πρόσβαση στη νευροαπεικόνιση

Ένας συμπαγής σαρωτής μαγνητικής τομογραφίας εγκεφάλου υπερχαμηλού πεδίου (ULF) που δεν απαιτεί μαγνητική θωράκιση ή θωράκιση ραδιοσυχνοτήτων και είναι ακουστικά αθόρυβος κατά τη σάρωση έχει αναπτυχθεί στο Πανεπιστήμιο του Χονγκ Κονγκ .

Το χαμηλό κόστος κατασκευής και λειτουργίας του σαρωτή ενισχύει τις δυνατότητες της τεχνολογίας ULF MRI για την κάλυψη των κλινικών αναγκών νοσοκομείων, σε χώρες χαμηλού και μεσαίου εισοδήματος, καθώς και ιατρικών εγκαταστάσεων σημείου φροντίδας, όπως:

-σουίτες χειρουργείων και,

-αίθουσες έκτακτης ανάγκης.

Η μαγνητική τομογραφία είναι το πιο πολύτιμο κλινικό εργαλείο που χρησιμοποιείται:

-για την αξιολόγηση εγκεφαλικών τραυματισμών και,

-διαταραχών, αλλά σύμφωνα με τον Οργανισμό Οικονομικής Συνεργασίας και Ανάπτυξης (ΟΟΣΑ ), περίπου το 70% του παγκόσμιου πληθυσμού έχει μικρή ή καθόλου πρόσβαση σε αυτήν.

Οι υπεραγώγιμοι σαρωτές μαγνητικής τομογραφίας υψηλού πεδίου (1,5 T και 3,0 T) είναι ακριβοί.

Εκτός από το κόστος απόκτησης περίπου 1–3 εκατομμυρίων δολαρίων, η εγκατάσταση τέτοιων σαρωτών είναι δαπανηρή λόγω απαιτήσεων υποδομής και έχει υψηλό κόστος συντήρησης.

Όλοι αυτοί οι παράγοντες αντιπροσωπεύουν ένα σημαντικό εμπόδιο στην προσβασιμότητα της μαγνητικής τομογραφίας.

Η απεικόνιση μαγνητικής τομογραφίας με χρήση τεχνολογιών ULF προσφέρει την υπόσχεση προσβάσιμης υγειονομικής περίθαλψης με σαρωτές που είναι απλοί :

-στην ενσωμάτωση,

-τη συντήρηση και,

-τη λειτουργία τους.

Με επικεφαλής τον Ed X Wu , Lam Woo καθηγητή στο Εργαστήριο Βιοϊατρικής Απεικόνισης και Επεξεργασίας Σήματος , η ομάδα του Χονγκ Κονγκ ανέπτυξε έναν μόνιμο μαγνήτη:

– χαμηλού κόστους,

-χαμηλού θορύβου,

-χαμηλής ισχύος και ,

-χωρίς θωράκιση σαρωτή ULF MRI εγκεφάλου.

Το πρωτότυπο σύστημα, που περιγράφεται στο Nature Communications , βασίζεται σε έναν συμπαγή διπολικό μόνιμο μαγνήτη σαμάριου-κοβαλτίου (SmCo) 0,055 T, με διαστάσεις 95,2 x 70,6 x 49,7 cm και μπροστινό άνοιγμα 29 x 70 cm για πρόσβαση ασθενών.

Ο σαρωτής έχει αποτύπωμα περίπου 2 m ² και μπορεί να λειτουργήσει από μια τυπική πρίζα AC.

Η ομάδα της εκτιμά ότι το μηχάνημα θα μπορούσε να κατασκευαστεί σε ποσότητα με κόστος υλικών κάτω των 20.000 $.

Η διαμόρφωση του σαρωτή επιτρέπει το σχηματισμό εικόνων χρησιμοποιώντας διάφορα καθολικά υιοθετημένα πρωτόκολλα για:

-κλινική απεικόνιση του εγκεφάλου,

-συμπεριλαμβανομένης της ανάκτησης αναστροφής με εξασθενημένο υγρό (FLAIR) και,

-της απεικόνισης με βαρύτητα διάχυσης (DWI).

Με βάση τις μεθοδολογίες που αναπτύχθηκαν για σαρωτές MRI υψηλού πεδίου, το σύστημα ULF παρέχει υψηλό επίπεδο ευελιξίας για την ανάπτυξη μελλοντικών πρωτοκόλλων μαγνητικής τομογραφίας ULF.

Οι ερευνητές ανέπτυξαν μια τεχνική ακύρωσης ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών με γνώμονα τη βαθιά μάθηση (EMI) για:

-τη μοντελοποίηση,

-την πρόβλεψη και,

-την αφαίρεση εξωτερικών και εσωτερικών σημάτων EMI από σήματα MRI.

Αυτή η διαδικασία ακύρωσης EMI εξαλείφει την ανάγκη για έναν παραδοσιακό κλωβό θωράκισης RF.

Εν τω μεταξύ, η σταθερότητα σε υψηλές θερμοκρασίες του SmCo καταργεί την ανάγκη οποιωνδήποτε σχεδίων ρύθμισης θερμοκρασίας μαγνήτη για τη σταθεροποίηση των πεδίων που εξαρτώνται από τη θερμοκρασία.

Ο Wu και οι συνεργάτες του βελτιστοποίησαν τέσσερα από τα πιο κοινά πρωτόκολλα κλινικής μαγνητικής τομογραφίας εγκεφάλου – T1-weighted, T2-weighted, FLAIR και DWI – για να παράγουν αναλογίες σήματος προς θόρυβο (SNR) και χαρακτηριστικά αντίθεσης παρόμοια με εκείνα των κλινικών εικόνων MR υψηλού πεδίου .

Μετά από δοκιμές σε φαντάσματα, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τον σαρωτή για να απεικονίσουν 25 ασθενείς με νευρολογικές παθήσεις (όγκους εγκεφάλου, χρόνιο εγκεφαλικό επεισόδιο και χρόνιες ενδοεγκεφαλικές αιμορραγίες), χρησιμοποιώντας αυτά τα τέσσερα πρωτόκολλα. 

Στη συνέχεια, οι ασθενείς υποβλήθηκαν στις ίδιες εξετάσεις στον σαρωτή 3 Τ του νοσοκομείου.

Οι εξετάσεις διήρκεσαν κατά μέσο όρο περίπου 30 λεπτά με τον σαρωτή 0,055 Τ, σε σύγκριση με 20 λεπτά με το σύστημα 3 Τ.

Ένας ανώτερος κλινικός ακτινολόγος αξιολόγησε τις σαρώσεις ασθενών για να προσδιορίσει ποιες συγκεκριμένες βλάβες μπορούσαν να παρατηρηθούν στις εικόνες 0,055 T.

Ο πρωτότυπος σαρωτής εντόπισε τις περισσότερες βασικές παθολογίες στις εξετάσεις και των 25 ασθενών, με παρόμοια ποιότητα εικόνας με αυτή που παράγεται από τον σαρωτή 3 Τ.

Ένα σημαντικό πλεονέκτημα του νέου σαρωτή είναι ότι παράγει λιγότερα τεχνουργήματα κατά την απεικόνιση εμφυτευμάτων, όπως:

-μεταλλικά κλιπ και,

-εγκεφαλοαγγειακά στεντ.

«Κατά τη χρήση του ULF, τα μεταλλικά εμφυτεύματα όχι μόνο εμφανίζουν λιγότερα τεχνουργήματα, αλλά αντιμετωπίζουν επίσης σημαντικά λιγότερες μηχανικές δυνάμεις και θέρμανση που προκαλείται από RF», γράφουν οι ερευνητές.

«Η παρουσία παραμαγνητικών (τιτανίου και κράματα τιτανίου) και σιδηρομαγνητικών (κοβάλτιο, νικέλιο και συναφή κράματα) υλικών σε κλιπ ανευρύσματος και εγκεφαλοαγγειακά στεντ δεν προκάλεσε μεγάλα τεχνουργήματα».

Ως εκ τούτου, ο σαρωτής ULF θα πρέπει να επιτρέπει τη σάρωση MRI ασθενών με μεταλλικά ιατρικά εμφυτεύματα ή μεταλλικά θραύσματα που σχετίζονται με ατυχήματα, οι οποίοι διαφορετικά δεν θα ήταν υποψήφιοι για συμβατική μαγνητική τομογραφία υψηλού πεδίου.

Μελλοντικές ευκαιρίες

Ο Wu πιστεύει ότι η τεχνολογία ULF δεν έχει σχεδιαστεί για να ανταγωνιστεί την κύρια μαγνητική τομογραφία, αλλά για να τη συμπληρώσει. 

«Με ένταση πεδίου που είναι σχεδόν δύο τάξεις μεγέθους χαμηλότερη από την κύρια μαγνητική τομογραφία, η ποιότητα της εικόνας είναι αναπόφευκτα λιγότερο ελκυστική απλώς και μόνο λόγω της φυσικής της μαγνητικής τομογραφίας: χαμηλότερη ισχύς πεδίου, ασθενέστερο σήμα MR, λιγότερο παιχνίδι», λέει.

“Ωστόσο, τα σήματα MR και η φυσική έχουν πολλές ελκυστικές ιδιότητες σε εξαιρετικά χαμηλό πεδίο, όσον αφορά τη λήψη δεδομένων και το σχηματισμό εικόνας.”

«Πιστεύω ότι οι υπολογιστές και τα μεγάλα δεδομένα θα είναι αναπόσπαστο όσο και αναπόφευκτο μέρος της μελλοντικής τεχνολογίας MRI», προσθέτει ο Wu.

«Δεδομένης της εγγενώς τρισδιάστατης, εξαιρετικά ποσοτικής και χωρίς ιονισμό φύσης της μαγνητικής τομογραφίας, πιστεύω ότι οι ευρέως αναπτυγμένες τεχνολογίες μαγνητικής τομογραφίας θα οδηγήσουν σε τεράστιες ευκαιρίες στο μελλοντικό σχηματισμό και διάγνωση εικόνων MR βάσει δεδομένων στην υγειονομική περίθαλψη.

 Αυτό θα οδηγήσει σε χαμηλού κόστους, αποτελεσματικές και πιο έξυπνες κλινικές εφαρμογές μαγνητικής τομογραφίας».

Οι ερευνητές επέλεξαν να αναπτύξουν μια μαγνητική τομογραφία εγκεφάλου ULF λόγω «της τεράστιας ανάγκης και αξίας της μαγνητικής τομογραφίας στη διάγνωση και την πρόγνωση διαφόρων νευρολογικών παθήσεων και τραυματισμών», σημειώνοντας ότι περίπου το 30% των κλινικών περιπτώσεων μαγνητικής τομογραφίας αφορούν τον εγκέφαλο.

Τελικά, ελπίζουν ότι η ανάπτυξη τέτοιων τεχνολογιών ULF MRI θα επιτρέψει σε ασθενοκεντρικούς και αγνωστικούς σαρωτές MRI να ικανοποιήσουν τις ανεκπλήρωτες κλινικές ανάγκες σε διάφορους παγκόσμιους χώρους υγειονομικής περίθαλψης, με δυνατότητα εκδημοκρατισμού της μαγνητικής τομογραφίας για χώρες χαμηλού και μεσαίου εισοδήματος.

Για το σκοπό αυτό, η ομάδα καθιστά τον κωδικό κλειδιού και τα σχέδια που έχει αναπτύξει δωρεάν διαθέσιμα σε ένα δημόσιο διαδικτυακό αποθετήριο .