Eisenoxid-Nanopartikel steigern den Kontrast in Niederfeld-MRT-Scannern – Physics World

Eisenoxid-Nanopartikel steigern den Kontrast in Niederfeld-MRT-Scannern – Physics World

Zeitstempel: 7. September 2023, 5:00 Uhr

NIST-Forscher Sam Oberdick
Erforschung von MRT-Kontrasten NIST-Forscher Samuel Oberdick und Kollegen testeten Eisenoxid-Nanopartikel in Magnetfeldern geringer Stärke. Nanopartikel in einer flüssigen Lösung (hier abgebildet) werden durch eine Kombination aus magnetischen Wechselwirkungen und Oberflächenspannung zum Magneten gezogen. (Mit freundlicher Genehmigung von R. Wilson/NIST)

Tragbare MRT-Systeme mit niedrigem Feld (1–100 mT), die Scans sicher außerhalb eines speziellen MRT-Raums durchführen können, könnten die Verwendung dieser diagnostischen Bildgebungsmodalität revolutionieren. Abgesehen davon, dass kein teurer MRT-Bildgebungsraum erforderlich ist, sind Niederfeldscanner weitaus kostengünstiger und benötigen weniger Platz und Strom als herkömmliche MRT-Scanner, die auf kryogenen supraleitenden Magneten basieren. Solche Kostenvorteile machen den Einsatz von Niedrigfeld-MRT-Scannern in wirtschaftlich benachteiligten Krankenhäusern und Kliniken möglich, während ihre Tragbarkeit den Einbau in Krankenwagen oder tragbaren Lieferwagen für abgelegene Gemeinden ermöglichen kann.

Der erste kommerzielle Point-of-Care-MRT-Scanner mit niedrigem Feld ist von Hyperfine Swoop Tragbares MR-Bildgebungssystem, das über die CE-Kennzeichnung und die 510k-Zulassung der US-amerikanischen FDA für Neuroimaging verfügt. Swoop wird zunehmend in der Notaufnahme von Krankenhäusern zur Bildgebung von Patienten mit schwerem Kopftrauma oder bei Verdacht auf einen Schlaganfall eingesetzt. Dieser tragbare Scanner arbeitet mit 64 mT – mindestens 20-mal niedriger als das Magnetfeld herkömmlicher MRT-Scanner.

Um die klinische Anwendung von Niederfeld-MRT-Scannern zu erweitern, sind jedoch bessere Kontrastmittel zur Verbesserung der Bildqualität erforderlich. Darüber hinaus ist weitere Forschung erforderlich, um die Beziehung zwischen Low-Field-Bildern und den zugrunde liegenden Gewebeeigenschaften, die sie darstellen, zu verstehen.

Nanopartikel als Kontrastmittel

Forscher an der National Institute of Standards and Technology (NIST), die University of Colorado Boulder und für Universität von Florenz haben festgestellt, dass superparamagnetische Eisenoxid-Nanopartikel (SPIONs) ein kommerzielles Kontrastmittel auf Gadoliniumbasis (Gadobenat-Dimeglumin oder Gd-BOPTA), das für Untersuchungen an 3-T-MRT-Scannern verwendet wird, deutlich übertreffen. Einschreiben Wissenschaftliche BerichteSie beschreiben die Eigenschaften von Kontrastmitteln auf Eisenoxidbasis bei der Aufnahme von Niederfeld-MRT-Scans.

Ungefähr 25 % aller MRT-Untersuchungen bei klinischen Feldstärken verwenden Kontrastmittel – magnetische Materialien, die Patienten injiziert werden, um den Bildkontrast zu verbessern und es zu ermöglichen, anatomische Merkmale anhand ihres Helligkeits- oder Dunkelheitsgrads zu unterscheiden. Kontrastmittel können Radiologen dabei helfen, krankes Gewebe anhand der MR-Verstärkungsmuster eines Tumors zu identifizieren. Beispielsweise kann das Tumorgefäßsystem mehr Kontrastmittel ansammeln als gesundes Gewebe, und ein Tumor, der ohne Kontrastmittel möglicherweise nicht sichtbar gewesen wäre, kann sichtbar werden.

Die Wirksamkeit eines Kontrastmittels hängt direkt von seinen physikalischen und magnetischen Eigenschaften ab. Hauptautor Samuel Oberdick, vom NIST und der University of Colorado Boulder, und Co-Autoren charakterisierten monodisperse, mit Carbonsäure beschichtete SPIONs mit Durchmessern im Bereich von 4.9 bis 15.7 nm. Ihr Ziel war es, die größenabhängigen Eigenschaften von T zu verstehen1 Kontrast bei niedrigen Feldstärken (ein T1-gewichtetes MR-Bild zeigt Unterschiede in den longitudinalen Relaxationszeiten von Geweben). Durch die Abbildung eines MRT-Phantoms bestimmten sie die MRT-Kontrasteigenschaften bei 64 mT mit dem Swoop-System und bei 3 T mit einem präklinischen Scanner.

Die Forscher stellten fest, dass Kontrastmittel auf SPION-Basis günstige Eigenschaften als T. aufweisen1 Kontrastmittel für die Niederfeld-MRT, die größenabhängige Längsrelaxivitäten aufweisen und Gd-BOPTA bei Raumtemperatur um fast das Neunfache und bei physiologischen Temperaturen um das Achtfache übertreffen. Sie beobachteten auch, dass die longitudinalen Relaxivitäten von SPIONs bei 64 mT fast eine Größenordnung größer waren als bei der standardmäßigen klinischen Feldstärke von 3 T. Eine hohe Relaxivität ermöglicht die Verwendung kleinerer Kontrastmengen, um wahrnehmbare helle Markierungen auf einem MR-Bild zu erzeugen.

Das Team maß auch den Tieffeld-T1 Eigenschaften von Ferumoxytol, einem auf Eisenoxid-Nanopartikeln basierenden Mittel zur Behandlung von Eisenmangel. Ferumoxytol zeigte im Vergleich zum Wirkstoff auf Gadoliniumbasis auch einen verbesserten Kontrast. Da es bereits von der FDA zugelassen ist, könnte Ferumoxytol sofort off-label zur Bewertung des T eingesetzt werden1 Kontrast von Eisenoxid-Nanopartikel-basierten Kontrastmitteln in klinischen Studien.

Oberdick weist darauf hin, dass das Team nun plant, die optimalen Eigenschaften für SPION-basiertes T zu erforschen1 Kontrastmittel bei niedrigen Feldern. Zukünftige Arbeiten könnten eine kundenspezifische Synthese von Nanopartikeln nutzen, um SPIONs mit gezielten Größen und magnetischen Eigenschaften zu erzeugen, um T zu erhöhen1 Kontrast bei bestimmten niedrigen Feldstärken.

Bildgebung des Gehirns

An anderer Stelle am NIST, Kalina Jordanova und Kollegen haben daran gearbeitet, Methoden zur Erstellung von Bildern mit schwächeren Magnetfeldern zu validieren. Sie haben kürzlich die Eigenschaften von Gehirngewebe bei niedriger Magnetfeldstärke in einer Studie mit fünf männlichen und fünf weiblichen Freiwilligen gemessen und ihre Ergebnisse in veröffentlicht Magnetresonanzmaterialien in Physik, Biologie und Medizin.

Kalina Jordanova, Stephen Ogier und Katy Keenan
Weiterentwicklung der MRT-Technologie Kalina Jordanova, Stephen Ogier und Katy Keenan gehören zu den NIST-Forschern, die daran arbeiten, die MRT mithilfe von Magnetfeldern geringerer Stärke voranzutreiben. (Mit freundlicher Genehmigung von R. Jacobson/NIST)

Das Team sammelte 64-mT-MR-Bilder des gesamten Gehirns und erhielt Daten aus der grauen Substanz, der weißen Substanz und der Gehirn-Rückenmarks-Flüssigkeit. Diese drei Gehirnbestandteile reagieren auf unterschiedliche Weise auf das schwache Magnetfeld und erzeugen unterschiedliche Signale, die ihre einzigartigen Eigenschaften widerspiegeln. Dadurch kann das MRT-System Bilder erzeugen, die quantitative Informationen über jeden Bestandteil enthalten.

„Bei Niederfeld-MRT-Systemen ist der Kontrast der Bilder anders, daher müssen wir wissen, wie menschliches Gewebe bei diesen geringeren Feldstärken aussieht“, sagt Jordanova. „Die Kenntnis der quantitativen Eigenschaften von Gewebe ermöglicht es uns, neue Bilderfassungsstrategien für dieses MRT-System zu entwickeln“, fügt Co-Autor hinzu Katy Keenan.

Zeitstempel:

Mehr von Physik-Welt