Nanocząsteczki tlenku żelaza zwiększają kontrast w skanerach MRI o niskim polu pola – Świat Fizyki

Nanocząsteczki tlenku żelaza zwiększają kontrast w skanerach MRI o niskim polu pola – Świat Fizyki

Znacznik czasu: 7 września 2023 5:00

Badacz NIST, Sam Oberdick
Badanie kontrastów MRI Badacz NIST, Samuel Oberdick i jego współpracownicy, przetestowali nanocząsteczki tlenku żelaza w polach magnetycznych o niskim natężeniu. Nanocząstki znajdujące się w ciekłym roztworze (na zdjęciu) są przyciągane w kierunku magnesu poprzez kombinację oddziaływań magnetycznych i napięcia powierzchniowego. (Dzięki uprzejmości: R Wilson/NIST)

Przenośne systemy MRI o niskim polu pola (1–100 mT), które umożliwiają bezpieczne wykonywanie skanów poza dedykowanym zestawem MRI, mogłyby zrewolucjonizować wykorzystanie tej metody obrazowania diagnostycznego. Oprócz tego, że eliminują potrzebę posiadania drogiego pomieszczenia do obrazowania MRI, skanery o niskim polu są znacznie tańsze i wymagają mniej miejsca i energii niż tradycyjne skanery MRI wykorzystujące kriogeniczne magnesy nadprzewodzące. Takie korzyści kosztowe umożliwiają zastosowanie skanerów MRI o niskim polu widzenia w szpitalach i klinikach z trudnościami ekonomicznymi, a ich przenośność może umożliwić instalację w karetkach pogotowia lub przenośnych samochodach dostawczych obsługujących odległe społeczności.

Pierwszym komercyjnym przyłóżkowym skanerem MRI o niskim polu widzenia jest Hyperfine Przenośny system obrazowania MR Swoop, który posiada znak CE i zezwolenie US FDA 510k na neuroobrazowanie. Swoop jest coraz częściej stosowany na szpitalnych oddziałach ratunkowych do obrazowania pacjentów z ciężkim urazem głowy lub podejrzanych o udar. Ten przenośny skaner działa przy napięciu 64 mT – co najmniej 20 razy niższym niż pole magnetyczne w konwencjonalnych skanerach MRI.

Aby jednak rozszerzyć zastosowanie kliniczne skanerów MRI o niskim polu widzenia, potrzebne są lepsze środki kontrastowe poprawiające jakość obrazu. Ponadto potrzebne są dalsze badania, aby zrozumieć związek między obrazami o niskim polu widzenia a odpowiadającymi im właściwościami tkanki.

Nanocząstki jako środki kontrastowe

Naukowcy z Narodowy Instytut Norm i Technologii (NIST), tzw Uniwersytet Colorado Boulder oraz Uniwersytet we Florencji ustalili, że superparamagnetyczne nanocząsteczki tlenku żelaza (SPION) znacznie przewyższają dostępny w handlu środek kontrastowy na bazie gadolinu (gadobenian dimegluminy lub Gd-BOPTA) używany do badań na skanerach 3 T MRI. Wpisywanie się Doniesienia naukoweopisują właściwości środków kontrastowych na bazie tlenku żelaza podczas akwizycji skanów MRI o niskim polu.

Około 25% wszystkich badań MRI przy natężeniu pola klinicznego wykorzystuje środki kontrastowe – materiały magnetyczne wstrzykiwane pacjentom w celu zwiększenia kontrastu obrazu, umożliwiając rozróżnienie cech anatomicznych na podstawie ich poziomu jasności lub zaciemnienia. Środki kontrastowe mogą pomóc radiologom w identyfikacji niezdrowej tkanki na podstawie wzorców wzmocnienia guza w rezonansie magnetycznym. Na przykład układ naczyniowy guza może gromadzić więcej kontrastu niż zdrowa tkanka, a guz, który mógł nie być widoczny bez kontrastu, może stać się widoczny.

Skuteczność środka kontrastowego jest bezpośrednio związana z jego właściwościami fizycznymi i magnetycznymi. Główny autor Samuela Oberdickaz NIST i University of Colorado Boulder, a współautorzy scharakteryzowali monodyspersyjne SPIONy pokryte kwasem karboksylowym o średnicach w zakresie od 4.9 do 15.7 nm. Ich celem było zrozumienie zależnych od wielkości właściwości T1 kontrast przy niskim natężeniu pola (obraz MR ważony T1 pokazuje różnice w czasach relaksacji podłużnej tkanek). Obrazując fantom MRI, określili właściwości kontrastu MRI przy 64 mT przy użyciu systemu Swoop i przy 3 T przy użyciu skanera przedklinicznego.

Naukowcy ustalili, że środki kontrastowe na bazie SPION wykazują korzystne właściwości, ponieważ T1 środki kontrastowe do rezonansu magnetycznego o niskim polu, wykazujące zależną od wielkości relaksację podłużną i skuteczność Gd-BOPTA prawie dziewięciokrotnie wyższą w temperaturze pokojowej i ośmiokrotnie wyższą w temperaturach fizjologicznych. Zaobserwowali również, że podłużna relaksacyjność SPION przy 64 mT była prawie o rząd wielkości większa niż przy standardowym klinicznym natężeniu pola wynoszącym 3 T. Wysoka relaksacyjność umożliwia użycie mniejszych ilości kontrastu w celu stworzenia zauważalnych jasnych znaczników na obrazie MR.

Zespół zmierzył także niskie pole T1 właściwości ferumoksytolu, opartego na nanocząsteczkach tlenku żelaza leku na niedobór żelaza. Ferumoksytol wykazywał również zwiększony kontrast w porównaniu ze środkiem na bazie gadolinu. Ponieważ jest już zatwierdzony przez FDA, ferumoksytol może zostać natychmiast użyty poza wskazaniami rejestracyjnymi do oceny T1 kontrast środków kontrastowych na bazie nanocząstek tlenku żelaza w badaniach klinicznych.

Oberdick radzi, że zespół planuje teraz zbadać optymalne właściwości T1 środki kontrastowe w niskich polach. Przyszłe prace mogą wykorzystywać niestandardową syntezę nanocząstek do tworzenia SPIONów o dostosowanych rozmiarach i właściwościach magnetycznych w celu zwiększenia T1 kontrast przy określonych niskich natężeniach pola.

Obrazowanie mózgu

W innym miejscu w NIST, Kalina Jordanowa i współpracownicy pracowali nad walidacją metod tworzenia obrazów przy słabszych polach magnetycznych. Niedawno zmierzyli właściwości tkanki mózgowej przy niskim natężeniu pola magnetycznego w badaniu z udziałem pięciu ochotników płci męskiej i pięciu kobiet, a swoje odkrycia opisali w Materiały rezonansu magnetycznego w fizyce, biologii i medycynie.

Kalina Jordanova, Stephen Ogier i Katy Keenan
Postęp w technologii MRI Kalina Jordanova, Stephen Ogier i Katy Keenan należą do badaczy NIST pracujących nad udoskonaleniem rezonansu magnetycznego przy użyciu pól magnetycznych o niższej sile. (Dzięki uprzejmości: R. Jacobson/NIST)

Zespół zebrał obrazy MR całego mózgu o rozdzielczości 64 mT i uzyskał dane z istoty szarej, istoty białej i płynu mózgowo-rdzeniowego. Te trzy składniki mózgu reagują na niskie pole magnetyczne na różne sposoby i wytwarzają charakterystyczne sygnały, które odzwierciedlają ich unikalne właściwości. Umożliwia to systemowi MRI wytwarzanie obrazów zawierających informacje ilościowe o każdym składniku.

„W przypadku systemów MRI o niskim polu kontrast obrazów jest inny, dlatego musimy wiedzieć, jak tkanka ludzka wygląda przy mniejszym natężeniu pola” – mówi Jordanova. „Znajomość ilościowych właściwości tkanki pozwala nam opracować nowe strategie gromadzenia obrazów dla tego systemu MRI” – dodaje współautor Katy Keenan.

Znak czasu:

Więcej z Świat Fizyki