Наночастицы оксида железа повышают контрастность в низкопольных МРТ-сканерах

Наночастицы оксида железа повышают контрастность в низкопольных МРТ-сканерах

Отметка времени: 7 сентября 2023 г., 5:00

Исследователь NIST Сэм Обердик
Исследование контрастов МРТ Исследователь NIST Сэмюэл Обердик и его коллеги протестировали наночастицы оксида железа в магнитных полях низкой силы. Наночастицы внутри жидкого раствора (на фото) притягиваются к магниту за счет сочетания магнитных взаимодействий и поверхностного натяжения. (С разрешения: Р. Уилсон/НИСТ)

Портативные системы МРТ с низким полем (1–100 мТл), которые могут безопасно выполнять сканирование за пределами специального комплекса МРТ, могут совершить революцию в использовании этого метода диагностической визуализации. Помимо того, что сканеры с низким полем не требуют дорогостоящего помещения для визуализации, предназначенного для МРТ, они стоят гораздо дешевле, требуют меньше места и энергии, чем традиционные МРТ-сканеры, в которых используются криогенные сверхпроводящие магниты. Такие ценовые преимущества делают возможным развертывание МРТ-сканеров с низким полем в экономически сложных больницах и клиниках, в то время как их портативность может позволить установку в машинах скорой помощи или портативных фургонах, обслуживающих отдаленные населенные пункты.

Первый коммерческий МРТ-сканер с низким полем для медицинских учреждений — это аппарат Hyperfine. Портативная система МРТ Swoop, который имеет маркировку CE и разрешение FDA 510k США для нейровизуализации. Swoop все чаще используется в отделениях неотложной помощи больниц для визуализации пациентов с тяжелой травмой головы или с подозрением на инсульт. Этот портативный сканер работает при 64 мТл – как минимум в 20 раз ниже, чем магнитное поле обычных МРТ-сканеров.

Однако для расширения клинического применения низкопольных МРТ-сканеров необходимы более качественные контрастные вещества для улучшения качества изображения. Кроме того, необходимы дополнительные исследования, чтобы понять взаимосвязь между изображениями в слабом поле и свойствами основных тканей, которые они представляют.

Наночастицы как контрастные вещества

Исследователи из Национальный Институт Стандартов и Технологий (НИСТ), Университет Колорадо Боулдер и Университет Флоренции определили, что суперпарамагнитные наночастицы оксида железа (SPION) значительно превосходят коммерческий контрастный агент на основе гадолиния (гадобенат димеглюмин или Gd-BOPTA), используемый для исследований на 3-Т МРТ-сканерах. Запись в Научные доклады, они описывают свойства контрастных веществ на основе оксида железа во время сканирования МРТ в низком поле.

Примерно в 25% всех МРТ-исследований при напряженности клинического поля используются контрастные вещества — магнитные материалы, которые вводятся пациентам для повышения контрастности изображения, что позволяет различать анатомические особенности по уровню яркости или темноты. Контрастные вещества могут помочь рентгенологам идентифицировать нездоровую ткань на основе картины усиления МР опухоли. Например, сосудистая сеть опухоли может накапливать больше контраста, чем здоровая ткань, и опухоль, которая могла быть не видна без контраста, может стать видимой.

Эффективность контрастного вещества напрямую связана с его физическими и магнитными свойствами. Ведущий автор Сэмюэл Обердикиз NIST и Университета Колорадо в Боулдере и соавторы охарактеризовали SPION, покрытые монодисперсной карбоновой кислотой, диаметром от 4.9 до 15.7 нм. Их целью было понять зависящие от размера свойства T1 контраст при низкой напряженности поля (Т1-взвешенное МР-изображение демонстрирует различия во времени продольной релаксации тканей). С помощью визуализации фантома МРТ они определили контрастные свойства МРТ при 64 мТл с использованием системы Swoop и при 3 Тл с помощью доклинического сканера.

Исследователи определили, что контрастные вещества на основе SPION обладают благоприятными свойствами, поскольку T1 контрастные вещества для МРТ в слабом поле, демонстрирующие продольную релаксацию в зависимости от размера и превосходящие Gd-BOPTA почти в девять раз при комнатной температуре и в восемь раз при физиологических температурах. Они также заметили, что продольная релаксация SPION при 64 мТл была почти на порядок выше, чем при стандартной клинической напряженности поля 3 Тл. Высокая релаксация позволяет использовать меньшие количества контраста для создания заметных ярких маркеров на МР-изображении.

Команда также измерила T в низком поле.1 свойства ферумокситола, средства для лечения дефицита железа на основе наночастиц оксида железа. Ферумокситол также продемонстрировал усиление контрастности по сравнению с препаратом на основе гадолиния. Поскольку ферумокситол уже одобрен FDA, его можно сразу же использовать не по назначению для оценки уровня Т.1 контраст контрастных веществ на основе наночастиц оксида железа в клинических исследованиях.

Обердик сообщает, что теперь команда планирует изучить оптимальные свойства T на базе SPION.1 контрастные вещества в слабых полях. В будущих работах может использоваться индивидуальный синтез наночастиц для создания SPION с заданными размерами и магнитными свойствами для увеличения T.1 контраст при определенной низкой напряженности поля.

Изображение мозга

В другом месте в НИСТ, Калина Иорданова и его коллеги работают над проверкой методов создания изображений с более слабыми магнитными полями. Недавно они измерили свойства ткани головного мозга при низкой напряженности магнитного поля в исследовании с участием пяти добровольцев мужского пола и пяти женщин, сообщив о своих результатах в Магнитно-резонансные материалы в физике, биологии и медицине.

Калина Иорданова, Стивен Ожье и Кэти Кинан
Развитие технологии МРТ Калина Иорданова, Стивен Ожье и Кэти Кинан входят в число исследователей NIST, работающих над развитием МРТ с использованием магнитных полей меньшей силы. (С разрешения: Р. Джейкобсон/НИСТ)

Команда собрала 64-мТл МР-изображения всего мозга и получила данные серого, белого вещества и спинномозговой жидкости. Эти три компонента мозга по-разному реагируют на слабое магнитное поле и производят характерные сигналы, отражающие их уникальные свойства. Это позволяет системе МРТ создавать изображения, содержащие количественную информацию о каждом компоненте.

«В системах МРТ с низким полем контрастность изображений разная, поэтому нам нужно знать, как человеческая ткань выглядит при такой более низкой напряженности поля», — говорит Иорданова. «Знание количественных свойств ткани позволяет нам разработать новые стратегии сбора изображений для этой системы МРТ», — добавляет соавтор. Кэти Кинан.

Отметка времени:

Больше от Мир физики