Järnoxidnanopartiklar ökar kontrasten i lågfälts MRI-skannrar – Physics World

Järnoxidnanopartiklar ökar kontrasten i lågfälts MRI-skannrar – Physics World

Tidsstämpel: 7 september, 2023 5:00

NIST-forskaren Sam Oberdick
Utforska MRI-kontraster NIST-forskaren Samuel Oberdick och kollegor testade nanopartiklar av järnoxid vid lågstyrka magnetfält. Nanopartiklar inuti en flytande lösning (bilden här) dras mot magneten genom en kombination av magnetiska interaktioner och ytspänning. (Med tillstånd: R Wilson/NIST)

Bärbara MR-system med lågt fält (1–100 mT) som säkert kan utföra skanningar utanför en dedikerad MR-svit kan revolutionera användningen av denna diagnostiska bildbehandlingsmodalitet. Förutom att lindra behovet av ett dyrt, MRT-dedikerat bildrum, kostar lågfältsskannrar mycket mindre och kräver mindre utrymme och kraft än traditionella MRI-skannrar som är beroende av kryogena supraledande magneter. Sådana kostnadsfördelar gör det möjligt att använda lågfälts-MR-skannrar på ekonomiskt utsatta sjukhus och kliniker, medan deras portabilitet kan möjliggöra installation i ambulanser eller bärbara skåpbilar som betjänar avlägsna samhällen.

Den första kommersiella punkt-of-care lågfälts MRI-skannern är Hyperfines Swoop Portable MR Imaging System, som har CE-märke och US FDA 510k godkännande för neuroimaging. Swoop används alltmer på sjukhusens akutmottagningar för att avbilda patienter med allvarliga huvudtrauma eller misstänkta för att ha en stroke. Denna bärbara skanner arbetar vid 64 mT – minst 20 gånger lägre än magnetfältet i konventionella MR-skannrar.

För att utöka den kliniska tillämpningen av lågfälts-MR-skannrar behövs dock bättre kontrastmedel för att förbättra bildkvaliteten. Dessutom krävs mer forskning för att förstå sambandet mellan lågfältsbilder och de underliggande vävnadsegenskaperna som de representerar.

Nanopartiklar som kontrastmedel

Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST), den University of Colorado Boulder och University of Florence har fastställt att superparamagnetiska nanopartiklar av järnoxid (SPIONs) avsevärt överträffar ett kommersiellt gadoliniumbaserat kontrastmedel (gadobenat dimeglumine eller Gd-BOPTA) som används för undersökningar på 3 T MRI-skannrar. Skriver in Vetenskapliga rapporter, beskriver de egenskaperna hos järnoxidbaserade kontrastmedel under förvärv av MRI-undersökningar med lågt fält.

Ungefär 25 % av alla MRT-undersökningar vid kliniska fältstyrkor använder kontrastmedel – magnetiska material som injiceras i patienter för att förbättra bildkontrasten, vilket gör att anatomiska egenskaper kan särskiljas genom deras nivå av ljusstyrka eller mörker. Kontrastmedel kan hjälpa radiologer att identifiera ohälsosam vävnad baserat på en tumörs MR-förstärkningsmönster. Till exempel kan tumörens kärl ackumulera mer kontrast än frisk vävnad, och en tumör som kanske inte har varit synlig utan kontrast kan bli synlig.

Effektiviteten av ett kontrastmedel är direkt relaterad till dess fysikaliska och magnetiska egenskaper. Huvud författare Samuel Oberdick, från NIST och University of Colorado Boulder, och medförfattare karakteriserade monodispergerade karboxylsyrabelagda SPION med diametrar från 4.9 till 15.7 nm. Deras mål var att förstå storleksberoende egenskaper hos T1 kontrast vid låga fältstyrkor (en T1-vägd MR-bild visar skillnader i de longitudinella avslappningstiderna för vävnader). Genom att avbilda ett MRT-fantom bestämde de MRT-kontrastegenskaperna vid 64 mT med Swoop-systemet och vid 3 T med en preklinisk skanner.

Forskarna fastställde att SPION-baserade kontrastmedel visar gynnsamma egenskaper som T1 kontrastmedel för lågfälts-MR, uppvisar storleksberoende longitudinell relaxivitet och överträffar Gd-BOPTA med nästan nio gånger vid rumstemperatur och åtta gånger vid fysiologiska temperaturer. De observerade också att de longitudinella relaxiviteterna för SPIONs vid 64 mT var nästan en storleksordning större än vid den vanliga kliniska fältstyrkan på 3 T. En hög relaxivitet möjliggör användning av mindre mängder kontrast för att skapa märkbara ljusa markörer på en MR-bild.

Teamet mätte också lågfältet T1 egenskaperna hos ferumoxytol, en järnoxid-nanopartikelbaserad behandling för järnbrist. Ferumoxytol visade också ökad kontrast jämfört med det gadoliniumbaserade medlet. Eftersom det redan är FDA-godkänt kan ferumoxytol omedelbart användas off-label för att utvärdera T1 kontrast av järnoxidnanopartikelbaserade kontrastmedel i kliniska studier.

Oberdick rekommenderar att teamet nu planerar att utforska de optimala egenskaperna för SPION-baserade T1 kontrastmedel vid låga fält. Framtida arbete kan använda anpassad syntes av nanopartiklar för att skapa SPIONs med konstruerade storlekar och magnetiska egenskaper för att öka T1 kontrast vid specifika låga fältstyrkor.

Avbilda hjärnan

Någon annanstans på NIST, Kalina Jordanova och kollegor har arbetat med att validera metoder för att skapa bilder med svagare magnetfält. De mätte nyligen egenskaperna hos hjärnvävnad vid låg magnetfältstyrka i en studie av fem manliga och fem kvinnliga frivilliga, och rapporterade sina fynd i Magnetisk resonansmaterial i fysik, biologi och medicin.

Kalina Jordanova, Stephen Ogier och Katy Keenan
Avancerad MRI-teknik Kalina Jordanova, Stephen Ogier och Katy Keenan är bland NIST-forskarna som arbetar för att föra fram MRT med hjälp av magnetiska fält med lägre styrka. (Med tillstånd: R. Jacobson/NIST)

Teamet samlade in 64 mT MR-bilder av hela hjärnan och fick data från den grå substansen, den vita substansen och cerebrospinalvätskan. Dessa tre hjärnans beståndsdelar reagerar på det låga magnetfältet på olika sätt och producerar distinkta signaler som återspeglar deras unika egenskaper. Detta gör det möjligt för MRT-systemet att producera bilder som innehåller kvantitativ information om varje beståndsdel.

"Med lågfälts-MRI-system är kontrasten på bilderna annorlunda, så vi måste veta hur mänsklig vävnad ser ut vid dessa lägre fältstyrkor", säger Jordanova. "Att känna till de kvantitativa egenskaperna hos vävnad gör att vi kan utveckla nya bildinsamlingsstrategier för detta MRI-system," tillägger medförfattare Katy Keenan.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden