National Institute of Standards and Technology (NIST) tillhandahåller nu en ny mätningstjänst som kan förbättra kvaliteten på magnetisk resonanstomografi (MRI) och ge en väg för att använda MRI för att göra exakta och spårbara mätningar inuti människokroppen. Det kulminerar många års forskning av NIST -forskare som arbetar vid gränsen för kvantitativ medicinsk bildbehandling för precisionsmedicin.

Läkare behöver mycket exakta bilder för diagnos och behandlingsbeslut. Kvantitativa parametrar mätt med MR måste vara både korrekta och ha väldefinierade osäkerheter innan de kan användas för kliniskt beslutsfattande. Det betyder att MR-operatörer måste karakterisera sina skannrar och avbildningsprotokoll med hjälp av spårbara standarder-de som relaterar mätningarna till en överenskommen internationell referens.

Detta görs med hjälp av "fantomer"-objekt som innehåller standardreferensmaterial som fungerar som tillförlitliga stand-ins för specifika typer av vävnader i kroppen. Fantomtillverkare måste se till att MR -egenskaperna hos de material som de använder mäts noggrant. Det är där den nya kalibreringstjänsten, på NIST's Boulder, Colo., faciliteter, kommer in.

Kunder skickar NIST -prover av material som ska användas vid framställning av fantomer. Forskare lägger materialet i kapillärrör, var och en innehar cirka 10 mikroliter (miljondelar av en liter), och placera dem en efter en i NIST:s NMR -system. Varje prov testas tre gånger vid specificerade magnetfältstyrkor och temperaturer, en process som kan ta sex till 40 timmar per prov. (Det automatiska förvärvssystemet körs dygnet runt.) Initiala prover är begränsade till vätskor, men framtida förlängningar av tjänsten kommer att inkludera geler och mer komplexa vävnadsmimik. "NMR -systemet är unikt och utformades specifikt som ett metrologisystem för att kalibrera biomarkörer för medicinsk bildbehandling, "sa NIST:s Michael Boss, som utvecklade systemet, mätprotokoll och analysrutiner.

De uppmätta egenskaperna ger NIST -spårbarhet till International System of Units (SI) samt en noggrann analys av olika osäkerheter i mätningarna. Mätningarna innefattar en obruten kedja av kalibreringar mellan MR -resultaten och SI -referensen. Som ett resultat, enskilda skannrar och sekvenser kan justeras för att prestera mer exakt, och data som erhållits från bilder på olika skannrar kan jämföras med större förtroende.

"När vi levererar ett NIST-spårbart certifikat, vi ger både materialens egenskaper och en absolut osäkerhet, "sa NIST -programforskaren Stephen Russek." Det är viktigt att känna till osäkerheterna i detalj, eftersom de sprider sig genom kalibreringskedjan. Vi har ungefär plus eller minus 1 procent mätosäkerhet i vårt labb, men för närvarande finns det ungefär 5 procent osäkerhet i bästa fall i kliniska skannrar med fantomer, och eventuellt 20 procent eller mer vid bildbaserade mätningar hos patienter. Vår tjänst är avsedd att ge en väg för att få bättre och lägre osäkerheter i mänskliga mätningar. "

I sin ursprungliga form, den nya tjänsten mäter två grundläggande avslöjande egenskaper hos proverna:protonen "snurrar" avslappningstiderna T1 och T2. (Centrifugering är en kvanteffekt som är analog med nord- och sydpolens inriktning av en stapelmagnet.) Det här är de gånger det tar för protonspinnspolarisationen, parallellt och vinkelrätt mot magnetfältet respektive att återhämta sig från att bli störd av radiovågor i ett kraftfullt magnetfält.

De två avslappningstiderna är känsliga för lokala vävnadsegenskaper (t.ex. i hjärnan, T1 är kortare i vit substans, längre i grå substans). Och de tillhandahåller kritiska "biomarkörer, "fysiska egenskaper som anger om vävnaden fungerar normalt eller om det finns någon form av patologi eller vävnadsskada. De används också för att spåra hur en viss formation, som en tumör, svarar på läkemedelsbehandling.

T1- och T2 -avkopplingstiderna kan variera med många storleksordningar, och NIST -tjänsten mäter tiden från 4 millisekunder till 3 sekunder. Avkopplingstider är också mycket känsliga för temperatur, så mätningar utförs i en mycket kontrollerad termisk miljö med angivna intervall mellan 0 ˚C till 50 ˚C.

Osäkerheter beräknas med hjälp av en fysikbaserad datormodell "utformad för att berätta för oss vilka mätningar vi skulle förvänta oss att få med alla osäkerheter inslagna, "Stephen Russek sa, "från temperaturfluktuationer till att någon slår på en dammsugare bredvid, såväl som förväntad operatörsvariation. "Modellen innehåller faktorer som tar hänsyn till ofullkomliga operatörer samt systemdrift mellan kalibreringsintervall.

"Just nu, det finns ingen som erbjuder denna mätning med SI -spårbarhet, "Sa Russek." Vi är den första och enda operationen som gör det. Vissa biomarkörer är mycket tvetydiga och kan inte kvantifieras noggrant om du inte har denna typ av spårbarhet. Ett exempel på en viktig, men svårt att kvantifiera, biomarkör är hyperintensitet av vit substans [regioner med hög intensitet vid MR-hjärnskanningar], som är relaterat till degenerering av nerver eller myelinskeden som omger dem. "

Liknande regioner med hög intensitet i MR-bilder är relaterade till Alzheimers sjukdom tidigt och andra kognitiva störningar. För närvarande, det är problematiskt att jämföra resultat från patienter på olika platser avbildade med olika skannrar, vilket begränsar kraften i multicenterstudier. Den nya mättjänsten kommer sannolikt att förbättra situationen.

Även om tjänsten för närvarande är begränsad till T1- och T2 -mätningar, "om ungefär sex månader hoppas vi kunna utöka den för att mäta vattendiffusion, och så småningom många fler fastigheter, "sa NIST -programforskaren Kathryn Keenan.

"Spridningen av vatten i kroppen kan avslöja all slags mikroskopisk information, från hur tätt cellerna packas i en cancertumör, på den tumörens svar på ett läkemedel, när cancerceller dör och bryts ner. Det kan till och med kartlägga hur hjärnan är ansluten, genom att titta på hur vatten företrädesvis sprider sig längs med buntar av nerver, eller identifiera avbrott i hjärnans anslutning genom förändringar i diffusionsbeteende, "sa chefen, som leder NIST:s ansträngningar att tillhandahålla diffusionsstandarder till MR -gemenskapen.

Andra MR -tekniker kan ge kritisk information om blodflöde och syrehalt, liksom vävnadens elektriska och mekaniska egenskaper. Det kliniska värdet för alla dessa kan dra nytta av noggrann kalibrering av enheter och protokoll som används för att producera bilderna.

"Målet, "Sa Russek, "är att få spårbarhet inuti människokroppen."

Denna berättelse publiceras på nytt med tillstånd av NIST. Läs den ursprungliga historien här.