Hvidovre Hospital har världens första prototyp av en sensor som kan upptäcka fel i MR-skanningar med laserljus och gas. Den nya sensorn, utvecklad av en ung forskare vid Köpenhamns universitet och Hvidovre Hospital, kan därmed göra det som är omöjligt för nuvarande elektriska sensorer – och förhoppningsvis bana väg för MRI-skanningar som är bättre, billigare och snabbare.
Studien publiceras i tidskriften PRX Quantum .
MRT-skannrar används av läkare och sjukvårdspersonal varje dag för att få en unik inblick i människokroppen. De används i synnerhet för att studera hjärnan, vitala organ och andra mjuka vävnader med hjälp av 3D-bilder av exceptionell kvalitet jämfört med andra typer av medicinsk bildbehandling.
Även om detta gör det avancerade verktyget ovärderligt och nästan oumbärligt för vårdpersonal, finns det fortfarande utrymme för förbättringar.
De starka magnetfälten inuti MRT-skannrar har fluktuationer som skapar fel och störningar i skanningar. Följaktligen måste dessa dyra maskiner (hundratals euro per timme) kalibreras regelbundet för att minska antalet fel.
Det finns också speciella skanningsmetoder, som tyvärr inte kan göras i praktiken idag. Bland dem så kallade spiralsekvenser som kan minska skanningstiden, t.ex. vid diagnos av blodproppar, skleros och tumörer.
Spiralsekvenser skulle också vara ett attraktivt verktyg inom MR-forskning, där de bland annat skulle kunna ge forskare och vårdpersonal ny kunskap om hjärnsjukdomar. Men på grund av det mycket instabila magnetfältet är det för närvarande inte möjligt att utföra dessa typer av skanningar.
I teorin kan problemet lösas med en sensor som läser av och kartlägger förändringar i magnetfältet. Därefter är det relativt enkelt att rätta till felen i bilder med en dator. I praktiken har detta varit svårt med nuvarande teknik, eftersom annars lämpliga sensorer stör magnetfältet eftersom de är elektriska och kopplade till metallkablar.
En ny uppfinning hoppas göra detta problem till ett minne blott. För att bekämpa problemet har en forskare från Niels Bohr Institute och The Danish Research Center for Magnetic Resonance (DRCMR) utvecklat en sensor som använder laserljus i fiberkablar och en liten glasbehållare fylld med gas. Prototypen är klar och fungerar.
"Först visade vi att det var teoretiskt möjligt, och nu har vi bevisat att det kan göras i praktiken. Faktum är att vi nu har en prototyp som i princip kan göra de mätningar som behövs utan att störa MR-skannern.
"Den behöver utvecklas mer och finjusteras, men har potential att göra MRI-skanningar billigare, bättre och snabbare - även om det inte nödvändigtvis behöver alla tre samtidigt", säger Hans Stærkind, postdoc vid Niels Bohr Institute och DRCMR i Hvidovre Sjukhus. Stærkind är huvudarkitekten bakom sensorn och enheten som följer med.
"En MR-skanner kan redan producera otroliga bilder om man tar sig tid. Men med hjälp av min sensor är det tänkbart att använda lika mycket tid för att producera ännu bättre bilder — eller spendera mindre tid och ändå få samma kvalitet som idag Ett tredje scenario kan vara att bygga en billigare skanner som, trots några fel, ändå skulle kunna leverera hyfsad bildkvalitet med hjälp av min sensor, säger forskaren.
MRI-skannrar använder kraftfulla magneter för att producera ett starkt magnetfält som tvingar protoner i kroppens vatten, kolhydrater och proteiner att anpassa sig till magnetfältet. När radiovågor pulseras genom en patient stimuleras protonerna och snurrar tillfälligt ut ur den jämvikten.
När de sedan återgår till inriktning med magnetfältet släpper de ut radiovågor som kan användas för att skapa 3D-bilder i realtid av vad som än skannas.
Hans Stærkinds prototyp arbetar med en enhet för att skicka och ta emot laserljus som ser ut som ett stereosystem från 1990-talet. Den skickar laserljus genom fiberoptiska kablar – d.v.s. utan någon metall – och in i fyra sensorer placerade i skannern.
Inuti sensorerna passerar ljuset genom en liten glasbehållare som innehåller en cesiumgas, som absorberar ljuset vid rätt ljusfrekvens.
"När lasern har precis rätt frekvens medan den passerar genom gasen, finns det en resonans mellan vågorna av ljus och elektroner i cesiumatomerna. Men frekvensen - eller våglängden - vid vilken detta händer ändras när gasen utsätts för en magnetfält.
"På detta sätt kan vi mäta styrkan på magnetfältet genom att ta reda på vad som är rätt frekvens. Detta sker helt automatiskt och blixtsnabbt av den mottagande enheten", förklarar forskaren.
När störningar i en MR-skanners ultrakraftiga magnetfält uppstår kartlägger Stærkinds prototyp var i magnetfältet de uppstår och med vilken styrka fältet har förändrats. Inom en snar framtid kan detta innebära att störda och felaktiga bilder kan korrigeras – baserat på data som samlats in av sensorerna och sedan göras korrekta och helt användbara.
Prototypen är för närvarande inrymd på DRCMR på Hvidovre Hospital i Köpenhamn, där idén också skapades.
"Den ursprungliga idén kom från min handledare här på DRCMR, Esben Petersen, som tyvärr inte är med oss längre. Han såg en enorm potential i att utveckla en sensor baserad på lasrar och gas som skulle kunna mäta magnetfälten utan att störa dem." säger Stærkind.
Med hjälp av kvantfysiker vid Niels Bohr Institutet, inklusive professor Eugene Polzik, utvecklade Stærkind idén till en verklig teori. Och med prototypen har han nu omsatt den teorin i praktiken.
"Prototypen är utformad på ett sådant sätt att den redan lämpar sig i sjukhussammanhang som ett robust och välfungerande instrument. Och hittills har våra tester visat att den fungerar som den ska. Man kan tänka sig att denna uppfinning så småningom blir integreras direkt i nya MR-skannrar", säger Stærkind.
Tills vidare kommer prototypen att utvecklas ytterligare så att dess mätningar blir ännu mer exakta.
"Vi behöver samla in data och finjustera den så att den hela tiden blir ett bättre och bättre verktyg för att hitta fel i skanningar. Därefter går vi vidare till det spännande arbetet med att rätta fel i MR-bilder, och ta reda på det i vilka situationer och vilka typer av skanningar vår sensor kan göra en betydande skillnad", säger forskaren.
Enligt Stærkind är den omedelbara målgruppen för hans sensor MRI-forskningsenheter. Men han hoppas också att någon av de stora MRI-tillverkarna får reda på den nya tekniken, på lite längre sikt.
"När prototypen har förfinats i en 2.0-version och dess kvaliteter dokumenterats med massor av data från faktiska skanningar här på sjukhuset, kommer vi att se vart detta leder. Den har säkerligen potentialen att förbättra MRT-skanningar på ett unikt sätt som kan gynnas läkare och inte minst patienter, säger forskaren.
Mer information: Hans Stærkind et al, High-Field Optical Cesium Magnetometer for Magnetic Resonance Imaging, PRX Quantum (2024). DOI:10.1103/PRXQuantum.5.020320
Journalinformation: PRX Quantum
Tillhandahålls av Köpenhamns universitet
