Het National Institute of Standards and Technology (NIST) biedt nu een nieuwe meetservice die de kwaliteit van magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) kan verbeteren en een pad kan bieden voor het gebruik van MRI om nauwkeurige en traceerbare metingen in het menselijk lichaam uit te voeren. Het culmineert in vele jaren van onderzoek door NIST-wetenschappers die werken op de grens van kwantitatieve medische beeldvorming voor precisiegeneeskunde.

Artsen hebben zeer nauwkeurige beelden nodig voor diagnose en behandelingsbeslissingen. Kwantitatieve parameters gemeten door MRI moeten zowel nauwkeurig zijn als goed gedefinieerde onzekerheden hebben voordat ze kunnen worden gebruikt voor klinische besluitvorming. Dat betekent dat MRI-operators hun scanners en beeldvormingsprotocollen moeten karakteriseren met behulp van traceerbare standaarden, die de metingen relateren aan een overeengekomen internationale referentie.

Dit wordt gedaan met behulp van "fantomen" - objecten die standaard referentiematerialen bevatten die dienen als betrouwbare stand-ins voor specifieke soorten weefsels in het lichaam. Fantoomfabrikanten moeten ervoor zorgen dat de MRI-eigenschappen van de materialen die ze gebruiken nauwkeurig worden gemeten. Dat is waar de nieuwe kalibratieservice, bij NIST's Boulder, kleur, faciliteiten, komt binnen.

Klanten sturen NIST-monsters van materialen die worden gebruikt bij de fabricage van fantomen. Wetenschappers stoppen het materiaal in capillaire buizen, elk met ongeveer 10 microliter (miljoensten van een liter), en plaats ze één voor één in NIST's NMR-systeem. Elk monster wordt drie keer getest bij gespecificeerde magnetische veldsterkten en temperaturen, een proces dat zes tot 40 uur per monster kan duren. (Het geautomatiseerde acquisitiesysteem werkt 24/7.) De eerste monsters zijn beperkt tot vloeistoffen, maar toekomstige uitbreidingen van de service zullen gels en meer complexe weefselnabootsers omvatten. "Het NMR-systeem is uniek en is speciaal ontworpen als een metrologisch systeem om biomarkers voor medische beeldvorming te kalibreren, " zei Michael Boss van NIST, wie het systeem heeft ontwikkeld, meetprotocollen en analyseroutines.

De gemeten eigenschappen bieden NIST-traceerbaarheid naar het International System of Units (SI) evenals een rigoureuze analyse van verschillende onzekerheden in de metingen. De metingen omvatten een ononderbroken keten van kalibraties tussen de MRI-resultaten en de SI-referentie. Als resultaat, individuele scanners en sequenties kunnen worden aangepast om nauwkeuriger te presteren, en gegevens verkregen uit afbeeldingen op verschillende scanners kunnen met meer vertrouwen worden vergeleken.

"Als we een NIST-traceerbaar certificaat afleveren, we geven zowel de eigenschappen van de materialen als een absolute onzekerheid, ", zei NIST-programmawetenschapper Stephen Russek. "Het is belangrijk om de onzekerheden in detail te kennen, omdat ze zich door de kalibratieketen voortplanten. We hebben ongeveer plus of min 1 procent meetonzekerheid in ons lab, maar momenteel is er zoiets als 5 procent onzekerheid in het beste geval in klinische scanners met fantomen, en mogelijk 20 procent of meer bij het uitvoeren van op afbeeldingen gebaseerde metingen bij patiënten. Onze service is bedoeld om een ​​pad te bieden om betere en lagere onzekerheden in menselijke metingen te verkrijgen."

In zijn oorspronkelijke vorm, de nieuwe dienst meet twee fundamentele veelbetekenende eigenschappen van de monsters:de proton "spin" relaxatietijden T1 en T2. (Spin is een kwantumeffect analoog aan de uitlijning van de noord- en zuidpool van een staafmagneet.) Dit zijn de tijden die nodig zijn voor de protonspinpolarisatie, evenwijdig aan en loodrecht op het magnetische veld respectievelijk, om te herstellen van verstoring door radiogolven in een krachtig magnetisch veld.

De twee relaxatietijden zijn gevoelig voor lokale weefseleigenschappen (bijvoorbeeld in de hersenen, T1 is korter in witte stof, langer in grijze stof). En ze bieden kritische "biomarkers, Fysische eigenschappen die aangeven of het weefsel normaal functioneert of dat er een soort pathologie of weefselbeschadiging aanwezig is. Ze worden ook gebruikt om te volgen hoe een bepaalde formatie, zoals een tumor, reageert op medicamenteuze behandeling.

De relaxatietijden T1 en T2 kunnen vele ordes van grootte variëren, en de NIST-service meet de tijd van 4 milliseconden tot 3 seconden. Ontspanningstijden zijn ook erg temperatuurgevoelig, dus metingen worden uitgevoerd in een sterk gecontroleerde thermische omgeving met gespecificeerde intervallen tussen 0 C en 50 ˚C.

Onzekerheden worden berekend met behulp van een op fysica gebaseerd computermodel "ontworpen om ons te vertellen welke metingen we zouden verwachten te krijgen met alle onzekerheden ingeklapt, "Stephen Russek zei:"van temperatuurschommelingen tot iemand die een stofzuiger naast de deur aanzet, evenals verwachte operatorvariatie." Het model bevat factoren die verantwoordelijk zijn voor imperfecte operators en systeemafwijkingen tussen kalibratie-intervallen.

"Direct, er is niemand die deze meting aanbiedt met SI-traceerbaarheid, "Zei Russek. "We zijn de eerste en enige operatie die dit doet. Sommige biomarkers zijn erg dubbelzinnig en kunnen niet rigoureus worden gekwantificeerd tenzij je dit soort traceerbaarheid hebt. Een voorbeeld van een belangrijk, maar moeilijk te kwantificeren, biomarker is hyperintensiteit van witte stof [regio's met hoge intensiteit in MRI-hersenscans], die verband houdt met degeneratie van zenuwen of de myeline-omhulsels die hen omringen."

Vergelijkbare regio's met hoge intensiteit in MRI-beelden zijn gerelateerd aan de vroege ziekte van Alzheimer en andere cognitieve stoornissen. Momenteel, het is problematisch om resultaten te vergelijken van patiënten op verschillende locaties die met verschillende scanners zijn afgebeeld, wat de kracht van multicentrische studies beperkt. De nieuwe meetdienst zal die situatie waarschijnlijk verbeteren.

Hoewel de service momenteel beperkt is tot T1- en T2-metingen, "Over ongeveer zes maanden hopen we het uit te breiden om waterdiffusie te meten, en uiteindelijk nog veel meer eigendommen, ", zei NIST-programmawetenschapper Kathryn Keenan.

"De diffusie van water in het lichaam kan allerlei microscopische informatie onthullen, van hoe strak cellen zijn verpakt in een kankergezwel, op de reactie van die tumor op een medicijn, wanneer kankercellen afsterven en afbreken. Het kan zelfs in kaart brengen hoe de hersenen zijn bedraad, door te kijken hoe water bij voorkeur langs zenuwbundels diffundeert, of breuken in hersenconnectiviteit te identificeren door veranderingen in diffusiegedrag, " zei baas, die de leiding heeft over de inspanningen van NIST om diffusienormen te bieden aan de MRI-gemeenschap.

Andere MRI-technieken kunnen kritische informatie geven over de bloedstroom en het zuurstofgehalte, evenals de elektrische en mechanische eigenschappen van weefsel. De klinische waarde van al deze mensen zou kunnen profiteren van een rigoureuze kalibratie van de apparaten en protocollen die worden gebruikt om de beelden te produceren.

"Het doel, "Russek zei, "is om traceerbaarheid in het menselijk lichaam te krijgen."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NIST. Lees hier het originele verhaal.