Wetenschap
Onderzoeker maakt een prototype van een optische magnetometer dat fouten in MRI-scans detecteert
Het Hvidovre Ziekenhuis heeft 's werelds eerste prototype van een sensor die fouten in MRI-scans kan detecteren met behulp van laserlicht en gas. De nieuwe sensor, ontwikkeld door een jonge onderzoeker aan de Universiteit van Kopenhagen en het Hvidovre Ziekenhuis, kan daardoor doen wat onmogelijk is voor de huidige elektrische sensoren – en hopelijk de weg vrijmaken voor MRI-scans die beter, goedkoper en sneller zijn.
De studie is gepubliceerd in het tijdschrift PRX Quantum .
MRI-scanners worden dagelijks door artsen en zorgverleners gebruikt om een uniek kijkje in het menselijk lichaam te krijgen. Ze worden met name gebruikt om de hersenen, vitale organen en andere zachte weefsels te bestuderen door middel van 3D-beelden van uitzonderlijke kwaliteit in vergelijking met andere soorten medische beeldvorming.
Hoewel dit de geavanceerde tool van onschatbare waarde en bijna onmisbaar maakt voor professionals in de gezondheidszorg, is er nog steeds ruimte voor verbetering.
De sterke magnetische velden in MRI-scanners hebben fluctuaties die fouten en verstoringen in scans veroorzaken. Daarom moeten deze dure machines (honderden euro's per uur) regelmatig worden gekalibreerd om fouten te verminderen.
Er zijn ook speciale scanmethoden, die tegenwoordig in de praktijk helaas niet mogelijk zijn. Daaronder bevinden zich zogenaamde spiraalvormige sequenties die de scantijd kunnen verkorten, bijvoorbeeld bij het diagnosticeren van bloedstolsels, sclerose en tumoren.
Spiraalvormige sequenties zouden ook een aantrekkelijk hulpmiddel zijn bij MRI-onderzoek, waar ze onder andere onderzoekers en gezondheidswerkers zouden kunnen voorzien van nieuwe kennis over hersenziekten. Maar vanwege het zeer onstabiele magnetische veld is het uitvoeren van dit soort scans momenteel geen optie.
In theorie kan het probleem worden opgelost met een sensor die veranderingen in het magnetische veld leest en in kaart brengt. Daarna is het relatief eenvoudig om de fouten in afbeeldingen met een computer te corrigeren. In de praktijk is dit met de huidige technologie moeilijk gebleken, omdat anderszins geschikte sensoren het magnetische veld verstoren omdat ze elektrisch zijn en verbonden zijn met metalen kabels.
Een nieuwe uitvinding hoopt dit probleem tot het verleden te maken. Om dit probleem te bestrijden heeft een onderzoeker van het Niels Bohr Instituut en het Deense Onderzoekscentrum voor Magnetische Resonantie (DRCMR) een sensor ontwikkeld die gebruik maakt van laserlicht in glasvezelkabels en een kleine glazen container gevuld met gas. Het prototype is klaar en werkt.
“Eerst hebben we aangetoond dat het theoretisch mogelijk was, en nu hebben we bewezen dat het in de praktijk kan. Sterker nog, we hebben nu een prototype dat in principe de benodigde metingen kan doen zonder de MRI-scanner te storen.
"Het moet verder worden ontwikkeld en verfijnd, maar heeft het potentieel om MRI-scans goedkoper, beter en sneller te maken – hoewel niet noodzakelijkerwijs alle drie tegelijk", zegt Hans Stærkind, postdoc bij het Niels Bohr Instituut en DRCMR bij Hvidovre. Ziekenhuis. Stærkind is de belangrijkste architect achter de sensor en het bijbehorende apparaat.
"Een MRI-scanner kan al ongelooflijke beelden produceren als je er de tijd voor neemt. Maar met behulp van mijn sensor is het denkbaar om dezelfde hoeveelheid tijd te gebruiken om nog betere beelden te produceren - of minder tijd te besteden en toch dezelfde kwaliteit te krijgen als Een derde scenario zou kunnen zijn om een goedkopere scanner te bouwen die, ondanks een paar fouten, met behulp van mijn sensor toch een behoorlijke beeldkwaliteit kan leveren", zegt de onderzoeker.
Hoe het prototype werkt
MRI-scanners gebruiken krachtige magneten om een sterk magnetisch veld te produceren dat protonen in het lichaamswater, koolhydraten en eiwitten dwingt zich op één lijn te brengen met het magnetische veld. Wanneer radiogolven door een patiënt worden gepulseerd, worden de protonen gestimuleerd en raken ze tijdelijk uit dat evenwicht.
Wanneer ze vervolgens terugkeren naar de uitlijning met het magnetische veld, laten ze radiogolven vrij die kunnen worden gebruikt om realtime 3D-beelden te vormen van wat er ook wordt gescand.
Het prototype van Hans Stærkind maakt gebruik van een apparaat voor het verzenden en ontvangen van laserlicht dat eruitziet als een stereosysteem uit de jaren negentig. Het stuurt laserlicht door glasvezelkabels (d.w.z. zonder metaal) naar vier sensoren in de scanner.
Binnen de sensoren gaat het licht door een kleine glazen container met daarin een cesiumgas, dat het licht op de juiste lichtfrequenties absorbeert.
‘Als de laser precies de juiste frequentie heeft terwijl hij door het gas gaat, is er een resonantie tussen de lichtgolven en de elektronen in de cesiumatomen. Maar de frequentie – of golflengte – waarop dit gebeurt, verandert wanneer het gas wordt blootgesteld aan een magnetisch veld.
"Op deze manier kunnen we de sterkte van het magnetische veld meten door erachter te komen wat de juiste frequentie is. Dit gebeurt volledig automatisch en razendsnel door het ontvangende apparaat", legt de onderzoeker uit.
Terwijl verstoringen in het ultrakrachtige magnetische veld van een MRI-scanner optreden, brengt het prototype van Stærkind in kaart waar deze zich in het magnetische veld voordoen en met welke sterkte het veld is veranderd. In de nabije toekomst zou dit kunnen betekenen dat verstoorde en foutieve beelden kunnen worden gecorrigeerd – op basis van de gegevens die door de sensoren worden verzameld, en vervolgens accuraat en volledig bruikbaar kunnen worden gemaakt.
Innovatie met commerciële vooruitzichten – als er gegevens beschikbaar zijn
Het prototype bevindt zich momenteel bij DRCMR in het Hvidovre-ziekenhuis in Kopenhagen, waar ook het idee ontstond.
"Het oorspronkelijke idee kwam van mijn supervisor hier bij DRCMR, Esben Petersen, die helaas niet meer bij ons is. Hij zag een enorm potentieel in het ontwikkelen van een sensor op basis van lasers en gas die de magnetische velden zou kunnen meten zonder ze te verstoren." zegt Stærkind.
Met de hulp van kwantumfysici van het Niels Bohr Instituut, waaronder professor Eugene Polzik, ontwikkelde Stærkind het idee tot een daadwerkelijke theorie. En met het prototype heeft hij die theorie nu in de praktijk gebracht.
“Het prototype is zo ontworpen dat het in ziekenhuiscontexten al geschikt is als robuust en goed functionerend instrument. En tot nu toe hebben onze tests aangetoond dat het werkt zoals het hoort. Je kunt je voorstellen dat deze uitvinding uiteindelijk rechtstreeks geïntegreerd in nieuwe MRI-scanners", zegt Stærkind.
Voorlopig wordt het prototype verder ontwikkeld, zodat de metingen nog nauwkeuriger worden.
"We moeten gegevens verzamelen en deze verfijnen, zodat het steeds een beter hulpmiddel wordt voor het opsporen van fouten in scans. Daarna gaan we verder met het spannende werk van het corrigeren van fouten in MRI-beelden, en ontdekken we in in welke situaties en welke soorten scans onze sensor een groot verschil kan maken”, zegt de onderzoeker.
Volgens Stærkind is de directe doelgroep voor zijn sensor MRI-onderzoekseenheden. Maar hij hoopt ook dat een van de grote MRI-fabrikanten, op iets langere termijn, achter de nieuwe technologie komt.
"Zodra het prototype is verfijnd in een 2.0-versie en de kwaliteiten ervan zijn gedocumenteerd met veel gegevens van daadwerkelijke scans hier in het ziekenhuis, zullen we zien waar dit naartoe gaat. Het heeft zeker het potentieel om MRI-scans op een unieke manier te verbeteren, wat ten goede kan komen artsen en niet in de laatste plaats patiënten”, zegt de onderzoeker.