С момента своего появления в 1970-х годах магнитно-резонансная томография (МРТ) позволила врачам лучше заглянуть внутрь тканей, помогая диагностировать заболевания, от опухолей головного мозга до внутреннего кровотечения и разрыва связок. Такие сканирования используются во всех сферах медицины, и теперь американские врачи заказывают более 28 миллионов в год.Несмотря на это воздействие, у всех МРТ-сканеров одна и та же проблема.
Во время сканирования антенны поражают атомы, составляющие ткани, с помощью радиоволн, которые нарушают их магнитное равновесие. После наклона магнитные силы атомов вращаются как вершины, испуская радиосигналы, раскрывающие их личность и положение — строительные блоки изображения.
Однако качество изображения зависит от равного воздействия на атомы магнитных полей, которые не только различаются от сканера к сканеру, но и от их взаимодействия с различными частями даже одного образца ткани.Таким образом, традиционные радиоволны МРТ «освещают» одни части образца лучше, чем другие, а дефекты затемняют участки изображения. Промышленность вложила значительные средства в магнитные катушки, которые стремятся обеспечить равномерную экспозицию, но многие исследования МРТ сегодня по-прежнему дают затемненные «артефакты».«Достижения, описанные в нашем исследовании, устраняют артефакты и создают изображения, достаточно точные, чтобы теперь мы могли присваивать числовые значения анатомическим особенностям», — говорит автор исследования Дэниел Содиксон, доктор медицинских наук, профессор отделения радиологии, член онкологического центра Перлмуттера.
NYU Langone и директор Центра биомедицинской визуализации Бернарда и Ирен Шварц.«Это знаменует собой появление« количественной МРТ », где новые виды карт тканей становятся золотым стандартом для диагностики и выявления паттернов заболеваний, которые совпадают от пациента к пациенту», — говорит Содиксон, также ведущий исследователь Центра передовых инноваций в области визуализации и исследований. Исследовать . «Это перевернет дизайн сканера с ног на голову».По словам авторов, новый подход также обещает достичь превосходного качества визуализации с помощью менее дорогих аппаратов, что необходимо в условиях сокращения расходов в сфере здравоохранения.
Более быстрые и простые подходы также решат проблему сканеров, которые, тщательно оборудованные для коррекции вариаций поля, требуют тщательной калибровки и увеличивают время исследования сверх того, что некоторые пациенты могут терпеть.Выбрасывая идеальный сканер
Несмотря на десятилетия огромных инвестиций, традиционная МРТ по-прежнему дает только качественные изображения, разрешение которых недостаточно, чтобы направлять диагностику и исследования на основе баз данных в эпоху «больших данных».Новые усилия по преодолению этих проблем начались с работы под руководством Марка Грисволда из Университета Кейс Вестерн Резерв и опубликованной в журнале Nature в 2013 году, в которой описывается магнитно-резонансная дактилоскопия (MRF). До этого сканеры МРТ должны были ждать, пока магнитные спины вернутся к своему нормальному равновесию между каждым последовательным импульсом радиоволн, что серьезно препятствовало скорости визуализации.
MRF вместо этого построил изображения из сложного взаимодействия перекрывающихся сигналов, отличительного «отпечатка пальца», соответствующего качеству ткани.С развитием вычислений изображения MRF были построены на небольшой части данных сканера, сопоставленных с базами данных известных паттернов тканей. Этот метод заменил более медленные подходы, необходимые для обработки всех данных для создания образа с нуля. Несмотря на это нововведение, первый автор настоящей статьи, физик магнитного резонанса (MR) NYU Langone (MR) Мартин Клоос, доктор философии, который также является доцентом кафедры радиологии, увидел, что MRF сдерживается попыткой сопоставить «реальный» "вращает изображение, захваченное имитацией сканера, которое откалибровано так, чтобы обеспечить идеально равномерную экспозицию.
Невозможно добиться единообразия, изображения MRF не всегда отражали реальность. Чтобы исправить это, Клос и его коллеги разработали «Plug-and-Play MR Fingerprinting» (PnP-MRF), который воплотил их решение «выбросить идеальный сканер».Описанный в недавно опубликованном исследовании, PnP-MRF сопоставляет свои измерения с смоделированной базой данных всех возможных взаимодействий или искажений магнитного поля при построении изображений, поэтому требует калибровки нуля. Наряду с фиксацией спиновых характеристик новый метод, как было показано, эффективно отображает искажения, возникающие при взаимодействии магнитно-резонансных радиоволн с тканью, которые радиологи ранее пытались стереть с помощью калибровки.
Авторы исследования утверждают, что те же самые искажения поля также служат новым набором параметров ткани, которые могут помочь в диагностике.В то время как MRF использовал один источник радиоволновых импульсов для генерации сигналов, PNP-MRF представляет собой кружащийся стробоскоп множества широковещательных магнитных полей, поражающий атомы с разных направлений, разделенных миллисекундами, для создания нового типа отпечатка пальца.
Артефакт, вносимый любым одним радиоволновым импульсом, может показывать темное пятно в одной версии изображения, но не в одном и том же месте во всех наборах данных, что позволяет исключить ошибки.Взятые вместе, эти нововведения позволяют PnP-MRF корректировать особенности каждого сканера и взаимодействия магнитного поля с тканью, выводы подтверждены серией численных экспериментов и экспериментов на тканях.
«В нашем проекте сложность создания изображений МРТ перешла от оборудования к вычислениям, — говорит Клоос. «Вместо того, чтобы строить камеры для размещения обширных магнитных катушек, которые борются с неоднородностями, сканеры ближайшего будущего, охватывающие неоднородные поля, будут состоять из простых настольных магнитов или, возможно, даже ручных магнитных манипуляторов».