Udvidelse af sporbare målinger inde i menneskekroppen

National Institute of Standards and Technology (NIST) leverer nu en ny måletjeneste, der kan forbedre kvaliteten af ​​magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) og give en vej til brug af MR til at foretage præcise og sporbare målinger inde i den menneskelige krop. Det kulminerer mange års forskning udført af NIST-forskere, der arbejder på grænsen for kvantitativ medicinsk billeddannelse til præcisionsmedicin.

Læger har brug for meget nøjagtige billeder til diagnose og behandlingsbeslutninger. Kvantitative parametre målt ved MRI skal både være nøjagtige og have veldefinerede usikkerheder, før de kan bruges til klinisk beslutningstagning. Det betyder, at MR-operatører skal karakterisere deres scannere og billeddannelsesprotokoller ved hjælp af sporbare standarder - dem, der relaterer målingerne til en aftalt international reference.

Dette gøres ved hjælp af "fantomer" - objekter, der inkorporerer standard referencematerialer, der fungerer som pålidelige stand-ins for specifikke typer væv i kroppen. Fantomproducenter skal sikre, at MR-egenskaberne af de materialer, de bruger, måles nøjagtigt. Det er her den nye kalibreringstjeneste, ved NIST's Boulder, Colo., faciliteter, kommer ind.

Kunder sender NIST-prøver af materialer, der skal bruges til fremstilling af fantomer. Forskere putter materialet i kapillærrør, hver rummer omkring 10 mikroliter (milliontedele af en liter), og placer dem én efter én i NISTs NMR-system. Hver prøve testes tre gange ved specificerede magnetfeltstyrker og temperaturer, en proces, der kan tage seks til 40 timer pr. prøve. (Det automatiserede indsamlingssystem kører 24/7.) Indledende prøver er begrænset til væsker, men fremtidige udvidelser af tjenesten vil omfatte geler og mere komplekse vævsefterligninger. "NMR-systemet er unikt og blev specifikt designet som et metrologisystem til at kalibrere medicinske billeddannelsesbiomarkører, " sagde NISTs Michael Boss, hvem udviklede systemet, måleprotokoller og analyserutiner.

De målte egenskaber giver NIST-sporbarhed til International System of Units (SI) samt en grundig analyse af forskellige usikkerheder i målingerne. Målingerne involverer en ubrudt kæde af kalibreringer mellem MR-resultaterne og SI-referencen. Som resultat, individuelle scannere og sekvenser kan justeres til at udføre mere præcist, og data opnået fra billeder på forskellige scannere kan sammenlignes med større sikkerhed.

"Når vi leverer et NIST-sporbart certifikat, vi giver både materialernes egenskaber og en absolut usikkerhed, " sagde NIST-programforsker Stephen Russek. "Det er vigtigt at kende usikkerheden i detaljer, fordi de forplanter sig gennem kalibreringskæden. Vi har omkring plus eller minus 1 procent måleusikkerhed i vores laboratorium, men i øjeblikket er der noget i retning af 5 procent best-case usikkerhed i kliniske scannere med fantomer, og potentielt 20 procent eller mere, når der foretages billedbaserede målinger hos patienter. Vores service er beregnet til at give en vej til at opnå bedre og lavere usikkerheder i menneskelige målinger."

I sin oprindelige form, den nye tjeneste måler to grundlæggende afslørende egenskaber ved prøverne:protonens "spin"-relaksationstider T1 og T2. (Spin er en kvanteeffekt analog med nord- og sydpoljusteringen af ​​en stangmagnet.) Det er de tider, det tager for protonspin-polariseringen, henholdsvis parallelt og vinkelret på magnetfeltet, at komme sig efter at blive forstyrret af radiobølger i et kraftigt magnetfelt.

De to afslapningstider er følsomme over for lokale vævsegenskaber (f.eks. i hjernen, T1 er kortere i hvidt stof, længere i gråt stof). Og de giver kritiske "biomarkører, " fysiske egenskaber, der indikerer, om vævet fungerer normalt, eller om der er en form for patologi eller vævsskade til stede. De bruges også til at spore, hvordan en bestemt formation, såsom en tumor, reagerer på medicinbehandling.

T1 og T2 afslapningstider kan variere i mange størrelsesordener, og NIST-tjenesten måler tiden fra 4 millisekunder til 3 sekunder. Afslapningstider er også meget følsomme over for temperatur, så målinger udføres i et stærkt kontrolleret termisk miljø med specificerede intervaller mellem 0 ˚C til 50 ˚C.

Usikkerheder beregnes ved hjælp af en fysik-baseret computermodel "designet til at fortælle os, hvilke målinger vi ville forvente at få med alle usikkerheder foldet ind, " sagde Stephen Russek, "fra temperatursvingninger til at nogen tænder en støvsuger ved siden af, samt forventet operatørvariation." Modellen indeholder faktorer, der tager højde for ufuldkomne operatører såvel som systemdrift mellem kalibreringsintervaller.

"Lige nu, der er ingen, der tilbyder denne måling med SI-sporbarhed, " sagde Russek. "Vi er den første og eneste operation, der gør det. Nogle biomarkører er meget tvetydige og kan ikke kvantificeres nøje, medmindre du har denne form for sporbarhed. Et eksempel på en vigtig, men svært at kvantificere, biomarkør er hyperintensitet i hvidt stof [regioner med høj intensitet i MR-hjernescanninger], som er relateret til degeneration af nerver eller myelinskederne, der omgiver dem."

Lignende områder med høj intensitet i MR-billeder er relateret til tidligt opstået Alzheimers sygdom og andre kognitive lidelser. På nuværende tidspunkt det er problematisk at sammenligne resultater fra patienter på forskellige steder, der er afbildet med forskellige scannere, hvilket begrænser magten ved multicenterstudier. Den nye måleservice vil sandsynligvis forbedre den situation.

Selvom tjenesten i øjeblikket er begrænset til T1- og T2-målinger, "om cirka seks måneder håber vi at udvide det til at måle vanddiffusion, og i sidste ende mange flere ejendomme, " sagde NIST-programforsker Kathryn Keenan.

"Diffusionen af ​​vand i kroppen kan afsløre alle former for mikroskopisk information, fra hvor tæt cellerne er pakket i en kræftsvulst, på tumorens reaktion på et lægemiddel, når kræftceller dør og nedbrydes. Det kan endda kortlægge, hvordan hjernen er forbundet, ved at se på, hvordan vand fortrinsvis diffunderer langs nervebundter, eller identificere brud i hjerneforbindelsen ved ændringer i diffusionsadfærd, " sagde Boss, der leder NISTs bestræbelser på at levere diffusionsstandarder til MRI-samfundet.

Andre MR-teknikker kan give kritisk information om blodgennemstrømning og iltindhold, samt vævs elektriske og mekaniske egenskaber. Den kliniske værdi af alle disse kunne drage fordel af streng kalibrering af de enheder og protokoller, der bruges til at fremstille billederne.

"Målet, " sagde Russek, "er at få sporbarhed inde i den menneskelige krop."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NIST. Læs den originale historie her.