Mod større MR -følsomhed ved at udnytte kvantehyperpolarisering

Forskere ved University of Melbourne har udviklet en teknik, der kan øge følsomheden af ​​magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) til patientdiagnose.

Den nye teknik virker ved at øge styrken af ​​det magnetiske felt produceret af molekyler, og dermed øge deres signal, når de måles ved MR.

Teamet konstruerede specifikke defekter i diamantkrystaller, der udøver en kontrolleret kvantemekanisk indflydelse på atomspinnene i nærliggende molekyler, herunder potentielt dem, der bruges til metabolisk billeddannelse af hjernetumorer, gør dem 'line -up' (polariser) i en bestemt retning.

Denne hyperpolariserede tilstand af nukleare spins er stærkt ordnet og øger det magnetiske felt, der kan detekteres ved teknikker som MR.

Det er første gang, at denne polarisering af molekylære kerner er blevet vist ved hjælp af en sådan diamantbaseret kvantesonde.

University of Melbourne School of Physics -forsker Professor Lloyd Hollenberg ledede forskergruppen, med værket udgivet i Naturkommunikation .

Professor Hollenberg, som er CQC2T vicedirektør og Thomas Baker -formand ved University of Melbourne, sagde, at de bedste MR -scannere i verden nu når det maksimale magnetiske felt, der kan tolereres af menneskekroppen, da teknologien stræber efter større følsomhed.

"De superledende magneter, der producerer disse felter, er også grunden til, at MR -scannere koster millioner af dollars, da magneterne skal opbevares ved kryogene temperaturer, "Sagde professor Hollenberg.

"Det er klart, at der er brug for en forstyrrende tilgang, så vi ser efter at bruge kvanteteknologi til at producere en større signalintensitet for visse molekylære mål på atomniveau. "

Ph.d. -kandidat fra University of Melbourne, David Broadway, sagde, at teknikken virkede ved hjælp af en køleskabsmagnet og en smule atomisk kvantemekanik.

"Vi kan tænke på atomets kerner som en kompassnål, der producerer et magnetfelt, der afhænger af dets orientering, "Sagde hr. Broadway.

"Når der er flere kompassnåle, der peger i forskellige retninger, det resulterende felt har en tendens til at gå i gennemsnit til nul, men når kompasserne peger alle i samme retning, bidrager bidragene til feltet fra hver kompasnål til noget målbart, " han sagde.

"Så at have alle kernerne på linje gør magnetfeltet stærkere, og derfor kan MR -læsningen opfange flere detaljer.

"I øjeblikket, MR kan få omkring en ud af en million atomspin til at stille op, der henviser til, at vores metode kunne nå næsten 100 procent for at stille op inden for molekyler, muligvis øge billedfølsomheden ved størrelsesordener. "

De modificerede diamanter kunne bruges til at konstruere en "quantum hyperpolarisation" chip, over hvilket et målmolekylært kontrastmiddel kunne strømme. Den kvantemekaniske interaktion mellem mål- og kvanteprober udnyttes til at overføre polarisationen fra diamanten til agenten, som kunne injiceres i, eller indåndet af, en patient forud for deres MR. Agenten bevarer sin polarisering længe nok til at, for eksempel, rejse til et tumorsted, gør det lettere at tage billeder via MR.

Postdoktorforsker Dr Liam Hall sagde, at MR-baseret præcisionsmedicin allerede anvender denne type billeddannelse, men omkostningerne ved den nødvendige infrastruktur kan konkurrere med MR -scannerne selv.

"Derudover vi ville kun bruge lys, der skinnede gennem diamanter i den kvantemekaniske produktion af polariserede kontrastmidler, der allerede var godkendt til rutinemæssig brug. Så intet giftigt ville komme ind i kroppen, "Sagde doktor Hall.

"Teknikken kom ud af vores arbejde med at udvikle kvantefølende teknologi, og erkendelsen af, at disse diamantbaserede kvanteprober kan udøve en stærk indflydelse på omgivende atomspin, når vi optimerer de betingelser, hvorunder de direkte "taler" til hinanden ", sagde Dr Hall, der kom med det teoretiske koncept.

"I en vis forstand, kvantesonden udtrækker tilfældig spinforstyrrelse fra ('hot') målmolekylet for at producere en ordnet ('kold') spin-justeret tilstand. Potentialet for anvendelse ved hyperpolarisering til MR blev hurtigt klart. "

Kvanteteknikkens kraft kommer til udtryk fra den eksperimentelle demonstration.

Professor Hollenberg sagde:"For at sætte det i en kontekst, at opnå det samme polarisationsniveau med en konventionel tilgang, vi skulle øge magnetfeltet med en faktor på omkring 100, 000 gange, og du vil kun finde sådanne felter i en neutronstjerne. "

Teknikker til hyperpolarisering af nukleare spins kan have en række vigtige anvendelser inden for fysik og biovidenskab.

Hyperpolariserede metabolitter kan injiceres i patienter og vil rejse til tumorsteder, og hvor de kan overvåges i realtid ved hjælp af MR, når de metaboliseres; og hyperpolariserede gasser kan inhaleres til MR -billeddannelse af lunger og deres funktion. Begge disse teknikker har centrale roller at spille i den gryende æra af personlig medicin.

Hyperpolarisering af målmolekyler stiger også til signal-støjforholdet mellem højopløselig nuklear magnetisk resonans (NMR) spektroskopi, gør det til et vigtigt redskab til at studere komplekse biomolekylære systemer.

"Det næste trin er klart, som vi er stærkt fokuserede på, er at gentage denne proces ved hjælp af makroskopisk dimensionerede konstruerede arrays af disse kvanteprober i diamant for at opskalere denne teknologi, "Sagde professor Hollenberg.

"Flere prober er lig med mere polarisering og flere producerede kontrastmolekyler, men sonderne begynder at forstyrre hinanden kvantemekanisk, hvis de pakkes for tæt ind, så vi skal finde den rigtige balance, .

"Hvis vi kan markere den boks, vi kan derefter tænke på polariserende mængder af MR -kontrastmidler, der kan påvises af MR -scannerne, der findes i forskningslaboratorier og hospitaler. "