Forsker skaber optisk magnetometer prototype, der registrerer fejl i MR-scanninger

Hvidovre Hospital har verdens første prototype af en sensor, der er i stand til at opdage fejl i MR-scanninger ved hjælp af laserlys og gas. Den nye sensor, udviklet af en ung forsker ved Københavns Universitet og Hvidovre Hospital, kan derved gøre det, der er umuligt for nuværende elektriske sensorer – og forhåbentlig bane vejen for MR-scanninger, der er bedre, billigere og hurtigere.

Undersøgelsen er publiceret i tidsskriftet PRX Quantum .

MR-scannere bruges af læger og sundhedspersonale hver dag for at få et unikt kig ind i den menneskelige krop. De bruges især til at studere hjernen, vitale organer og andet blødt væv ved hjælp af 3D-billeder af exceptionel kvalitet sammenlignet med andre typer medicinsk billeddannelse.

Selvom dette gør det avancerede værktøj uvurderligt og næsten uundværligt for sundhedspersonale, er der stadig plads til forbedringer.

De stærke magnetfelter inde i MR-scannere har udsving, der skaber fejl og forstyrrelser i scanninger. Derfor skal disse dyre maskiner (hundredevis af euro i timen) kalibreres regelmæssigt for at reducere fejl.

Der findes også specielle scanningsmetoder, som desværre ikke kan lade sig gøre i praksis i dag. Blandt dem såkaldte spiralsekvenser, der kan reducere scanningstiden, fx ved diagnosticering af blodpropper, sklerose og tumorer.

Spiralsekvenser ville også være et attraktivt værktøj i MR-forskning, hvor de blandt andet kunne give forskere og sundhedsprofessionelle ny viden om hjernesygdomme. Men på grund af det meget ustabile magnetfelt er det i øjeblikket ikke muligt at udføre disse typer scanninger.

I teorien kan problemet løses med en sensor, der aflæser og kortlægger ændringer i magnetfeltet. Herefter er det relativt enkelt at rette fejlene i billeder med en computer. I praksis har det været svært med den nuværende teknologi, da ellers egnede sensorer forstyrrer magnetfeltet, fordi de er elektriske og tilsluttet metalkabler.

En ny opfindelse håber at gøre dette problem til fortiden. For at bekæmpe problemet har en forsker fra Niels Bohr Institutet og Danmarks Forskningscenter for Magnetisk Resonans (DRCMR) udviklet en sensor, der bruger laserlys i fiberkabler og en lille glasbeholder fyldt med gas. Prototypen er klar og virker.

"Først demonstrerede vi, at det var teoretisk muligt, og nu har vi bevist, at det kan lade sig gøre i praksis. Faktisk har vi nu en prototype, der stort set kan foretage de nødvendige målinger uden at forstyrre MR-scanneren.

"Den skal udvikles mere og finjusteres, men har potentiale til at gøre MR-scanninger billigere, bedre og hurtigere – dog ikke nødvendigvis alle tre på én gang," siger Hans Stærkind, postdoc ved Niels Bohr Institutet og DRCMR i Hvidovre Hospital. Stærkind er hovedarkitekten bag den sensor og enhed, der følger med.

"En MR-scanner kan allerede producere utrolige billeder, hvis man tager sig tid. Men ved hjælp af min sensor kan man forestille sig at bruge den samme mængde tid på at producere endnu bedre billeder — eller bruge mindre tid og stadig få samme kvalitet som i dag Et tredje scenario kunne være at bygge en billigere scanner, der på trods af nogle få fejl stadig kunne levere en anstændig billedkvalitet ved hjælp af min sensor," siger forskeren.

Sådan fungerer prototypen

MR-scannere bruger kraftige magneter til at producere et stærkt magnetfelt, der tvinger protoner i kroppens vand, kulhydrater og proteiner til at justere sig efter magnetfeltet. Når radiobølger pulseres gennem en patient, stimuleres protonerne og spinder midlertidigt ud af denne ligevægt.

Når de efterfølgende vender tilbage til at justere med magnetfeltet, frigiver de radiobølger, der kan bruges til at danne 3D-billeder i realtid af det, der scannes.

Hans Stærkinds prototype arbejder ved hjælp af en enhed til at sende og modtage laserlys, der ligner et stereoanlæg fra 1990'erne. Den sender laserlys gennem fiberoptiske kabler – dvs. uden metal – og ind i fire sensorer placeret i scanneren.

Inden i sensorerne passerer lyset gennem en lille glasbeholder indeholdende en cæsiumgas, som absorberer lyset ved de rigtige lysfrekvenser.

"Når laseren har den helt rigtige frekvens, mens den passerer gennem gassen, er der en resonans mellem bølgerne af lys og elektroner i cæsiumatomerne. Men frekvensen - eller bølgelængden - hvor dette sker, ændres, når gassen udsættes for en magnetisk felt.

"På den måde kan vi måle styrken af ​​magnetfeltet ved at finde ud af, hvad den rigtige frekvens er. Det sker helt automatisk og lynhurtigt af den modtagende enhed," forklarer forskeren.

I takt med at der opstår forstyrrelser i en MR-scanners ultrakraftige magnetfelt, kortlægger Stærkinds prototype, hvor i magnetfeltet de opstår, og med hvilken styrke feltet har ændret sig. I den nærmeste fremtid kan det betyde, at forstyrrede og fejlbehæftede billeder kan blive rettet - baseret på de data, der indsamles af sensorerne, og efterfølgende gøres nøjagtige og helt brugbare.

Innovation med kommercielle udsigter – når data er på plads

Prototypen er i dag opstaldet hos DRCMR på Hvidovre Hospital i København, hvor ideen også er opstået.

"Den oprindelige idé kom fra min vejleder her på DRCMR, Esben Petersen, som desværre ikke er blandt os længere. Han så et kæmpe potentiale i at udvikle en sensor baseret på lasere og gas, der ville være i stand til at måle magnetfelterne uden at forstyrre dem." siger Stærkind.

Med hjælp fra kvantefysikere på Niels Bohr Institutet, herunder professor Eugene Polzik, udviklede Stærkind ideen til en egentlig teori. Og med prototypen har han nu omsat den teori i praksis.

"Prototypen er designet på en sådan måde, at den allerede i hospitalssammenhænge er velegnet som et robust og velfungerende instrument. Og indtil videre har vores test vist, at den virker, som den skal. Man kan forestille sig, at denne opfindelse på sigt bliver integreret direkte i nye MR-scannere,« siger Stærkind.

Indtil videre vil prototypen blive videreudviklet, så dens målinger bliver endnu mere nøjagtige.

"Vi skal indsamle data og finjustere det, så det løbende bliver et bedre og bedre værktøj til at finde fejl i scanninger. Derefter går vi videre til det spændende arbejde med at rette fejl i MR-billeder, og finder ud af det i hvilke situationer og hvilke typer scanninger vores sensor kan gøre en væsentlig forskel," siger forskeren.

Ifølge Stærkind er den umiddelbare målgruppe for hans sensor MR-forskningsenheder. Men han håber også, at en af ​​de store MRI-producenter finder ud af den nye teknologi på lidt længere sigt.

"Når prototypen er blevet forfinet i en 2.0-version og dens kvaliteter dokumenteret med masser af data fra faktiske scanninger her på hospitalet, vil vi se, hvor det går hen. Den har helt sikkert potentialet til at forbedre MR-scanninger på en unik måde, som kan gavne læger og ikke mindst patienter,« siger forskeren.

Flere oplysninger: Hans Stærkind et al., High-Field Optical Cæsium Magnetometer for Magnetic Resonance Imaging, PRX Quantum (2024). DOI:10.1103/PRXQuantum.5.020320

Journaloplysninger: PRX Quantum

Leveret af Københavns Universitet