Il National Institute of Standards and Technology (NIST) sta ora fornendo un nuovo servizio di misurazione in grado di migliorare la qualità della risonanza magnetica (MRI) e fornire un percorso per utilizzare la risonanza magnetica per effettuare misurazioni precise e tracciabili all'interno del corpo umano. Culmina molti anni di ricerca da parte di scienziati del NIST che lavorano alla frontiera dell'imaging medico quantitativo per la medicina di precisione.

I medici hanno bisogno di immagini altamente accurate per la diagnosi e le decisioni terapeutiche. I parametri quantitativi misurati dalla risonanza magnetica devono essere accurati e avere incertezze ben definite prima di poter essere utilizzati per il processo decisionale clinico. Ciò significa che gli operatori MRI devono caratterizzare i loro scanner e protocolli di imaging utilizzando standard tracciabili, quelli che mettono in relazione le misurazioni con un riferimento internazionale concordato.

Questo viene fatto utilizzando "fantasmi" - oggetti che incorporano materiali di riferimento standard che fungono da affidabili sostituti per tipi specifici di tessuti del corpo. I produttori di fantasmi devono garantire che le proprietà MRI dei materiali che utilizzano siano misurate accuratamente. Ecco dove il nuovo servizio di calibrazione, al NIST's Boulder, col., strutture, entra.

I clienti inviano al NIST campioni di materiali da utilizzare nella fabbricazione di fantocci. Gli scienziati mettono il materiale in tubi capillari, ciascuno contenente circa 10 microlitri (milionesimi di litro), e posizionarli uno per uno nel sistema NMR del NIST. Ogni campione viene testato tre volte a intensità e temperature del campo magnetico specificate, un processo che può richiedere da sei a 40 ore per campione. (Il sistema di acquisizione automatizzato funziona 24 ore su 24, 7 giorni su 7.) I campioni iniziali sono limitati a liquidi, ma le future estensioni del servizio includeranno gel e imitazioni tissutali più complesse. "Il sistema NMR è unico ed è stato specificamente progettato come sistema metrologico per calibrare i biomarcatori di imaging medico, " ha detto Michael Boss del NIST, chi ha sviluppato il sistema, protocolli di misura e routine di analisi.

Le proprietà misurate forniscono la tracciabilità del NIST al Sistema Internazionale di Unità (SI) e un'analisi rigorosa delle varie incertezze nelle misurazioni. Le misurazioni comportano una catena ininterrotta di calibrazioni tra i risultati della risonanza magnetica e il riferimento SI. Di conseguenza, i singoli scanner e le sequenze possono essere regolati per eseguire con maggiore precisione, e i dati ottenuti da immagini su diversi scanner possono essere confrontati con maggiore sicurezza.

"Quando consegniamo un certificato tracciabile NIST, diamo sia le proprietà dei materiali che un'incertezza assoluta, " ha detto lo scienziato del programma NIST Stephen Russek. "È importante conoscere le incertezze in dettaglio, perché si propagano attraverso la catena di calibrazione. Abbiamo circa più o meno l'1% di incertezza di misura nel nostro laboratorio, ma attualmente c'è qualcosa come il 5% di incertezza nel migliore dei casi negli scanner clinici con fantasmi, e potenzialmente il 20 percento o più quando si effettuano misurazioni basate su immagini nei pazienti. Il nostro servizio ha lo scopo di fornire un percorso per ottenere incertezze migliori e inferiori nelle misurazioni umane."

Nella sua forma iniziale, il nuovo servizio misura due proprietà rivelatrici fondamentali dei campioni:i tempi di rilassamento dello "spin" del protone T1 e T2. (Lo spin è un effetto quantistico analogo all'allineamento dei poli nord e sud di una barra magnetica.) Questi sono i tempi necessari per la polarizzazione dello spin del protone, parallela e perpendicolare al campo magnetico rispettivamente, per riprendersi dall'essere perturbato dalle onde radio in un potente campo magnetico.

I due tempi di rilassamento sono sensibili alle proprietà dei tessuti locali (ad esempio, nel cervello, T1 è più corto nella sostanza bianca, più a lungo nella sostanza grigia). E forniscono "biomarcatori critici, " proprietà fisiche che indicano se il tessuto sta funzionando normalmente o se è presente qualche tipo di patologia o danno tissutale. Sono anche utilizzate per tracciare come una particolare formazione, come un tumore, sta rispondendo al trattamento farmacologico.

I tempi di rilassamento T1 e T2 possono variare di molti ordini di grandezza, e il servizio NIST misura il tempo da 4 millisecondi a 3 secondi. Anche i tempi di relax sono molto sensibili alla temperatura, quindi le misurazioni vengono eseguite in un ambiente termico altamente controllato a intervalli specificati tra 0 C e 50 ˚C.

Le incertezze vengono calcolate utilizzando un modello computerizzato basato sulla fisica "progettato per dirci quali misurazioni ci aspetteremmo di ottenere con tutte le incertezze ripiegate, "Stephen Russek ha detto, "dagli sbalzi di temperatura a qualcuno che accende un aspirapolvere della porta accanto, così come la variazione prevista dell'operatore." Il modello contiene fattori che tengono conto degli operatori imperfetti e della deriva del sistema tra gli intervalli di calibrazione.

"Proprio adesso, non c'è nessuno che offre questa misura con tracciabilità SI, " Russek ha detto. "Siamo la prima e unica operazione a farlo. Alcuni biomarcatori sono molto ambigui e non possono essere quantificati rigorosamente a meno che non si disponga di questo tipo di tracciabilità. Un esempio di importante, ma difficile da quantificare, il biomarcatore è l'iperintensità della sostanza bianca [regioni ad alta intensità nelle scansioni cerebrali MRI], che è legato alla degenerazione dei nervi o delle guaine mieliniche che li circondano."

Regioni simili ad alta intensità nelle immagini di risonanza magnetica sono correlate al morbo di Alzheimer ad esordio precoce e ad altri disturbi cognitivi. Attualmente, è problematico confrontare i risultati di pazienti in siti diversi sottoposti a imaging con scanner diversi, che limita il potere degli studi multicentrici. È probabile che il nuovo servizio di misurazione migliori questa situazione.

Sebbene il servizio sia attualmente limitato alle misurazioni T1 e T2, "Tra circa sei mesi speriamo di ampliarlo per misurare la diffusione dell'acqua, e alla fine molte altre proprietà, ", ha affermato la scienziata del programma NIST Kathryn Keenan.

"La diffusione dell'acqua nel corpo può rivelare tutti i tipi di informazioni microscopiche, da quanto strettamente le cellule sono impacchettate in un tumore canceroso, alla risposta di quel tumore a un farmaco, quando le cellule cancerose muoiono e si decompongono. Può persino mappare come è cablato il cervello, osservando come l'acqua si diffonde preferenzialmente lungo i fasci di nervi, o identificare interruzioni nella connettività cerebrale da cambiamenti nel comportamento di diffusione, " ha detto capo, che guida gli sforzi del NIST per fornire standard di diffusione alla comunità MRI.

Altre tecniche di risonanza magnetica possono fornire informazioni critiche sul flusso sanguigno e sul contenuto di ossigeno, così come le proprietà elettriche e meccaniche dei tessuti. Il valore clinico di tutti questi potrebbe beneficiare di una rigorosa calibrazione dei dispositivi e dei protocolli utilizzati per produrre le immagini.

"L'obiettivo. il gol, "Russek ha detto, "è quello di ottenere la tracciabilità all'interno del corpo umano".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione del NIST. Leggi la storia originale qui.