L'ospedale di Hvidovre possiede il primo prototipo al mondo di un sensore in grado di rilevare errori nelle scansioni MRI utilizzando luce laser e gas. Il nuovo sensore, sviluppato da un giovane ricercatore dell'Università di Copenaghen e dell'Ospedale Hvidovre, può quindi fare ciò che è impossibile per gli attuali sensori elettrici e, si spera, aprire la strada a scansioni MRI migliori, più economiche e più veloci.
Lo studio è pubblicato sulla rivista PRX Quantum .
Gli scanner MRI vengono utilizzati ogni giorno da medici e operatori sanitari per ottenere uno sguardo unico sul corpo umano. In particolare, vengono utilizzati per studiare il cervello, gli organi vitali e altri tessuti molli attraverso immagini 3D di qualità eccezionale rispetto ad altri tipi di imaging medico.
Sebbene ciò renda lo strumento avanzato inestimabile e quasi indispensabile per gli operatori sanitari, c'è ancora spazio per miglioramenti.
I forti campi magnetici all'interno degli scanner MRI presentano fluttuazioni che creano errori e disturbi nelle scansioni. Di conseguenza, queste macchine costose (centinaia di euro l'ora) devono essere calibrate regolarmente per ridurre gli errori.
Esistono anche metodi di scansione speciali, che purtroppo oggi non possono essere eseguiti nella pratica. Tra questi, le cosiddette sequenze a spirale che potrebbero ridurre i tempi di scansione, ad esempio nella diagnosi di coaguli di sangue, sclerosi e tumori.
Le sequenze a spirale rappresenterebbero anche uno strumento interessante nella ricerca sulla risonanza magnetica, dove, tra le altre cose, potrebbero fornire ai ricercatori e agli operatori sanitari nuove conoscenze sulle malattie del cervello. Ma a causa del campo magnetico altamente instabile, eseguire questo tipo di scansioni non è attualmente un'opzione.
In teoria il problema può essere risolto con un sensore che legge e mappa le variazioni del campo magnetico. Successivamente è relativamente semplice correggere gli errori nelle immagini con un computer. In pratica, questo è stato difficile con la tecnologia attuale, poiché altrimenti sensori adatti interferiscono con il campo magnetico perché sono elettrici e collegati a cavi metallici.
Una nuova invenzione spera di rendere questo problema un ricordo del passato. Per combattere il problema, un ricercatore del Niels Bohr Institute e del Centro di ricerca danese per la risonanza magnetica (DRCMR) ha sviluppato un sensore che utilizza la luce laser nei cavi in fibra e un piccolo contenitore di vetro riempito di gas. Il prototipo è pronto e funziona.
"Prima di tutto abbiamo dimostrato che era teoricamente possibile, e ora abbiamo dimostrato che può essere realizzato nella pratica. Infatti, ora disponiamo di un prototipo che può sostanzialmente effettuare le misurazioni necessarie senza disturbare lo scanner MRI.
"Deve essere ulteriormente sviluppato e perfezionato, ma ha il potenziale per rendere le scansioni MRI più economiche, migliori e più veloci, anche se non necessariamente tutte e tre contemporaneamente", afferma Hans Stærkind, postdoc presso il Niels Bohr Institute e DRCMR a Hvidovre Ospedale. Stærkind è l'architetto principale dietro il sensore e il dispositivo in dotazione.
"Uno scanner MRI può già produrre immagini incredibili se ci si prende il tempo necessario. Ma con l'aiuto del mio sensore, è immaginabile utilizzare la stessa quantità di tempo per produrre immagini ancora migliori, oppure dedicare meno tempo e ottenere comunque la stessa qualità di oggi un terzo scenario potrebbe essere quello di costruire uno scanner più economico che, nonostante alcuni errori, possa comunque fornire una qualità dell'immagine decente con l'aiuto del mio sensore," afferma il ricercatore.
Gli scanner MRI utilizzano potenti magneti per produrre un forte campo magnetico che costringe i protoni nell'acqua, nei carboidrati e nelle proteine del corpo ad allinearsi con il campo magnetico. Quando le onde radio vengono pulsate attraverso un paziente, i protoni vengono stimolati e escono temporaneamente da quell'equilibrio.
Quando successivamente tornano ad allinearsi con il campo magnetico, rilasciano onde radio che possono essere utilizzate per formare immagini 3D in tempo reale di qualsiasi cosa venga scansionata.
Il prototipo di Hans Stærkind funziona utilizzando un dispositivo per l'invio e la ricezione della luce laser che assomiglia a un sistema stereo degli anni '90. Invia la luce laser attraverso cavi in fibra ottica, ovvero senza metallo, e a quattro sensori situati nello scanner.
All'interno dei sensori, la luce passa attraverso un piccolo contenitore di vetro contenente un gas di cesio, che assorbe la luce alle giuste frequenze luminose.
"Quando il laser ha la giusta frequenza mentre passa attraverso il gas, c'è una risonanza tra le onde di luce e gli elettroni negli atomi di cesio. Ma la frequenza, o lunghezza d'onda, alla quale ciò accade cambia quando il gas è esposto a una campo magnetico.
"In questo modo possiamo misurare l'intensità del campo magnetico scoprendo qual è la frequenza giusta. Ciò avviene in modo completamente automatico e rapidissimo da parte del dispositivo ricevente", spiega il ricercatore.
Quando si verificano disturbi nel campo magnetico ultrapotente di uno scanner MRI, il prototipo di Stærkind mappa dove si verificano nel campo magnetico e con quale intensità il campo è cambiato. Nel prossimo futuro, ciò potrebbe significare che le immagini disturbate e difettose potrebbero essere corrette, sulla base dei dati raccolti dai sensori, e successivamente rese accurate e interamente utilizzabili.
Il prototipo è attualmente ospitato presso il DRCMR presso l'ospedale Hvidovre di Copenaghen, che è anche il luogo in cui è stata concepita l'idea.
"L'idea originale è venuta al mio supervisore qui alla DRCMR, Esben Petersen, che purtroppo non è più con noi. Ha visto un enorme potenziale nello sviluppo di un sensore basato su laser e gas in grado di misurare i campi magnetici senza disturbarli." dice Stærkind.
Con l'aiuto dei fisici quantistici del Niels Bohr Institute, tra cui il professor Eugene Polzik, Stærkind ha sviluppato l'idea in una vera e propria teoria. E con il prototipo ha messo in pratica quella teoria.
"Il prototipo è progettato in modo tale da essere già adatto in contesti ospedalieri come uno strumento robusto e ben funzionante. E finora i nostri test hanno dimostrato che funziona come dovrebbe. Si può immaginare che questa invenzione finirà per essere integrato direttamente nei nuovi scanner MRI", afferma Stærkind.
Per ora, il prototipo verrà sviluppato ulteriormente in modo che le sue misurazioni diventino ancora più precise.
"Dobbiamo raccogliere dati e perfezionarli in modo che diventino continuamente uno strumento sempre migliore per trovare errori nelle scansioni. Successivamente passeremo all'entusiasmante lavoro di correzione degli errori nelle immagini MRI e scopriremo in quali situazioni e quali tipi di scansioni il nostro sensore può fare una differenza significativa", afferma il ricercatore.
Secondo Stærkind, il target immediato del suo sensore sono le unità di ricerca MRI. Ma spera anche che uno dei grandi produttori di risonanza magnetica venga a conoscenza della nuova tecnologia, in un periodo leggermente più lungo.
"Una volta che il prototipo sarà stato perfezionato in una versione 2.0 e le sue qualità documentate con numerosi dati provenienti da scansioni reali qui in ospedale, vedremo dove andrà a finire. Ha sicuramente il potenziale per migliorare le scansioni MRI in un modo unico che può avvantaggiare medici e, non ultimi, pazienti", afferma il ricercatore.
Ulteriori informazioni: Hans Stærkind et al, Magnetometro ottico al cesio ad alto campo per imaging a risonanza magnetica, PRX Quantum (2024). DOI:10.1103/PRXQuantum.5.020320
Informazioni sul giornale: PRX quantistico
Fornito dall'Università di Copenaghen
