MRI是医院内的重要大型诊断设备，这种诊断技术有着非常了不起的优点，就是可以无创伤获得人体内重要的形态结构信息，也能获得生物分子和神经功能信息。但是MRI最大的问题是设备成本太高，成本高的原因是这种设备需要强大磁场，一般是采用超导线圈获得强大电磁场，超导材料需要在接近绝对零度的环境下才能维持超导性能，这种低温环境的维持需要用液氦，也是这种设备日常维持大量费用消耗的最重要原因。MRI高制造成本和运行成本导致使用成本很高，导致这种高水平的诊断技术无法在低端人群推广。有一些企业正在开发低磁场MRI设备，利用最新的电子技术和人工智能算法，有效提高了设备性能，有希望让这种设备走向普通病房和贫困国家。我个人因为曾经和MRI成像领域学者有合作，知道中国许多年前就有低磁场MRI的开发，但不知道是否也在类似的技术探索。

这是《科学》最近关于低磁场MRI的报道。MRI for all: Cheap portable scanners aim to revolutionize medical imaging | Science | AAAS

一名满头银发的70多岁的男病人，躺在神经重症监护室（neuro ICU）。几天前他的一个垂体肿瘤被切除了。手术没有留下明显痕迹，按照手术标准，外科医生通过鼻子到达肿瘤部位。他正兴高采烈地与一对研究伙伴讨论是否使用一种检测设备，这两人来检查正在测试的这种新的、潜在的革命性设备的进展。

一名研究人员操纵杆操纵，小心翼翼地将这种630公斤重圆柱形机器的自行式扫描仪引导到床头，这是一台Hyperfine的公司制造的便携式磁共振成像（MRI）扫描仪名为Swoop，研究人员帮助病人将头放松到Swoop中。

“你想要耳塞吗？”研究员Vineetha Yadlapalli问道。

“它和普通的核磁共振成像一样响亮吗？”

“完全没有。”

“那我想我不需要它们了。”

帮助病人调整好体位，Yadlapalli从开始iPad上点击了一些指令来设置机器工作。机器发出低沉的咆哮声，然后继续发出哔哔声和咔哒声。几分钟之内，病人大脑图像出现在Yadlapalli的平板电脑上。

半个小时，病人静静地躺着，双手交叉在肚子上，好像在享受老式吹风机做头发。在某种程度上，他是帮助将MRI应用带到新领域的先驱。

在许多情况下，MRI为医学成像设定了黄金标准。第一个有用的MRI图像出现在1970年代后期。在十年内，商用扫描仪已经传播到医学领域，使医生不仅可以对骨骼进行成像，还可以对软组织进行成像。如果医生怀疑患者中风、患上肿瘤或膝盖软骨撕裂，他们可能会开出 MRI。

MRI扫描仪利用磁场旋转活组织中的原子核，特别是氢原子中心的质子，以便它们能发射无线电波。恒定强磁场是MRI的基本条件，为了产生强大磁场，一般采用大型强大超导电磁铁，但超导线圈将机器的成本推高至150万美元或更多，使全球70%的人口因为价格太高无法承受MRI。即使在美国，进行核磁共振检查也可能需要等待数天，甚至需要午夜开车到遥远的医院。患者必须来到扫描仪前进行检查。

多年来，一些研究人员一直在努力制造使用更小的永磁体的扫描仪，这种磁体由桌面玩具中常见的合金制成。它们产生的磁场强度大约是标准MRI磁体的1/25，而这种磁体曾经因为磁场太弱无法收集获得有价值的图像。但是，利用更好的电子设备，更有效的数据收集和新的信号处理技术，多个小组已经在这种低磁场中对大脑成功进行了成像， 尽管分辨率仍然低于标准MRI。但是，这种机器能制造地足够小，可以直接送到病人的床上，并且足够便宜，可以在全球范围内使用。

这些机器的出现标志着技术上的胜利。美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology）的生物医学工程师凯瑟琳·基南（Kathryn Keenan）正在测试超精细扫描仪，她说：“每个见到的人都对它印象深刻。有人说这种扫描仪还可以改变医学成像历史。有可能开辟一个全新的领域，”耶鲁大学医学院的神经学家凯文·谢思（Kevin Sheth）说，他曾与Swoop广泛合作。“这不是会不会发生的问题，这将是必然趋势。”

2020 年8月，Swoop 成为第一款获得FDA批准对大脑进行成像的低磁场MRI设备，医生们正在耶鲁纽黑文和其他地方进行临床研究。其他设备紧随其后。但咨询公司NeuvoMR，LLC的创始人兼物理学家Andrew McDowell警告说，目前尚不清楚分辨率较低的低场扫描仪是否有市场。“真正的挑战将是说服医生开始使用它，”他说。“这非常困难，因为出于充分的理由，他们非常保守。”

MRI工作原理与相机完全不同。它本质上是一个调谐活组织中质子（氢原子核）的收音机。质子都是磁性的，就像一根微小的罗盘针一样，通常质子随机指向各个方向。但是，外部磁场可以对齐它们。此时，正确频率和持续时间的无线电波脉冲可以将它们倾斜 90°。然后对齐的质子像陀螺仪一样旋转，发射自己的无线电信号，其频率随着场的强度而增加。

那转瞬即逝的单调收音机嗡嗡声几乎没有透露什么。要创建图像，扫描仪必须区分来自身体不同点的波。为此，它塑造了磁场，使不同位置的质子以不同的频率和同步状态唱歌。扫描仪还必须区分一种类型的组织与另一种类型的组织，这是通过利用无线电信号在不同组织中以不同速率衰减的事实来实现的。

在施加一对又一对脉冲时，扫描仪必须同时对来自大脑不同点的回波进行分类。为此，它依赖于在关键时刻施加的磁场梯度。脉冲之间和头部之间施加的梯度将使质子在旋转时在垂直切片中向前或向后设置，这种“相位”差异使来自某些切片的回声相互增强而其他切片抵消。通过改变梯度，扫描仪可以从每个切片中推断出回波的强度。

在多次重复中，扫描仪收集了大量的回波，其中强度随延迟、频率和相位而变化。标准的数学算法对它们进行解码，以生成质子 - 质子相互作用如何在整个大脑中变化的图谱，形成一种类型的MRI图像。其他脉冲序列探测其他组织特异性过程，例如质子扩散的速度，这可以跟踪流体流动。

虽然MRI扫描仪可以产生图像，但它是一种无线电。为了追踪活组织，它旋转氢原子中的质子（底部）并破译它们发射的无线电波。来自不同组织的无线电信号以不同的速率衰减，使机器能够对内部结构进行成像。传统的扫描仪庞大而昂贵，但研究人员现在正在缩小机器。

在节拍之前或后面其他方向的梯度将来自前方或后方不同点的波设置为“相位”——这定义了质子旋转的距离。

呼叫和响应MRI扫描仪使用磁场和无线电波脉冲来设置组织中的质子旋转。然后质子辐射自己的无线电波，这些无线电波构成了扫描仪跟踪的基本信号。

磁场强度越强，质子极化效率越高，获得磁共振信号越强。因此传统的MRI磁场越来越强，一般是1.5特斯拉的磁场，是地球磁场的3万倍，现在有的先进版的已经是3或7特斯拉。将场强降低25倍，极化随之下降。信噪比进一步下降，下降了近300倍。

原则上，MRI可以用扫描时间获得更高的分辨率。低场扫描仪通过在较长时间内获取数据来从噪声中获取信号，就像射电天文学家通过在恒星上训练他们的盘子数小时或数天来从噪声中筛选微弱信号一样。但是这种策略对人类不起作用，人类只能保持这么长时间。因此，在开发低场MRI时，研究人员必须找到更快地提取数据的方法。

一个关键因素是更好的硬件，德国巴拉圭大学的神经工程师Joshua Harper说。“我们现在拥有非常快速、非常便宜的电子产品，”他说。“这才是它真正起作用的原因。”即便如此，在病房里做低场MRI也很棘手。其他机器甚至墙壁中的金属都会扭曲磁场，而其他设备的静电会破坏无线电信号。因此，扫描仪采用对策。例如，Hyperfine的Swoop使用天线来测量环境中的干扰无线电噪声并消除它，类似于降噪耳机阻挡声音的方式。（那么强磁场MRI也可以利用这种技术获得更高分辨率？）

新的扫描仪还利用了较低区域的一个方面，使其运行速度更快。为了操纵质子，高场扫描仪必须使用更高频率、更高能量的无线电波，因此在开始加热患者之前，它只能以如此快的速度脉冲。没有这种速度限制，低场扫描仪可以更快地脉冲并使用更有效的脉冲序列，马萨诸塞州总医院的Matthew Rosen说，他是Hyperfine的联合创始人。“我们可以非常非常迅速地切换，做你在高场永远做不到的事情。

即便如此，以足够快的速度收集数据以进行标准图像重建仍然是一个挑战。一种解决方案是采用新颖的信号处理技术，包括人工智能。Hyperfine工程师使用一组训练图像来教授一个名为神经网络的程序，从相对稀疏的数据中构建大脑图像，Hyperfine的首席医疗官兼首席战略官Khan Siddiqui说。“这就是我们的秘诀所在。”

与标准扫描相比，低视场图像看起来更模糊。尽管如此，物理学家还是看到了它的美丽。“这是一个令人难以置信的物理学成功故事，”罗森说。“这不仅仅是我们尖锐的物理学家[傻瓜]并做没人关心的事情。麦克道尔说，这项技术证明了那些在田野被遗忘的角落里辛勤劳作的人是正确的。

HYPERFINE表示，它的俯冲扫描仪有一个辉煌的开始。公司已经售出了100多台机器，大部分在美国，每台售价约为25万美元。低磁场MRI目标不是取代高场扫描仪，而是扩展MRI的使用方式，Siddiqui说。“便携式扫描仪使MRI在时间和距离上都更接近患者。Hyperfine设想在神经ICU中使用它来快速评估病情太重或不稳定的患者，无法使用传统的MRI或CT机器。

Swoop的磁铁由两个圆盘组成，产生64毫特斯拉的磁场。扫描时病人感觉与标准扫描截然不同。在传统扫描仪中，自动工作台将您身体滑入圆柱形磁铁中。使用Swoop，一个有能力的病人可以像在汽车保险杠下蠕动一样滑入磁铁。一个包含天线的头盔状头饰紧紧地抱着你的头，可能会碰到你的鼻子，但胳膊和腿是可以自由活动。机器的鸣叫声很轻，甚至舒缓。

在 2019 年底和 2020 年初，随着冠状病毒大流行的蔓延，Sheth 及其同事通过扫描 50 名 ICU 患者来测试 Swoop 的效果。因为许多人使用呼吸机和镇静剂，“我们不知道他们的神经系统状态是什么，过去也没有办法通过任何可用的成像方式进行检查，”Sheth回忆道。“这为我们提供了一种在床边实现这一目的的方法。研究人员在《JAMA神经病学杂志》上报道，扫描显示 37例病例存在脑外伤，其中包括 8名 COVID-19 患者。

更便宜，更小的机器也可能允许患者获得更频繁的持续扫描。这一前景引起了马里兰大学帕克分校（University of Maryland， College Park）物理学家、Hyperfine联合创始人罗纳德·沃尔斯沃思（Ronald Walsworth）的共鸣。2007年，他当时2岁的儿子患上了非癌性脑瘤。他得到了成功的治疗，在Hyperfine顾问委员会任职的Walsworth说。不过，他说，“有些迹象没有及早发现，有些事情也没有被最有效地决定，因为核磁共振成像只能偶尔发生一次。

Swoop的优势赢得了粉丝。“哦，我的上帝，多么美丽的技术，”耶鲁大学小儿神经外科医生史蒂文希夫说。尽管如此，Swoop可能会错过高视场扫描仪可以捕获的细节，因为它的分辨率为1.5毫米，是标准扫描仪的一半。例如，Sheth的团队用它来对50名缺血性中风患者的大脑进行成像，通过标准MRI可见。研究人员在 2022 年 4 月的《科学进展》上报道，Swoop 错过了5个最小的毫米大小的病变。

Sheth说，这一发现表明，医生在决定何时使用每种类型的扫描仪时必须做出判断。“你不应该太担心，但你应该了解你可能会错过某些东西的背景，”他说。尽管如此，McDowell指出，如果医生认为使用低场扫描仪可能会让他们面临医疗事故诉讼，他们可能会回避它。

在世界大部分地区，MRI根本无法获得。荷兰的一个团队希望其扫描仪能够改变这种状况。它的磁铁与Swoop的磁铁有很大不同。它由4098个钕铁硼立方体（汽车制造商在1980年代开发的一种合金）组成，嵌入空心塑料圆柱体中，并以称为Halbach阵列的配置排列以产生均匀的水平场。“我们的系统本质上更好，失真更少，”莱顿大学医学中心的MRI物理学家Andrew Webb断言，因此它需要较少的机器学习等处理帮助。

瑞士的一家私营公司Multiwave Technologies正试图将扫描仪推向市场。它将在今年申请FDA批准，并打算以订阅模式租用其机器，Multiwave的联合首席执行官Tryfon Antonakakis说。“我们的目标是让它尽可能负担得起，而不一定是在医院里，”工程师和应用数学家Antonakakis说。“我们希望进入山区，进入发展中国家的医疗沙漠。

韦伯和他的同事希望把这种技术开放推广“我们做出了决定——马丁、我自己、我们所有的团队——我们不会申请专利，”韦伯说。“一切都将是开源的”，这样任何人都可以从互联网上下载他们的设计并构建扫描仪。韦伯及其同事希望发展中国家的企业家能够在当地制造它们。

为了播种这个想法，他们将一台包装成试剂盒的扫描仪运送给乌干达姆巴拉拉科技大学的生物医学工程师Johnes Obungoloch，他是宾夕法尼亚州立大学帕克分校的研究生，当时韦伯和希夫也在那里。2022 年 11 月，Webb 和其他人飞往乌干达，帮助 Obungoloch 和他的团队在 11天内组装扫描仪。

很快，它将用于一个项目，以测试低场MRI在发展中国家的效用。乌干达CURE儿童医院是一家位于姆巴莱的55张床位的儿科神经外科机构，由一家国际非营利组织运营，计划比较Obugoloch的扫描仪，Swoop和CT扫描仪。医生会对患有脑积水的儿童进行成像，脑脊液聚集在大脑中并对其进行压缩，可能导致虚弱或致命的损害。在全球范围内，脑积水每年折磨40万名儿童。

多年来，希夫和医院的同事一直使用CT扫描来指导一种创新的手术，使液体流入大脑的心室，这是在腹部安装分流器的替代方案。然而，CT扫描使儿童暴露于相当大的X射线辐射，因此CURE医生将看到低视野MRI图像是否可以指导外科医生。“如果MRI被证明与CT扫描相当，那么我们没有理由再使用CT扫描，”指导该项目的CURE医生Ronald Mulondo说。

这项研究正在等待政府的最终批准。如果成功，Obungoloch设想建造更多的扫描仪，也许是为非洲其他六家CURE医院，甚至在当地采购一些零件。他说，乌干达有公共医疗保健，因此愿景取决于政府的资金。

尽管如此，与其他地方的同行一样，乌干达的医生可能对该技术的有限分辨率持保留态度，Obungoloch指出。“放射科医生看到它后说，'嗯，这是一个蹩脚的图像，我们不在乎你花了多长时间才获得它。他说，政府官员可能还认为乌干达人不应该满足于低分辨率的成像，无论多么有用。

事实上，低场MRI的开发人员正在推动对医学成像的重新思考。“最好的技术是能够提供最高质量图像的扫描仪，还是可以最大程度地改善患者治疗效果的扫描仪？”哈珀问道，他在韦伯的开源钻机上合作，并希望获得Swoop。

Sheth说，赢得医生青睐的将是一个“用例”——扫描仪的杀手级应用。例如，他们可能会被送上特殊的救护车进行中风护理。他质疑Hyperfine和其他人是否已经找到了这个用例，但预测它会到来。

然后有病人要争取。在接受Hyperfine扫描仪治疗后，垂体瘤患者向Yadlapalli透露，它不像普通MRI那样舒适。他指出，由于手术，他仍然无法通过鼻子呼吸，他说贴合的头篮困扰着他。“我宁愿被带到真正的核磁共振成像。称他为不情愿的先驱。

转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自孙学军科学网博客。

链接地址：https://wap.sciencenet.cn/blog-41174-1378098.html?mobile=1

收藏

分享