Twee magneten zijn goedkoper dan één: Stanford ingenieurs construeren een goedkope MRI-scanner: 3/01
3/20/01
Dawn Levy, nieuwsdienst (650) 725-1944; e-mail: [email protected] twee magneten zijn goedkoper dan één: Stanford-ingenieurs bouwen een goedkope MRI-scanner
er is een koopje in de kelder van Stanford ‘ s Packard Electrical Engineering building: een goedkope MRI-scanner (magnetic resonance imaging). MRI-scanners nemen scherpe innerlijke foto ‘ s van het lichaam, waaronder de hersenen, wervelkolom en gewrichten. MRI-beelden zorgen voor een beter contrast in zacht weefsel zoals de hersenen in vergelijking met andere beeldvormingstechnieken zoals röntgenstralen, CT of echografie. Maar MRI scanners zijn niet goedkoop. Een scanner kost $ 1 miljoen tot $ 3 miljoen, en scankosten kunnen hoger zijn dan $ 1.000.
“persoonlijk hield ik nooit van de kosten van MRI. Ik ben erg zuinig,” zegt Steven Conolly, senior research associate in het engineering team dat de nieuwe MRI-scanner maakt. Emeritus hoogleraar engineering en radiologie Albert Macovski inspireerde het project, dat wordt geleid door Conolly en engineering research associate Greig Scott. Een van de doelstellingen van het team is het creëren van een scanner van hoge kwaliteit die zou verkopen voor ongeveer $150.000.
de scanner kan nuttig worden in de ontwikkelingslanden, zegt Conolly, of als hulpmiddel voor fundamenteel wetenschappelijk onderzoek.
de goedkope aanpak van het team voor het bouwen van MRI-scanners is praktisch en uitdagend. Na vijf jaar werk hebben de onderzoekers nu hun eerste menselijke beelden in de hand. De truc, zegt Conolly, is om twee goedkope resistieve magneten te gebruiken in plaats van een dure supergeleidende magneet. MRI werkt in twee stappen. Ten eerste stelt het het menselijk lichaam bloot aan een sterk magnetisch veld. Sommige elementen, met inbegrip van waterstofatomen in water en lichaamsvet, reageren op een sterk magnetisch veld door lijn met het veel als ijzervijlsel uitlijnen met het veld van een desktop magneet. Hier moet het magnetisch veld erg sterk zijn omdat waterstofatomen niet zo gemakkelijk reageren op een magnetisch veld als ijzervijlsel. De huidige MRI-scanners gebruiken magneten zo sterk als die worden gebruikt om auto ‘ s op te pikken in een schroothoop.
zodra de waterstofatomen in een rij staan, creëren ze hun eigen magnetische signaal. Omdat waterstofatomen in verschillende weefsels iets verschillende signalen hebben, meet de MRI-scanner die verschillen en detecteert het contrast in een beeld. Voor deze tweede stap — het meten van het verschil tussen bijvoorbeeld een waterstofatoom in een tumor en één in een spier — moet het magnetisch veld extreem nauwkeurig zijn, zegt Conolly. Het veld kan niet meer dan een tienduizendste procent variëren, wat betekent dat als de aarde zo vlak was als een MRI magnetisch veld, de hoogste heuvel ter wereld slechts 6 meter hoog zou zijn.
de enige magneten die vandaag de dag zowel zeer sterk als homogeen zijn, zijn supergeleidende magneten. Ze zijn de grootste kosten in een MRI-scanner. Maar het blijkt, zegt Conolly, dat de magneet in een MRI-scanner niet tegelijkertijd sterk en consistent hoeft te zijn. Het team bouwde een hele MRI-scanner vanaf nul, met behulp van twee magneten om de conventionele supergeleidende magneet te vervangen. De eerste magneet is zeer sterk en in staat om de waterstofatomen op te rijgen. Het hoeft echter niet erg nauwkeurig te zijn, en heeft ongeveer 40 procent variatie. “Het is alsof je een boek met een lamp verlicht”, zegt Conolly. “De lichtintensiteit kan over het oppervlak van de pagina met 40 procent variëren, maar zolang het helder genoeg is, kun je de pagina nog steeds lezen.”De tweede magneet creëert een homogeen magnetisch veld, maar het hoeft niet sterk te zijn. In feite is het zwak, die de kracht van ongeveer twee Haardrogers vereist. Het MRI-team zet de ene magneet aan om de waterstofatomen op een rij te zetten en de andere om het signaal van het lichaam op te nemen.
beide magneten zijn eenvoudige koperbestendige magneten-gemaakt van spullen die iedereen in een ijzerhandel zou kunnen vinden. Zodra het Stanford MRI-team een werkende scanner maakte, begonnen ze foto ‘ s te maken. Een van de teamwetenschappers, Blaine Chronik, ging naar de supermarkt toen ze voor het eerst gegevens kregen “en zocht gewoon naar interessante dingen voor beeld”, zegt Conolly. “We probeerden tomaten,” zei Sharon Ungersma, een afgestudeerde student op het project, “en druiven en andere voedingsmiddelen.”Bacon toonde het meest interessante contrast. Het vet en de spierstrepen op het spek stonden in schril contrast met elkaar. Al snel begon het team, inclusief afgestudeerde studenten Hao Xu en Nate Matter, menselijke handen en polsen in beeld te brengen. Op de plaatjes staan de carpale botten, de pezen en het zachte weefsel. “De handbeelden zijn zeker nog niet van dezelfde kwaliteit als conventionele MRI-scanners, “zegt Conolly,” maar we kunnen nu eigenlijk over anatomie praten. En we kunnen verbeteringen meten.”
tegen deze zomer verwacht Conolly dat de beelden veel beter zullen zijn. Een nieuwe en verbeterde homogene magneet is bijna klaar. Deze is groter en kan op hogere veldsterkte werken. Het past in een knie, niet alleen een pols. Het is energiezuiniger en, passend, zelfs goedkoper. Het team werkt nog steeds aan de homogeniteit die ze nodig hebben in de magneet met lage sterkte. Omdat ze de magneet creëren door koperband op te rollen, moet elke beurt precies ten opzichte van de andere spoelen worden geplaatst. “Er zitten meer dan honderd toeren kopertape in de spoelen, dus elke kleine knik en binding hoopt zich op”, zegt Conolly. “De buitendiameter kan ongeveer 50-duizendsten van een inch afwijken van ideaal – dat is vrij goed, maar het is nog steeds een probleem.”Ungersma maakt nu een nieuwe set spoelen om dit probleem op te lossen.
het hele team is bezig met het verbeteren van de beeldkwaliteit. Het team is ook enthousiast over het vooruitzicht van fundamenteel wetenschappelijk onderzoek, dat de deur opent voor het verkennen van vele nieuwe contrastmechanismen.
het team heeft subsidies ontvangen voor het maken van scanners voor beeldvorming van de knie, hersenen en borst. Een van de voordelen van de goedkope MRI-scanner is dat ziekenhuizen kleinere scanners kunnen gebruiken die specifiek zijn voor bepaalde delen van het lichaam, in plaats van een tweede scanner voor het hele lichaam te kopen. Met de Stanford-technologie kan MRI-borstbeeld kosteneffectief worden voor borstkankeronderzoek. In een tijdperk van stijgende medische kosten, kan de technologie MRI beschikbaar maken voor een grotere klantenkring.