Anonim

Kompaktní snímač MRI celého těla, který je součástí ISS

Věda

Brian Dodson

26. října 2012

10 obrázků

MRI na palubě ISS by byla menší a lehčí než jeho pozemští kontrapulti jako tento (Photo: Levent Konuk / Shutterstock)

Multitalentní skupina inženýrů pod vedením profesora Gordona Sartyho vyvíjí kompaktní skener pro zobrazování magnetickou rezonancí (MRI) pro prostorové lety. Záměrem je podpořit výzkum vesmírného lékařství a sledování stavu astronauty, které je zapotřebí k delším a vzdálenějším misím vesmíru. První pracovní místo bude na mezinárodní kosmické stanici (ISS), která bude sledovat fyziologické změny, ke kterým dochází během dlouhých misí. Sarty působí jako katedra biomedicínského inženýrství na univerzitě v Saskatchewanu.

Vesmírná medicína

Naše současné znalosti vesmírné medicíny jsou z velké části výsledkem 40 let zkušeností s dlouhodobým zaměstnáním ISS a starších vesmírných stanic. ISS je nepřetržitě obsazeno 14 let a třicet lidí strávilo více než jeden rok (rekord je 2, 2 roků) na vesmírné stanici. Navzdory tomu většina údajů o dlouhodobých lékařských účincích kosmického cestování pochází z postletových studií návratů astronautů. Vzhledem k tomu, že zdravotnické vybavení na palubě ISS nabízí jen málo schopností než dobře zásobená lékárnička, schopnost na oběžné dráze pro sběr nebo zpracování zdravotních údajů je velmi omezená.

Prostorová cesta způsobuje řadu známých zdravotních problémů, jako je ztráta až 25 procent svalové hmoty, ztráta kostní hmoty o 1 až 2 procenta měsíčně, oslabení imunitního systému a účinky související s velmi vysokým stresovým prostředím vesmírného vozidla. Nepochybné další negativní účinky se vyskytnou v delších misích.

Během minulých misí vesmírných stanic došlo na Zemi ke třem lékařské evakuaci členů posádky. Očekávaná míra dlouhodobých misí zahrnující extrémně zdravý bazén pro astronauti je asi jedna evakuace za sto osob-let. Jakmile opustíte nízkou oběžnou dráhu Země, nicméně v závislosti na rychlém návratu na Zemi pro nouzovou diagnostiku a péči se rychle stává nepraktickým.

MRI skenery

Hloubková nemocnice musí být vybavena tak, aby mohla provádět výzkum oslabujících účinků dlouhodobého vesmírného cestování a poskytovat diagnostické sledování a léčbu posádky. Důležitou součástí těchto diagnostických schopností je životaschopný lékařský zobrazovací systém. Potřeba častého sledování astronautů na zdraví poukazuje na použití techniky neionizujícího záření, jako je například magnetická rezonance (MRI), aby se zabránilo dodatečnému ozáření expozice samotnému prostředí hlubokého vesmíru. Jediným dalším vážným kandidátem je ultrazvuková ozvěna, ale tato zobrazovací metoda neidentifikuje tkáně ani nepronikuje do kostí a celotělové skenování je dlouhé a těžké utrpení.

Konvertor MRI se třemi kontakty Tesla, 3T Achieva Philips (Foto: Kasuga Huang)

Celoevropské zobrazování pomocí MRI je pravděpodobně nejdůležitějším zlepšením diagnostické medicíny od objevu rentgenových paprsků před více než stoletím. MRI zobrazování nevyžaduje použití ionizujícího záření. Takže snímače MRI jsou považovány za zlatý standard pro sledování zdraví a diagnostiku zdravotních problémů, jak se zdá. Na Zemi však extrémně vysoká cena MRI skenů vede k omezenému přístupu k MRI skenerům pro běžnou péči o zdraví. Menší, jednodušší a levnější skenery by mohly dramaticky měnit hrací pole na Zemi.

MRI funguje kombinací dvou fyzikálních efektů, které nám umožňují měřit odezvu protonů (jádra atomů vodíku) na aplikované magnetické pole a používat gradientní techniky k výběru konkrétního voxelu (3D pixel) pro skenovaný objem. Výsledný obraz je v podstatě grafem hustoty atomů vodíku jako funkce polohy v celém aktivním objemu imageru. Pro provedení těchto procesů vyžaduje MRI skener metodu poskytnutí velkého a vysoce stejnoměrného magnetického pole (obvykle 1-3 Tesla - Tesla se rovná 10 000 gaussů a síla zemského magnetického pole je asi polovina a gauss) a způsob izolace a měření protonové hustoty v každém voxelu skenovacího objemu.

Konvenční MRI ve vesmíru

Cesta ke splnění výše uvedených úkolů u konvenčních MRI skenerů je obtížná a nebezpečná pro použití v prostorově založeném MRI skeneru na celém těle. Za prvé, fyzická stopa konvenčního MRI skeneru celého těla je obecně vyšší než schopnost dokonce i největších dostupných nosičů. Navíc je magnetické pole pro skener dodáváno supravodivým magnetem, který obvykle váží více než deset tun (některé velmi vysoké magnetická pole MRI skenerů váží až 250 tun).

Tyto magnety používají recirkulační kapalné héliové systémy pro chlazení supravodivých vinutí magnetů. Pokud magnet ochladí (spontánně získá zpět svůj odpor), vznikne jak poškození magnetu, tak přeměna velkého množství kapalného hélia na heliový plyn, což pravděpodobně bude následovat náhlá a katastrofická "demontáž" kryogenního systému. Taková událost by vážně narušila ekosystém jakékoli vesmírné lodě s rozumnou velikostí.

Voxel výběr se provádí pomocí rychle se měnících gradientních magnetických polí, které se přidávají k jednotnému magnetickému poli hlavního magnetu. Přepínání různých cívkových gradientů mezi gradientními vzory však vyžaduje obrovské vysokonapěťové vysokoproudé impulsy. To je zdroj zvukového šumu, který slyšíte během vyšetření MRI - samotné cívky se kroutí a deformují účinkem magnetického pole na jejich rychle se měnící proudy. Napájení takových impulzů také pohání předčasnou poruchu elektroniky cívky gradientu - rychlá změna velkých proudů a vypořádání se s jejich souvisejícími přechodovými napěťovými špičkami je obtížné na elektronice a obzvláště obtížné na obvodech polovodičových obvodů.

Halbachový válec

Naštěstí existují další návrhy pro MRI skenery, které jsou vhodnější pro omezení prostorového letu. Velké, těžké a nebezpečné supravodivé magnety mohou být nahrazeny uspořádáním permanentních magnetů nazvaných a

Halbach pole.

Halbachové pole bylo původně vyvinuto pro zaostřování částicových paprsků u vysokoenergetických urychlovačů. Je možné vytvořit válcové uspořádání permanentních magnetů, které produkují vysoce jednotné magnetické pole uvnitř vývrtu válce, a zároveň umožňují, aby existovala pouze velmi malá část magnetického pole mimo válce Halbach. což je důležité pro prostorový snímač MRI. Vzhledem k tomu, že moderní magnetické materiály jsou schopné vytvářet pole nad jedním Teslou, jsou takové válce Halbach vhodné pro použití v MRI skenerech.

Schéma magnetu chladničky, znázorňující směr otáčení magnetických domén a jednostranné magnetické pole, které je z nich vyrobeno

V Halbachových oborech jsme všichni obeznámeni s nepravděpodobnou arénou - v kuchyni. Magnet na chladničku je jednorozměrné pole Halbach. Tyto magnety jsou magnetizovány pomocí rotujícího magnetického pole pro vytváření směrů otáčení magnetizace v magnetovém proužku. Výsledkem je, jako kdyby byly pole z jedné strany přeneseny na druhou stranu, kde větší hustota pole je ekvivalentní většímu magnetickému poli. Toto je někdy nazýváno jednostranným magnetem. Můžete to vyzkoušet sami sebe tím, že se pokusíte přitisknout dva magnety ledničky dozadu - sotva se navzájem přitahují. Můžete si také všimnout, že když jsou dva magnety orientovány zepředu dopředu, mohou se bránit tomu, aby byly umístěny přímo na sebe a že budou držet s posunutím na jejich dlouhé ose. Vzdálenost posunutí je polovina rozteče úplné rotace směrů magnetizace.

Počítačová simulace magnetického pole Halbachova válce složená ze čtyř páru permanentních magnetů, přičemž každá dvojice má různé magnetické orientace než ostatní páry (obrázek: Zureks)

Jak je uvedeno výše, velikost lokálního magnetického pole na válci Halbach je konstantní všude na válci. Orientace se však mění tak, aby se vytvořilo zesílené, jednotné magnetické pole uvnitř vývrtu válce, zatímco jen malé magnetické pole se objeví mimo válce. Tato druhá vlastnost je důležitá pro vesmírné MRI skenery, protože většina konstrukcí kosmických lodí vyžaduje čisté elektromagnetické prostředí. Přestože magnetické pole ve vývrtu válce není ve výše uvedeném příkladu zcela jednotné, může být rovnoměrnost značně zvýšena pomocí magnetických podložek k pohybu polních linií.

Skupina Sartyho prototyp Halbach válec, který byl používán hlavně ke studiu shimovacích technik pro zlepšení homogenity magnetického pole ve vývrtu válce (Photo: University of Saskatchewan)

Halbachový válec vyrobený projektem Compact MRI pro laboratorní testování je vyroben z permanentních magnetů vzácných zemin. Válce má objem 0, 75 m 3, ve srovnání s objemy přibližně pěti až deseti kubických metrů u konvenčních magnetů MRI.

Síla pole válce je 0, 15 tesla, ačkoli magnetické pole mimo zakřivený vnější povrch magnetického válce je pouze 0, 2% této hodnoty (asi 60% zemského pole) ve vzdálenosti 7 cm (2, 75 in ) z povrchu válce. Magnetické pole v otvoru by mohlo být zvětšeno na asi jednu teslu vhodnou volbou magnetických materiálů a jejich struktury uvnitř válce. S optimalizovanou strukturou by měl být podobný magnet pro aplikace s MRI v prostoru navržen tak, aby vážil méně než 700 kg (1540 liber) - daleko od 10 nebo více tun běžných magnetů MRI.

Voxel populi

MRI snímky kolenních a zápěstních kloubů pořízených pomocí gradientové metody TRASE RF (fotografie: University of Saskatchewan)

Náhrada přístupu gradientu magnetického pole k měření protonové hustoty jediného voxelu by také byla velkým přínosem pro prostorový MRI scanner. Sarty a jeho skupina používají nedávno vyvinutý přístup k měření voxel nazvaném TRansmit Array Spatial Encoding (TRASE).

Metoda TRASE nabízí alternativu k gradientnímu zobrazování pomocí MRI. Gradient je stále aplikován na tělo v zobrazovacím objemu, ale je to gradient RF fáze spíše než gradient samotného magnetického pole. Zaznamenejte si, fáze RF napětí vám říká kde a kdy napětí dosáhne svého vrcholu v každém cyklu. V metodě TRASE je převrácená RF cívka nahrazena RF cívkou, která vytváří pole s prostorově měnící se fází. K posunu fázového gradientu radiačního převrácení RF je zapotřebí mnohem méně energie než k posunu velkých prostorových přechodů.

Základní myšlenka TRASE spočívá v tom, že skenovací objem je vystaven vysokofrekvenčním impulsům, jejichž fáze se s časem mění. Tyto impulsy postupně vybuchují daný voxel skenovacího objemu, zatímco tytéž pulsy dosahují průměru, aby produkovaly nulový signál od ostatních voxelů v snímacím objemu. Existuje velký stupeň paralelního provozu v TRASE, netříděné pomocí tomografie, ale konečným výsledkem je stanovení hustoty protonů pro každý voxel v objemu snímání. Postup je zdaleka ne dokonalý a není to tak snadné, ale TRASE byl úspěšně použit pro výzkumné skenery MRI několik skupin během uplynulého desetiletí.

MRI v prostoru?

Canadarm2 je hlavní externí manipulační rameno pro ISS (Photo: NASA)

Kanada má přidělení ISS ve výši 50 kg za příspěvek Canadarm2. Cílem profesora Sartyho je využít tento příděl, aby na ISS nainstaloval Compact MRI pro studium paží a nohou. To by umožnilo podrobné studie degenerativních změn kloubů a kostí, přenosu tekutin mezi částmi těla a dalších studií, které v současné době nemohou být prováděny během vystavení prostředí nuly-g prostoru pro let. Výsledek jeho úsilí se ještě nerozhodl, ale zdá se být jasné, že v příštích letech bude lidská rasa potřebovat mnohem více lékařských údajů důležitých pro dlouhé trvání vesmíru. Proč ne začít?

Zdroj: Americký institut pro letectví a astronautiku

MRI snímky kolenních a zápěstních kloubů pořízených pomocí gradientové metody TRASE RF (fotografie: University of Saskatchewan)

Skupina Sartyho prototyp Halbach válec, který byl používán hlavně ke studiu shimovacích technik pro zlepšení homogenity magnetického pole ve vývrtu válce (Photo: University of Saskatchewan)

Dvojrozměrná sada cívkových gradientů RF pro implementaci kódování prostorové struktury TRASE (Photo: University of Saskatchewan)

Schéma magnetu chladničky, znázorňující směr otáčení magnetických domén a jednostranné magnetické pole, které je z nich vyrobeno

Počítačová simulace magnetického pole Halbachova válce složená ze čtyř páru permanentních magnetů, přičemž každá dvojice má různé magnetické orientace než ostatní páry (obrázek: Zureks)

Umělecká koncepce kompaktního MRI vyvinutého pro podporu dlouhotrvajícího vesmírného letu (Image: University of Saskatchewan)

Konvertor MRI se třemi kontakty Tesla, 3T Achieva Philips (Foto: Kasuga Huang)

Generování slabého RF spin-flip záření během zobrazení MRI (Obrázek: Brian Dodson)

Canadarm2 je hlavní externí manipulační rameno pro ISS (Photo: NASA)

MRI na palubě ISS by byla menší a lehčí než jeho pozemští kontrapulti jako tento (Photo: Levent Konuk / Shutterstock)

Doporučená Redakce Choice