Ung forsker har skabt en sensor, der kan finde fejl i MR-skanninger

MR-skannere bruges hver dag af læger og andre sundhedsfaglige til at få et unikt blik ind i menneskekroppen og studere især bløddele såsom hjernen og de indre organer i 3D-billeder af meget høj kvalitet sammenlignet med andre skanningsformer.

Selvom dette allerede i dag gør det avancerede værktøj uvurderligt og noget nær uundværligt for sundhedsfaglige, er der fortsat plads til forbedringer.

De kraftige magnetfelter inde i MR-skannere har nemlig udsving, der skaber fejl og forstyrrelser i skanningsbillederne. I praksis betyder det også, at de dyre maskiner (op til flere tusinde kroner i timen) må kalibreres jævnligt for at reducere fejlene.

Der er også særlige måder at skanne på, som desværre ikke kan lade sig gøre i praksis i dag. Blandt andet såkaldte spiral-sekvenser, der ville kunne reducere skanningstiden, fx når man diagnosticerer blodpropper, sklerose og kræft. Spiral-sekvenserne ville også være et attraktivt værktøj i MR-forskningen, hvor de kunne give forskere og sundhedsfaglige ny viden om eksempelvis sygdomme i hjernen. Men de er i dag ikke en mulighed, fordi magnetfeltet simpelthen er for ustabilt.

I teorien kan problemet løses med en sensor, der aflæser og kortlægger ændringerne i magnetfeltet.  Derefter er det relativt enkelt at rette fejlene i billederne med en computer. I praksis har det dog været svært med den nuværende teknologi, da ellers egnede sensorer forstyrrer magnetfeltet, fordi de er elektriske og tilsluttet metalkabler.

Men med en ny opfindelse kan det problem snart være fortid. En forsker fra Niels Bohr Institutet og MR-forskningssektionen på Hvidovre Hospital har udviklet en sensor, der i stedet fungerer ved hjælp af laserlys i fiberkabler og en lille glasbeholder med gas i. Prototypen står klar, og den virker.

”Først viste vi, at det var teoretisk muligt, og nu har vi bevist, at det også praktisk kan lade sig gøre. Vi har faktisk en prototype, som grundlæggende kan lave de målinger, der er brug for, uden at forstyrre MR-skanneren. Den skal videreudvikles og finjusteres, men har potentiale til at gøre MR-skanninger både billigere, bedre og hurtigere - om end ikke nødvendigvis alle tre på én gang,” ler Hans Stærkind, der er postdoc ved Niels Bohr Instituttet og MR-forskningssektionen på Hvidovre Hospital, og som er hovedarkitekten bag sensoren og det apparat, der følger med.

”Hvis man tager sig god tid med en MR-skanner kan den lave fantastiske billeder i dag. Men man kan forestille sig, at man med hjælp fra min sensor, i fremtiden vil kunne bruge samme tid, men få et bedre billede - eller bruge kortere tid og alligevel få den samme kvalitet som i dag. Et tredje scenarie kunne også være at man byggede en billigere skanner, der trods flere fejl stadig kunne levere en anstændig billedkvalitet ved at bruge min sensor,” lyder det fra forskeren.

Sådan fungerer sensoren

MR-skannere fungerer ved, at et stærkt magnetfelt tvinger protoner i kroppens vand, kulhydrater og proteiner til at rette sig, så de flugter med magnetfeltet. Når radiobølger derefter pulseres gennem patienten, bliver protonerne stimuleret, så de midlertidigt spinner ud af den ligevægt. Når de efterfølgende igen vender tilbage til ensretning med magnetfeltet frigiver de radiobølger, som kan bruges til at danne 3D-realtidsbilleder af det, der skannes.

Hans Stærkinds prototype virker på den måde, at et apparat til at sende og modtage laserlys, som ligner et stereoanlæg fra 90’erne, sender laserlys gennem fiberoptiske kabler (dvs. uden metal) og ind i fire sensorer placeret inde i skanneren.

Inde i sensorerne passerer lyset igennem en lille glasbeholder, der indeholder en cæsium-gas, som ved de rigtige lysfrekvenser absorberer lyset.

”Når laseren har den helt rigtige frekvens, mens den passerer gennem gassen, opstår der resonans mellem lysets bølger og cæsium-atomernes elektroner. Men ved hvilken frekvens - eller bølgelængde – det sker, ændrer sig, når gassen udsættes for et magnetfelt.  På den måde kan vi måle styrken af magnetfeltet ved at finde ud af, hvor den rette frekvens ligger. Det sker helt automatisk og lynhurtigt af modtager-enheden”, forklarer forskeren.

Når forstyrrelser i MR-skannerens ultrakraftige magnetfelt finder sted, kortlægger Hans Stærkinds prototype således, hvor i magnetfeltet det sker og med hvilken styrke, feltet har ændret sig. I en nær fremtid kan det betyde, at forstyrrede og fejlbehæftede skanningsbilleder efterfølgende kan rettes til - ud fra den data, sensorerne har opsamlet, så billederne alligevel bliver korrekte og fuldt ud brugbare.

Innovation med kommercielle udsigter - når data er på plads

Prototypen står i dag på MR-forskningssektionen på Hvidovre Hospital. Og det var faktisk også her ideen i sin tid opstod.

”Den oprindelige ide stammer fra min vejleder i forskningssektionen her på Hvidovre, Esben Petersen, som desværre ikke er iblandt os mere. Han kunne se et kæmpe potentiale i at udvikle en sensor baseret på lasere og gas, der ville være i stand til at måle magnetfelterne uden at forstyrre dem,” fortæller Hans Stærkind.

Med hjælp fra kvantefysikere ved Niels Bohr Institutet, herunder professor Eugene Polzik, udviklede Hans Stærkind ideen til en egentlig teori. Den teori har Hans Stærkind nu omsat til praksis med sin prototype.

”Prototypen er designet sådan, at den allerede nu er velegnet i hospitalssammenhænge som et robust og velfungerende instrument. Og indtil videre har vores tests vist, at den virker, som den skal. Man kan forestille sig, at den her opfindelse en dag kan integreres direkte i nye MR-skannere,” siger Hans Stærkind.

Nu skal prototypen videreudvikles, så målingerne bliver endnu mere præcise

”Vi skal samle data ind og finjustere, så den løbende bliver et bedre og bedre værktøj til at finde fejl i skanninger. Derefter skal vi i gang med det spændende arbejde med at rette fejlene i MR-billederne, og finde ud af i hvilke situationer og hvilke typer skanninger vi kan gøre en væsentlig forskel, med vores sensor,” siger forskeren.

Ifølge Hans Stærkind er målgruppen for hans sensor i første omgang forskningsenheder inden for MR-området. Samtidigt håber han dog, at en de store virksomheder, der producerer MR-skannere, får øjnene op for den nye teknologi på lidt længere sigt.

”Når prototypen er blevet finpudset i en version 2.0 og har dokumenteret sine kvaliteter med masser af data fra egentlige skanninger her på hospitalet, så må vi se. Den har i hvert fald potentiale til at forbedre MR-skanninger på en måde, som er unik, og som kan komme både læger og ikke mindst patienter på hospitalerne til gavn” lyder det fra forskeren.

*

Ekstra info: Fakta om MR-skannere

Selvom de har eksisteret siden 1977, er MR-skannere stadig blandt sundhedsvæsnets mest avancerede apparater. Faktisk er alt fra kvantemekanik, superledende magneter og avanceret matematik og datalogi en forudsætning for at de virker.

Grundlæggende består apparaterne af kæmpe magnet, hvis magnetiske kraft er så stor, at den kræver nedkøling til minus 269 grader for ikke at gå op i røg – bogstaveligt talt. Det klares blandt andet med flydende helium og gør maskinens primære magnet superledende.

Det vil sige at den elektricitet, der driver elektromagnetismen ingen modstand har, og konstant løber i et lukket kredsløb uden tilførsel af elektricitet. MR-skanneres relativt store energiregning går primært til afkølingen.

Indeni befinder sig yderligere en række elektromagneter, der kan bruges til at styre magnetfeltet, så man kan se ind i bestemte dele af kroppen og gøre det i forskellige vinkler. 

Magnetfelterne er så kraftige at sikkerhedsafstanden for bæltespænder, mønter og andre metalgenstande er i et helt andet rum end maskinen. Faktisk har der i tiden løb været en del ulykker med MR-skannere, fordi magnetismen er så kraftig, at den kan løfte eksempelvis en kørestol og slynge den mod sig - uanset hvad eller hvem, der står i vejen. Følger man de nødvendige sikkerhedsforanstaltninger, er der til gengæld ikke nogle kendte risici ved selve MR-skanningen.

Skannerens stærke magnetfelt tvinger protoner i kroppens vandmolekyler – der selv er en slags magneter, der kaldes spins - til at rette sig, så de flugter med magnetfeltet. Radiobølger sendes derefter gennem patienten, som spinner protonerne ud af den ligevægt midlertidigt. Når de igen søger tilbage i ensretning, frigives energien igen i radiobølger, der kan måles.

Det kaldes magnetisk resonans (MR) og kan ved hjælp en computer bruges til at danne millimeterpræcise 3D-billeder af en patient på kryds og tværs, på alle leder og kanter.

Fakta: Sådan fungerer det

Fire sensorer fordeles i MR-skanneren. Én forbliver uden for magnetfeltets rækkevidde og fungerer som kontrol.

Laserlys inde i sensorerne med bestemte lysfrekvenser passerer igennem en lille glasbeholder, med cæsium-gassen.

Laserens frekvens skaber resonans i cæsium-atomernes elektroner. Det dæmper lyset, i en grad der kan registreres.

Udsættes gassen for et magnetfelt ændrer den udløsende frekvens sig afhængigt af magnetfeltets styrke.

Udsving i MR-skannerens magnetfelt kan således registreres og data kan efterfølgende afsløre fejl i MR-skanningen.

Fakta: Resonans

I Tintin får operasangerinden, Bianca Castafiore et en glas til at splintres ved at ramme resonansfrekvensen. Alting har en bestemt frekvens, som det godt kan lide at vibrere – eller svinge ved.

Har man som barn fået en gynge i bevægelse ved at læne sig frem og tilbage er det også resonansfrekvensen man har gjort brug af. Når noget resonerer forstærkes svingningerne nemlig.

Sender man lys ind i en gas vil det passere lige igennem - medmindre det har den helt rigtige frekvens. Ved en bestemt frekvens bliver lyset absorberet, fordi det svinger ved samme frekvens som elektronerne i gassens atomer.

Elektronerne svinger mere og mere, mens de absorberer energien, og lyset genudsendes derefter i alle retninger, når elektronerne falder tilbage på plads.

Betragter man det vil man kunne se at strålen dæmpes og gasdampen lyser op.

Altså resonans er, når man rammer den naturlige frekvens for et system, så det svinger med, og den frekvens kalder man resonansfrekvensen.

Om projektet: en del af et nyt forskningscenter

MR-sensoren forsætter sin videreudvikling som del af forskningscenteret, Copenhagen Center for Biomedical Quantum Sensing, der er finansieret af Novo Nordisk Fonden og ledes af professor Eugene Polzik.

Prototypen afprøves i samarbejde med MR-forskningssektionen på Hvidovre Hospital (Danish Research Centre for Magnetic Resonance), https://www.drcmr.dk

Bag forskningen:

Forskningsprojektet bag udviklingen af prototypen, blev til med bidrag fra følgende forskere:

Fra Niels Bohr Instituttet, Københavns Universitet:
Hans Stærkind
Kasper Jensen
Jörg H. Müller
og Eugene S. Polzik

 Fra MR-Forskningssektion, Hvidovre Hospital:
Vincent O. Boer 
og Esben T. Petersen