
La obtención de imágenes por partículas magnéticas (MPI) es una modalidad emergente de obtención de imágenes médicas con potencial de alta sensibilidad y resolución espacial. Desde su introducción en 2005, los investigadores han construido numerosos sistemas de MPI preclínicos para estudios con animales pequeños. Pero la MPI a escala humana sigue siendo un desafío pendiente. Ahora, un equipo dirigido por el Centro de Imágenes Biomédicas Athinoula A Martinos Ha construido un sistema MPI a escala del cerebro humano como prueba de concepto y ha demostrado su potencial para la neuroimagen funcional.
La MPI funciona visualizando nanopartículas de óxido de hierro superparamagnéticas inyectadas (SPION). Las SPION presentan una respuesta no lineal a un campo magnético aplicado: en campos bajos responden de manera aproximadamente lineal, pero en campos de mayor intensidad, la respuesta de las partículas se satura. La MPI aprovecha este comportamiento creando un gradiente de campo magnético a lo largo del espacio de imagen con una línea libre de campo (FFL) en el centro. Las señales solo las generan las SPION no saturadas dentro de la FFL, que se puede escanear a través del espacio de imagen para mapear la distribución de las SPION.
Primer autor Eli Mattingly y sus colegas proponen que la MPI podría ser de particular interés para obtener imágenes de la dinámica del volumen sanguíneo en el cerebro, ya que puede medir la distribución local de nanopartículas en la sangre sin una señal de fondo que interfiera.
“En el cerebro, el trazador permanece en la sangre, por lo que obtenemos una imagen de la distribución del volumen sanguíneo”, explica Mattingly. “Se trata de un parámetro fisiológico importante para mapear, ya que la sangre es vital para el metabolismo. De hecho, cuando se utiliza una zona del cerebro para una tarea mental, el volumen sanguíneo local aumenta aproximadamente un 20 % en respuesta, lo que nos permite mapear la actividad cerebral funcional mediante imágenes dinámicas del volumen sanguíneo cerebral”.
Reescalar el escáner
Los investigadores comenzaron por definir los parámetros necesarios para construir un sistema MPI a escala del cerebro humano. Un dispositivo de este tipo debería ser capaz de obtener imágenes de la cabeza con una resolución espacial de 6 mm (como se utiliza en muchos estudios de neuroimagen funcional basados en resonancia magnética) y una resolución temporal de 5 s durante al menos 30 minutos. Para lograrlo, reescalaron su generador de imágenes existente del tamaño de un roedor.

El escáner resultante utiliza dos imanes permanentes opuestos para generar la FFL y bobinas de desplazamiento electromagnéticas de alta potencia, que comprenden bobinas internas y externas a cada lado del cabezal, para barrer la FFL a lo largo del mismo. Los imanes crean un gradiente de 1.13 T/m, suficiente para lograr una resolución de 5 a 6 mm con SPION de alto rendimiento. Para crear imágenes 2D, un pórtico mecánico hace girar los imanes y las bobinas de desplazamiento a 6 RPM, lo que permite obtener imágenes cada 5 s.
El sistema MPI también incorpora una bobina de accionamiento de 26.3 kHz refrigerada por agua, que produce el campo magnético oscilante (de hasta 7 mTpico) necesarios para que los SPION entren y salgan de la saturación. Una bobina receptora basada en gradiómetro se coloca sobre la cabeza para registrar la respuesta de los SPION.
Mattingly señala que este cambio de escala no fue nada sencillo, ya que muchos parámetros se escalan con el volumen. del orificio de toma de imágenes. “Con un orificio unas cinco veces más grande, el volumen es unas 125 veces mayor”, afirma. “Esto significa que la electrónica de potencia requiere de uno a dos órdenes de magnitud más de potencia que los sistemas MPI del tamaño de una rata, y las bobinas receptoras son simultáneamente menos sensibles a medida que se hacen más grandes”.
Evaluación del desempeño
Los investigadores probaron el rendimiento del escáner utilizando una serie de fantasmas. Primero evaluaron la resolución espacial mediante la obtención de imágenes de tubos capilares de 2.5 mm de diámetro llenos de Synomag SPION y espaciados entre 5 y 9 mm. Reconstruyeron imágenes utilizando un algoritmo de reconstrucción inversa de Radon y una reconstrucción iterativa de modelo directo.
El sistema demostró una resolución espacial de aproximadamente 7 mm con la reconstrucción inversa de Radon, que aumentó a 5 mm con la reconstrucción iterativa. El equipo señala que esta resolución debería ser suficiente para observar cambios en el volumen sanguíneo cerebral asociados con la función cerebral y después de lesiones cerebrales.
Para determinar el límite de detección práctico, los investigadores tomaron imágenes de muestras de Synomag con concentraciones de 6 mgFe/ml a 15.6 µgFe/ml, respetando un límite de aproximadamente 1 µgFeBasándose en este resultado, predicen que la MPI debería mostrar materia gris con una relación señal-ruido (SNR) de aproximadamente cinco y vasos sanguíneos grandes con una SNR de aproximadamente 100 en una imagen de 5 s. También esperan detectar cambios durante la activación cerebral con una relación contraste-ruido de más de uno.
A continuación, cuantificaron el campo de visión de las imágenes del escáner utilizando un fantasma en forma de G lleno de Synomag a una concentración similar a la de la sangre. El campo de visión tenía un diámetro de 181 mm, suficiente para abarcar la mayoría de los cerebros humanos. Por último, el equipo monitoreó la estabilidad de la corriente de excitación durante 35 minutos de imágenes continuas. A un campo de excitación de 4.6 mTpicoLa corriente se desvió menos del 2 %. Como esta desviación fue suave y lenta, debería ser fácil separarla de los cambios de señal más grandes esperados de la activación cerebral.
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Los investigadores concluyen que su escáner (el primer escáner MPI basado en FFL, con rotación mecánica y del tamaño de una cabeza humana) ofrece una resolución espacial, una resolución temporal y una sensibilidad adecuadas para la neuroimagen funcional humana. Y siguen mejorando el dispositivo. "Actualmente, el grupo está desarrollando hardware para permitir estudios como bobinas receptoras específicas de la aplicación para preparar el escáner para la neuroimagen funcional humana". in vivo experimentos”, dice Mattingly.
Actualmente, la sensibilidad del escáner está limitada por el ruido de fondo de los amplificadores. El equipo prevé que mitigar dicho ruido podría aumentar la sensibilidad 20 veces, lo que podría proporcionar una mejora de un orden de magnitud con respecto a otros métodos de neuroimagen humana y permitir la visualización de los cambios hemodinámicos tras la actividad cerebral.
El sistema MPI se describe en Física en Medicina y Biología.
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- Fuente: https://physicsworld.com/a/magnetic-particle-imaging-designed-for-the-human-brain/