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史上最强核磁共振扫描仪

Nov 20, 2018 No Comments

史上最强核磁共振扫描仪1

这是澳大利亚昆士兰大学(University of Queensland in Australia)使用7个特斯拉的场强,做出的大脑血管核磁图像,如图中橙色所示。

 

在大脑非侵入式成像方面,科研人员又更进了一步。

去年12月的一个清晨,在美国明尼阿波利斯市,一位男士走进了明尼阿波利斯大学磁共振研究中心(University of Minnesota’s Center for Magnetic Resonance Research),他准备接受史上最强大的核磁共振成像仪对他身体的扫描,在此之前,这里只对猪做过同样的试验。

他先换上病号服,然后接受检查以确认身体并未携带戒指、耳环、金属植入物和起搏器等任何金属物品。因为这些金属物品在10.5个特斯拉(相当于波音737飞机的三倍多)的巨大磁场下(这个场强比目前临床上使用的最强的核磁共振成像仪还要高出50%以上)都会被立即吸出。前几天,这位男士已经接受过一系列基础测试,比如平衡觉测试,以确保他在如此强大的磁场里,万一出现了头晕、昏眩等情况,能够立即感知。这是一个四米长的管状机器,周围被110吨的磁体和600吨的铁屏蔽层环绕,对他的髋部进行了大约一个小时的成像之后,通过其中最薄的软骨图像,我们就可以了解这台磁共振仪的分辨率究竟有多高了。

该中心的负责人Kamil Ugurbil为了这一天,已经等待了好多年。这台设备之所以一直没有投入使用,是因为缺少其中需要用到的液氦(liquid helium)。在2013年的一个冬天,这台仪器最终组装完成,然后又花了4年进行动物实验,最终Ugurbil等人才迎来了第一位“客人”。不过他们还是无法预计试验结果。但是当他们看到图像之后,证明了等待终究是值得的,他们清晰地看到了髋臼(hip socket)里薄薄的软骨的细微结构。
这是一台价值1400万美元的磁共振仪,今天,医院里通常使用的磁共振仪都是1.5T或3T的。尽管如此,超高场强的磁共振仪也在迅速地增多。比如世界上已经有几十家实验室里都安装了7T的磁共振仪,而且就在去年,美国和欧洲的医院里也都首批安装了这种设备。而最极致的,就要数那3台可用于人体的,场强超过10T的磁共振仪了。除了我们刚刚介绍过的美国明尼阿波利斯大学磁共振研究中心里的那台之外,科研人员们正在准备另外2台场强可达11.7T的磁共振仪,准备首次用于人体检测。其中一台位于法国巴黎郊外法国原子能委员会下属Saclay研究所的NeuroSpin研究中心(NeuroSpin Centre at CEA Saclay outside Paris),这台仪器主要用于人体全身扫描,另外一台稍小一些的则属于美国国立卫生研究院(NIH),主要用于人体脑部扫描。德国、中国和韩国等国则正在筹建14T的磁共振仪,用于人体扫描。

这些超高场强磁共振仪的优势也非常明显。它们的信噪比更好,分辨率更高,扫描成像速度更快。3T的磁共振仪在进行脑成像时,分辨率可以达到1毫米。而7T的磁共振仪在进行脑成像时,分辨率则可以达到0.5毫米,这就足以分辨人体大脑皮质区里的功能单位(functional units),甚至还有可能让我们有机会了解活体大脑神经元细胞之间的信息流动情况。而更高场强的磁共振仪则有可能让我们的研究能力进一步翻倍。

但是建造这么高场强的磁共振仪也存在很大的挑战。仪器越大,价格也就越贵,需要的科技水平也越高,当然,也需要考虑安全性问题。科研人员表示,在脑科学研究领域和临床应用领域,这些7T的设备已经为我们提供了很多有价值的信息。有了这些高精尖设备的帮助,临床医生们可以更精确地在患者的脑部植入刺激电极,进行治疗,也可以更早地发现骨关节炎(osteoarthritis)等疾病。

有了这些磁共振仪,我们还可以看到更多的细节信息,而这些信息以前只有在用显微镜观察尸检组织切片时才能获得。加拿大西安大略大学Robarts研究院(Robarts Research Institute at Western University in London, Canada)的神经影像学家Ravi Menon表示,这些设备给我们打开了一扇窗,我们终于可以观察到活体的脑部情况了。

 

如果是你建造了这些机器

自从上世纪七十年代中期出现了第一台人体磁共振仪之后,磁共振技术的具体工作机制至今还没有发生改变。其核心还是那个管状的超导磁体(superconducting magnet)。这个超导磁体能够形成一个稳定的电磁场,使水分子里的质子排列整齐。然后,磁共振仪里的线圈会发射无线电波,使质子的磁场发生扰动。无线电波停止发射之后,质子就会释放出能量,发射出微弱的无线电回波,接收线圈检测到这些回波之后,就会形成图像。

磁场越强,就会有越多的质子整齐排列起来,它们与其它未参与排列的质子之间的区别就会更加明显,这就极大地改善了信噪比。但是,磁场强度的每一次增加都会带来不确定性。据位于美国佛罗里达州的美国国家强磁场实验室(US National High Magnetic Field Laboratory in Tallahassee, Florida)的Victor Schepkin介绍,在磁共振仪刚刚出现时,很多人都认为0.5T的场强已经是极限了。大家认为,活体组织的离子电导率(ion conductivity)会阻碍无线电波的穿透能力,无法观察到深部的组织情况。可是到了上世纪八十年代,临床上出现了1.5T的磁共振仪,到了2002年,又出现了3T的磁共振仪。甚至早在1999年,就有人做出了第一台7T的科研用磁共振仪。

从3T到7T,经历了很多挑战。比如生物学的副作用,虽然持续时间不长,但是也变得更加的明显,比如患者会出现眩晕等情况。还会出现金属味觉、眼冒金星、眼球震颤等不良反应。

被观察组织的温度也会升高。因为质子在强磁场下会产生共鸣,而且在超高磁场下必须使用波长更短、能量更强的无线电波,才能让磁场内的质子发生扰动。人体组织就会在这些能量场下吸收更多的能量,进一步被加热。为了避免这种热效应对人体造成的损伤,并且获得更高质量的图像,我们就必须尽可能地将这些能量限制住。科研人员已经发明了好几种方法来解决这个问题。比如美国纽约大学医学院(New York University School of Medicine)的肌肉放射学家Gregory Chang就介绍了一种方法,用一个个单独可调的发射器在患者四周围绕成环状设备,来发射脉冲。

更高的分辨率也是一件好坏掺半的事情,因为这就意味着磁共振仪的灵敏度更高,哪怕患者一点点微小的移动也会影响成像。虽然人体的呼吸、心跳等规律的重复动作是可以通过计算机来校正的,但是据Menon介绍,7T及更强的磁共振仪都会面临一个最大的问题,那就是大脑的不自觉活动,这个问题在以前的低分辨率磁共振仪上是不存在的。比如我动动我的脚趾头,我的大脑也会跟着动,因为它们之间通过神经连着。幸亏有心跳,大脑的活动也是有规律的,其幅度大约在0.5~1毫米左右。解决这些问题就是他们未来工作的方向。

虽然存在上述这些挑战,但是科研人员都认为,7T的磁共振仪也是用处极大,至少已经能够让我们观察到活体脑组织的细节结构信息,其分辨度已经达到了1毫米以下。德国马克普朗克生物控制研究所磁共振中心(magnetic-resonance centre at the Max Planck Institute for Biological Cybernetics in Tübingen, Germany)的主任Klaus Scheffler表示,这个被神经学家重视的介观水平(mesoscopic scale),在以前只有脑外科医生能够看到,但是有了7T磁共振仪之后,我们不用打开人体的大脑,就能看到这些信息了。

虽然大脑皮质的结构分为六层,但只有最外侧的那3毫米皮质区才与人类高水平的认知功能有关。大脑皮质区的每一层都有特定的功能,比如有的负责接受其它脑区传来的信息,有的专门负责处理信息,还有的则负责将处理好的结果传递给其它脑区。有了7T的磁共振仪之后,科研人员就能够观察每一个区域的活动,了解信息在大脑内的整个处理流程。对于1.5T或3T的磁共振仪,这就是一个巨大的飞跃,过去我们只知道A区和B区相关,但是并不知道它们之间的信息是如何流动的。

已经有一些科研人员开始利用这些设备,对人体活动和说话时的脑活动开展研究了,结果已发现大脑不同层次的活动是如何影响大脑不同功能区的相关工作的(S. J. D. Lawrence et al. NeuroImage http://doi.org/cwbr; 2017)。Menon表示,现在我们知道,区域A不仅与视觉功能相关,同时还会受到注意力、情绪、记忆等多方面的影响。如果通过动物实验,是很难回答这些问题的。很明显,动物是无法像人类一样思考,以及用语言来表达的。现在,借助7T磁共振仪的帮助,我们终于可以描绘出一幅清晰的人体记忆图画了。

科研人员还希望更多地了解大脑功能柱(columnar)的组织情况。我们一直认为,大脑皮质柱(Cortical columns)主要负责处理各种刺激信号,比如物体的方向等,但是学界对此还有相当大的争议。大脑皮质柱大约500微米的长度,足以穿透多个大脑皮质层,可以起到沟通各层的作用。如果借助磁共振仪对大脑皮质柱的活动进行研究,就可以了解不同神经元的工作情况。这将是振奋人心的一项成果,因为过去磁共振仪的一大缺陷就是无法直接检测神经元的活动情况。

 

史上最强核磁共振扫描仪2

2013年运送到美国明尼苏达大学的10.5T磁体。

 

参与了人类大脑连接组项目(Human Connectome Project )的Ugurbil 表示,7T的磁共振仪还可以让我们更好地检测大脑联系。人类大脑连接组项目的主要工作就是绘制出人体大脑里所有神经元之间的联系,他们已经使用3T和7T的磁共振仪对184人进行了大脑扫描。结果发现,当使用7T磁共振仪时,会发现更多的神经元联络。Ugurbil 指出,但是如果说要将这些神经元联络应用于预测或研究人体疾病方面,目前还为时尚早。

不过Ugurbil 认为,这些设备已经表现出在临床诊断和治疗方面的应用潜力。比如应用于深部脑刺激(Deep-brain stimulation )——一种用于治疗帕金森氏病的手段,因为做这种治疗需要在患者的脑内深部的基底核(basal ganglia)底丘脑核(subthalamic nucleus)部位植入刺激电极。磁共振图像就是帮助外科医生定位的好帮手。据Ugurbil 介绍,在过去使用1.5T或3T的磁共振仪时,就感觉有点像钓鱼,如果第一次把电极放错了,就只能拔出来重放,这就增加了组织损伤和出血的机会。可是有了7T的设备之后,就可以避免这个问题了。你只要能清楚地看到底丘脑核,就可以将电极插进去了。

使用7T的磁共振仪还可以发现与多发性硬化症(multiple sclerosis )有关的症状和病情进展信息。目前已经有药物可以延缓这种疾病对患者运动功能的损伤,因此,患者的预期寿命也会延长,于是相应出现的认知问题和生活质量问题就摆在了我们面前,必须去面对。Menon表示,现在,很多多发性硬化症患者都表示存在注意缺陷多动障碍(attention deficit hyperactivity disorder)样症状。以前,他们都没有注意到这个问题,也不知道为什么会出现这个问题。有了7T的磁共振仪之后,Menon课题组在这些患者大脑里之前没有注意过的区域发现了一些新的病损,比如背外侧前额叶皮质区(dorsolateral prefrontal cortex),而这个区域就是与执行功能和注意力有关的。可是在以前,我们很难观察到这个区域。这些病损也有可能与多发性硬化症患者的认知障碍有关。目前,Menon正在参与一项研究项目,以了解认知功能障碍与这些病损位置之间的关系。

如果不需要那么高的分辨率,临床医生也可以利用这些超级设备进行快速检测,比如只需要几秒钟就可以完成检查,而不是以往的几分钟,或者几小时。对于患者来说,这也是非常有意义的,因为这可以极大地提升患者的舒适度。

除此之外,科研人员还可以把目光移到水分子之外。有了7T甚至更高场强的磁共振仪,不仅可以检测质子,还可以检测钠(sodium)、钾(potassium)、磷(phosphorus )、氟(fluorine)等多种更重的元素。这些元素与质子相比,都是对磁共振更加不敏感的。

Chang已经使用美国纽约大学的7T磁共振仪对钠元素的生化改变进行了研究,以预测骨关节炎疾病。他们发现,骨关节炎初期患者软骨里的钠离子浓度会降低,但是软骨的结构并没有发生改变。其他几个科研小组也都在小规模研究里得到了相似的结果。Chang希望这个方法可以帮助我们早期发现问题,进而及早干预,防止患者的生活质量受到影响。另外一方面,也可以更快速地开展临床试验,因为又多了一项骨关节炎的早期预测因子。

 

7T之后

目前,世界上最强的磁共振仪就是美国国家强磁场试验室里那台21.1T的设备了。不过这台设备的直径只有10.5厘米,所以不可能用于人体检测。他们实验室的Schepkin等人主要用这台设备对小动物进行试验。比如对大鼠脑肿瘤里的钠离子浓度进行检测,结果发现,肿瘤里钠离子的水平可以预示化疗药物的效果(V. D. Schepkin et al. Magn. Reson. Med. 67, 1159–1166; 2012 )。

据Schepkin介绍,最开始,他们也对使用这台设备做这些研究有过一些犹豫。因为他们实验室有一条规定,就是没有人可以单独在磁体边工作。不过现在这条规定已经改为靠近磁体时不能携带金属了。

光是准备用这台磁共振仪做动物实验,就需花费几年,这不是一台商用设备。当然,其它10T以上的磁共振仪在开展人体实验时也都有差不多的经历。比如NIH现在就正在等待他们的11.7T的设备到位。据NIH的一位研究人员介绍,这台仪器在2011年运抵之后,他们已经对其中的零部件进行了快速的开关测试,结果引得磁体过热,损坏了部分线圈,只得等待生产商重造一台,预计明年可以交货。法国NeuroSpin中心的那台11.7T的磁共振仪直径达到了5米,在去年5月已交付使用,预计将在2022年得到首幅人体活体大脑扫描图像。

Ugurbil在2017年的8月获得了FDA的批准,可以用10.5T的磁共振仪对20名成年人进行扫描研究(本文最开头介绍的那个志愿者就是第一例)。他计划在几个月之后,开展人体大脑扫描成像研究。他们目前开展这些实验的目的并不是为了回答什么生物医学问题,而是为了了解实验的安全性,以及是否存在副作用。不过产生的图像还是让大家大为振奋的。目前,Ugurbil正在参与讨论一个人体20T磁共振研究项目。

这些磁共振设备的热效应将会是一个大问题。很多研究人员都认为,当场强超过14T之后,就可能会使神经传导速度降低,刺激外周神经,或者损伤DNA,不过Schepkin表示,他们在21.1T的动物实验中还没有观察到这些情况。Scheffler认为,场强的大小一定有一个限度,一旦超过了那个阈值,就会对人体造成损伤。他不相信可以不断地增加磁共振仪的场强。

 


原文检索:
Anna Nowogrodzki. (2018) THE STRONGEST SCANNERS. Nature, 563:24-26.
Eason/编译

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