Anonim

Pemindai MRI seluruh tubuh yang kompak dalam pertimbangan untuk ISS

Ilmu

Brian Dodson

26 Oktober 2012

10 gambar

Sebuah MRI di atas ISS akan lebih kecil dan lebih ringan dari rekan-rekannya yang terikat dengan Bumi seperti ini (Foto: Levent Konuk / Shutterstock)

Sekelompok insinyur multisentris yang dipimpin oleh Profesor Gordon Sarty sedang mengembangkan pemindai Resonansi Magnetik (MRI) kompak untuk tugas ruang angkasa. Tujuannya adalah untuk mendukung penelitian obat luar angkasa dan pemantauan kesehatan astronot yang diperlukan untuk misi ruang angkasa yang lebih lama dan lebih jauh. Pos pertama tugas akan berada di Stasiun Luar Angkasa Internasional (ISS), untuk memantau perubahan fisiologis yang terjadi selama misi jangka panjang. Sarty adalah Pejabat Ketua Teknik Biomedis di Universitas Saskatchewan.

Kedokteran Ruang Angkasa

Pengetahuan kita saat ini tentang obat ruang angkasa sebagian besar hasil dari 40 tahun pengalaman dengan pendudukan jangka panjang ISS dan stasiun ruang angkasa sebelumnya. ISS telah terus diduduki selama 14 tahun, dan tiga puluh orang masing-masing menghabiskan lebih dari satu tahun (rekornya 2, 2 tahun) di stasiun luar angkasa. Meskipun demikian, sebagian besar data tentang efek jangka panjang dari perjalanan ruang angkasa berasal dari studi pasca-penerbangan astronot yang kembali. Karena peralatan medis di atas ISS menawarkan sedikit lebih banyak kemampuan daripada kit pertolongan pertama yang lengkap, kemampuan dalam orbit untuk mengumpulkan atau memproses data medis sangat terbatas.

Perjalanan ruang angkasa menyebabkan sejumlah masalah medis yang diketahui, seperti kehilangan sebanyak 25 persen massa otot, kehilangan massa tulang 1 hingga 2 persen per bulan, melemahnya sistem kekebalan tubuh, dan efek yang terkait dengan lingkungan stres yang sangat tinggi. kendaraan luar angkasa. Tidak diragukan lagi, efek negatif lainnya akan dihadapi dalam misi yang lebih panjang.

Selama misi stasiun luar angkasa di masa lalu, telah ada tiga evakuasi yang didorong secara medis dari anggota awak ke Bumi. Tingkat yang diharapkan untuk misi jangka panjang yang melibatkan kolam astronot yang sangat sehat adalah sekitar satu evakuasi per seratus orang-tahun. Setelah Anda meninggalkan orbit rendah Bumi, bagaimanapun, tergantung pada kembalinya cepat ke Bumi untuk diagnosis darurat dan perawatan dengan cepat menjadi tidak praktis.

Pemindai MRI

Sebuah rumah sakit luar angkasa harus dilengkapi untuk melakukan penelitian tentang efek melemahkan perjalanan luar angkasa jangka panjang serta untuk menyediakan pemantauan diagnostik dan perawatan awak kapal. Salah satu bagian penting dari kemampuan diagnostik ini adalah sistem pencitraan medis yang layak. Kebutuhan akan pemantauan kesehatan yang sering dilakukan para astronot mengarah pada penggunaan teknik radiasi non-pengion seperti MRI untuk menghindari penambahan paparan radiasi ekstra pada lingkungan luar angkasa itu sendiri. Satu-satunya kandidat serius lainnya adalah pencitraan ultrasonik, tetapi metode pencitraan ini tidak mengidentifikasi jaringan atau menembus tulang, dan membuat seluruh tubuh memindai cobaan yang panjang dan sulit.

Sebuah scanner MRI tiga-Tesla konvensional, 3T Achieva oleh Philips (Foto: Kasuga Huang)

Pencitraan MRI seluruh tubuh ini bisa dibilang perbaikan paling penting dalam kedokteran diagnostik sejak penemuan x-ray lebih dari satu abad yang lalu. Pencitraan MRI tidak memerlukan penggunaan radiasi pengion. Jadi pemindai MRI dianggap sebagai standar emas untuk memantau kesehatan dan mendiagnosis masalah medis yang muncul. Di Bumi, bagaimanapun, biaya scan MRI yang sangat tinggi menyebabkan akses terbatas ke pemindai MRI untuk pemeliharaan kesehatan rutin. Pemindai yang lebih kecil, lebih sederhana, dan lebih murah dapat secara dramatis mengubah medan permainan di Bumi.

MRI bekerja dengan menggabungkan dua efek fisik yang memungkinkan kita untuk mengukur respon proton (inti atom hidrogen) ke medan magnet yang diterapkan, dan menggunakan teknik gradien untuk memilih voxel tertentu (piksel 3D) dari volume yang sedang dipindai. Gambar yang dihasilkan pada dasarnya adalah plot dari densitas atom hidrogen sebagai fungsi posisi di seluruh volume aktif dari imager tersebut. Untuk melaksanakan proses ini, pemindai MRI membutuhkan metode penyediaan medan magnet yang besar dan sangat seragam (biasanya 1-3 Tesla - Tesla sama dengan 10.000 gauss, dan kekuatan medan magnet Bumi sekitar setengahnya). gauss), dan metode untuk mengisolasi dan mengukur kerapatan proton di setiap voxel volume pemindaian.

MRI Konvensional dalam Ruang

Jalur yang diambil untuk menyelesaikan tugas di atas dalam pemindai MRI konvensional sulit dan berbahaya untuk digunakan dalam pemindai MRI seluruh tubuh berbasis ruang. Untuk mulai dengan, jejak fisik dari scanner MRI seluruh tubuh konvensional umumnya melebihi kemampuan bahkan kendaraan peluncuran terbesar yang tersedia. Selain itu, medan magnet untuk pemindai disediakan oleh magnet superkonduktor yang biasanya memiliki berat lebih dari sepuluh ton (beberapa pemindai MRI medan magnet sangat berat seberat 250 ton).

Magnet ini menggunakan sistem helium cair sirkulasi untuk mendinginkan gulungan magnet superkonduktor. Jika magnet memuaskan (secara spontan mendapatkan kembali ketahanannya), baik kerusakan magnet dan konversi sejumlah besar helium cair menjadi gas helium akan dihasilkan, kemungkinan diikuti dengan "pembongkaran" tiba-tiba dan katastropik dari sistem kriogenik. Kejadian seperti itu akan sangat mengganggu ekosistem dari setiap pesawat luar angkasa berukuran wajar.

Pemilihan voxel dilakukan dengan menggunakan medan magnet gradien yang berubah dengan cepat yang ditambahkan ke medan magnet seragam dari magnet utama. Untuk mengalihkan berbagai kumparan gradien di antara pola-pola gradien, bagaimanapun, membutuhkan pulsa-pulsa arus tinggi tegangan tinggi yang sangat besar. Ini adalah sumber dari bunyi keras yang Anda dengar selama pemindaian MRI - gulungan itu sendiri berputar dan membelok dengan efek medan magnet pada arus yang berubah dengan cepat. Memasok pulsa seperti itu juga mendorong kegagalan prematur dari kumparan elektron gradien - dengan cepat mengubah arus besar dan berhubungan dengan lonjakan tegangan transien terkait yang sulit pada elektronik, dan terutama sulit pada sirkuit solid-state.

Silinder Halbach

Untungnya, ada desain lain untuk pemindai MRI yang lebih sesuai dengan kendala ruang angkasa. Magnet superkonduktor besar, berat, dan berbahaya dapat diganti dengan susunan magnet permanen yang disebut a

Array Halbach.

Array Halbach awalnya dikembangkan untuk memfokuskan sinar partikel dalam akselerator berenergi tinggi. Adalah mungkin untuk membuat susunan silinder dari magnet permanen yang menghasilkan medan magnet yang sangat seragam di dalam lubang silinder, sementara hanya mengizinkan sebagian kecil dari medan magnet untuk berada di luar silinder Halbach. pertimbangan penting untuk pemindai MRI berbasis ruang. Karena material magnetik modern mampu menghasilkan medan lebih dari satu Tesla, silinder Halbach seperti itu cocok untuk digunakan dalam pemindai MRI.

Skema magnet kulkas, menunjukkan arah berputar dari domain magnetik dan medan magnet satu sisi yang dihasilkan darinya.

Kita semua akrab dengan array Halbach di arena yang tidak mungkin - dapur. Magnet kulkas adalah susunan Halbach satu dimensi. Ini adalah magnet menggunakan medan magnet berputar untuk menghasilkan arah magnetisasi berputar di strip magnet. Hasilnya adalah seolah-olah garis-garis medan dari satu sisi dipindahkan ke sisi yang lain, di mana kepadatan garis lapangan yang lebih besar setara dengan medan magnet yang lebih besar. Ini kadang-kadang disebut magnet satu sisi. Anda dapat menguji ini sendiri dengan mencoba menempel dua magnet kulkas dari belakang ke belakang - mereka hampir tidak akan menarik satu sama lain. Anda mungkin juga memperhatikan bahwa ketika dua magnet berorientasi depan ke depan, mereka mungkin menolak ditempatkan tepat di atas satu sama lain, dan akan tetap dengan offset pada sumbu panjang mereka. Jarak offset adalah setengah jarak rotasi lengkap arah magnetisasi.

Simulasi komputer medan magnet silinder Halbach terdiri dari empat pasang magnet permanen, masing-masing pasangan memiliki orientasi magnetik yang berbeda dari pasangan lainnya (Gambar: Zureks)

Seperti ditunjukkan di atas, besarnya medan magnet lokal pada silinder Halbach konstan di mana-mana pada silinder. Namun, orientasi berubah sehingga menghasilkan medan magnet yang diperkuat dan seragam di dalam lubang silinder, sementara hanya medan magnet kecil yang muncul di luar silinder. Sifat terakhir ini penting untuk pemindai MRI berbasis ruang, karena sebagian besar desain pesawat ruang angkasa memerlukan lingkungan elektromagnetik yang bersih. Meskipun medan magnet dalam lubang silinder tidak sepenuhnya seragam dalam contoh di atas, keseragaman dapat sangat meningkat menggunakan shims magnetik untuk memindahkan garis medan di sekitarnya.

Prototipe Halstein silinder Sarty kelompok, digunakan terutama untuk mempelajari teknik shimming untuk meningkatkan homogenitas medan magnet di lubang silinder (Foto: University of Saskatchewan)

Silinder Halbach yang dibangun oleh proyek Compact MRI untuk pengujian laboratorium terbuat dari magnet permanen langka-bumi. Silinder memiliki volume 0, 75 m 3, dibandingkan dengan volume sekitar lima hingga sepuluh meter kubik untuk magnet MRI konvensional.

Kekuatan medan lubang silinder adalah 0, 15 tesla, meskipun medan magnet di luar permukaan luar melengkung dari silinder magnetik hanya 0, 2 persen dari nilai itu (sekitar 60 persen dari bidang Bumi) pada jarak 7 cm (2, 75 inci). ) dari permukaan silinder. Medan magnet dalam lubang bisa ditingkatkan menjadi sekitar satu tesla melalui pemilihan yang tepat dari bahan magnet dan strukturnya di dalam silinder. Dengan struktur yang dioptimalkan, magnet serupa untuk aplikasi MRI ruang diproyeksikan beratnya kurang dari 700 kg (1540 lbs) - jauh dari 10 atau lebih ton magnet MRI konvensional.

Voxel populi

Gambar MRI sendi lutut dan pergelangan tangan diambil menggunakan metode gradien fase TRASE RF (Foto: University of Saskatchewan)

Sebuah pengganti untuk pendekatan gradien medan magnet untuk mengukur densitas proton dari satu voxel juga akan sangat bermanfaat untuk pemindai MRI berbasis ruang. Sarty dan kelompoknya menggunakan pendekatan yang baru-baru ini dikembangkan untuk pengukuran voxel yang disebut TRansmit Array Spatial Encoding (TRASE).

Metode TRASE menawarkan alternatif untuk pencitraan MRI berbasis-gradien. Gradien masih diterapkan pada tubuh dalam volume pencitraan, tetapi gradien fase RF daripada gradien medan magnet itu sendiri. Ingat, fase tegangan RF memberitahu Anda di mana dan kapan tegangan mencapai puncaknya di setiap siklus. Dalam metode TRASE, kumparan RF membalik diganti dengan kumparan RF yang menghasilkan lapangan dengan fase bervariasi secara spasial. Daya yang sangat sedikit diperlukan untuk menggeser gradien fasa dari radiasi flipping RF daripada menggeser gradien spasial berskala besar.

Ide dasar dari TRASE adalah bahwa volume pemindaian dikenai pulsa RF yang fasenya berubah seiring waktu. Pulsa ini secara berurutan membangkitkan voxel volume pemindaian, sedangkan pulsa yang sama rata-rata keluar untuk menghasilkan sinyal nol dari voxels lain dalam volume pemindaian. Ada banyak operasi paralel dalam TRASE, tidak disortir menggunakan tomografi, tetapi hasil akhirnya adalah menentukan kerapatan proton untuk setiap voxel dalam volume pemindaian. Prosedurnya jauh dari sempurna dan tidak sesederhana itu untuk diterapkan, tetapi TRASE telah berhasil digunakan untuk pemindai penelitian MRI oleh beberapa kelompok selama dekade terakhir.

MRI di luar angkasa?

The Canadarm2 adalah lengan manipulasi eksternal utama untuk ISS (Foto: NASA)

Kanada memiliki jatah ISS sebesar 50 kg (110 lbs) sebagai imbalan atas kontribusi mereka atas Canadarm2. Ini adalah tujuan Profesor Sarty untuk menggunakan peruntukan ini untuk menginstal pada ISS Compact MRI untuk studi lengan dan kaki. Ini akan memungkinkan studi rinci tentang perubahan degeneratif sendi dan tulang, transfer cairan antara bagian tubuh, dan penelitian lain yang saat ini tidak dapat dilakukan selama terpapar pada lingkungan ruang angkasa nol-g. Hasil dari usahanya belum diputuskan, tetapi tampaknya jelas bahwa di tahun-tahun mendatang umat manusia akan membutuhkan lebih banyak data medis yang relevan untuk ruang angkasa jangka panjang. Kenapa tidak mulai sekarang?

Sumber: American Institute of Aeronautics and Astronautics

Gambar MRI sendi lutut dan pergelangan tangan diambil menggunakan metode gradien fase TRASE RF (Foto: University of Saskatchewan)

Prototipe Halstein silinder Sarty kelompok, digunakan terutama untuk mempelajari teknik shimming untuk meningkatkan homogenitas medan magnet di lubang silinder (Foto: University of Saskatchewan)

Seperangkat dua dimensi kumparan gradien fasa RF untuk implementasi penyandian struktur ruang TRASE (Foto: University of Saskatchewan)

Skema magnet kulkas, menunjukkan arah berputar dari domain magnetik dan medan magnet satu sisi yang dihasilkan darinya.

Simulasi komputer medan magnet silinder Halbach terdiri dari empat pasang magnet permanen, masing-masing pasangan memiliki orientasi magnetik yang berbeda dari pasangan lainnya (Gambar: Zureks)

Konsep seniman Compact MRI sedang dikembangkan untuk mendukung spaceflight jangka panjang (Gambar: University of Saskatchewan)

Sebuah scanner MRI tiga-Tesla konvensional, 3T Achieva oleh Philips (Foto: Kasuga Huang)

Generasi radiasi spin-flip RF lemah selama pencitraan MRI (Gambar: Brian Dodson)

The Canadarm2 adalah lengan manipulasi eksternal utama untuk ISS (Foto: NASA)

Sebuah MRI di atas ISS akan lebih kecil dan lebih ringan dari rekan-rekannya yang terikat dengan Bumi seperti ini (Foto: Levent Konuk / Shutterstock)

Direkomendasikan Pilihan Editor