《科學》(Science)期刊最新的一篇報導<所有人的核磁共振成像>(MRI FOR ALL)介紹一款「便攜式低場掃描儀」(Swoop)，說它可以徹底改變富國和窮國的醫學成像——如果醫生接受它們。(Portable low-field scanners could revolutionize medical imaging in nations rich and poor—if doctors embrace them)
文 / 于思 綜合報導
病人是一名 70 多歲的男子，滿頭銀髮，躺在耶魯紐黑文醫院的神經重症監護病房 (neuro ICU) 中。看著他，你永遠不會知道幾天前他的腦垂體切除了一個腫瘤。手術沒有留下痕跡，因為按照標準，外科醫生通過他的鼻子到達腫瘤。他與一對研究助理愉快地聊天，他們來檢查他正在測試的一種新的、可能具有革命性的設備的進展情況。
便攜式磁共振成像 (MRI) 掃描儀Swoop誕生了
圓柱形機器高高聳立，可能是星球大戰機器人R2D2 的老大哥。其中一名研究人員小心翼翼地將 630 公斤重的自行式掃描儀引導到床頭，用操縱桿操縱它。研究人員抓住他的床單將他抬起，幫助他將頭輕鬆地放入 Swoop——一種由一家名為 Hyperfine 的公司製造的便攜式磁共振成像 (MRI) 掃描儀。
「你要耳塞嗎？」 第二位研究員 Vineetha Yadlapalli 問道。
「它和普通 MRI 一樣響亮嗎？」
「一點也不。」
「那我想我不需要它們。」
在支撐患者的雙腿以減輕背部的壓力後，Yadlapalli 讓機器開始工作，並從 iPad 上輸入一些指令。機器發出低沉的咆哮聲，然後發出嗶嗶聲並發出咔噠聲。幾分鐘之內，患者大腦的圖像就會出現在 Yadlapalli 的平板電腦上。有半個小時，男人靜靜地躺著，雙手交叉放在肚子上。他可能正在用老式吹風機梳理頭髮。在某種程度上，他是一位先驅，幫助將 MRI 帶到了前所未有的領域。
MRI 的定價150 萬美元， 70% 的人無法享用
在許多情況下，MRI 設定了醫學成像的黃金標準。第一個有用的 MRI 圖像出現在 1970 年代後期。十年之內，商業掃描儀在醫學界傳播開來，使醫生不僅可以對骨骼成像，還可以對軟組織成像。如果醫生懷疑您中風、長了腫瘤或膝蓋軟骨撕裂，他們可能會開 MRI 檢查。
如果你足夠幸運能夠得到一個，那就是。核磁共振掃描儀利用磁場旋轉活體組織中的原子核——特別是氫原子中心的質子——從而發射無線電波。為了產生場，標準掃描儀採用大型、強大的超導電磁體，使機器的成本達到 150 萬美元或更多，使 MRI 的定價超出了世界 70% 的人口的承受範圍。即使在美國，進行核磁共振成像也可能需要等待數天，並需要半夜開車去遙遠的醫院。病人必須來到掃描儀前，而不是相反。
便宜到足以讓 MRI 在全球範圍內普及
多年來，一些研究人員一直在努力製造使用更小的永磁體的掃描儀，這些永磁體由桌上玩具中常見的合金製成。它們產生的磁場大約是標準 MRI 磁鐵強度的 1/25，而標準 MRI 磁鐵曾經太弱而無法收集到可用的圖像。但是，由於更好的電子設備、更高效的數據收集和新的信號處理技術，多個小組已經在如此低的場中對大腦進行成像——儘管分辨率低於標準 MRI。結果是掃描儀小到可以滾到病人床上，而且可能便宜到足以讓 MRI 在全球範圍內普及。
這些機器標誌著技術上的勝利。美國國家標準與技術研究院的生物醫學工程師 Kathryn Keenan 正在測試 Hyperfine 掃描儀，他說：「通過測試的每個人都對它的工作印象深刻。」 有人說掃描儀還可以改變醫學成像。「我們有可能開闢一個全新的領域，」耶魯大學醫學院的神經學家 Kevin Sheth 說，他廣泛研究 Swoop，但對 Hyperfine 沒有經濟利益。「這不是『這會發生嗎？』的問題。」 這將是一件事。」
第一台獲得FDA批准的大腦成像低場掃描儀
2020 年 8 月，Swoop 成為第一台獲得美國食品和藥物管理局 (FDA) 批准的大腦成像低場掃描儀，醫生們正在耶魯紐黑文和其他地方對其進行臨床研究。其他設備緊隨其後。但諮詢公司 NeuvoMR, LLC 的創始人兼物理學家安德魯·麥克道爾 (Andrew McDowell) 警告說，目前尚不清楚分辨率較低的低場掃描儀是否有市場。「真正的挑戰是說服醫生開始使用它，」他說。「這非常困難，因為有充分的理由他們非常保守。」
MRI 掃描儀的工作方式與照相機完全不同；它實際上是一台收音機，可以調諧活體組織中的質子。就像一個微小的羅盤針，每個質子都具有磁性，並且通常質子隨機指向各個方向。但是，外部磁場可以使它們對齊。到那時，具有正確頻率和持續時間的無線電波脈衝可以使它們傾斜 90°。對齊的質子然後像陀螺儀一樣旋轉，發射它們自己的無線電信號，其頻率隨著場強而增加。
掃描儀可以推斷出每個切片的回波強度
那轉瞬即逝的單調無線電嗡嗡聲幾乎沒有透露任何信息。為了創建圖像，掃描儀必須區分來自身體不同部位的波。為此，它塑造了磁場，使不同位置的質子以不同的頻率和同步狀態唱歌。掃描儀還必須將一種類型的組織與另一種組織區分開來，這是通過利用無線電信號在不同組織中以不同速率衰減這一事實來實現的。
信號消失的原因之一是質子通過它們自己的磁場相互撞擊而失去對齊。這種情況發生的速度在脂肪腦物質和含水腦脊液之間是不同的。為了測量速率，掃描儀應用脈衝對。第一個脈衝產生一個信號，該信號隨著旋轉質子的方向呈扇形散開而逐漸減弱。第二個逆轉了大部分進化，引發了信號的迴聲。然而，質子-質子相互作用消除了這種迴聲。因此，掃描儀可以通過跟踪回波如何隨著兩個脈沖之間的延遲增加而縮小來測量它們的速率。
在一對接一對地施加脈衝時，掃描儀必須同時對來自大腦不同點的迴聲進行分類。為此，它依賴於在關鍵時刻施加的磁場梯度。例如，在從下巴到頭頂的回波期間應用的梯度使得通過頭部的不同側向切片中的質子以不同頻率輻射。在脈沖之間和整個頭部施加的梯度將使垂直切片中的質子在旋轉時向前或向後，這是一種「相位」差異，使來自某些切片的回波相互增強而其他切片相互抵消。通過改變梯度，掃描儀可以推斷出每個切片的回波強度。
經過多次重複，掃描儀收集了大量迴聲，其中強度隨延遲、頻率和相位而變化。一種標準的數學算法對它們進行解碼，生成一張質子-質子相互作用在整個大腦中如何變化的圖，形成一種類型的 MRI 圖像。其他脈衝序列探測其他組織特異性過程——例如質子擴散的速度有多快，這可以追踪流體流動。
標準掃描儀的磁鐵產生地球磁場的 30,000 倍
所有這些脈衝都解釋了為什麼 MRI 掃描需要時間以及為什麼 MRI 機器會發出嗶嗶聲、咔噠聲和嗡嗡聲。當機械應力使產生磁梯度的載流線圈發出嘎嘎聲時，這些聲音就會出現。Yadlapalli 說，技術人員僅憑這些聲音就可以判斷機器正在進行何種掃描。
通過更徹底地極化質子並產生更大的信號，更強的場使這一切變得更容易。標準掃描儀的磁鐵產生 1.5 特斯拉的磁場——是地球磁場的 30,000 倍——有些甚至達到 3 或 7 特斯拉。即便如此，指向 1.5 特斯拉場的質子數量僅比指向另一方向的質子多 0.001%。將場強降低 25 倍，極化隨之下降。信噪比下降得更多，下降了近 300 倍。
在病房內進行低場 MRI 還是很棘手的
原則上，低場掃描儀可以通過在較長時間段內獲取數據來從噪聲中提取信號——就像射電天文學家通過將他們的天線對準一顆恆星數小時或數天來從噪聲中篩選出微弱信號一樣。這種方法對人類不起作用，人類只能堅持這麼久。因此，在開發低場 MRI 時，研究人員必須找到更快提取數據的方法。
德國巴拉圭大學的神經工程師 Joshua Harper 說，一個關鍵因素是更好的硬件。「我們現在擁有非常快、非常便宜的電子產品，」他說。「這就是它起作用的真正原因。」 即便如此，在病房內進行低場 MRI 還是很棘手的。其他機器甚至牆壁中的金屬都會扭曲磁場，而來自其他設備的靜電會破壞無線電信號。因此，掃描儀採用了對策。例如，Hyperfine 的 Swoop 使用天線來測量無線電噪聲並將其消除，類似於降噪耳機阻擋聲音的方式。
新的掃描儀還將低場的一個方面轉化為它們的優勢，以更快地運行。為了操縱質子，高場掃描儀必須使用更高頻率、更高能量的無線電波，因此它只能在開始加熱患者之前以如此快的速度脈衝。Hyperfine 的聯合創始人、馬薩諸塞州總醫院的物理學家 Matthew Rosen 說，沒有速度限制，低場掃描儀可以更快地脈衝並使用更有效的脈衝序列。「我們可以非常非常迅速地審訊，做你在高場永遠做不到的事情。」
即便如此，以足夠快的速度收集數據以進行標準圖像重建仍然是一個挑戰。一種解決方案是採用新的信號處理技術，包括人工智能。Hyperfine 的首席醫療官兼首席戰略官 Khan Siddiqui 說，Hyperfine 的工程師使用一組訓練圖像來教授一個稱為神經網絡的程序，以從相對稀疏的數據中構建大腦圖像。「這就是我們的秘方所在。」
它已售出 100 多台，每台售價約 25 萬美元
與標準掃描相比，低場圖像看起來更模糊。儘管如此，物理學家還是看到了它的美麗。「這是一個令人難以置信的物理學成功故事，」羅森說。「不僅僅是我們這些尖頭的物理學家(偷懶)做一些沒人關心的事情。」 McDowell 說，這項技術證明了那些在該領域被遺忘的角落辛勤工作的人是正確的。「當建造 11 特斯拉的機器時，誰的頭腦正常會建造一台 65 毫特斯拉的機器？」
HYPERFINE 說它的 SWOOP 掃描儀有了一個非常光榮的開端。它已售出 100 多台機器，大部分在美國，每台售價約 25 萬美元。Siddiqui 說，目標不是取代高場掃描儀，而是擴展 MRI 的使用方式。「我們的便攜式掃描儀使 MRI 在時間和距離上更接近患者。」 Hyperfine 設想在神經 ICU 中使用它來快速評估病重或不穩定而無法使用傳統 MRI 或 CT 機器的患者，後者會產生一種 3D X 射線。
機器的鳴叫聲很柔和，甚至可以撫慰人心
Swoop 的磁鐵由兩個圓盤組成，可產生 64 毫特斯拉的磁場。從中掃描感覺與標準掃描截然不同。在傳統掃描儀中，自動工作台會將您身體滑入圓柱形磁鐵中。使用 Swoop，有能力的患者可以像在汽車保險槓下蠕動一樣快速進入磁鐵。一個頭盔狀的頭飾包含天線，緊貼著你的頭，它可能會碰到你的鼻子，但你的胳膊和腿是自由的。機器的鳴叫聲很柔和，甚至可以撫慰人心。
在 2019 年底和 2020 年初，隨著冠狀病毒大流行的蔓延，Sheth 和同事通過掃描 50 名 ICU 患者（包括 20 名 COVID-19 患者）來檢驗 Swoop 的承諾。因為許多人都在使用呼吸機和鎮靜劑，「我們不知道他們的神經系統狀況如何，也無法通過任何可用的成像方式來觀察，」Sheth 回憶道。「這為我們提供了一種在床邊做到這一點的方法。」 研究人員於 2021 年 1 月在JAMA Neurology上報告說，掃描結果顯示 37 例患者有腦外傷，其中包括 8 名 COVID-19 患者。
哦，我的上帝，多麼美麗的技術
一名患者在 ICU 病房接受低場掃描。 便攜式掃描儀放置在患者床邊，這樣他們的頭和肩膀就可以放在掃描儀內，而身體的其餘部分則留在床上。在耶魯紐黑文醫院的重症監護室，一台低場 MRI 掃描儀對躺在病床上的患者進行成像。
更便宜、更小的機器也可能讓患者得到更頻繁的後續掃描。這一前景引起了馬里蘭大學帕克分校的物理學家、Hyperfine 的聯合創始人 Ronald Walsworth 的共鳴。2007 年，他當時 2 歲的兒子患上了非癌性腦瘤。在 Hyperfine 的顧問委員會任職的沃爾斯沃思說，他得到了成功的治療。不過，他說，「有些跡像沒有及早發現，也沒有最有效地決定事情，因為 MRI 只能偶爾發生一次。」
Swoop 的優勢贏得了它的粉絲。「哦，我的上帝，多麼美麗的技術，」耶魯大學兒科神經外科醫生 Steven Schiff 說，他對 Hyperfine 沒有任何經濟利益。儘管如此，Swoop 還是會錯過高場掃描儀會捕捉到的細節，因為它的 1.5 毫米分辨率是標準掃描儀的一半。例如，Sheth 的團隊使用它對 50 名患有缺血性中風的患者的大腦進行成像，這些患者可以通過標準 MRI 觀察到。研究人員於 2022 年 4 月在Science Advances上報告說，Swoop 錯過了五個最小的毫米級中風。
我們希望進入山區，進入發展中國家的醫療沙漠
Sheth 說，這一發現表明醫生在決定何時使用每種掃描儀時必須做出判斷。「你不應該太擔心，但你應該了解你可能會錯過某些東西的背景，」他說。不過，McDowell 指出，如果醫生認為使用低場掃描儀會使他們面臨醫療事故訴訟，他們可能會迴避使用低場掃描儀。
在世界大部分地區，MRI 根本無法使用。荷蘭的一個團隊希望他們的掃描儀能夠改變這種狀況。它的磁鐵與 Swoop 的磁鐵截然不同。它由 4098 個釹鐵硼立方體（汽車製造商在 1980 年代開發的一種合金）組成，這些立方體嵌入一個空心塑料圓柱體中，並以稱為 Halbach 陣列的配置排列，以產生均勻的水平場。「我們的系統本質上更好，失真更少，」萊頓大學醫學中心的 MRI 物理學家安德魯·韋伯斷言，因此它需要更少的機器學習等處理幫助。
瑞士的一家私營公司 Multiwave Technologies 正試圖將該掃描儀推向市場。Multiwave 的聯合首席執行官 Tryfon Antonakakis 說，它將在今年申請 FDA 批准，並旨在以訂閱模式租用其機器。「我們的目標是盡可能讓人們負擔得起，而不一定要住院，」工程師兼應用數學家 Antonakakis 說。「我們希望進入山區，進入發展中國家的醫療沙漠。」
低場 MRI 在發展中國家的實用性
Webb 和他的同事，包括代爾夫特理工大學的應用數學家 Martin van Gijzen，還有另一個傳播他們技術的計劃：將其傳播出去。「我們做出了決定——馬丁、我自己和我們所有的團隊——我們不打算為任何東西申請專利，」韋伯說。「一切都將是開源的」，這樣任何人都可以從互聯網上下載他們的設計並構建掃描儀。Webb 及其同事希望發展中國家的企業家能夠在當地製造它們。
為了播種這個想法，他們將一台掃描儀打包成一個工具包，送給烏干達姆巴拉拉科技大學的生物醫學工程師 Johnes Obungoloch，他是賓夕法尼亞州立大學帕克分校的研究生，當時 Webb 和 Schiff 還在也在那裡。2022 年 9 月，Webb 等人飛往烏干達，幫助 Obungoloch 和他的團隊在 11 天內組裝好掃描儀。
六個人站在一個直徑約 2 英尺的圓柱形磁鐵周圍。
很快它將用於一個項目，以測試低場 MRI 在發展中國家的實用性。烏干達 CURE 兒童醫院是位於姆巴萊的一家擁有 55 個床位的兒科神經外科醫院，由一家國際非營利組織運營，該醫院計劃比較 Obugoloch 的掃描儀、Swoop 和 CT 掃描儀。醫生會對患有腦積水的兒童進行成像，其中腦脊液聚集在大腦中並壓迫大腦，可能導致虛弱或致命的傷害。在全球範圍內，腦積水每年折磨著 40 萬名兒童，佔 CURE 醫院患者的 75%。在非洲，感染是常見的原因。
我們沒有理由再使用 CT 掃描了
多年來，Schiff 和醫院的同事一直使用 CT 掃描來指導一項創新手術，該手術允許液體排入腦室——這是在腹部安裝分流器的一種替代方法。然而，CT 掃描會使兒童暴露在相當大的 X 射線輻射下，因此 CURE 醫生將了解低場 MRI 圖像是否可以指導外科醫生。「如果 MRI 證明可以與 CT 掃描相媲美，那麼我們就沒有理由再使用 CT 掃描了，」負責該項目的 CURE 醫生 Ronald Mulondo 說。
該研究正在等待政府的最終批准。如果成功，Obungoloch 設想建造更多的掃描儀，也許是為了非洲的其他六家 CURE 醫院，甚至在當地採購一些部件。他說，烏干達擁有公共醫療保健，因此這一願景取決於政府資助。
儘管如此，Obungoloch 指出，與其他地方的同行一樣，烏干達的醫生可能對該技術的分辨率有限持保留態度。「放射科醫生看到它後說，『好吧，這是一張糟糕的圖像，我們不在乎你花了多長時間才獲得它。』」政府官員可能還認為烏干達人不應該滿足於分辨率較低的成像，不管多麼有用，他說。
我寧願被帶到真正的 MRI 上？
事實上，低場 MRI 的開發人員正在推動重新思考醫學成像。「最好的技術是可以提供最高質量圖像的掃描儀，還是可以帶來最大改善患者治療效果的掃描儀？」 哈珀問道，他與韋伯的開源鑽機合作，並希望獲得一架 Swoop。
Sheth 說，贏得醫生的是一個「用例」——掃描儀的殺手級應用程序。例如，他們可能會被放入特殊的救護車中進行中風護理。他質疑 Hyperfine 和其他人是否發現了該用例，但預測它會出現。
然後有病人要拉攏。在使用 Hyperfine 掃描儀一段時間後，這位垂體瘤患者向 Yadlapalli 吐露，它不如常規 MRI 舒適。由於手術，他仍然無法通過鼻子呼吸，他說緊密貼合的頭籃讓他很困擾。「我寧願被帶到真正的 MRI 上。」 稱他為不情願的先驅。
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