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科學人新聞

小型造影儀器

2022-04-01 馬金(Simon Makin)
借助磁鐵和深度學習演算法,使磁共振造影掃描儀輕量化。

▲臨床診斷:磁共振造影(MRI)儀器特別有利於掃描腦部。(圖源:yumiyum/Getty Images)

磁共振造影(MRI)掃描儀是現代醫學極重要的工具,但這種巨型儀器造價通常為100萬~300萬美元,還需要建造防止強大磁場外洩並屏蔽外來訊號的專業檢測室,以及精密的液態氦冷卻系統,因此全球90%儀器位於高收入國家,而全世界2/3人口沒有機會使用這項重要的醫學工具。

不過成本較低的替代儀器即將問世。去年12月香港大學生物醫學工程學家吳學奎(Ed Wu)團隊在《自然.通訊》發表一款可安裝輪子的小型MRI掃描儀,運作時不需屏蔽且可使用標準插座電源。採用最新MRI類別「超低磁場」(ULF),雖然影像解析度還無法滿足精確診斷所需,但儀器造價預估低於兩萬美元,設計和演算法都是開放源碼,世界各地的研究人員能共同協助開發這項科技。

MRI利用身體的主要組成:水,水中氫原子的質子具有自旋、會產生磁性,可暫時與掃描儀的磁場對齊,然後用無線電頻率脈衝探測。不同組織有獨特的水濃度和磁性,在重建影像中產生明暗對比。

MRI掃描儀的ULF並非使用標準超導電磁,而是不需冷卻的永久磁鐵,產生的磁性遠低於標準高功率MRI掃描儀,因此不需屏蔽,缺點是訊號較弱,影像解析度較低。

為了方便攜帶,新設計放棄阻隔外界無線電訊號的擋板,而使用深度學習演算法來辨認並預測干擾訊號,再加以刪除。未參與這項研究的美國哥倫比亞大學生物醫學工程學家吉哈南斯(Sairam Geethanath)評論:「這是非常有用的創新,類似降噪耳機,能即時學習噪音模式並壓抑噪音。」

該團隊在展示儀器時掃描了25名病患並與傳統MRI影像比較,找到大多數相同病徵,包括腫瘤和中風。未參與這項研究的澳洲斯文伯恩科技大學(Swinburne University of Technology)神經科學家強斯頓(Tom Johnstone)評論:「在幾個情況下,這些影像的品質看起來都足以用於臨床診斷。快速評估中風,對治療成功與否有很大影響,在更多城鎮或巡迴醫療車設置ULF MRI掃描儀將有利於臨床診斷。」

目前有越來越多的ULF MRI掃描儀正在研發,這項設計只是一例。超精細(Hyperfine)科技公司的攜帶型掃描儀去年獲得美國食品及藥物管理局(FDA)核准,他們的設計細節受專利保護;吳學奎團隊則把數據、設計和程式碼都放上網路,加速改良ULF MRI掃描儀。

吉哈南斯評論,研發ULF MRI掃描儀最終目的不是取代高磁場掃描儀,而是用於急診評估,判斷哪些病患不能移動或情況緊急。

吳學奎表示,儀器的性能改進後,應用範圍將會更廣,「目前建構的ULF MRI系統是假設我們對掃描的東西一無所知,但我們需要的資訊往往是非常細微的」,亦即找出和預期不同之處,「借助成本較低廉的電腦運算輔助,這領域將會有巨大變革。」


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