Aivojen magneettikuvantamisen uusi suunta
11.06.2012
Ihmisaivojen rakenteita ja toimintaa voidaan kuvantaa täysin uudella tavalla yhdellä laitteella. Väitöskirjatutkija Jaakko Nieminen on luonut Aalto-yliopiston lääketieteellisen tekniikan ja laskennallisen tieteen laitoksella magneettikuvauksen (MRI) sekä aivojen sähköistä toimintaa mittaavan aivomagneettikäyrän (MEG) yhdistävää teknologiaa.
Työ tehtiin osana Aalto-yliopiston koordinoimaa 13 osapuolen eurooppalaista MEGMRI-tutkimushanketta. Suomalaisia kumppaneita olivat VTT, Elekta Oy, Aivon Oy sekä Helsingin ja Uudenmaan sairaanhoitopiiri.
– Aivojen rakenteen ja toiminnan kuvantamiseen tarvitaan nykyisin kaksi suurta laitetta: niiden kuvia ei saada täysin samaan asentoon, kahden eri menetelmän mittauskoordinaatistoja on hankala kohdistaa, ja aivot liikkuvat luonnostaan kuvausten välissä. Kaikki tämä johtaa epätarkkuuteen aivotoiminnan kartoituksessa, Nieminen luettelee nykylaitteiden ongelmia.
Normaalisti MRI-kuvaus tehdään korkeissa magneettikentissä, suuressa mutta potilaalle ahtaassa sekä äänekkäässä sylinterin muotoisessa laitteessa. Nieminen työtovereineen on kehittänyt lukuisia parannuksia hyvin matalissa magneettikentissä tehtävään MRI-kuvaukseen. Se tehdään avoimessa laitteessa ja hiljaisesti, eivätkä esimerkiksi sydäntahdistimet tai muut metalliset implantit välttämättä estä kuvausta.
– Ajatus magneettikuvauksen ja aivomagneettikäyrän mittaamisen yhdistävästä laitteesta on lähtenyt matalien kenttien magneettikuvauksessa käytettävistä herkistä sensoreista, jotka ovat samanlaisia kuin MEG:ssä. Samoja sensoreita voidaan käyttää molemmissa kuvantamismenetelmissä. Laitoksemme tutkijat ryhtyivät kehittämään olemassa olevasta, suomalaisen Elekta Oy:n kehittämästä MEG-laitteesta myös magneettikuvaukseen kykenevää hybridiä, Nieminen kertoo.
– Pienempiä prototyyppejä on aiemmin rakennettu muun muassa Berkeleyn yliopistossa ja Los Alamosin kansallisessa laboratoriossa Yhdysvalloissa. Tässä hankkeessa olemme päässeet neljässä vuodessa alan tutkimuksen kärkijoukkoon.
Laadukkaita magneettikuvia myös äärimmäisen matalissa kentissä
Niemisen väitöstutkimuksen ansiosta matalakenttä-MRI:llä on mahdollista tuottaa aiempaa parempilaatuisia kuvia ja saavuttaa niihin ennennäkemättömän hyvä kontrasti. Mitä paremmaksi kuvien kontrasti saadaan, sitä helpommin niistä voi havaita aivojen eri kudosten ominaisuuksia ja esimerkiksi diagnosoida syöpiä. Tämä helpottaa radiologien ja neurokirurgien työtä.
Matalakenttä-MRI:hin Nieminen kehitti väitöksensä ohjaajan Risto Ilmoniemen idean pohjalta uuden kuvanmuodostusmenetelmän.
– Gradienttikentät, joilla mitattavien signaalien taajuus ja vaihe määrätään, ovat matalakenttä-MRI:ssä suhteellisesti voimakkaampia kuin tavanomaisessa korkeakenttä-MRI:ssä. Tämän vuoksi perinteiset kuvanmuodostusmenetelmät tuottavat magneettikuviin vääristymiä. Menetelmällämme voidaan ottaa täydellisesti huomioon, millaisia magneettikentät todella ovat, ja saada virheettömiä kuvia, Nieminen selittää.
Niemisen patenttiinkin johtanut menetelmä matalissa magneettikentissä tehtävään polarisointiin taas mahdollistaa kuvantamisen ilman perinteisiä gradienttikenttiä. Toisaalta Niemisen työn ansiosta magneettikuvien kontrasti voidaan myös optimoida suunnittelemalla kuvauksessa käytettävän polarisaatiokentän aaltomuoto: optimaalisella polarisaatiokentällä eri kudosten väliset erot kuvissa saadaan maksimoitua.
Magneettikuvausta häiritsevät myös sen aikana syntyvät pyörrevirrat. Nieminen on ollut mukana kehittämässä MEG-MRI-hybridilaitteeseen pyörrevirroilta suojaavaa käämiä, joka poistaa tämänkin ongelman.
Kohti hoitokäyttöä
Nopeudellaan tai resoluutiollaan matalakenttä-MRI ei kilpaile perinteisen, kliinisessä käytössä olevan korkeakenttäisen MRI-kuvantamisen kanssa, mutta sillä voidaan saada kuviin monipuolinen kontrasti. Nieminen uskoo, että sillä on mahdollista myös havaita nykyistä tarkemmin aivoissa tapahtuvia muutoksia.
– Laitteellamme toivotaan esimerkiksi voitavan kartoittaa tarkasti aivojen alueita, joista epilepsia lähtee liikkeelle ja jotka leikkauksessa pitää operoida, Nieminen kertoo.
MEG-MRI-laite ei ole nykyisellään valmis hoitokäyttöön, mutta Nieminen pitää sitä merkittävänä askeleena magneettikuvantamisen tutkimuksessa.
– Voimme nyt perustutkimuksesta lähtien kehittää uusia sovelluksia. Toimivalla laitteella voimme testata teoreettisia oletuksia kokeellisesti, emmekä enää joudu turvautumaan pelkkiin simulaatioihin.
Jaakko Niemisen väitöskirja Ultra-low-field MRI: techniques and instrumentation for hybrid MEG-MRI. (pdf)
Lisätietoja:
Jaakko Nieminen
jaakko.nieminen [at] aalto [dot] fi
puh. 050 344 3186
Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu
Lääketieteellisen tekniikan ja laskennallisen tieteen laitos
