Istraživači sa Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju (NIST) i kolege razvili su novi, anatomski tačan referentni model ljudskog mozga, u potpunosti napravljen od mekih organskih materijala, za upotrebu u magnetnoj rezonanciji (MRI).
Rad je otkrio nekoliko velikih prepreka za izradu antropomorfnih fantoma, uključujući stalno prisustvo „signalnih praznina“ — praznih područja na MRI slikama uzrokovanih granicama između različitih vrsta mimičara tkiva. Štaviše, inovativna tehnika za oponašanje cerebralnih „mikrokrvarica“ koja često prate traumatske povrede mozga (TBI) nije bila u potpunosti uspešna.
Tim nudi detaljne opise sada završenog projekta, zajedno sa predlozima za alternativne tehnike, u izdanju PLOS ONE od 12. jula 2023. kako bi podstakli druge grupe da nadograđuju svoje iskustvo.
Veštački referentni objekti, koji kada se snime, oponašaju svojstva stvarnog tkiva – i stoga se mogu koristiti za kalibraciju MRI i drugih sistema za snimanje za medicinsku dijagnozu i lečenje – nazivaju se fantomi. NIST je bio pionir brojnih MRI fantoma, kao što je nedavni dizajn fantoma dojke koji je brzo i široko prihvaćen. Takođe je bio svetski lider u „kvantitativnom“ MRI – koji meri vrste i intenzitet signala iz tkiva – za razliku od „kvalitativnih“ pristupa koji se uglavnom oslanjaju na kontrast slike između susednih oblasti.
Ali moždani fantomi predstavljaju brojne posebne izazove, a do danas „nije razvijena 3D antropomorfna struktura mozga pogodna za kvantitativnu magnetnu rezonancu celog mozga“, primećuju autori. Tim NIST-a, uključujući partnere iz Mitre Corp., Hiperfine Inc., i Univerziteta u Koloradu, radi na problemu od 2017. godine, sa prekidima koji su rezultat pandemije COVID-a.
„U mozgu imamo sivu i belu materiju, i one su besprekorne“, rekla je Kejti Kinan, vodeći istraživač NIST-a. „Ali konstruisanje nečega što je besprekorno je veoma teško. Konvencionalni moždani fantomi obično imaju čvrste materijale između različitih tipova imitacija tkiva, a oni se pojavljuju na skeneru kao tamni artefakti, veoma očigledno različiti od izgleda stvarnog mozga. Pokušavao sam da smislim nešto što nema one granice koje proizvode signalne praznine.“
Istraživači su radili sa oblikovanim oblicima bele i sive materije bez okvira, uključujući karakteristične nabore i pukotine. Siva materija zauzima najudaljenije delove mozga i sadrži tela nervnih ćelija i sinapse pomoću kojih ćelije komuniciraju. Bela materija se sastoji od povezanih aksona koji obrađuju i usmeravaju nervne signale do kičmene moždine. Za fantom NIST tima, dva tipa tkiva su napravljena od različito dopiranih gelova koji su hemijski povezani sa hranljivim materijama u petrijevim posudama poznatim iz srednje škole biologije.
Tim NIST-a je koristio skup podataka dostupan iz Centra Martinos na Univerzitetu Harvard i Opšte bolnice u Masačusetsu za njihovu buđ i spoljašnju lobanju.
Oni su koristili različite metode oblikovanja, uključujući tvrdu livenje bele materije koja je korišćena za oblikovanje gela dok se očvršćava. Zatim je gips raspušten oko njega. Obe vrste mekih materijala su premazane vodootpornim sprejom i smeštene u 3D štampanu čvrstu lobanju. Nijedna od metoda nije proizvela slike koje su bile potpuno bez artefakata.
Pre nego što je odlučio da koristi metode oblikovanja, tim je isprobao nekoliko pristupa. Razmišljali su o upotrebi kalupa poput silikonske posude za kockice leda, za koju su se nadali da će oljuštiti gel. Ali nabori u beloj materiji su bili problematični i deo gela se odlomio sa kalupom. Takođe su razmatrali direktno 3D štampanje dva gela, ali to nije bilo moguće na veličini mozga. Rastvaranje 3D štampanog gipsa dobro je funkcionisalo na malim testnim komadima. Međutim, nije funkcionisalo kako je planirano u razmerama bele materije. Kalup oko bele materije nije u potpunosti rastvoren.
Iako je tim bio razočaran što je ovaj projekat bio samo umereno uspešan, oni su uzbuđeni što vide kako bi druga grupa mogla da reši problem. Tim se nada da će, stavljajući ovo istraživanje na raspolaganje, druga grupa naučiti iz svojih lekcija i imati uspeha sa pristupom koji se zasniva na ovom radu.
„Potpuno 3D antropomorfni fantom nam omogućava da testiramo MRI skenere na način na koji trenutno ne možemo“, rekao je istraživač NIST-a Stiven Rusek. „Korišćenje oblika nalik mozgu može otkriti probleme sa skenerom koji nam nedostaju kod konvencionalnih, geometrijskih fantoma.
Više informacija: Mikail Kraft et al, Ka antropomorfnom moždanom fantomu bez barijera za kvantitativno snimanje magnetnom rezonancom: Dizajn, prvi pokušaj izgradnje i izazovi, PLOS ONE (2023). DOI: 10.1371/journal.pone.0285432
Istražite dalje
