MRI Scanner

MRI-scans kunnen eenvoudiger en goedkoper. Andrew Webb (hoogleraar MRI-fysica aan het LUMC) ontwikkelt goedkope mobiele MRI-scanners die in ontwikkelingslanden ingezet kunnen worden ten behoeve van het opsporen van Hydrocefalus. 
Dit project is een samenwerking tussen Leiden en Delft. In Delft (faculteit EWI) ontwikkelen ze de benodigde wiskunde, DEMO werkt o.a. aan de RF Power Elektronica – zie foto hieronder. 

De eerste 3D beelden zijn gemaakt met de opstelling in het LUMC. Hiervoor is de RF versterker gebruikt die al eerder gemaakt was en de nieuwe gradiënt versterker. De eerste ‘magneet’ is vervangen door een in Leiden ontwikkelde nieuwe set ringen met veel kleinere permanente magneetjes die samen het statische veld maken. Dit magneet veld is zeer constant binnen het volume van de MRI, maar om te kunnen ‘imagen’ is het nodig hier een helling in aan te brengen in x, y en z-richting. Bij het testen bleek de DEMO gradiënt versterker minder te ruisen dan de commerciële gradiënt versterkers die gebruikt werden. Hierdoor is minder tijd nodig voor een scan.  

Stand van zaken in 2017

MRI-scans kunnen beter én goedkoper. Dat vindt Andrew Webb, hoogleraar MRI-fysica aan het Leids Universitair Medisch Centrum. Voor zijn onderzoek ontving hij recent de Simon Stevin Meester-prijs 2017.

Aan de grootste prijs voor technisch-wetenschappelijk onderzoek is een bedrag van 500.000 euro verbonden. Webb wil daarmee onder meer nieuwe MRI-technieken ontwikkelen waarmee ziektes zoals Huntington en Alzheimer in een veel vroeger stadium zijn op te sporen.

Daarnaast ontwikkelt de hoogleraar goedkope mobiele MRI-scanners die in ontwikkelingslanden ingezet kunnen worden. Zo kunnen ziekenhuizen die normaal geen toegang hebben tot dit soort medische apparatuur, toch gebruik maken van een scanner die van plaats naar plaats reist.

De budget MRI heeft een handige bijkomstigheid: het maakt de duurdere MRI-scanners die nu in ziekenhuizen gebruikt worden een stuk sneller. Dat heeft te maken met de software die Webb moet ontwikkelen om de mobiele scanner aan te sturen. De beste beelden worden daarmee snel uit het apparaat gefilterd en dat betekent dat in de toekomst het maken van een scan mogelijk een stuk sneller gaat.

DEMO

Dit project is een samenwerking met Leiden en EWI. Delft ontwikkelt de benodigde wiskunde  om de afbeelding te reconstrueren.

DEMO heeft de ring met permanente magneten ontworpen (zie foto) en is ook bezig met de RF power elektronica (foto hieronder). Het project is nog helemaal in het begin van 4 jaar onderzoek, we gaan binnenkort de eerste onderdelen opleveren. Daarna volgen verbeteringen aan de opstelling aan de hand van de resultaten van het onderzoek.

Update 2019

Sinds 2017 zijn er heel wat nieuwe ontwikkelingen bij het low cost MRI project. De eerste 3D beelden zijn inmiddels gemaakt met de opstelling in het LUMC. Hiervoor is de RF versterker gebruikt die al eerder gemaakt was en de nieuwe gradiënt versterker. De eerste ‘magneet’ is vervangen door een in Leiden ontwikkelde nieuwe set ringen met heel veel kleinere permanente magneetjes die samen het statische veld maken.

Dit magneet veld is zeer constant binnen het volume van de MRI, maar om te kunnen imagen is het nodig hier een helling in aan te brengen in x, y en z-richting. Bij het testen bleek de DEMO gradiënt versterker minder te ruisen dan de commerciële gradiënt versterkers die gebruikt werden. Hierdoor is minder tijd nodig voor een scan, en onze versterker is zelfs inclusief ontwerpkosten aanzienlijk goedkoper.

De eerste  magneet is terug naar Delft gekomen en staat nu bij wiskunde. Daar is nu een tweede MRI opstelling gebouwd met eenzelfde RF versterker. Deze opstelling wordt gebruikt voor onderzoek naar een wiskundig algoritme voor het maken van een MRI scan met een niet lineair magneetveld. Dit maakt het mogelijk een makkelijker te maken magneetveld te gebruiken waardoor het systeem nog goedkoper wordt. Het mooie van deze nieuwe techniek is dat het ook op bestaande MRI scanners gebruikt kan worden om te corrigeren voor kleine afwijkingen in het magneetveld.

Voor de opstelling in Delft is hier een Software Defined Radio (SDR) applicatie voor gemaakt. Dit genereert de RF pulsen die uitgezonden moeten worden en demoduleert het ontvangen signaal tot laagfrequent pulsen die uit een reëel en imaginair deel bestaan. Precies wat de wiskundigen nodig hebben om een afbeelding te kunnen maken.  De SDR is gemaakt met behulp van GNU Radio dat Python code genereert. Vervolgens is een extra Python module geschreven dat door de onderzoekers gebruikt kan worden om metingen mee uit te voeren.

Om het MRI signaal te kunnen meten wordt eerst een signaal uit de  RF versterker naar een spoel gestuurd (in de koperen cilinder). Dit signaal bestaat uit twee RF pulsen van 300Vpp en 600Vpp op 2.6MHz. Als test sample wordt een flesje water gebruikt dat in de spoel staat. De twee pulsen die naar het flesje gestuurd worden zorgen ervoor dat het water korte tijd later zelf een pulsje terug zendt. Dit signaal wordt door dezelfde spoel ontvangen en is zo zwak dat het ruim 30.000x versterkt moet worden om het te kunnen gebruiken. En plotseling hadden we het voor elkaar. HET WERKT !!!!

Update 2020

Eind september is in Leiden weer een enorme stap gemaakt met de gradiënt versterker voor de MRI opstelling. Die ruist nu met een toegevoegd filter zo weinig dat zijn ruisbijdrage in een scan verwaarloosbaar is. Dat gold ook al voor de RF power versterker van DEMO. Dit betekent dat we heel dicht in de buurt komen van de theoretische minimum ruis. Dat is heel belangrijk omdat de signaalsterkte in een Low Field MRI heel zwak is. Minder ruis betekent dat een scan sneller verloopt of dat er een hogere resolutie gehaald kan worden in dezelfde tijd.

De resolutie die nodig is voor het scannen van een waterhoofd, waar het voor ontworpen is, was eerder al gehaald.

De gradiënt versterker zorgt er samen met speciale spoelen die op een cilinder zijn gewikkeld voor dat er een magneetveld gemaakt kan worden in x, y, en z richting. Daarmee kan in 3 dimensies een punt in de patiënt bepaald worden dat gescand wordt. De verzameling punten (“voxels”) levert de MRI scan op.

Leuk om te weten; in Berlijn en de Penn State University (USA) wordt de RF Power Amplifier al nagebouwd om daar een vergelijkbare opstelling te maken. Het ontwerp is open source zodat wereldwijd goedkope MRI scanners gemaakt kunnen worden.