磁共振成像 (MRI) 扫描仪是我们评估脑损伤和疾病最有价值的诊断工具。然而，全球约三分之二的人口无法获得 MRI 技术，超过 90% 的设备位于高收入国家。费用是主要原因：一台典型的 MRI 机器成本约为 100 万至 300 万美元。它们需要专门建造的房间来屏蔽扫描仪免受外部信号干扰，并容纳其超导磁体产生的强大磁场，而这些超导磁体需要液氦冷却系统，运行成本昂贵。
低成本、便携式替代品可能很快开始得到广泛应用。在 12 月 14 日《自然·通讯》杂志上发表的一项研究中，香港大学生物医学工程师吴学奎领导的研究人员描述了一种无需屏蔽且可从标准墙壁插座取电的 MRI 扫描仪。这种被称为超低场 (ULF) MRI 的方法缺乏精确诊断所需的清晰度和分辨率，但成本要低得多，材料成本估计低于 20,000 美元（研究作者估计）。更重要的是，该机器的设计和算法是开源的，邀请世界各地的研究人员帮助开发这项技术。
MRI 利用了我们主要由水组成的事实。氢原子中的质子具有带磁性的“自旋”，这些自旋通过磁场排列，并通过射频脉冲进行探测。不同的组织具有不同的水浓度和磁环境，这些差异在重建图像中表现为明暗对比。
支持科学新闻业
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保未来能够继续讲述关于塑造我们当今世界的发现和思想的具有影响力的故事。
ULF 设计没有采用超导电磁体，而是采用了永磁体，从而消除了冷却的需要。永磁体仅产生 0.055 特斯拉的磁场，因此无需磁屏蔽（标准 MRI 扫描仪使用 1.5 或 3 特斯拉的磁场）。主要的权衡是信号较弱，因此信噪比较差，结果，图像分辨率较低。
为了保持便携性，ULF 设计避免了物理射频屏蔽。相反，研究人员使用了一种“深度学习”算法，该算法经过训练可以识别和预测干扰信号，然后从测量的信号中减去这些信号。“这是这里非常有用的一项创新，”哥伦比亚大学的生物医学工程师赛拉姆·吉塔纳特说，他没有参与这项研究。“这类似于降噪耳机，您试图实时学习噪声模式并抑制它。”
该团队通过扫描 25 名患者并将图像与标准 MRI 机器的图像进行比较来演示该设备。研究人员可以识别出大多数相同的病变，包括中风和肿瘤。“图像的质量似乎足以在多种情况下具有临床应用价值，”澳大利亚斯威本科技大学的神经科学家汤姆·约翰斯顿说，他没有参与这项研究。“ULF MRI 可以设在更多城镇，甚至移动单元中，这将有助于快速评估中风，这对干预措施的成功有很大影响。”
新设计加入到其他正在开发的 ULF MRI 扫描仪的行列中。一家名为 Hyperfine 的公司位于康涅狄格州吉尔福德，去年其便携式扫描仪获得了 FDA 批准，但设计细节是专有的。吴和他的同事们已将其数据、设计和代码在线公开，这可以加速 ULF 的改进并控制成本。（Hyperfine 的机器比香港团队的机器估计价格高出两倍多。）
尽管 ULF 设备前景广阔，但它们并非旨在取代高场扫描仪。它们在“分诊”环境中具有应用前景，在这些环境中，患者无法移动或时间至关重要。“它可以在升级设备中发挥作用，”吉塔纳特说。随着性能的提高，应用范围可能会扩大，吴学奎对此有一些想法。“目前，MRI 系统的构建方式就好像我们对扫描对象一无所知一样，但通常我们需要的信息非常微妙，”吴说——即识别不同的地方。“这将是一场由廉价计算驱动的巨大革命。”他设想更广泛地使用 MRI 技术，使其更贴近护理点的临床需求。“核磁共振现象是大自然的馈赠，”他说。“我们必须更多地利用它。”
本文的一个版本，标题为“便携式视野”，已改编收录在《大众科学》2022 年 3 月刊中。