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Mar 11, 2023

MRI をすべての人に: 安価なポータブル スキャナーは医療画像の革命を目指す

Il paziente è un uomo di 70 anni con una massa di capelli argentati, disteso sui nervi.

患者は銀髪のショックを受けた70代の男性で、イェール・ニューヘブン病院の神経集中治療室（神経ICU）に入院している。 彼を見ていると、数日前に下垂体から腫瘍が切除されたとは決して思いもよらないでしょう。 通常通り、外科医は鼻から腫瘍に到達したため、手術の跡は残りませんでした。 彼は、テスト中の新しい革新的なデバイスの進捗状況を確認するために来た 2 人の研究員と陽気におしゃべりしています。

この円筒形の機械は胸の高さまであり、スター・ウォーズのロボット、R2D2 の陰気な兄である可能性があります。 研究者の一人は、ジョイスティックで操縦しながら、重さ630キロの自走式スキャナを慎重にベッドの頭まで誘導します。 研究者らは男性をベッドシーツで持ち上げ、Hyperfineという会社が製造したポータブル磁気共鳴画像法（MRI）スキャナー「Swoop」に頭を楽に入れるのを手伝う。

「耳栓が欲しいですか？」 2人目の研究者ヴィニータ・ヤドラパリ氏は尋ねます。

「音は通常のMRIと同じくらいですか？」

"全くない。"

「それなら、必要ないと思いますよ。」

ヤドラパリさんは患者の脚を支えて背中の負担を軽減した後、iPad からいくつかの指示を入力して機械を作動させた。 機械は低いうなり声を発し、その後ビープ音とカチッという音を立てます。 数分以内に、患者の脳の画像がヤドラパリのタブレットに表示される。

30分間、男性は腹部に手を組んで静かに横たわっていた。 彼は昔ながらのヘアドライヤーで髪をセットしているのかもしれない。 ささやかながら、彼はこれまでに MRI が導入されたことのない場所での MRI の導入を支援する先駆者です。

多くの場合、MRI は医療画像処理のゴールドスタンダードを確立します。 最初の有用な MRI 画像は 1970 年代後半に登場しました。 10 年以内に、商用スキャナーが医学に普及し、医師が骨だけでなく軟組織を画像化できるようになりました。 医師が脳卒中、腫瘍の発生、または膝の軟骨損傷を疑った場合、MRI 検査を処方する可能性があります。

運が良ければ、それを手に入れることができれば、です。 MRI スキャナは、磁場を利用して生体組織内の原子核、特に水素原子の中心にある陽子を回転させ、電波を放射します。 磁場を生成するために、標準的なスキャナーは大型で強力な超電導電磁石を使用しますが、これにより機械のコストが 150 万ドル以上に押し上げられ、世界人口の 70% が MRI を利用できる価格にはなりません。 米国でも、MRI 検査を受けるには何日も待ち、真夜中に車で遠くの病院まで行かなければならない場合があります。 患者はスキャナーのところに来なければなりません。その逆ではありません。

何年もの間、一部の研究者は、卓上のおもちゃによく使われる合金で作られた、より小さな永久磁石を使用するスキャナーの構築に努めてきました。 標準的な MRI 磁石の約 1/25 の強さの磁場を生成しますが、かつては使用可能な画像を収集するには弱すぎました。 しかし、より優れたエレクトロニクス、より効率的なデータ収集、新しい信号処理技術のおかげで、標準的な MRI より解像度が低いにもかかわらず、複数のグループがこのような低磁場で脳を画像化しました。 その結果、患者のベッドに転がり込めるほど小型のスキャナーが誕生し、おそらく世界中で MRI を利用できるほど安価になる可能性があります。

この機械は技術的な勝利を示しています。 米国立標準技術研究所の生物医学エンジニアで、Hyperfine スキャナーをテストしているキャスリン・キーナン氏は、「通過した人は皆、それが機能することに非常に感銘を受けています」と述べています。 このスキャナーは医療画像にも変革をもたらす可能性があると言う人もいる。 「私たちはまったく新しい分野を切り開く可能性があります」と、Swoop と幅広く協力してきたが、Hyperfine には経済的関心がないエール大学医学部の神経内科医、ケビン・シェス氏は言う。 「『これは起こるのか？』という問題ではない」 それは事になるだろう。」

2020年8月、Swoopは脳の画像化に関して米国食品医薬品局（FDA）の承認を獲得した初の低磁場スキャナーとなり、医師らはエール大学ニューヘブンなどで臨床研究を行っている。 他のデバイスもすぐ後ろにあります。 しかし、コンサルティング会社NeuvoMR, LLCの創設者で物理学者のアンドリュー・マクダウェル氏は、解像度が低い低磁場スキャナーの市場があるかどうかは明らかではないと警告する。 「本当の課題は、医師にそれを使い始めるよう説得することだ」と彼は言う。 「彼らは非常に保守的であるのにはそれなりの理由があるので、それは非常に難しいことです。」

MRI スキャナーはカメラとまったく同じように機能します。 それは実際には、生体組織内の陽子に同調するラジオです。 小さなコンパスの針のように、各陽子は磁性を持っており、通常、陽子はあらゆる方向をランダムに指します (下の図を参照)。 ただし、外部磁場によってそれらが整列する可能性があります。 その時点で、適切な周波数と持続時間の電波のパルスにより、それらを 90°傾けることができます。 整列した陽子はジャイロスコープのように回転し、独自の無線信号を放射します。その周波数は場の強さに応じて増加します。

そのつかの間の単調なラジオのハム音はほとんど何も明らかにしません。 画像を作成するには、スキャナーは体内のさまざまな点から来る波を区別する必要があります。 これを行うために、磁場を彫刻し、異なる場所にある陽子を異なる周波数と同期状態で歌わせます。 スキャナーはまた、ある種類の組織を別の種類の組織から区別する必要があります。これは、異なる組織では無線信号が異なる速度で減衰するという事実を利用して行われます。

信号が消える理由の 1 つは、陽子が自身の磁場を通じて互いに衝突して整列が崩れることです。 これが起こる速度は、たとえば、脂肪の多い脳物質と水っぽい脳脊髄液とでは異なります。 レートを測定するために、スキャナはパルスのペアを適用します。 最初のパルスは、旋回する陽子の方向が扇状に広がるにつれて消えていく信号を生成します。 2 つ目はその進化の大部分を逆転させ、信号のエコーを引き出します。 ただし、陽子と陽子の相互作用により、そのエコーがミュートされます。 したがって、スキャナは、2 つのパルス間の遅延が増加するにつれてエコーがどのように縮小するかを追跡することで、そのレートを測定できます。

パルスのペアを次々と適用しながら、スキャナは脳内の異なる点から来るエコーを同時に分類する必要があります。 これを行うには、重要な瞬間に適用される磁場勾配に依存します。 たとえば、顎から頭頂部までのエコー中に適用される勾配により、頭部を通るさまざまな横方向のスライスの陽子がさまざまな周波数で放射されます。 パルス間およびヘッド全体に適用される勾配は、旋回の前後の垂直スライスに陽子を設定します。これにより、一部のスライスからのエコーが互いに強化され、他のスライスからのエコーが打ち消し合う「位相」の差が生じます。 勾配を変化させることにより、スキャナは各スライスからのエコーの強度を推定できます。

何度も繰り返すと、スキャナは、遅延、周波数、位相によって強度が変化する大量のエコーを収集します。 標準的な数学的アルゴリズムがそれらを解読して、陽子間の相互作用が脳全体でどのように変化するかを示すマップを生成し、一種の MRI 画像を形成します。 他のパルスシーケンスは、プロトンの拡散速度など、体液の流れを追跡できる他の組織固有のプロセスを調査します。

このパルスのすべてが、MRI スキャンに時間がかかる理由、および MRI 装置がチャープ音、カチッ音、ブザー音を立てる理由を説明します。 これらの音は、磁気勾配を生み出す電流が流れるコイルが機械的ストレスによってガタガタ音を立てて発生します。 ヤドラパリ氏によると、技術者はその音だけで機械がどのようなスキャンを行っているかを知ることができるという。

より強力な場は、陽子をより完全に分極させ、より大きな信号を生成することにより、これらすべてを容易にします。 標準的なスキャナーの磁石は、地球の磁場の 30,000 倍である 1.5 テスラの磁場を生成し、3 テスラまたは 7 テスラに達するものもあります。 それでも、1.5 テスラ磁場に沿って向いている陽子の数は、反対方向を向いている陽子の数をわずか 0.001% 上回っています。 電界強度を 25 分の 1 に下げると、分極もそれに伴って低下します。 信号対雑音比はさらに大幅に低下し、ほぼ 300 倍になります。

原理的には、低磁場スキャナーは、より長い期間にわたってデータを取得することで、ノイズから信号を分離することができます。これは、電波天文学者が、星の上で数時間または数日かけてアンテナを訓練することによって、ノイズから弱い信号を選別するのと同じです。 じっとしていられる時間が限られている人間には、そのやり方は通用しない。 そのため、低磁場 MRI の開発において、研究者はデータをより迅速に抽出する方法を見つける必要がありました。

重要な要素の 1 つは、より優れたハードウェアであると、ドイツのパラグアイ大学の神経エンジニア、ジョシュア ハーパー氏は述べています。 「私たちは今、非常に高速で非常に安価な電子機器を手に入れました」と彼は言います。 「それが本当に機能する理由です。」 それでも、病室で低磁場MRIを行うのは難しい。 他の機械の金属や壁でさえフィールドを歪める可能性があり、他のデバイスからの静電気が無線信号を妨害する可能性があります。 そこでスキャナーは対策を講じます。 たとえば、Hyperfine の Swoop は、ノイズ キャンセリング ヘッドフォンが音を遮断するのと同じように、アンテナを使用してラジオ ノイズを測定し、それをキャンセルします。

新しいスキャナは、より高速に動作するために、下部フィールドの側面も有利に利用します。 陽子を操作するには、高磁場スキャナーはより高い周波数、より高いエネルギーの電波を使用する必要があるため、患者を加熱し始めるまでのパルス速度は非常に限られています。 Hyperfine の共同設立者で物理学者であるマサチューセッツ総合病院のマシュー ローゼン氏は、その速度制限がなくなると、低磁場スキャナーはより高速にパルスを出力し、より効率的なパルス シーケンスを使用できると述べています。 「私たちは、高地では決してできないことを、非常に迅速に尋問することができます。」

それでも、標準的な画像再構成に十分な速度でデータを収集することは依然として課題です。 解決策の 1 つは、人工知能を含む新しい信号処理技術を採用することです。 Hyperfineの最高医療責任者兼最高戦略責任者であるカーン・シディキ氏によると、Hyperfineのエンジニアは一連のトレーニング画像を使用して、ニューラルネットワークと呼ばれるプログラムに、比較的まばらなデータから脳画像を構築するよう教えているという。 「そこで秘伝のソースが登場します。」

標準スキャンと比較して、ローフィールド画像はぼやけて見えます。 それでも、物理学者はその美しさを認識しています。 「これは信じられないほどの物理学の成功物語です」とローゼン氏は言う。 「私たちとんがり頭の物理学者がふざけて、誰も気に留めないことをしているだけではありません。」 このテクノロジーは、忘れ去られた分野の片隅で苦労している人々の正当性を証明するとマクダウェル氏は言う。 「11テスラの機械を作ることに栄光があるのに、正気で65ミリテスラの機械を作る人がいるだろうか？」

Hyperfine は、自社のスウープ スキャナーが非常に素晴らしいスタートを切ったと述べています。 同社は主に米国で100台以上の機械を1台約25万ドルで販売した。 目標は高磁場スキャナを置き換えることではなく、MRI の使用方法を拡大することだとシディキ氏は言います。 「私たちのポータブル スキャナーは、時間的にも距離的にも MRI を患者に近づけます。」 Hyperfine は、神経系 ICU でこれを使用して、3D X 線の一種を生成する従来の MRI または CT 装置に移動できないほど病気または不安定な患者を迅速に評価することを構想しています。

スウープの磁石は 2 つのディスクで構成され、64 ミリテスラの磁場を生成します。 そこからのスキャンは、標準のスキャンとは劇的に異なります。 従来のスキャナでは、自動テーブルがユーザーを円筒形の磁石に直接滑り込ませます。 Swoop を使用すると、健常な患者は車のバンパーの下でうごめくように磁石に食い込むことができます。 アンテナを備えたヘルメットのようなヘッドピースは、鼻に触れそうなほどぴったりと頭を包み込みますが、腕と脚は自由です。 機械の鳴き声は柔らかく、心地よくさえあります。

コロナウイルスのパンデミックが本格化した2019年末から2020年初めにかけて、シェス氏らは、20人が新型コロナウイルス感染症に感染していた人を含む50人のICU患者をスキャンすることで、スウープの期待をテストした。 多くは人工呼吸器を装着し、鎮静剤を使用していたので、「彼らの神経学的状態がどのようなものか全くわからず、利用可能な画像診断法で調べる方法もなかった」とシェス氏は振り返る。 「そしてこれにより、ベッドサイドでそれを行う方法が提供されました。」 研究者らは2021年1月にJAMA Neurology誌で報告したところ、スキャンにより、8人の新型コロナウイルス感染症患者を含む37人の症例で脳外傷が明らかになったと報告した。

より安価で小型の機械により、患者はより頻繁に追跡検査を受けられるようになる可能性もあります。 これは、メリーランド大学カレッジパーク校の物理学者でハイパーファイン社の共同創設者であるロナルド・ウォルズワース氏の共感を呼ぶ見通しだ。 2007 年、当時 2 歳の息子が非癌性脳腫瘍を発症しました。 ハイパーファインの諮問委員を務めるウォルズワース氏は、彼の治療は成功したと語る。 それでも、「MRI検査はたまにしかできないため、早期に発見できなかった兆候や、最も効率的に決定できなかった事柄があった」と彼は言う。

Swoop の利点はファンを魅了しています。 「なんてことだ、なんて美しい、美しいテクノロジーなんだ」とエール大学の小児神経外科医スティーブン・シフは言うが、ハイパーファインには経済的関心はない。 それでも、Swoop の解像度は 1.5 ミリメートルで標準スキャナの半分であるため、高磁場スキャナが捕捉する詳細を見逃す可能性があります。 たとえば、Sheth のチームはこれを使用して、虚血性脳卒中を患った 50 人の患者の脳を画像化し、標準的な MRI で見ることができました。 研究者らは2022年4月、『Science Advances』誌で、スウープは5つの最小のミリメートルサイズのストロークを外したと報告した。

この発見は、医師が各タイプのスキャナーをいつ使用するかを決定する際に判断を下さなければならないことを示している、とシェス氏は言う。 「あまり心配する必要はありませんが、何かを見落とす可能性がある状況を理解する必要があります」と彼は言います。 それでもマクダウェル氏は、医師が低磁場スキャナーを使用すると医療過誤で訴訟を起こされる可能性があると考えると、それを敬遠する可能性があると指摘する。

世界の多くの地域では、MRI を利用することができません。 オランダのチームは、自社のスキャナーがこの状況を変えることを期待している。 その磁石は Swoop のものとは大きく異なります。 これは、自動車メーカーが 1980 年代に開発した合金であるネオジム鉄ボロンの 4098 個の立方体で構成されており、中空のプラスチックシリンダーに埋め込まれ、均一な水平磁場を生成するためにハルバッハ配列と呼ばれる構成に配置されています。 「私たちのシステムは本質的に優れており、歪みが少ない」とライデン大学医療センターの MRI 物理学者である Andrew Webb 氏は主張します。そのため、機械学習などの処理による支援はあまり必要ありません。

スイスの民間企業マルチウェーブ・テクノロジーズは、このスキャナーを市場に投入しようとしている。 マルチウェーブ社の共同最高経営責任者（CEO）トライフォン・アントナカキス氏によると、同社は今年FDAの承認を申請し、サブスクリプションモデルでマシンをレンタルすることを目指しているという。 「私たちの目標は、必ずしも病院に行く必要がなく、できるだけ手頃な価格にすることです」とエンジニアで応用数学者のアントナカキス氏は言う。 「私たちは発展途上国の山中や医療砂漠に進出しようとしています。」

ウェッブ氏と、デルフト工科大学の応用数学者マルティン・ファン・ギゼン氏を含む同僚たちは、自分たちのテクノロジーを広めるための別の計画を立てている。それは、それを無償で提供することだ。 「マーティンも私もチーム全員も、特許を取得しないという決断を下しました」とウェッブ氏は言う。 「すべてがオープンソースになる」ため、誰でもインターネットから設計をダウンロードしてスキャナーを構築できるようになる。 ウェッブ氏らは、発展途上国の起業家がそれらを現地で製造してくれることを期待している。

このアイデアの種を蒔くために、彼らはスキャナーをキットとしてパッケージ化して、ウガンダのムバララ科学技術大学の生物医学技師であるジョーンズ・オブンゴロック氏に発送した。ジョンズ・オブンゴロック氏は、ウェッブ氏とシフ氏が研究していた当時、ペンシルバニア州立大学ユニバーシティパーク校の大学院生だった。そこにもあります。 2022年9月、ウェッブ氏らはオブンゴロック氏と彼のチームが11日間でスキャナーを組み立てるのを手伝うためウガンダに飛んだ。

間もなく、発展途上国における低磁場MRIの有用性をテストするプロジェクトで使用される予定です。 国際非営利団体が運営するムバレの55床の小児脳神経外科施設であるウガンダキュア小児病院は、オブゴロックのスキャナー、スウープ、CTスキャナーを比較する計画を立てている。 医師は、脳脊髄液が脳内に溜まって脳を圧迫し、衰弱または致命的な損傷を引き起こす可能性がある水頭症の子供を画像化します。 世界中で毎年 40 万人の子供が水頭症に苦しんでおり、CURE 病院の患者の 75% を占めています。 アフリカでは通常、感染症が原因です。

同病院のシフ氏らは長年、CTスキャンを利用して、腹部にシャントを設置する代わりに脳室に体液を排出できる革新的な手術を進めてきた。 ただし、CTスキャンでは子供たちが大量のX線放射線にさらされるため、CUREの医師は低磁場MRI画像が外科医の指針となるかどうかを検討することになる。 「MRI が CT スキャンと同等であることが証明されれば、CT スキャンをもう使用する理由はありません」と、このプロジェクトを指揮する CURE の内科医、ロナルド・ムロンド氏は言う。

この研究は政府の最終承認を待っているところだ。 それが成功すれば、おそらくアフリカの他の6つのCURE病院のためにさらに多くのスキャナーを構築し、部品の一部を現地調達することもオブンゴロック氏は構想している。 ウガンダには公的医療があるため、そのビジョンは政府の資金に依存している、と彼は言う。

それでも、他の地域の医師たちと同様に、ウガンダの医師たちはこの技術の解決策が限られていることについて懸念を抱いているかもしれない、とオブンゴロック氏は指摘する。 「放射線科医はそれを見て、『これはひどい画像だ。画像を取得するのにどれだけ時間がかかったとしても気にしない』と言います。」 政府当局者も、ウガンダ人が低解像度の画像に甘んじるべきではないと考えているかもしれない。たとえどんなに役に立ったとしても、と彼は言います。

実際のところ、低磁場 MRI の開発者は医療画像の再考を求めています。 「最高のテクノロジーとは、最高品質の画像を提供できるスキャナーでしょうか、それとも患者の転帰を最も改善できるスキャナーでしょうか?」 Webb のオープンソース リグに協力し、Swoop の取得を希望している Harper 氏はこう尋ねます。

医師の心をつかむのは「ユースケース」、つまりスキャナー用のキラーアプリだ、とシェス氏は言う。 たとえば、脳卒中治療のために特別な救急車に乗せられる可能性があります。 同氏は、Hyperfine やその他の企業がそのようなユースケースを見つけたかどうかについては疑問を抱いているが、いずれそうなると予測している。

そして、説得すべき患者がいます。 Hyperfine スキャナーを使用した後、下垂体腫瘍の患者は、通常の MRI ほど快適ではなかったとヤドラパリに打ち明けました。 手術のせいでまだ鼻呼吸ができないことに気づき、ぴったりフィットするヘッドバスケットが気になったと彼は言う。 「むしろ本物のMRI検査に連れて行かれたほうがいいです。」 彼を消極的な開拓者と呼んでください。