磁共振成像 (MRI) 掃描器是我們評估腦損傷和疾病最有價值的診斷工具。然而，全球約三分之二的人口無法獲得 MRI 技術，超過 90% 的裝置位於高收入國家。費用是主要原因：一臺典型的 MRI 機器成本約為 100 萬至 300 萬美元。它們需要專門建造的房間來遮蔽掃描器免受外部訊號干擾，並容納其超導磁體產生的強大磁場，而這些超導磁體需要液氦冷卻系統，執行成本昂貴。
低成本、行動式替代品可能很快開始得到廣泛應用。在 12 月 14 日《自然·通訊》雜誌上發表的一項研究中，香港大學生物醫學工程師吳學奎領導的研究人員描述了一種無需遮蔽且可從標準牆壁插座取電的 MRI 掃描器。這種被稱為超低場 (ULF) MRI 的方法缺乏精確診斷所需的清晰度和解析度，但成本要低得多，材料成本估計低於 20,000 美元（研究作者估計）。更重要的是，該機器的設計和演算法是開源的，邀請世界各地的研究人員幫助開發這項技術。
MRI 利用了我們主要由水組成的事實。氫原子中的質子具有帶磁性的“自旋”，這些自旋透過磁場排列，並透過射頻脈衝進行探測。不同的組織具有不同的水濃度和磁環境，這些差異在重建影像中表現為明暗對比。
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ULF 設計沒有采用超導電磁體，而是採用了永磁體，從而消除了冷卻的需要。永磁體僅產生 0.055 特斯拉的磁場，因此無需磁遮蔽（標準 MRI 掃描器使用 1.5 或 3 特斯拉的磁場）。主要的權衡是訊號較弱，因此信噪比較差，結果，影像解析度較低。
為了保持便攜性，ULF 設計避免了物理射頻遮蔽。相反，研究人員使用了一種“深度學習”演算法，該演算法經過訓練可以識別和預測干擾訊號，然後從測量的訊號中減去這些訊號。“這是這裡非常有用的一項創新，”哥倫比亞大學的生物醫學工程師賽拉姆·吉塔納特說，他沒有參與這項研究。“這類似於降噪耳機，您試圖即時學習噪聲模式並抑制它。”
該團隊透過掃描 25 名患者並將影像與標準 MRI 機器的影像進行比較來演示該裝置。研究人員可以識別出大多數相同的病變，包括中風和腫瘤。“影像的質量似乎足以在多種情況下具有臨床應用價值，”澳大利亞斯威本科技大學的神經科學家湯姆·約翰斯頓說，他沒有參與這項研究。“ULF MRI 可以設在更多城鎮，甚至移動單元中，這將有助於快速評估中風，這對干預措施的成功有很大影響。”
新設計加入到其他正在開發的 ULF MRI 掃描器的行列中。一家名為 Hyperfine 的公司位於康涅狄格州吉爾福德，去年其行動式掃描器獲得了 FDA 批准，但設計細節是專有的。吳和他的同事們已將其資料、設計和程式碼線上公開，這可以加速 ULF 的改進並控制成本。（Hyperfine 的機器比香港團隊的機器估計價格高出兩倍多。）
儘管 ULF 裝置前景廣闊，但它們並非旨在取代高場掃描器。它們在“分診”環境中具有應用前景，在這些環境中，患者無法移動或時間至關重要。“它可以在升級裝置中發揮作用，”吉塔納特說。隨著效能的提高，應用範圍可能會擴大，吳學奎對此有一些想法。“目前，MRI 系統的構建方式就好像我們對掃描物件一無所知一樣，但通常我們需要的資訊非常微妙，”吳說——即識別不同的地方。“這將是一場由廉價計算驅動的巨大革命。”他設想更廣泛地使用 MRI 技術，使其更貼近護理點的臨床需求。“核磁共振現象是大自然的饋贈，”他說。“我們必須更多地利用它。”
本文的一個版本，標題為“行動式視野”，已改編收錄在《大眾科學》2022 年 3 月刊中。