Turbo-MRI

Een nieuwe signaalstof geeft in een MRI-scanner een honderdduizend keer zo sterk meetsignaal waardoor stofwisselingsprocessen beter zichtbaar worden. Toepassing bij kankeronderzoek ligt voor de hand, maar het kan ook van nut zijn voor onderzoek van veel andere ziekten. ‘Dit is de toekomst van MRI.’

MRI-scanners zijn niet meer weg te denken uit het ziekenhuis. De grote, ratelende apparaten maken mooie contrastbeelden van weefsels en organen in het lichaam, op basis van twee onschadelijke energiebronnen: een sterke elektromagneet en een radiozender. Samen zorgen die ervoor dat de waterstofatomen in ons lichaam zich laten ‘zien’, waardoor de computer een beeld kan maken.

In plaats van naar waterstof is het ook mogelijk de scanner naar een minder voorkomend maar wel belangrijk element te laten kijken, zoals fosfor. ‘Dat gebeurt onder andere hier in het UMC Utrecht’, zegt Dennis Klomp, hoogleraar high precision structural and metabolic imaging. Door zo’n element op het beeld te volgen, komen artsen meer te weten over de activiteit van bepaalde cellen in het lichaam.

‘Eén ding is jammer: omdat zulke elementen niet zoveel voorkomen in het lichaam, is het signaal voor de scanner veel zwakker en het beeld niet erg scherp. De pixelgrootte is ongeveer een centimeter.’

Honderdduizend keer

Wat valt daaraan te doen? Een creatieve tienjarige zou met deze oplossing kunnen komen: geef in een laboratorium een hoeveelheid van een element een speciale behandeling, waardoor het een honderdduizend keer zo sterk signaal afgeeft. Spuit het in de bloedbaan van de patiënt, zet de scanner aan en je krijgt haarscherpe beelden.

Leuk gefantaseerd? Er bestaat een techniek die dit kan: dissolution-Dynamic Nuclear Polarization, d-DNP (dynamische kernspinpolarisatie in oplossing). Met d-DNP zijn stofwisselingsprocessen heel precies in kaart te brengen, waardoor artsen ermee bijvoorbeeld tumoren kunnen opsporen. Na een ontwikkelingstraject van 25 jaar heeft de techniek nu in het stadium van klinische proeven met patiënten bereikt.

Magnetische vatbaarheid

Een honderdduizend keer zo sterk signaal, hoe kan dat eigenlijk? MRI (magnetic resonance imagng) moet normaal met een erg zwak signaal werken. De meerderheid van de atomen in het menselijk lichaam – vooral die van waterstof – heeft een kern met ‘spin’. Dat wil zeggen dat de kern zich als een kleine permanente magneet gedraagt. Omdat al die magneetjes in willekeurige richtingen staan, merken we daar niets van.

De sterke elektromagneet van een MRI-scanner weet echter zoveel mogelijk van die spins tijdelijk in één richting te draaien (polariseren). Wanneer deze gepolariseerde waterstofkernen daarna met radiogolven worden bestraald, geven ze een signaal terug. De frequentie daarvan verraadt hun positie, hun atoomsoort en ook nog aan wat voor andere atomen ze zijn gebonden. Met die gegevens maakt de scanner een beeld van het lichaam.

Hersenscans

Een gezond menselijk brein, gezien op drie verschillende diepten, gemaakt met conventionele MRI (links) en met d-DNP. De gele stip achter in het hoofd (tweede kolom) is de ader waardoor het in de bloedbaan geïnjecteerde pyrodruivenzuur binnenkomt. De hersenen zetten dit om in onder andere melkzuur en waterstofcarbonaat. Beeld: James Grist e.a., University Of Cambridge

"MRI werkt normaal met een erg zwak signaal"

Lichaam vol waterstof

Dat polariseren gaat alleen wel moeizaam. Dat komt door de zwakke magnetische vatbaarheid van kernen en door hun voortdurende onderlinge gebots waardoor hun magnetische oriëntatie steeds verandert. Zelfs met de krankzinnig sterke magneten (van minstens een tesla) die MRI-scanners tegenwoordig hebben, komt per één miljoen kernen maar ongeveer één kernspin meer in de goede richting te staan dan verkeerd om. Van die één op de miljoen moet het meetsignaal komen.

Dat gewone MRI-beelden toch scherp zijn, is te danken aan de grote hoeveelheid waterstof in het menselijk lichaam en aan het geduld van patiënten. Die moeten lang in de scanner liggen om genoeg meetsignaal te verzamelen.