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- 조영제로서의 자성 나노입자 주입
- iMPI 방법은 조직이나 뼈의 배경 신호를 방해하지 않고 민감하고 빠르다는 것도 큰 장점
- 휴대용 MPI 스캐너는 혈류의 변화에 ​​따라 인공 정맥의 협착 및 동맥류를 시각화

모바일로 혈관 내부 보기
휴대용 자기(磁氣) 스캐너는 거의 실시간으로 좁아지거나 막힌 정맥을 보여준다.

혈류 가시화:
새로 개발된 휴대용 스캐너는 정맥이나 동맥의 혈류를 보여주어 막힘, 혈전증 또는 동맥류를 가시화할 수 있다. 이 장치는 팔이나 다리에 두꺼운 부목처럼 묶여 있으며 자기장을 사용하여 혈액에서 자기화된 나노 입자를 감지한다. 결과적으로 모바일 스캔은 X선이나 방사성 조영제가 필요하지 않으며 혈관 폐색 또는 손상의 조기 발견, 예방 및 치료에 기여할 수 있다. 

▲ 새로 개발된 휴대용 자기 스캐너는 혈관의 병리학적 변화를 실시간으로 매핑할 수 있다. © Vogel et al./Scientific Reports, CC-by 4.0

엑스레이, 자기 공명 영상 또는 초음파를 통해:
우리 몸 내부를 보는 것은 의학에 없어서는 안 될 필수 요소다. 많은 질병이나 내부 부상은 이러한 영상 절차를 통해서만 인식하고 치료할 수 있기 때문이다. 이것은 예를 들어 혈전증, 정맥 협착 또는 동맥류로 인한 혈류 장애에도 적용된다. 혈관조영술은 혈관의 이러한 변화를 감지하고 심장마비, 뇌졸중 또는 내출혈과 같은 치명적인 결과를 예방하는 데 도움이 된다.

지금까지 혈관조영술은 조영제를 사용하여 혈관을 보여주는컴퓨터단층촬영(CT)이나 자기공명영상(MRI)을 보여줬다. 그러나 이러한 장치는 부피가 크고 누운 상태에서만 사용할 수 있으며 CT도 신체를 이온화 X선에 노출시킨다.

▲ 혈관 더미 허벅지의 다양한 혈관 변화에 대한 iMPI 이미지. © Vogel et al./Scientific Reports, CC-by 4.0

조영제로서의 자성 나노입자

그렇기 때문에 뷔르츠부르그(Würzburg) 대학 병원과 파트릭 포겔(Patrick Vogel)이 이끄는 대학 연구팀들이 이제 최초의 휴대용 혈관 스캐너를 개발했다. "저희 iMPI 스캐너는 매우 작고 가벼워서 거의 어디든 가지고 다닐 수 있다"고 Vogel은 설명했다. iMPI는 Interventional Magnetic Particle Imaging의 약자로 자기장이 자화된 나노 입자의 움직임과 밀도를 가시화하는 이미징 프로세스를 말한다. 이러한 입자는 측정 전에 조영제처럼 주입된다.

이미징은 시간이 지남에 따라 변하는 자기장에 대한 자성 나노 입자의 반응 신호를 기반으로 한다. "나노입자의 자화는 외부 자기장의 도움으로 특별히 조작된다. 즉, 나노 입자의 존재뿐만 아니라 인체의 공간적 위치도 감지할 수 있다"고 Vogel은 설명했다. 절차는 MRI와 유사하지만 나노 입자의 반응만 유발한다. 결과적으로 혈관만 특정하게 묘사되고 다른 모든 신체 조직은 어둡게 유지된다.

▲ iMPI 스캐너 작동에 필요한 추가 주변 장치를 보여주는 실험 iMPI 설정 개요: 콘솔은 사용자 입력을 처리하고 자기장 생성, 데이터 수집, 처리 및 시각화를 위한 시퀀스를 조정하는 제어 장치로 구성됩니다. 송신측에서 AWG(임의파 발생기)는 설계된 시퀀스를 생성합니다. AMP 캐비닛은 인코딩 및 팬텀 시각화에 필요한 높은 자기장에 대한 시퀀스 신호를 증폭한다. 수신측에서 신호는 수신 코일(rx)을 사용하여 유도적으로 수신되고 수동 저역 및 고역 통과 필터와 저잡음 증폭기(LNA)에 의해 필터링 및 증폭되고 아날로그-디지털 변환기를 사용하여 디지털화된다. ADC). 시각화(vis) 전에 데이터를 처리하려면 추가 신호 처리 단계(reco)가 필요하다. 추가 피드백 코일(FC)은 스캐너의 필드 매개변수를 모니터링하는 데 사용된다. (출처: 관련논문 iMPI: portable human-sized magnetic particle imaging scanner for real-time endovascular interventions / Scientific Reports)

어두운 배경의 밝은 혈관

"방사성 물질을 마커로 투여하는 양전자 방출 단층 촬영과 마찬가지로 iMPI 방법은 조직이나 뼈의 배경 신호를 방해하지 않고 민감하고 빠르다는 큰 장점이 있다"고 공동 저자인 Volker는 설명했다. 베르. 이를 통해 시야를 가리거나 방해하는 다른 구조 없이 혈관의 혈류와 수축 또는 팽창을 표시할 수 있다.

원칙적으로 MPI 이미징은 새로운 것이 아니지만 지금까지 인체의 역동적인 변화를 보여주기에는 너무 느리고 서툴렀다. 또한 장치는 크기가 비슷하고 일반적인 MRI 스캐너와 부피가 컸다. Würzburg 팀은 MPI 스캐너를 두꺼운 부목처럼 고정할 수 있도록 기술을 더욱 발전시켰다. 이것은 교류 자기장을 생성하는 3개의 편평한 자기 코일과 상대적으로 넓은 시야에서 초당 8프레임으로 나노입자의 반응을 기록할 수 있는 센서로 구성된다.

▲ 완전히 재구성된 이미지를 얻는 데 필요한 단계 스케치: 시퀀스를 시작하면 CH1/2 및 CH3에 대해 선택한 파형이 자기장 발생기에 제공된다. 과도 현상 없는 자기장 진폭을 보장하기 위해 획득 창은 램프 업이 완료된 후 약간의 지연으로 시작된다. 디지털화된 데이터 세트는 이미지 기반 시스템 매트릭스 접근법31,32,46을 사용하여 최종 재구성 및 시각화 전에 원시 이미지를 생성하기 위해 2D 표면에서 처리되고 그리드화된다. (출처: 관련논문)

혈관 더미를 사용한 첫 번째 테스트 성공

첫 번째 테스트에서 연구원들은 모의 혈관과 인공 혈액이 있는 특수 인형에 iMPI 스캐너를 시험했다. 이를 통해 수축, 동맥류 또는 혈전이 운동 목적으로 생성될 수 있다. 이 모델에서 카테터 개입을 실행하고 테스트할 수도 있다. 테스트를 위해 Vogel과 그의 팀은 스캐너를 모델의 허벅지에 묶고 나노입자를 주입했다. 그런 다음 혈류가 얼마나 잘 보이는지 관찰했다.

결과:
휴대용 MPI 스캐너는 혈류의 변화에 ​​따라 인공 정맥의 협착 및 동맥류를 시각화할 수 있었다. 과학자들이 보고한 바와 같이 이 장치는 높은 시간 해상도 덕분에 카테터 개입의 영상 모니터링에도 적합하다. 그러나 프로토타입의 공간 해상도는 초기에 속도를 위해 최적화했기 때문에 아직 그리 높지 않았다.

“이것은 방사선 없는 개입을 향한 중요한 첫걸음이다. MPI는 장기적으로 이 영역을 변화시킬 잠재력이 있다”고 수석 저자인 Stefan Herz가 말했다. 팀은 현재 스캐너의 이미지 품질을 더욱 개선하기 위해 노력하고 있다.
(Scientific Reports, 2023; doi: 10.1038/s41598-023-37351-2)
출처: Julius-Maximilians-Universität Würzburg

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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