Lompatan Kuantum untuk MRI: Sensor Atom Membuka Potensi Pencitraan Baru
Teknologi sensor atom baru meningkatkan kontrol kualitas MRI dengan melacak molekul hiperpolarisasi secara real-time, dengan potensi manfaat untuk berbagai bidang ilmiah.
Pencitraan resonansi magnetik (MRI) adalah alat fundamental dalam pengobatan modern, yang menawarkan gambaran rinci tentang organ dan jaringan internal. Mesin MRI besar berbentuk tabung ini, yang biasa terlihat di rumah sakit, menggunakan magnet yang kuat untuk menganalisis dan memvisualisasikan kepadatan molekul air dan lemak di dalam tubuh.
Selain molekul-molekul ini, zat lain seperti metabolit juga dapat dipetakan, namun konsentrasinya seringkali terlalu rendah untuk menghasilkan gambar yang jelas. Untuk mengatasi keterbatasan ini, teknik yang dikenal sebagai hiperpolarisasi digunakan untuk meningkatkan sinyal resonansi magnetik dari zat-zat ini, sehingga membuatnya lebih terlihat selama pemindaian MRI.
Hiperpolarisasi melibatkan penyiapan suatu zat di luar tubuh dalam keadaan di mana magnetisasinya—kunci untuk menciptakan gambar MRI—mendekati maksimum. Proses ini dapat meningkatkan sinyal ribuan kali lipat dibandingkan keadaan aslinya. Setelah mengalami hiperpolarisasi, zat tersebut disuntikkan ke pasien dan diangkut ke organ atau jaringan target. Namun, sebelum hal ini dapat terjadi, penting untuk memastikan bahwa zat tersebut mengalami hiperpolarisasi yang memadai melalui proses kendali mutu yang ketat.
Teknik pengendalian kualitas saat ini menghadapi dua tantangan besar. Pertama, metode ini sering kali mengurangi magnetisasi sampel selama proses pembacaan, sehingga mengurangi kemampuannya untuk menyempurnakan pemindaian MRI. Kedua, waktu yang dibutuhkan untuk melakukan pengukuran bisa memakan waktu yang lama, sehingga magnetisasi suatu zat akan meluruh secara alami, sehingga membatasi peluang untuk melakukan pengukuran berturut-turut. Hal ini mengakibatkan kurangnya data penting yang dapat membantu memaksimalkan efisiensi hiperpolarisasi. Selain itu, setelah sampel mengalami hiperpolarisasi, terdapat risiko kehilangan magnetisasinya selama dipindahkan ke mesin MRI. Teknik pengendalian kualitas tradisional, karena sifatnya yang memakan waktu, mungkin gagal mendeteksi hilangnya waktu.
Kini, kolaborasi peneliti IBEC Dr. James Eills (sekarang di Forschungszentrum Jülich, Jerman) dan Dr. Irene Marco Rius serta peneliti ICFO ICREA Prof. Morgan W. Mitchell dan Dr. Michael CD Tayler telah menunjukkan bagaimana teknik sensor atom mengatasi keterbatasan pengambilan sampel konvensional saat mengukur magnetisasi bahan hiperpolarisasi. Terobosan ini baru-baru ini dilaporkan dalam jurnal PNAS.
Secara khusus, tim menggunakan magnetometer atom yang dipompa secara optik (OPM), yang prinsip pengoperasiannya berbeda secara mendasar dari sensor tradisional, sehingga memungkinkan deteksi real-time terhadap medan yang dihasilkan oleh molekul hiperpolarisasi. Sifat OPM memungkinkan para peneliti untuk melakukan pengamatan terus menerus, beresolusi tinggi, dan non-destruktif di seluruh percobaan, termasuk proses hiperpolarisasi itu sendiri.
Menurut penulis, jika bidang penginderaan hiperpolarisasi adalah sinema, metode sebelumnya akan seperti rangkaian foto diam, membiarkan plot di antara gambar beku terbuka untuk ditebak oleh pemirsa. “Sebaliknya, teknik kami lebih seperti video, di mana Anda melihat keseluruhan cerita bingkai demi bingkai. Intinya, Anda dapat mengamati secara terus menerus dan tanpa batas resolusi, dan dengan cara ini Anda tidak akan melewatkan detail apa pun!” jelas Dr. Michael Tayler, peneliti ICFO dan salah satu penulis artikel tersebut.
Mengungkap perilaku senyawa kimia selama magnetisasi
Tim menguji OPM mereka dengan memantau hiperpolarisasi pada molekul yang relevan secara klinis. Resolusi sensor atom yang belum pernah terjadi sebelumnya dan pelacakan waktu nyata memungkinkan mereka menyaksikan bagaimana polarisasi dalam senyawa metabolit ([1-13C]-fumarate) berevolusi di bawah kehadiran medan magnet.
Sensor atom mengungkap 'dinamika putaran tersembunyi' yang selama ini luput dari perhatian, menawarkan jalur baru menuju optimalisasi hiperpolarisasi sejak awal proses. “Metode sebelumnya mengaburkan osilasi halus pada profil magnetisasi, yang sebelumnya tidak terdeteksi,” kata Tayler. “Tanpa OPM, tanpa kita sadari, kita akan mencapai polarisasi akhir yang kurang optimal.” Selain observasi sederhana, metode ini dapat digunakan untuk mengontrol proses polarisasi secara real-time dan menghentikannya pada titik yang paling nyaman, misalnya ketika polarisasi maksimum tercapai.
Studi tersebut mengungkapkan perilaku tak terduga lainnya ketika tim menerapkan medan magnet untuk berulang kali menarik dan mendemagnetisasi molekul fumarat yang mengalami hiperpolarisasi. Mereka berharap untuk melihat magnetisasi meningkat hingga maksimum dan kemudian kembali ke nol berulang kali, bertransisi dengan mulus dari satu keadaan ke keadaan lainnya setiap saat. Bertentangan dengan ekspektasi sederhana ini, molekul tersebut menunjukkan dinamika kompleks karena resonansi tersembunyi pada durasi magnetisasi-demagnetisasi dan medan magnet tertentu.
“Pemahaman ini akan membantu kita mendeteksi kapan perilaku yang tidak diinginkan terjadi dan menyesuaikan parameter (seperti durasi siklus atau intensitas medan magnet) untuk mencegahnya,” jelas Tayler.
Pekerjaan ini mewakili kemajuan dalam teknologi MRI hiperpolarisasi, sebagian besar berkat upaya kolaboratif kelompok Pencitraan Molekuler untuk Pengobatan Presisi IBEC dan kelompok Optik Kuantum Atom ICFO. Keahlian IBEC dalam metode hiperpolarisasi dan keahlian ICFO dalam teknologi penginderaan OPM sangat penting dalam mencapai hasil.
“Ini adalah contoh indah dari ilmu pengetahuan baru yang dapat dicapai ketika para peneliti dari berbagai disiplin ilmu bekerja sama, dan kedekatan IBEC dan ICFO berarti kami dapat berkolaborasi secara erat dan mencapai sesuatu yang benar-benar baru,” ujar Dr. James Eills, IBEC peneliti dan penulis pertama artikel tersebut.
Dr. Tayler merefleksikan keberhasilan tim: “Pengukuran OPM bekerja dengan baik sejak awal. Sensitivitas sensor yang luar biasa mengungkap dinamika tersembunyi yang tidak kami antisipasi seolah-olah memang dimaksudkan untuk tujuan ini. Kemudahan penggunaan dan banyaknya informasi baru menjadikannya alat yang ampuh untuk memantau hiperpolarisasi.”
Manfaat untuk MRI dan aplikasi masa depan lainnya
Penerapan langsung dari penelitian ini adalah untuk mengintegrasikan sensor atom portabel ke dalam kendali kualitas sampel klinis untuk MRI, sesuatu yang saat ini sedang diterapkan oleh tim ICFO di Proyek Kementerian Spanyol “SEE-13-MRI”. Dengan cara ini, seseorang dapat mengarahkan molekul ke tingkat polarisasi tertinggi selama hiperpolarisasi dan secara andal menyatakan tingkat polarisasi sebelum zat disuntikkan ke pasien.
Perkembangan ini secara signifikan dapat mengurangi biaya dan tantangan logistik MRI metabolik. Jika ya, hal ini akan memperluas jangkauannya dari beberapa pusat penelitian khusus yang saat ini digunakan, hingga ke banyak rumah sakit di seluruh dunia.
Namun, potensi sensor atom jauh melampaui pencitraan medis. Sistem pelacakan non-destruktif dan real-time yang sama menggunakan magnetometer yang dipompa secara optik (OPM) dapat diterapkan untuk memantau makromolekul dalam proses kimia, mempelajari target fisika energi tinggi, atau bahkan mengoptimalkan algoritma berbasis putaran dalam komputasi kuantum. Menurut Dr. Tayler: “Metode yang kami kembangkan membuka jalan baru tidak hanya untuk meningkatkan MRI tetapi juga untuk berbagai bidang yang mengandalkan penginderaan magnetik yang tepat, dan kami sangat antusias dengan pengembangan lebih lanjut.”
Referensi: “Pengamatan magnetik langsung dinamika hiperpolarisasi parahidrogen” oleh James Eills, Morgan W. Mitchell, Irene Marco Rius dan Michael CD Tayler, 15 Oktober 2024, Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional.
DOI: 10.1073/pnas.2410209121
