五个步骤使核磁共振扫描仪更容易为世界所接受

2014年，儿科神经外科医生Steven Schiff向我们的研究团队提出了一个挑战:建立一个易于使用的便携式磁共振成像(MRI)系统，成本仅为传统扫描仪的一小部分。他需要用它来为患有脑积水的乌干达儿童的大脑成像，脑积水是一种大脑积液。

脑积水是全世界儿童神经外科手术最常见的原因;仅在撒哈拉以南非洲地区，每年就有近20万例。外科医生通过手术转移积液，但手术经常失败，需要进行后续成像。对于这种情况，其他形式的扫描和监测是不切实际的:超声波不能穿透两岁以上儿童的头骨，x射线有辐射风险。磁共振成像符合要求。

核磁共振成像是临床护理不可或缺的一部分，全球每年进行超过1亿次扫描，医院和诊所约有5万台核磁共振成像设备。然而，低收入和中等收入国家(LMICs)的人民获得这项技术的机会有限，尽管他们占世界人口的70%以上。例如，非洲平均每百万人拥有0.7台核磁共振扫描仪，而日本为55台，美国为40台，德国为35台。大多数系统都在大城市，远离农村人口。在非洲，39%的扫描仪使用过时的硬件和软件¹．

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核磁共振扫描仪价格昂贵——购买、安装、维护和操作一台机器要花费数百万美元。他们需要一个几米长、5-10吨重的超导磁体，用液氦冷却，并放置在一个屏蔽房间里以减少电磁干扰。扫描仪需要强大的能源和冷冻水来冷却其他部件。训练有素的技术人员是必不可少的。软件和硬件升级每年要花费数万到数十万美元。所有这些都超出了中低收入国家的研究、教育和卫生保健机构的能力范围。

相反，这些国家需要的是完全重新设计的核磁共振系统，可以很容易地在农村环境和二级卫生设施中安装和运行。当地医生需要有信心使用它们来诊断和治疗常见的危及生命的疾病。自从我们第一次与Schiff(他在康涅狄格州纽黑文的耶鲁医学院工作)交谈以来，我们在荷兰莱顿大学医学中心和乌干达姆巴拉拉科技大学的小组已经与巴拉圭、西班牙、美国和德国的研究人员合作，开发和推广低收入和中等收入国家负担得起的MRI系统。

在这里，我们概述了进展，并强调了研究人员应该关注的五个关键挑战。我们主要关注非洲，这是我们经验最丰富的地区，但在南美和南亚也存在类似情况。

改进低场技术

核磁共振背后的原理在50年前的本周发表自然保罗·劳特伯尔著²他与英国物理学家彼得·曼斯菲尔德(Peter Mansfield)共同获得了2003年的诺贝尔生理学或医学奖。传统的MRI机器使用强大的超导磁体来极化组织中的氢核。无线电波脉冲与极化核相互作用，在放置在患者周围的探测器中产生电压。算法将这些信号转换成图像，医生可以根据水或蛋白质含量和硬度等特征来区分组织。

一个紧凑的便携式MRI系统不能通过简单地缩小现有设计或用更便宜的替代品替换组件来构建。但小型机器可以优化用于监测脑积水等特定情况。

首先，可以将超导磁体替换为小型永磁体，永磁体通常由钕硼铁或钐钴合金制成。这种磁体产生的磁场(0.05到0.1特斯拉)比传统磁体(1.5或3特斯拉)弱得多，信号也弱了数百到数千倍。

电子元件必须重新设计，以使用更少的电力和电源或电池。图像处理算法和硬件必须能够校正外部噪声，这样就不需要屏蔽。而且软件必须易于操作，只需最少的培训。

在过去的十年中，不同的研究小组开发了两种类型的低场MRI系统。我们设计了一个由数千个微小磁铁(几厘米或更小)组成的版本，以优化患者周围磁场的强度和均匀性。该系统的枪管长约50厘米，直径约50厘米，开口内孔宽31厘米，相对较轻(约75公斤)，可以在没有专门工具或设备的情况下组装成模块^3.．该系统可以安装在病床的头部，病人可以滑进病床。我们的扫描仪可以被推到医院里，装进汽车里，使用开源软件进行操作。

第二种设计更简单，由两个几厘米厚、直径60-95厘米的圆盘组成。椎间盘由磁性材料制成，由一个或两个铁轭连接，放置在患者头部的上方和下方⁴．然而，这个系统需要专门的设备来组装，重达数百公斤，必须在机动车厢上移动。

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位于康涅狄格州吉尔福德的美国公司Hyperfine已经将后一种设计商业化，目前主要在美国的重症监护病房和急诊科与典型的MRI系统一起使用。它已经在脑出血、中风、多发性硬化症和脑损伤患者身上进行了测试⁵．比尔和梅琳达·盖茨基金会计划在中低收入国家设立超过45个这样的系统，以帮助研究人员了解和解决母婴健康、营养不良和疾病对婴儿大脑发育的影响。中国内地和香港也开发了类似的研究平台。

目前，这两种系统都能够在10分钟内以大约2毫米的分辨率对大脑进行成像。相比之下，传统的核磁共振扫描仪可以在几分钟内分辨出小于一毫米的结构。虽然低场系统的性能对于脑积水等简单的情况已经足够，但它还可以改进。研究人员必须设计更灵敏的探测器，提高图像对比度，并部署先进的图像重建方法，例如使用人工智能(AI)。他们还需要确保系统在可能遇到的具有挑战性的环境条件下可靠、稳健和可重复性地运行，例如在低收入和中等收入国家的农村环境中。

建立医生的信心

传统的核磁共振成像是一种专业实践，通常由熟悉所有细微差别的放射科医生处理。对于低收入和中等收入国家的应用，医生将低场MRI技术视为“智能技术”而不是“低技术”，而不仅仅是高收入国家使用的系统的廉价替代品，这一点至关重要。

建立这种信心需要临床医生和科学家分享他们对低场MRI获得的“颗粒状”图像中包含的信息的理解。目前关于如何在临床上使用这些设备的知识和数据很少。核磁共振科学家需要确保低场图像的质量是可靠的和可重复的，并且与传统扫描仪一样，任何非临床人工制品都很容易被发现。需要与低收入和中等收入国家的临床医生和技术人员合作，设计和改进简单的用户界面。

需要为临床医生制定培训计划，包括向他们展示低视场图像与传统的高视场和其他类型的扫描相比如何。高收入国家和低收入和中等收入国家都应进行这些图像的采集——前者是因为有更大的硬件可用性，后者是为了确保与当地健康问题相关。MRI社区必须证明低场图像在临床上是有用的。

优先考虑开源方法

商用MRI扫描仪使用专有的软件和硬件。这限制了医学物理学家和工程师理解和修复这些系统的程度。许多地方在当地没有这样的专业知识。世界卫生组织(世卫组织)估计，由于培训不足，捐赠给中低收入国家的医疗设备中有70%无法使用。

低收入和中等收入国家的科学家、临床医生和医疗技术人员需要获得授权，在现场设计、维护和建造低成本的MRI系统⁶．为此，他们需要获得开源硬件和软件，这符合联合国2020年数字合作路线图，该路线图强调需要实现所有人的数字包容，并建立数字合作架构。

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举个例子，去年我们设计了一个基于开源硬件和软件的低场核磁共振扫描仪“工具包”，并将其从莱顿运送到我们位于姆巴拉拉的工程学院。来自6个撒哈拉以南非洲国家的生物医学工程专业学生使用该工具包在非洲现场建造了第一个便携式定制核磁共振系统，该系统现在被用于培训学生。

这个项目强调了资金的重要性，无论是来自机构、政府还是企业组织，都可以鼓励开源技术。允许技术广泛传播同时维护开发者权利的许可证正在出现，同样出现的还有要求在中低收入国家以成本价出售一定比例系统的免版税转授。例如，此类协议允许一些制药公司在非洲分享COVID-19疫苗技术。

研究人员能做些什么呢?他们可以让数据和代码在存储库(如GitHub)中可用，并确保代码是用开源语言编写的。他们可以在免费的网站上记录方法和硬件开发opensourceimaging.org)．它们还可以帮助调整学术文化，使透明和可重复的研究得到高度重视。

为LMIC环境开发人工智能工具

在难以获得培训的国家，使用人工智能检测医学图像中的简单异常可以改善结果并节省成本。人工智能也可能有助于“任务转换”，在这种情况下，护士和医疗技术人员可以扮演通常由临床医生扮演的角色。然而，目前大多数人工智能应用，包括商业和研究，都是针对hic的情况。

低频段低场扫描仪的高效AI算法必须针对特定设备进行定制，并在本地图像上进行训练。高收入国家的数据可能与低收入和中等收入国家的人口不相关，因为不同的疾病谱、遗传和环境差异⁷．必须考虑当地的数据隐私法律，因为这些法律因国家而异⁸．来自其他类型的扫描(如计算机断层扫描)的图像在低收入家庭中使用更广泛，可以合并到训练数据中。最终，低场MRI系统本身可能有助于增加人工智能训练数据集的规模和多样性，因为这些设备可以带进患者的家中⁹．

增加对可持续核磁共振的资助

总的来说，我们发现很难为我们的小型核磁共振系统筹集资金。美国和欧洲政府优先考虑直接造福居民的高端仪器。简化仪器的研究，特别是用于低收入和中等收入国家的研究，被视为优先级较低。慈善基金会更易于接受，但有自己的优先事项，如果没有合适的联系人，可能很难进入。在我们的案例中，我们成功地使用了荷兰研究委员会(NWO)的少量初始资金，作为获得欧盟和美国国立卫生研究院进一步拨款的垫脚石。

这一资金缺口可能源于对中低收入国家的医疗需求缺乏认识。在主要的MRI研究和放射学会议上，不到1%的与会者来自中低收入国家的机构¹．同样，来自低收入和中等收入国家的MRI研究出版物占全球产出的不到1%，其中大部分来自与高收入和中等收入国家科学家的合作¹．中低收入国家的科研人才流失是有据可查的¹⁰．然而，将低场MRI发展成为一种临床工具，可以与当今医学成像的最大挑战相媲美。

在高收入国家，医学成像研究涉及公司网络、政府资助的实验室、大学研究和教育项目。人员和思想在这些实体之间流动，从而实现持续的长期合作。需要在中低收入国家建立类似的网络，以早期职业研究人员为核心，推动这些技术向前发展。

出现了令人鼓舞的变化迹象。2019年，欧洲磁共振医学和生物学学会组建了一个网络——非洲磁共振教育和研究促进联盟(CAMERA;看到cameramriafrica.org)．CAMERA在18个非洲国家拥有超过54名学术志愿者、114名放射学住院医生和54名医学物理学实习生，组织当地活动并支持研究人员申请资金。2022年，该联盟评估了撒哈拉以南非洲地区MRI的使用情况，强调了培训、维护和研究能力方面的差距¹．更大的学会开始反映这种努力，包括国际磁共振医学学会(ISMRM)和各种欧洲和美国的放射学会。

为了确保中低收入国家的科学家参与其中，我们主张消除社会成员资格和会议出席的经济障碍。权宜之计，如仅在线访问和准会员资格，是不够的，因为它们缺乏提供给正式会员的福利，如网络、建立社区意识和投票权。各大组织应定期在中低收入国家举办年会。

正如希夫的挑战向我们表明的那样，改善全球健康需要的不仅仅是零敲散打的方法。研究人员和医生的创意理念可以让每个人都能接触到核磁共振成像。