有了新的物理模型，MRI图像要变清晰了
莱斯大学和橡树岭国家实验室的研究团队开发出一种全新的物理模型，能精确描述水分子如何围绕金属造影剂“放松”，这将让MRI图像更锐利、诊断更安全。
莱斯大学和橡树岭国家实验室的研究团队开发出一种全新的物理模型，能精确描述水分子如何围绕金属造影剂“放松”，这将让MRI图像更锐利、诊断更安全。研究11月12日发表在《化学物理杂志》上。
想象一下，医生给病人做核磁共振(MRI)时，常要注射含钆的造影剂。这些钆离子被有机外壳包裹，扔进人体后，会干扰附近水分子在强磁场中的行为。水分子“放松”得快慢不同，图像就亮暗分明，医生才能看清病灶。
过去几十年，大家用的理论都过于简化，只抓住一两个主要因素，预测总有点偏差。这次，研究团队彻底换了思路。
他们直接求解福克-普朗克方程，这是个描述分子位置和速度概率如何随时间变化的“主方程”。通过解这个方程，他们找到了水分子围绕造影剂运动的全部“本征模态”，就像把一段和弦拆成所有音符，而不是只听最响的那一两个。
“以前的模型只听到单音，这回我们听到了完整的和声。”论文第一作者Thiago Pinheiro打了个比方。他刚从莱斯大学化学与生物分子工程系博士毕业，现在在橡树岭做博士后。
新框架叫“NMR本征模态框架”。它不仅能在临床MRI常用的磁场频率下，精确重现实验数据，还证明了过去那些简化模型其实只是这个大理论的特例。
带队的Walter Chapman教授是莱斯大学化学与生物分子工程系的William W. Akers讲席教授，他说：“我们终于有了既能预测又能解释的工具，这在性命攸关的医学成像里太重要了。”
另一位核心作者Dilipkumar Asthagiri是橡树岭国家实验室的国家计算科学中心的资深科学家。他之前用分子动力学模拟研究过水和造影剂的相互作用，这次把模拟结果和实验数据统一到了同一个严格理论里。而且这个理论是通用的，不只适用于钆造影剂，只要是液体里的核磁共振弛豫都能用。
更长远看，这套方法还能用在电池设计、地下油气水流动、甚至细胞内液体行为研究。因为很多时候我们关心的就是液体在狭窄空间里怎么运动。
“它把分子尺度的晃动，直接连到了我们肉眼能看到的宏观现象。”莱斯大学的Philip Singer助理教授补充道。
为了让更多人用上这个成果，团队已经把代码全部开源。
这项研究得到了Ken Kennedy研究所、莱斯大学创意风险基金、Robert A. Welch基金会和美国能源部橡树岭领导级计算设施的支持。
简单来说，下一次你去做MRI，图像可能比现在清楚得多，而背后多了一群物理学家和化学家对水分子更彻底的理解。
