Seorang astrofisikawan di alam semesta biomedis » Fisika MIT

Magdelena Allen sedang mengembangkan pemindai PET otak yang sangat sensitif yang dapat membantu menjawab pertanyaan mendasar dalam ilmu saraf dan fisika partikel.

Bagi banyak dari kita, pandemi memicu perubahan penting. Dan Magdelena S. Allen tidak terkecuali.

Tumbuh di Portland, Oregon, Allen ingin belajar tentang segalanya. Dia suka mengamati bintang dan ilmu fisika, tetapi dia juga tertarik pada hukum dan menulis. Orang tuanya, yang menyekolahkannya di rumah dan saudara perempuannya hingga SMA, sangat mendukung berbagai minatnya. “Tetapi hal yang selalu saya ingat kembali adalah sains,” katanya.

Sebagai astrofisikawan dengan pelatihan, Allen menyelesaikan gelar sarjana di University of California di Berkeley. Dia kemudian menghabiskan satu tahun magang di laboratorium penelitian fisika di seluruh negeri, termasuk Fermi National Accelerator Lab, Brookhaven National Lab, dan Marshall Space Flight Center di NASA.

Pada musim gugur 2019, Allen memulai PhD-nya di Divisi Eksperimen Nuklir dan Partikel departemen fisika MIT, mempelajari sinar kosmik dengan Profesor Samuel CC Ting. Dia menghabiskan waktunya menganalisis data dari Alpha Magnetic Spectrometer, detektor sinar kosmik yang berada di Stasiun Luar Angkasa Internasional.

Sekitar waktu itu, Allen juga bergabung dengan MIT Emergency Medical Services (EMS), setelah mendengar tentang hal itu dari seorang teman yang terlibat beberapa tahun sebelumnya. “Ini dimulai sebagai apa yang saya pikir akan menjadi beberapa jam seminggu dan dengan cepat mengambil alih hidup saya dengan cara terbaik,” katanya.

Ketika pandemi melanda pada musim semi 2020 dan komunitas MIT bergegas untuk bubar dari kampus, Allen adalah salah satu dari sedikit EMT MIT yang tetap tinggal. Dia membantu menjaga ambulans dalam layanan 24/7, melayani MIT serta komunitas Cambridge dan Boston yang lebih luas. “Saya akhirnya menghabiskan lebih dari seribu jam untuk melayani” tahun akademik ini saja, katanya.

Menghabiskan begitu banyak waktu dalam perawatan pasien mendorong minatnya pada hasil pasien. Dan itu membuatnya berpikir tentang tujuan karir jangka panjangnya. “Saya mengalami krisis eksistensial saya selama periode itu – seperti yang kita semua lakukan,” katanya sambil tertawa. Sementara dia menyukai penelitiannya dalam fisika dasar, dia ingin memiliki dampak yang lebih langsung pada orang-orang.

BACA JUGA :  Fisika Menengah untuk Kedokteran dan Biologi: Awal yang Begitu Sederhana

Allen mulai mencari kelompok penelitian yang bekerja pada perangkat biomedis. Pada Januari 2021, ia bergabung dengan proyek penelitian baru untuk membangun perangkat keras pencitraan otak, yang menggunakan teknologi yang mirip dengan beberapa eksperimen fisika dasar. Dia sekarang bekerja di persimpangan penelitian fisika dan medis, yang dibimbing oleh Profesor Universitas Harvard Ciprian Catana di Laboratorium MR-PET Terpadu di Rumah Sakit Umum Massachusetts AA Martinos Center for Biomedical Imaging dan Profesor MIT Atau Hen di Laboratorium untuk Ilmu Nuklir . “Itu sangat cocok,” katanya.

Mengungkap rahasia otak

Saat ini, Allen dan rekan-rekannya sedang mengembangkan pemindai tomografi emisi positron otak (PET) generasi berikutnya yang dapat digunakan secara bersamaan dengan pencitraan resonansi magnetik (MRI) 7-Tesla. Pemindai PET akan menjadi sisipan silinder yang pas langsung di dalam mesin MRI.

Setiap teknologi pencitraan memberikan perspektif otak yang berbeda. Sementara MRI menangkap gambar anatomi, PET menangkap proses biokimia, seperti metabolisme. Dengan melihat dua perspektif yang disinkronkan, para ilmuwan memiliki data berharga untuk mempelajari tumor otak dan penyakit saraf, seperti Alzheimer.

Namun, pemindaian PET saat ini memakan waktu lama — biasanya 30 hingga 90 menit — dan pasien harus diam selama durasi untuk mendapatkan gambar yang jelas. Dalam pemindai PET generasi berikutnya, Allen bertujuan untuk membuat pemindaian lebih cepat, hanya dalam beberapa menit. Melakukan hal itu juga akan membuka pintu untuk penelitian ilmu saraf. Dengan waktu pencitraan yang lebih singkat, pemindai dapat bekerja secara bersamaan dengan MRI fungsional (fMRI) untuk mengambil snapshot cepat dari proses biologis dinamis. Misalnya, PET dapat menangkap metabolisme glukosa di otak karena fMRI secara bersamaan menangkap aliran darah. “Ini benar-benar menarik,” kata Allen. “Itu belum pernah dilakukan sebelumnya.”

BACA JUGA :  MIT memperluas kolaborasi penelitian dengan Commonwealth Fusion Systems untuk membangun mesin fusi energi bersih, SPARC » MIT Physics

Alasan mengapa pemindaian ini memakan waktu begitu lama terletak pada cara kerja PET. Sebelum pemindaian, pasien disuntik dengan radiotracer yang terbuat dari senyawa biologis yang biasanya digunakan tubuh, seperti glukosa, yang sedikit dimodifikasi menjadi radioaktif. Saat tubuh memproses senyawa pelacak ini, sinar gamma radioaktif dipancarkan. Pemindai PET kemudian bertindak sebagai kamera untuk menangkap sinar gamma ini dan membentuk gambar.

Masalahnya, hanya dosis kecil radiotracer yang disuntikkan pada pasien untuk membatasi efek radiasi yang merugikan. Jadi, sinar gamma yang dipancarkan sangat redup, sehingga sulit untuk membentuk gambar. “Ini seperti gambar eksposur panjang dengan kamera biasa di mana Anda hanya menunggu cahaya dikumpulkan,” kata Allen.

Untuk mengurangi waktu pemaparan yang diperlukan, kelompok Allen mendesain ulang pemindai PET yang kompatibel dengan MR menjadi 10 kali lebih sensitif terhadap sinar gamma daripada yang mutakhir saat ini. Dan untuk mencapai ini, bentuk baru dari detektor sinar gamma akan digunakan di dalam pemindai. Sementara pemindai tipikal menggunakan susunan detektor yang disusun dalam tabung silinder yang mengelilingi kepala, susunan detektor pemindai baru dikonfigurasi lebih seperti helm sepeda motor. “Kamu bisa meningkatkan [scanner’s] sensitivitas banyak hanya dengan mendapatkan lebih banyak cakupan, ”katanya.

Bagian penting lainnya untuk membuat pemindai PET sensitivitas tinggi adalah modul detektor sinar gamma individu di dalam detektor. Detektor terdiri dari cincin yang ditumpuk dari leher ke atas, dan setiap cincin berisi lingkaran modul detektor. “Investigasi yang paling menarik sejauh ini adalah— [figuring out] geometri yang berbeda untuk detektor untuk mendapatkan informasi yang bersih darinya, ”katanya. Salah satu tantangannya adalah menemukan metodologi kedalaman interaksi dan ketebalan optimal untuk detektor. Detektor yang lebih tebal dapat menjebak lebih banyak sinar gamma untuk mendapatkan lebih banyak informasi pencitraan. Tapi, detektor yang terlalu tebal menghasilkan gambar buram. Namun, setelah beberapa trial-and-error, Allen “sangat dekat dengan desain akhir.”

BACA JUGA :  Fisika Menengah untuk Kedokteran dan Biologi: The Annotated Hodgkin & Huxley: Panduan Pembaca

Astrofisika di hati

Sementara Allen telah berkelana ke alam semesta biomedis, dia belum sepenuhnya meninggalkan fisika partikel. Ternyata pemindai PET juga dapat digunakan untuk menyelidiki pertanyaan fisika dasar.

Satu pertanyaan yang menarik perhatian Allen adalah pelanggaran simetri. Sementara alam semesta terdiri dari materi dan anti-materi, itu bukan perpecahan 50-50, memberi kita alam semesta asimetris. Tapi, tidak jelas dari mana asimetri ini berasal. “Kami selalu mencari sumber asimetri di alam semesta,” kata Allen.

Petunjuk potensial dapat ditemukan dalam siklus hidup positronium, atom tidak stabil yang terdiri dari elektron dan anti-partikelnya, positron. Positronium berlangsung untuk waktu yang sangat singkat – kurang dari sepersejuta detik – sebelum elektron dan positron saling memusnahkan, memancarkan sinar gamma. Tergantung pada keadaan awal positronium, distribusi sinar gamma yang berbeda dipancarkan.

“Pemindai PET pada dasarnya hanyalah detektor sinar gamma,” katanya, membuatnya “disetel dengan sempurna” untuk melihat sinar gamma dari peluruhan positronium. Untuk menyelidiki pelanggaran simetri, Allen berencana untuk mengamati bagaimana bekerja pada keadaan awal positronium mempengaruhi orientasi sinar gamma yang dipancarkan. Jika dia melihat adanya asimetri, ini dapat memberikan wawasan untuk memahami pelanggaran simetri.

Tapi pertama-tama, Allen harus menyelesaikan pembuatan pemindai PET. Setelah menyelesaikan desain modul detektor, dia akan mulai merakitnya menjadi cincin untuk helm musim panas ini. Sementara itu, dia akan terus melayani di MIT EMS, setelah menyelesaikan masa jabatannya sebagai kepala MIT EMS tahun lalu. “Ini adalah hal yang sangat adiktif untuk dilakukan,” katanya.

Leave a Reply

Your email address will not be published.