Forskere udvikler nyt metamateriale, der kan forbedre MR -kvaliteten og reducere scanningstiden

Kunne en lille ringlignende struktur af plast og kobber forstærke de allerede kraftfulde billeddannelsesegenskaber i en magnetisk resonansbilledmaskine (MRI) -maskine? Xin Zhang, Stephan Anderson, og deres team på Boston University Photonics Center kan tydeligt forestille sig sådan en bedrift. Med deres samlede ekspertise inden for teknik, materialevidenskab, og medicinsk billeddannelse, Zhang og Anderson, sammen med Guangwu Duan og Xiaoguang Zhao, designet et nyt magnetisk metamateriale, rapporteret i Kommunikationsfysik , der kan forbedre MR -kvaliteten og reducere scanningstiden til det halve.

Zhang og Anderson siger, at deres magnetiske metamateriale kunne bruges som en additiv teknologi til at øge billeddannelsen af ​​MR-maskiner med lavere styrke, forøgelse af antallet af patienter, der ses af klinikker og faldende tilknyttede omkostninger, uden nogen af ​​de risici, der er forbundet med at bruge magnetiske felter med højere styrke. De forestiller sig endda, at metamaterialet bruges til ultra-lavt felt-MR, som bruger magnetfelter, der er tusindvis af gange lavere end de standardmaskiner, der i øjeblikket er i brug. Dette ville åbne døren for, at MR -teknologi bliver bredt tilgængelig rundt om i verden.

"Dette [magnetiske metamateriale] skaber et klarere billede, der kan frembringes ved mere end det dobbelte af hastigheden" af en nuværende MR -scanning, siger Anderson, en professor i radiologi ved School of Medicine og næstformand for forskning i Boston Medical Center's radiologiafdeling.

MR anvender magnetfelter og radiobølger til at skabe billeder af organer og væv i menneskekroppen, hjælpe læger med at diagnosticere potentielle problemer eller sygdomme. Læger bruger MR til at identificere abnormiteter eller sygdomme i vitale organer, samt mange andre former for kropsvæv, herunder rygmarven og led. "[MR] er et af de mest komplekse systemer opfundet af mennesker, "siger Zhang, en ingeniørhøjskole professor i maskinteknik, el- og computerteknik, biomedicinsk videnskab, materialevidenskab og teknik, og professor ved Photonics Center.

Afhængigt af hvilken del af kroppen der analyseres, og hvor mange billeder der kræves, en MR -scanning kan tage op til en time eller mere. Patienter kan stå over for lange ventetider, når de planlægger en undersøgelse, og for sundhedssystemet, betjening af maskinerne er tidskrævende og dyrt. Styrkelse af MR fra 1,5 T (symbolet for tesla, målingen for magnetfeltstyrke) til 7,0 T kan helt sikkert "skrue op for lydstyrken" af billeder, som Anderson og Zhang beskriver. Men selvom MRI'er med højere effekt kan udføres ved hjælp af stærkere magnetfelter, de kommer med en lang række sikkerhedsrisici og endnu højere omkostninger til medicinske klinikker. Magnetfeltet på en MR -maskine er så stærkt, at stole og genstande fra hele rummet kan suges mod maskinen - hvilket udgør en fare for både operatører og patienter.

Det magnetiske metamateriale designet af Boston University-forskerne består af en række enheder kaldet spiralformede resonatorer-tre centimeter høje strukturer skabt af 3D-trykt plast og spoler af tynd kobbertråd-materialer, der ikke er for fancy på deres egen. Men samlet, spiralformede resonatorer kan grupperes i et fleksibelt array, bøjelig nok til at dække en persons knæskål, mave, hoved, eller enhver del af kroppen, der har brug for billeddannelse. Når matrixen er placeret nær kroppen, resonatorerne interagerer med maskinens magnetfelt, øge MR-signal-til-støj-forholdet (SNR), "skruer op for billedets lydstyrke" som Anderson siger.

"Mange mennesker er overraskede over dets enkelhed, "siger Zhang." Det er ikke noget magisk materiale. Den 'magiske' del er designet og ideen. "

For at teste det magnetiske array, holdet scannede kyllingelår, tomater, og druer ved hjælp af en 1,5 T maskine. De fandt ud af, at det magnetiske metamateriale gav en 4,2 gange stigning i SNR, en radikal forbedring, hvilket kunne betyde, at lavere magnetfelter kunne bruges til at tage klarere billeder end det er muligt i øjeblikket.

Nu, Zhang og Anderson håber at indgå partnerskaber med branchens samarbejdspartnere, så deres magnetiske metamateriale let kan tilpasses til virkelige kliniske anvendelser.

"Hvis du er i stand til at levere noget, der kan øge SNR med en betydelig margin, vi kan begynde at tænke på muligheder, der ikke fandtes før, "siger Anderson, f.eks. muligheden for at have MR i nærheden af ​​slagmarker eller andre fjerntliggende steder. "At være i stand til at forenkle denne avancerede teknologi er meget tiltalende, " han siger.