Forskere designer intelligent metamateriale for at gøre MRI'er overkommelige og tilgængelige

Boston University-forskere har udviklet en ny, "intelligent" metamateriale - som koster mindre end ti dollars at bygge - der kan revolutionere magnetisk resonansbilleddannelse (MRI), gør hele MR-processen hurtigere, sikrere, og mere tilgængelig for patienter over hele verden. Teknologien, som bygger på teamets tidligere metamaterialearbejde, blev beskrevet i et nyt papir i Avancerede materialer .

MR bruges af klinikere til at diagnosticere medicinske problemer ved at opdage abnormiteter, der kan indikere alt fra en revet menisk til muskelsvind. Men MR-undersøgelser er dyre og tager lang tid - ofte den største del af en time for en enkelt scanning. At finde nok MR-tid til ventende patienter kan være et problem, selv på amerikanske hospitaler, men på hospitaler i lande som Indien, venteperioder på et år eller mere kan sætte patienters liv på spil.

Så hvordan fremskynder vi MR-processen uden at bringe kvaliteten af ​​billeddannelsen i fare? Xin Zhang, en BU College of Engineering professor i maskinteknik og en Photonics Center professor, og et team af forskere, der inkluderer Stephan Anderson, en radiolog fra Boston Medical Center og professor i radiologi ved BU School of Medicine, og Xiaoguang Zhao, en MED assisterende forskningsprofessor i radiologi, bliver kreative med metamaterialer for at løse problemet.

MR virker ved at generere et kraftigt magnetfelt og sende radiobølger ind i en patients krop. "En MRIs magnetfelt er mange tusinde gange stærkere end Jordens magnetfelt, " siger Zhao. "En præcist orkestreret serie af højere energi radiobølger sendes ind i den menneskelige krop, og vævene udsender radiobølger med lavere energi, som modtages af MRI for at producere et billede."

Kvaliteten af ​​MR-billeder afhænger i høj grad af det, der kaldes "signal-til-støj-forhold, " eller SNR. Jo højere SNR, jo bedre billede, og den mest direkte måde at forbedre SNR på er at skrue op for magnetfeltet. Desværre, enhver stigning i magnetfeltet øger også kompleksiteten og omkostningerne ved MR, samt potentielle risici for patienter, hvis væv, og især, hvis implanterede medicinske udstyr, bliver bogstaveligt talt opvarmet af strålingen. Af den grund, radiologer, der gerne vil se bedre ind i en krop, kan ikke bare skrue op for magnetfeltstyrken.

Så Zhang og hendes samarbejdspartnere udviklede et nyt magnetisk metamateriale, der når den placeres ved siden af ​​den kropsdel, der er målet for en scanning, øger den energi, der udsendes af patientens krop, øge SNR og forbedre MR-billeddannelse. Det magnetiske metamateriale, som er lavet af enkle kobberledninger og plastik, blev udgivet i marts 2019 i Naturens kommunikationsfysik .

Nu, Zhang, Andersen, Zhao, og andre teammedlemmer har taget deres udvikling et stort skridt videre, at udvikle, hvad de kalder et "intelligent" metamateriale, der selektivt øger lavenergi-emissionerne fra patientens krop, og slukker bogstaveligt talt for sig selv under millisekunders udbrud af højenergitransmission fra maskinen.

Zhang siger, at det intelligente metamateriale forstærker SNR 10 gange, hvilket i høj grad forbedrer billedkvaliteten og reducerer scanningstiden, åbner op for en ny måde at få skarpere MR-billeder til meget lave omkostninger.

"Afkortning af MR-undersøgelser er altafgørende for at maksimere kapaciteten, " siger Anderson. "For ikke at nævne indtægter, såvel som den overordnede patientoplevelse af denne kraftfulde billedteknologi."

"Det intelligente metamateriale består af en række metalliske spiralformede resonatorer tæt pakket med [en passiv sensor], " siger Zhao. "Når de højenergiske radiobølger kommer ind, metamaterialet registrerer det høje energiniveau og 'slukker' automatisk for resonansen. Med lavenergi radio excitation, metamaterialet [tænder] resonansen og forstærker den magnetiske komponent af radiobølgen."

Den fritid, mens kun millisekunder lang, giver klinikere mulighed for at bruge det intelligente metamateriale til at forbedre energien, der sendes tilbage til MRI. Det mindsker også patientens samlede eksponering for radiobølgestråling og mindsker potentielle sikkerhedsproblemer, lette vejen mod indførelse af denne teknologi i klinisk billeddannelse.

"Vi kan nu bygge smarte materialer, der kan interagere med radiobølger intelligent, forstærke det ønskede signal, mens det uønskede signal slippes, " siger Zhang.

Forskerne vurderer, at metamateriale-arrayet, udviklet med støtte fra National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering, bør koste mindre end $10 at bygge. Selvom den nuværende magnetiske metamateriale-prototype er en flad, tykt lag, de forventer at tilpasse det til en fleksibel, ultratyndt MR-forbedringsark. Integreret med kliniske MR-systemer, de siger, deres nyopdagede magnetiske metamaterialer har potentialet til at indlede et kvantespring i udførelsen af ​​MR.