Zou een kleine ringachtige structuur van plastic en koper de toch al krachtige beeldvormingsmogelijkheden van een MRI-machine (magnetic resonance imaging) kunnen versterken? Xin Zhang, Stephan Anderson, en hun team van het Boston University Photonics Center kunnen zich zo'n prestatie duidelijk voorstellen. Met hun gecombineerde expertise in engineering, materiaal kunde, en medische beeldvorming, Zhang en Anderson, samen met Guangwu Duan en Xiaoguang Zhao, ontwierp een nieuw magnetisch metamateriaal, gemeld in Communicatie Fysica , dat de MRI-kwaliteit kan verbeteren en de scantijd kan halveren.

Zhang en Anderson zeggen dat hun magnetische metamateriaal kan worden gebruikt als een additieve technologie om het beeldvermogen van MRI-machines met een lagere sterkte te vergroten, het verhogen van het aantal patiënten dat door klinieken wordt gezien en het verlagen van de bijbehorende kosten, zonder de risico's die gepaard gaan met het gebruik van sterkere magnetische velden. Ze stellen zich zelfs voor dat het metamateriaal wordt gebruikt met ultra-laagveld-MRI, die magnetische velden gebruikt die duizenden keren lager zijn dan de standaardmachines die momenteel in gebruik zijn. Dit zou de deur openen voor de wereldwijde beschikbaarheid van MRI-technologie.

"Dit [magnetische metamateriaal] creëert een duidelijker beeld dat kan worden geproduceerd met meer dan het dubbele van de snelheid" van een huidige MRI-scan, zegt Anderson, een professor in de radiologie van de School of Medicine en vice-voorzitter van onderzoek op de afdeling radiologie van het Boston Medical Center.

MRI maakt gebruik van magnetische velden en radiogolven om afbeeldingen te maken van organen en weefsels in het menselijk lichaam, het helpen van artsen bij het diagnosticeren van mogelijke problemen of ziekten. Artsen gebruiken MRI om afwijkingen of ziekten in vitale organen te identificeren, evenals vele andere soorten lichaamsweefsel, inclusief het ruggenmerg en de gewrichten. "[MRI] is een van de meest complexe systemen die door mensen zijn uitgevonden, " zegt Zhang, een College of Engineering hoogleraar werktuigbouwkunde, elektrotechniek en computertechniek, biomedische techniek, materiaalkunde en techniek, en een professor aan het Photonics Center.

Afhankelijk van welk deel van het lichaam wordt geanalyseerd en hoeveel afbeeldingen nodig zijn, een MRI-scan kan tot een uur of langer duren. Patiënten kunnen te maken krijgen met lange wachttijden bij het plannen van een onderzoek en, voor de gezondheidszorg, het bedienen van de machines is tijdrovend en kostbaar. Versterking van MRI vanaf 1,5 T (het symbool voor tesla, de meting voor magnetische veldsterkte) tot 7,0 T kan zeker "het volume verhogen" van afbeeldingen, zoals Anderson en Zhang beschrijven. Maar hoewel krachtigere MRI's kunnen worden gedaan met behulp van sterkere magnetische velden, ze gaan gepaard met tal van veiligheidsrisico's en zelfs hogere kosten voor medische klinieken. Het magnetische veld van een MRI-machine is zo sterk dat stoelen en voorwerpen van de andere kant van de kamer naar de machine kunnen worden gezogen, wat een gevaar vormt voor zowel operators als patiënten.

Het magnetische metamateriaal dat is ontworpen door de onderzoekers van de Universiteit van Boston, bestaat uit een reeks eenheden die spiraalvormige resonatoren worden genoemd - drie centimeter hoge structuren gemaakt van 3D-geprint plastic en spoelen van dun koperdraad - materialen die niet al te luxe zijn hun eigen. Maar in elkaar gezet, spiraalvormige resonatoren kunnen worden gegroepeerd in een flexibele array, plooibaar genoeg om iemands knieschijf te bedekken, buikspier, hoofd, of een deel van het lichaam dat beeldvorming nodig heeft. Wanneer de array in de buurt van het lichaam wordt geplaatst, de resonatoren interageren met het magnetische veld van de machine, het versterken van de signaal-ruisverhouding (SNR) van de MRI, "het volume van het beeld hoger zetten", zoals Anderson zegt.

"Veel mensen zijn verrast door de eenvoud, " zegt Zhang. "Het is geen magisch materiaal. Het 'magische' deel is het ontwerp en het idee."

Om de magnetische array te testen, het team scande kippenpoten, tomaten, en druiven met een machine van 1,5 T. Ze ontdekten dat het magnetische metamateriaal een 4,2-voudige toename van de SNR opleverde, een radicale verbetering, wat zou kunnen betekenen dat lagere magnetische velden kunnen worden gebruikt om duidelijkere beelden te maken dan momenteel mogelijk is.

Nutsvoorzieningen, Zhang en Anderson hopen samen te werken met industriële partners, zodat hun magnetische metamateriaal soepel kan worden aangepast voor klinische toepassingen in de echte wereld.

"Als je iets kunt leveren dat de SNR met een aanzienlijke marge kan verhogen, we kunnen gaan nadenken over mogelijkheden die voorheen niet bestonden, " zegt Anderson, zoals de mogelijkheid van MRI in de buurt van slagvelden of op andere afgelegen locaties. "Het is erg aantrekkelijk om deze geavanceerde technologie te vereenvoudigen, " hij zegt.