Onderzoekers van de Universiteit van Boston hebben een nieuwe, "intelligent" metamateriaal - dat minder dan tien dollar kost om te bouwen - dat een revolutie teweeg kan brengen in magnetische resonantiebeeldvorming (MRI), het hele MRI-proces sneller maken, veiliger, en toegankelijker voor patiënten over de hele wereld. De technologie, die voortbouwt op eerder metamateriaal van het team, werd beschreven in een nieuw artikel in Geavanceerde materialen .

MRI wordt door clinici gebruikt om medische problemen te diagnosticeren door afwijkingen op te sporen die op alles kunnen duiden, van een gescheurde meniscus tot spierdystrofie. Maar MRI's zijn duur en nemen veel tijd in beslag, vaak het grootste deel van een uur voor een enkele scan. Het vinden van voldoende MRI-tijd voor wachtende patiënten kan een probleem zijn, zelfs in Amerikaanse ziekenhuizen, maar in ziekenhuizen in landen als India, wachttijden van een jaar of langer kunnen het leven van patiënten in gevaar brengen.

Dus hoe versnellen we het MRI-proces zonder de kwaliteit van de beeldvorming in gevaar te brengen? Xin Zhang, een BU College of Engineering hoogleraar werktuigbouwkunde en een hoogleraar Photonics Center, en een team van onderzoekers, waaronder Stephan Anderson, een radioloog van het Boston Medical Center en hoogleraar radiologie aan de BU School of Medicine, en Xiaoguang Zhao, een MED-assistent-onderzoeksprofessor radiologie, worden creatief met metamaterialen om het probleem op te lossen.

MRI werkt door een krachtig magnetisch veld te genereren en radiogolven het lichaam van een patiënt in te sturen. "Het magnetische veld van een MRI is vele duizenden keren sterker dan het magnetische veld van de aarde, "zegt Zhao. "Een nauwkeurig georkestreerde reeks radiogolven met hogere energie wordt het menselijk lichaam in gestuurd, en de weefsels zenden radiogolven met lagere energie uit die door de MRI worden ontvangen om een ​​beeld te produceren."

De kwaliteit van MRI-beelden hangt in grote mate af van de zogenaamde "signaal-ruisverhouding, " of SNR. Hoe hoger de SNR, hoe beter het beeld, en de meest directe manier om de SNR te verbeteren, is door het magnetische veld op te voeren. Helaas, elke toename van het magnetische veld verhoogt ook de complexiteit en de kosten van de MRI, evenals mogelijke risico's voor patiënten, wiens weefsel, en in het bijzonder, wiens geïmplanteerde medische hulpmiddelen, worden letterlijk opgewarmd door de straling. Om die reden, radiologen die beter in een lichaam willen kijken, kunnen niet zomaar de magnetische veldsterkte verhogen.

Dus Zhang en haar medewerkers ontwikkelden een nieuw magnetisch metamateriaal dat, wanneer geplaatst naast het lichaamsdeel dat het doelwit is van een scan, verhoogt de energie die door het lichaam van de patiënt wordt uitgestraald, het verhogen van SNR en het verbeteren van MRI-beeldvorming. Het magnetische metamateriaal, die is gemaakt van eenvoudige koperen bedrading en plastic, werd gepubliceerd in maart 2019 in Communicatiefysica van de natuur .

Nutsvoorzieningen, Zhang, Anderson, Zhao, en andere teamleden hebben hun ontwikkeling een grote stap verder gebracht, het ontwikkelen van wat zij een "intelligent" metamateriaal noemen dat selectief de lage-energetische emissies van het lichaam van de patiënt verhoogt, en schakelt zichzelf letterlijk uit tijdens de milliseconde-uitbarstingen van hoge-energietransmissie van de machine.

Zhang zegt dat het intelligente metamateriaal SNR 10-voudig versterkt, wat de beeldkwaliteit aanzienlijk verbetert en de scantijd verkort, het openen van een nieuwe manier om scherpere MRI-beelden te verkrijgen tegen zeer lage kosten.

"Het verkorten van MRI-onderzoeken is van het grootste belang om de capaciteit te maximaliseren, ", zegt Anderson. "Om nog maar te zwijgen over de inkomsten, evenals de algemene patiëntervaring van deze krachtige beeldvormingstechnologie."

"Het intelligente metamateriaal bestaat uit een reeks metalen spiraalvormige resonatoren dicht opeengepakt met [een passieve sensor], " zegt Zhao. "Als de hoogenergetische radiogolven binnenkomen, het metamateriaal detecteert het hoge energieniveau en 'schakelt' de resonantie automatisch uit. Met energiezuinige radio-excitatie, het metamateriaal [zet] de resonantie aan en versterkt de magnetische component van de radiogolf."

Die vrije tijd, terwijl slechts milliseconden lang, stelt clinici in staat om het intelligente metamateriaal te gebruiken om de energie die naar de MRI wordt teruggestuurd te verbeteren. Het vermindert ook de algehele blootstelling van de patiënt aan radiogolfstraling en vermindert mogelijke veiligheidsproblemen, het pad naar adoptie van deze technologie in klinische beeldvorming vergemakkelijken.

"We kunnen nu slimme materialen bouwen die intelligent kunnen interageren met radiogolven, het gewenste signaal versterken terwijl het ongewenste signaal wordt losgelaten, " zegt Zhang.

De onderzoekers schatten dat de metamateriaalarray, ontwikkeld met de steun van het National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering, zou minder dan $ 10 moeten kosten om te bouwen. Ook al is het huidige prototype van magnetisch metamateriaal een plat, dikke laag, ze verwachten het aan te passen aan een flexibele, ultradunne MRI-verbeteringsvel. Geïntegreerd met klinische MRI-systemen, ze zeggen, hun nieuw ontdekte magnetische metamaterialen hebben het potentieel om een ​​enorme sprong voorwaarts te maken in de prestaties van MRI.