Kan en liten ringliknande struktur gjord av plast och koppar förstärka de redan kraftfulla bildegenskaperna hos en magnetisk resonanstomografi (MRI)-maskin? Xin Zhang, Stephan Andersson, och deras team vid Boston University Photonics Center kan tydligt föreställa sig en sådan bedrift. Med sin samlade expertis inom teknik, materialvetenskap, och medicinsk bildbehandling, Zhang och Anderson, tillsammans med Guangwu Duan och Xiaoguang Zhao, designade ett nytt magnetiskt metamaterial, redovisas i Kommunikationsfysik , som kan förbättra MRT-kvaliteten och halvera skanningstiden.

Zhang och Anderson säger att deras magnetiska metamaterial skulle kunna användas som en additiv teknologi för att öka bildeffekten hos MRI-maskiner med lägre styrka, öka antalet patienter som träffas av kliniker och minska relaterade kostnader, utan några av de risker som följer med att använda magnetiska fält med högre styrka. De föreställer sig till och med att metamaterialet används med ultralågt fält MRI, som använder magnetfält som är tusentals gånger lägre än de standardmaskiner som för närvarande används. Detta skulle öppna dörren för MRI-teknik att bli allmänt tillgänglig över hela världen.

"Detta [magnetiska metamaterial] skapar en tydligare bild som kan produceras med mer än dubbelt så hög hastighet" som en aktuell MRT-skanning, säger Andersson, en School of Medicine professor i radiologi och vice ordförande för forskning vid Boston Medical Centers radiologiavdelning.

MRT använder magnetfält och radiovågor för att skapa bilder av organ och vävnader i människokroppen, hjälpa läkare att diagnostisera potentiella problem eller sjukdomar. Läkare använder MRT för att identifiera abnormiteter eller sjukdomar i vitala organ, såväl som många andra typer av kroppsvävnad, inklusive ryggmärg och leder. "[MRT] är ett av de mest komplexa systemen som uppfunnits av människor, säger Zhang, en College of Engineering professor i maskinteknik, el- och datateknik, Biomedicinsk forskning, materialvetenskap och teknik, och en professor vid Photonics Center.

Beroende på vilken del av kroppen som analyseras och hur många bilder som krävs, en MR-undersökning kan ta upp till en timme eller mer. Patienter kan möta långa väntetider när de schemalägger en undersökning och, för sjukvården, driften av maskinerna är tidskrävande och kostsam. Förstärkning av MRT från 1,5 T (symbolen för tesla, mätningen för magnetfältstyrka) till 7,0 T kan definitivt "höja volymen" av bilder, som Anderson och Zhang beskriver. Men även om MRI med högre effekt kan göras med starkare magnetfält, de kommer med en mängd säkerhetsrisker och ännu högre kostnader för medicinska kliniker. Magnetfältet i en MR-maskin är så starkt att stolar och föremål från andra sidan rummet kan sugas mot maskinen – vilket utgör en fara för både operatörer och patienter.

Det magnetiska metamaterialet designat av forskarna vid Boston University består av en rad enheter som kallas spiralformade resonatorer - tre centimeter höga strukturer skapade av 3-D-tryckt plast och spolar av tunn koppartråd - material som inte är så snygga på deras egen. Men tillsammans, spiralformade resonatorer kan grupperas i en flexibel array, böjlig nog att täcka en persons knäskål, buk, huvud, eller någon del av kroppen som behöver avbildas. När arrayen placeras nära kroppen, resonatorerna samverkar med maskinens magnetfält, öka signal-brusförhållandet (SNR) för MRI, "skruva upp volymen på bilden" som Anderson säger.

"Många människor är förvånade över dess enkelhet, " säger Zhang. "Det är inte något magiskt material. Den "magiska" delen är designen och idén."

För att testa den magnetiska arrayen, laget skannade kycklinglår, tomater, och druvor med en 1,5 T-maskin. De fann att det magnetiska metamaterialet gav en 4,2-faldig ökning av SNR, en radikal förbättring, vilket skulle kunna innebära att lägre magnetfält skulle kunna användas för att ta tydligare bilder än vad som nu är möjligt.

Nu, Zhang och Anderson hoppas kunna samarbeta med industrisamarbetspartners så att deras magnetiska metamaterial smidigt kan anpassas för verkliga kliniska tillämpningar.

"Om du kan leverera något som kan öka SNR med en betydande marginal, vi kan börja fundera på möjligheter som inte fanns tidigare, säger Andersson, såsom möjligheten att ha MRT nära slagfält eller på andra avlägsna platser. "Att kunna förenkla den här avancerade tekniken är väldigt tilltalande, " han säger.