Boston University forskare har utvecklat en ny, "intelligent" metamaterial - som kostar mindre än tio spänn att bygga - som kan revolutionera magnetisk resonanstomografi (MRT), gör hela MRT-processen snabbare, säkrare, och mer tillgängligt för patienter runt om i världen. Teknologin, som bygger på teamets tidigare metamaterialarbete, beskrevs i ett nytt papper i Avancerade material .

MR används av kliniker för att diagnostisera medicinska problem genom att upptäcka abnormiteter som kan indikera allt från en trasig menisk till muskeldystrofi. Men MR är dyra och tar lång tid - ofta större delen av en timme för en enda skanning. Att hitta tillräckligt med MR -tid för väntande patienter kan vara ett problem, även på amerikanska sjukhus, men på sjukhus i länder som Indien, väntetider på ett år eller mer kan sätta patienternas liv i fara.

Så hur påskyndar vi MR -processen utan att äventyra bildkvaliteten? Xin Zhang, en professor i maskinteknik vid BU College of Engineering och en professor i fotonikcentrum, och ett team av forskare som inkluderar Stephan Anderson, en radiolog från Boston Medical Center och professor i radiologi vid BU School of Medicine, och Xiaoguang Zhao, en MED -biträdande forskningsprofessor i radiologi, blir kreativa med metamaterial för att lösa problemet.

MRI fungerar genom att generera ett kraftfullt magnetfält och skicka radiovågor in i en patients kropp. "En MR -magnetfält är många tusen gånger starkare än jordens magnetfält, "säger Zhao." En exakt orkestrerad serie av högre energi radiovågor skickas in i människokroppen, och vävnaderna avger lägre energi radiovågor som tas emot av MR för att producera en bild. "

Kvaliteten på MR-bilder beror i hög grad på vad som kallas "signal-brus-förhållande, " eller SNR. Ju högre SNR, desto bättre bild, och det mest direkta sättet att förbättra SNR är att skruva upp magnetfältet. Tyvärr, varje ökning av magnetfältet ökar också komplexiteten och kostnaderna för MRI, samt potentiella risker för patienter, vars vävnad, och särskilt, vars implanterade medicintekniska produkter, värms upp bokstavligen av strålningen. Av den anledningen, radiologer som skulle vilja få en bättre titt inuti en kropp kan inte bara öka magnetfältstyrkan.

Så Zhang och hennes medarbetare utvecklade ett nytt magnetiskt metamaterial som, när den placeras bredvid kroppsdelen som är målet för en skanning, ökar energin som avges av patientens kropp, öka SNR och förbättra MR -avbildning. Det magnetiska metamaterialet, som är gjord av enkla kopparledningar och plast, publicerades i mars 2019 i Naturens kommunikationsfysik .

Nu, Zhang, Anderson, Zhao, och andra teammedlemmar har tagit sin utveckling ett stort steg längre, utveckla vad de kallar ett "intelligent" metamaterial som selektivt ökar lågenergiutsläppen från patientens kropp, och bokstavligen stänger av sig själv under millisekunders utbrott av hög energiöverföring från maskinen.

Zhang säger att det intelligenta metamaterialet förstärker SNR med 10 gånger, vilket förbättrar bildkvaliteten och minskar skanningstiden, öppnar upp ett nytt sätt att få skarpare MR-bilder till mycket låg kostnad.

"Förkortning av MR -undersökningar är av största vikt för att maximera kapaciteten, "säger Anderson." För att inte tala om intäkter, såväl som den övergripande patientupplevelsen av denna kraftfulla bildteknik."

"Det intelligenta metamaterialet består av en rad metalliska spiralformade resonatorer som är tätt packade med [en passiv sensor], "säger Zhao." När högenergiradiovågorna kommer in, metamaterialet känner av den höga energinivån och "stänger av" resonansen automatiskt. Med lågenergiradioexcitation, metamaterialet [slår på] resonansen och förstärker den magnetiska komponenten i radiovågen. "

Den där lediga tiden, medan den bara är millisekunder lång, tillåter kliniker att använda det intelligenta metamaterialet för att förbättra energin som skickas tillbaka till MR. Det minskar också patientens totala exponering för radiovågsstrålning och mildrar potentiella säkerhetsproblem, underlättar vägen mot användning av denna teknik inom klinisk bildbehandling.

"Vi kan nu bygga smarta material som kan interagera med radiovågor intelligent, förstärka den önskade signalen samtidigt som den oönskade signalen släpps, säger Zhang.

Forskarna uppskattar att metamaterialmatrisen, utvecklad med stöd av National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering, bör kosta mindre än $ 10 att bygga. Även om den nuvarande magnetiska metamaterialprototypen är en platt, tjockt lager, de förväntar sig att anpassa det till en flexibel, ultratunna MR-förbättringsark. Integrerad med kliniska MR -system, de säger, deras nyupptäckta magnetiska metamaterial har potential att inleda ett kvantsprång i MRI:s prestanda.