Under de senaste åren har metamaterialområdet vuxit kraftigt och visat sig ha en spännande potential, särskilt när det gäller att utveckla tekniken för magnetisk resonanstomografi (MRI). Tre nya studier under ledning av Dr. Xin Zhang, en av BU College of Engineering Distinguished Professors och professor vid BU Photonics Center, belyser de lovande möjligheterna inom detta område.
Dessa studier, som har genomförts i samarbete med Dr. Stephan Anderson, professor i radiologi vid BU Chobanian & Avedisian School of Medicine, och som publicerats i Advanced Science, Advanced Materials och Science Advances, visar på innovativa metoder för att förbättra MR-upplevelsen för alla patienter.
Från integrering av metamaterial med datorstödd broderiteknik till utveckling av trådlösa, lätta spolar som kan anpassas till 3D-krökta kroppskonturer med hjälp av koaxialkablar, erbjuder varje artikel sin egen distinkta strategi. I denna Q&A diskuterar Dr. Zhang hur hennes arbete formar framtidens MR-teknik genom att kombinera komfort, precision och prisvärdhet.
Vad är metamaterial och hur tyder de forskningsresultat som diskuteras i artiklarna Advanced Science, Advanced Materials och Science Advances på att de kan förbättra MR-tekniken?
Metamaterial, som är uppbyggda av flera exakt utformade strukturer på subvåglängdsskalan, har visat sig vara ett kraftfullt verktyg för att skräddarsy materialens effektiva egenskaper genom att manipulera amplitud, fas och polarisation hos de vågor som sprids. Dessa material har fått många användningsområden, bland annat som kamouflagematerial, perfekta absorbenter, trådlös kraftöverföring och högkänsliga sensorer.
På grund av sin unika förmåga att begränsa och förstärka elektromagnetiska fält erbjuder metamaterial ett nytt perspektiv på hur man kan förbättra bildåtergivningsprestandan för MR på ett trådlöst och kostnadseffektivt sätt.
Kortfattat består metamaterial av matriser av enhetsceller med elektromagnetiska resonatorer, vars koppling leder till synergi och ett kollektivt resonansläge. I samband med MRI leder denna synergi i slutändan till en dramatisk ökning av signal-brusförhållandet (SNR) för MRI och förbättrar därmed avsevärt prestandan för MRI.
Vad är nytt och anmärkningsvärt med dina resultat?
I detta arbete är vi pionjärer när det gäller att använda koaxialkablar från hyllan för att konstruera formanpassade spolar och konforma metamaterial för MR-applikationer. Koaxialkablar, som kännetecknas av en inre ledare omgiven av en koncentrisk ledande skärm, där de två är åtskilda av ett dielektriskt lager, ger effektiv signalöverföring och skydd mot yttre störningar.
Genom att minimera dielektrisk förlust och kapacitiv detuning kan dessa känsligt utformade resonatorer bevara en hög kvalitetsfaktor och visa robusthet mot belastningsvariationer vid avbildning av ledande prover i ett MR-system. Till skillnad från tidigare rapporterade MRI-metamaterial ger de koaxiellt avskärmade metamaterialen en betydande SNR-vinst tack vare deras anmärkningsvärda magnetiska respons och det undertryckta elektriska dipolmoment som finns i konventionella metamaterial.
Genom att utnyttja den inneboende flexibiliteten och de elektriska fältbegränsande egenskaperna hos koaxialkablar fungerar dessa spolar trådlöst som additiva komponenter med kroppsspolen, vilket förbättrar MR-avbildningseffekten.
Till vänster: Olika formbara spolar placeras på MR-sängen, utformade för att nära följa olika anatomiska platser, vilket förbättrar MR-prestandan trådlöst och passivt. Höger sida: Tvärsnittsvy av en serie cirkulära koaxiellt avskärmade resonatorer med varierande diameter, som används för att tillverka formanpassade MR-spolar. Kredit: Ke Wu och Xin Zhang.
I din Advanced Materials-studie introduceras konceptet med trådlösa MR-spolar tillverkade av koaxialkablar. Hur hanterar dessa spolar begränsningarna hos traditionella spolmatriser och vilka fördelar erbjuder de?
Under många år har konventionella anatomispecifika RF-mottagningsspolar använts rutinmässigt inom MR för att ge hög känslighet vid signalförvärv. Deras skrymmande, fasta och rigida konfigurationer leder dock ofta till obehag för patienten, svår positionering och försämrad signalkänslighet i vissa scenarier.
Dessutom har behovet av specifika spoldesigner för särskilda anatomiska områden lett till att bildcentraler måste ha 5-7 separata spolar, vilket ökar kostnaderna avsevärt.
För att ta itu med dessa utmaningar introducerar vår forskning en banbrytande lösning – trådlösa, lätta, koaxiellt avskärmade och konforma metamaterial som kan rymma anatomier av olika storlekar.
De föreslagna koaxiala resonatorerna uppvisar mångsidighet genom att fungera både självständigt i formanpassade konfigurationer, med nära anpassning till relativt små anatomiska platser, och kollektivt genom att induktivt kopplas samman som metamaterial. Detta gör det möjligt att utöka täckningen av synfältet (FOV) till att omfatta större anatomiska regioner.
På vilket sätt förbättrar de spolkonstruktioner som presenteras i Science Advances-studien patientens komfort under MR-undersökningar?
De spolar som presenteras i Science Advances förbättrar patientkomforten i tre viktiga avseenden. För det första minskar den trådlösa konstruktionen av dessa spolar positioneringsbegränsningarna och kräver färre justeringar, vilket ger större flexibilitet i patientpositioneringen samtidigt som signalstyrkan och bildkvaliteten bibehålls.
För det andra är spolarna utformade i kompakta och formanpassade konfigurationer, vilket gör att de enkelt kan knäppas eller placeras på armen, handleden eller fotleden utan behov av ytterligare verktyg eller fästelement. Slutligen bidrar spolarnas ultralätta vikt, där de föreslagna koaxialspolarna endast väger några tiotals gram, till att ytterligare förbättra patientkomforten.
Finns det några utmaningar i samband med implementeringen av de tekniker som beskrivs i dessa artiklar? Om så är fallet, hur skulle du kunna ta itu med dem i framtida studier?
Den nuvarande tillverkningen av spolar och metamaterial bygger på 3D-utskrifter, broderimaskiner samt manuell lödning och montering. Även om dessa metoder är praktiska för iterativ designförfining, kan de vara ineffektiva för produktion i stora volymer och potentiell kommersialisering. En förbättring skulle kunna innebära att tillverkningsprocessen uppgraderas till att använda automatiska spolningssystem och formsprutning av plast.
Framtida insatser bör fokusera på att förbättra avstämningsprocessen för avstämbara spolar. En potentiell förbättring är att ansluta dessa spolar trådlöst till MR-systemet för att bilda en effektiv återkopplingsslinga och uppnå automatisk och exakt frekvensmatchning. En begränsning med de föreslagna spolarna är att de kanske inte är kompatibla med parallell avbildning på grund av sin kabelfria design.
Det tunna, lätta och flexibla metamaterialet möjliggör en bekväm MR-upplevelse utan fysiska begränsningar. Credit: Xia Zhu och Xin Zhang.
De föreslagna spolarna kan dock ge ett jämförbart eller till och med bättre SNR än nuvarande kommersiellt tillgängliga ytspolar till extremt låg kostnad. De billiga, mycket anpassningsbara spolarna har stor potential att öka tillgängligheten till MR till lägre kostnad för samhället och hitta många olika tillämpningar i hela MR-landskapet.
Hur banar resultaten i dessa forskningsrapporter väg för nästa generations MR-teknik och vilken inverkan kan detta ha på klinisk praxis och patientvård?
Den ideala nästa generations MR-spole skulle kombinera förbättrad bildkvalitet, ökad patientkomfort, ökad anpassningsförmåga och enkel implementering i kliniska miljöer.
Dessa trådlösa konforma spolar och metamaterial utnyttjar koaxialkabelns minimerade dielektriska förlust och optimala formanpassade design och uppvisar ökad känslighet vid signalinhämtning.
Förutom att ge hög bildkvalitet förbättrar dessa trådlösa, lätta och konforma spolar patientkomforten och effektiviserar implementeringsprocessen, vilket i slutändan förbättrar patientgenomströmningen och den övergripande effektiviteten på bildavdelningen.
Med hjälp av metamaterialteknik erbjuder dessa spolar dessutom en lösning för trådlös montering av flera spolar för anpassningsbar täckning av synfältet (FOV). Detta leder till ett modulärt spolmatningssystem som lämpar sig för flera olika applikationsscenarier, vilket eliminerar behovet av flera dyra spolar för varje anatomisk region. Dessa kombinerade egenskaper gör dem till ett banbrytande framsteg inom MR-tekniken.
Vad hoppas ni kunna studera härnäst?
I framtida studier strävar vi efter att överföra dessa spolar till klinisk praxis för att säkerställa att den nya tekniken integreras effektivt i kliniska scenarier och förbättrar patientresultaten.
Vi kommer att samarbeta med vårdpersonal, inklusive läkare och tekniker, för att samla in insikter och definiera de kliniska problem som denna teknik syftar till att lösa.
Baserat på specifika kliniska krav, t.ex. de anatomiska konfigurationerna av sjukdomsrelaterade områden, penetrationsdjupet för avvikelser och den önskade arean av intresseområdet, kommer vi att ytterligare anpassa spolens design, inklusive storlek, konfigurationer och montering av enheter i metamaterial.
Genom en iterativ process strävar vi efter att utveckla avancerade MR-spolar som sömlöst kan integreras i vardagliga vårdmiljöer och befintliga kliniska arbetsflöden för att förbättra patientvården.
Ytterligare information: Ke Wu et al, Computational‐Design Enabled Wearable and Tunable Metamaterials via Freeform Auxetics for Magnetic Resonance Imaging, Advanced Science (2024). DOI: 10.1002/advs.202400261
Xia Zhu et al, Wearable Coaxially‐Shielded Metamaterial for Magnetic Resonance Imaging, Advanced Materials (2024). DOI: 10.1002/adma.202313692
Ke Wu et al, Wireless, Customizable Coaxially-shielded Coils for Magnetic Resonance Imaging, Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adn5195. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn5195 . On arXiv: arxiv.org/abs/2312.12581
