I ricercatori della Boston University hanno sviluppato un nuovo, metamateriale "intelligente" - che costa meno di dieci dollari per costruire - che potrebbe rivoluzionare la risonanza magnetica (MRI), rendendo l'intero processo di risonanza magnetica più veloce, più sicuro, e più accessibile ai pazienti di tutto il mondo. La tecnologia, che si basa sul precedente lavoro metamateriale da parte del team, è stato descritto in un nuovo articolo in Materiale avanzato .

La risonanza magnetica viene utilizzata dai medici per diagnosticare problemi medici individuando anomalie che potrebbero indicare qualsiasi cosa, da un menisco lacerato alla distrofia muscolare. Ma le risonanze magnetiche sono costose e richiedono molto tempo, spesso la maggior parte di un'ora per una singola scansione. Trovare un tempo sufficiente per la risonanza magnetica per i pazienti in attesa può essere un problema, anche negli ospedali statunitensi, ma negli ospedali di paesi come l'India, periodi di attesa di un anno o più possono mettere a rischio la vita dei pazienti.

Quindi, come possiamo accelerare il processo di risonanza magnetica senza compromettere la qualità dell'imaging? Xin Zhang, un professore di ingegneria meccanica della BU College of Engineering e un professore del Centro di fotonica, e un team di ricercatori che include Stephan Anderson, un radiologo del Boston Medical Center e professore di radiologia della BU School of Medicine, e Xiaoguang Zhao, un professore assistente di ricerca MED di radiologia, stanno diventando creativi con i metamateriali per risolvere il problema.

La risonanza magnetica funziona generando un potente campo magnetico e inviando onde radio nel corpo del paziente. "Il campo magnetico di una risonanza magnetica è molte migliaia di volte più forte del campo magnetico terrestre, " dice Zhao. "Una serie orchestrata con precisione di onde radio ad alta energia viene inviata nel corpo umano, e i tessuti emettono onde radio a bassa energia che vengono ricevute dalla risonanza magnetica per produrre un'immagine".

La qualità delle immagini MRI dipende in larga misura da quello che viene chiamato "rapporto segnale-rumore, " o SNR. Maggiore è il SNR, migliore è l'immagine, e il modo più diretto per migliorare l'SNR è aumentare il campo magnetico. Sfortunatamente, qualsiasi aumento del campo magnetico aumenta anche la complessità e il costo della risonanza magnetica, nonché i potenziali rischi per i pazienti, il cui tessuto, e in particolare, i cui dispositivi medici impiantati, vengono letteralmente riscaldati dalle radiazioni. Per tale motivo, i radiologi che desiderano osservare meglio l'interno di un corpo non possono semplicemente aumentare l'intensità del campo magnetico.

Così Zhang e i suoi collaboratori hanno sviluppato un nuovo metamateriale magnetico che, quando posizionato accanto alla parte del corpo che è l'obiettivo di una scansione, aumenta l'energia emessa dal corpo del paziente, aumentando il SNR e migliorando l'imaging MRI. Il metamateriale magnetico, che è fatto di semplice cablaggio in rame e plastica, è stato pubblicato a marzo 2019 in Fisica della comunicazione della natura .

Ora, Zhang, Anderson, Zhao, e altri membri del team hanno compiuto un grande passo avanti nel loro sviluppo, sviluppando quello che chiamano un metamateriale "intelligente" che aumenta selettivamente le emissioni a bassa energia dal corpo del paziente, e si spegne letteralmente durante le raffiche di millisecondi di trasmissione ad alta energia dalla macchina.

Zhang afferma che il metamateriale intelligente amplifica l'SNR di 10 volte, che migliora notevolmente la qualità dell'immagine e riduce il tempo di scansione, aprendo un nuovo modo per ottenere immagini MRI più nitide a un costo molto basso.

"L'accorciamento degli esami MRI è fondamentale per massimizzare la capacità, " dice Anderson. "Per non parlare delle entrate, così come l'esperienza complessiva del paziente con questa potente tecnologia di imaging."

"Il metamateriale intelligente è costituito da una serie di risonatori elicoidali metallici strettamente imballati con [un sensore passivo], " dice Zhao. "Quando arrivano le onde radio ad alta energia, il metamateriale rileva l'alto livello di energia e 'spegne' automaticamente la risonanza. Con eccitazione radio a bassa energia, il metamateriale [accende] la risonanza e potenzia la componente magnetica dell'onda radio."

quel tempo libero, mentre solo pochi millisecondi, consente ai medici di utilizzare il metamateriale intelligente per migliorare l'energia inviata alla risonanza magnetica. Riduce inoltre l'esposizione complessiva del paziente alle radiazioni delle onde radio e attenua i potenziali problemi di sicurezza, facilitando il percorso verso l'adozione di questa tecnologia nell'imaging clinico.

"Ora possiamo costruire materiali intelligenti in grado di interagire con le onde radio in modo intelligente, migliorare il segnale desiderato lasciando andare il segnale indesiderato, "dice Zhang.

I ricercatori stimano che la matrice di metamateriali, sviluppato con il supporto dell'Istituto Nazionale di Imaging Biomedico e Bioingegneria, dovrebbe costare meno di $ 10 per la costruzione. Anche se l'attuale prototipo di metamateriale magnetico è piatto, strato spesso, si aspettano di adattarlo a un flessibile, foglio di miglioramento della risonanza magnetica ultrasottile. Integrato con sistemi clinici di risonanza magnetica, dicono, i loro metamateriali magnetici appena scoperti hanno il potenziale per inaugurare un salto di qualità nelle prestazioni della risonanza magnetica.