Биомедицинская инженерия улучшает чувствительность МРТ

Совместная команда биомедицинских инженеров разработала метаматериал, который компактен, гибок и легко интегрируется в клинические МРТ-сканеры. Метаматериал улучшает функции МРТ, что приводит к большей чувствительности и изображениям с более высоким отношением сигнал / шум.

Магнитно-резонансная томография (МРТ) является одним из наиболее распространенных и полезных методов медицинской визуализации, используемых в больницах сегодня. В отличие от рентгена МРТ позволяет врачам и исследователям изображать мягкие ткани в теле, позволяя им исследовать анатомические аномалии, такие как опухолевые массы или разрывы связок. Кроме того, это относительно неинвазивный метод, который не использует ионизирующее излучение или требует добавления каких-либо меток или радиоактивных агентов для формирования изображения. МРТ работает, объединяя очень сильное магнитное поле и радиочастотные волны, воздействуя на ткань в теле. Магнитное поле позволяет атомам водорода в организме поглощать и излучать радиоволны, которые могут быть обнаружены катушкой, расположенной очень близко к пациенту. Изменяя импульсы передаваемых радиоволн, клиницисты могут достичь разных контрастов в изображении.

Одним из наиболее важных факторов в любом виде изображения выступает отношение сигнал / шум (SNR). Это, по существу, мера того, насколько сильный фактический сигнал в сравнении с фоном. Улучшение этого параметра в методе, таком как МРТ, является целью биомедицинского инженерного исследователя. Увеличенное SNR имеет не только технические последствия. Практически это может означать сокращение времени съемки и амплитуды радиоволн, что может привести к большему комфорту для пациентов и более низкой энергетической нагрузке на инструмент. Одной из наиболее перспективных платформ для улучшения SNR в МРТ являются метаматериалы. Они созданы из комбинации элементов, которые представляют собой конструкционные материалы, которые не обладают свойствами, которые не встречаются в природе, например, как они взаимодействуют с электромагнитным излучением и влияют на него.

Экспериментальные исследования с использованием метаматериалов в сочетании с МРТ были проведены в качестве доказательства концепции. Однако эти приложения выявили ряд недостатков, таких как большой размер и отсутствие гибкости при интеграции с МРТ. Поскольку детектор сигнала должен располагаться очень близко к телу пациента, любое устройство, предназначенное для практического использования, должно быть компактным и простым в использовании с использованием существующих инструментов. Группа физиков и радиологов из Нидерландов, России и Австралии сообщила о разработке такого материала в недавнем выпуске «Научных докладов природы» . Этот гибридный метаматериал выполнен из комбинации медных металлических полос (поверхности) и минерала, называемого титанатом кальция (субстрат). Подложка имеет толщину всего 8 мм, и материал предназначен для установки между пациентом и радиочастотной приемной катушкой (детектором сигнала). Метаматериал улучшает визуализацию МРТ, действуя как на передачу, так и на приемную функцию прибора. Он фокусирует магнитное поле в определенной области, обеспечивая более высокую эффективность передаваемого радиочастотного поля и, в свою очередь, улучшает SNR изображения из-за более высокой чувствительности приема.

Чтобы проверить свое устройство, исследователи начали с фантомного моделирования и экспериментов с образцом, заполненным минеральным маслом, однородным веществом, которое не вызывает каких-либо конструктивных или разрушительных эффектов длины волны. Они тестировали этот образец без метаметрия, и обнаружили, что как симуляционные, так и экспериментальные данные показали увеличение SNR в 3 раза для метаматериала. Затем они сделали аналогичную симуляцию и эксперимент, используя электромагнитную модель человеческой головы, а также 4 человека-добровольца. На этот раз они провели эксперименты с 1) метаматериалом 2) поверхностью меди 3) кальциевым титаном 4) всего метаматериала. Для метаматериала они обнаружили, что средняя эффективность передачи увеличилась в 1,6 раза.

Авторы отмечают, что, несмотря на преимущества гибкости материала с относительно практического применения, это изгиб может повлиять на частоту, на которой обнаружен сигнал, и они нашли небольшой сдвиг в данном параметре. Кроме того, они отметили, что трудно предсказать влияние локального позиционирования устройства на отдельных людей, поскольку размер и форма головы варьируются от человека к человеку. Однако в целом они заявляют, что способность тонко настраивать свойства на основе толщины, длины полосы и диэлектрической проницаемости метаматериала показывает большой потенциал для дальнейших достижений в этой области биомедицинской инженерии.

Ресурс osnova-zdorovia.ru обладает исключительными правами на все размещенные на нем информационные материалы, за исключением рекламно-информационных материалов сторонних ресурсов и общеиспользуемой информации о медицинских учреждениях. Использование текста материала, принадлежащего ресурсу osnova-zdorovia.ru полностью или частично, без указания ссылки на соответствующую страницу ресурса с данным материалом, не допускается.