آنتن MRI فراماده‌ای، اسکن‌های مغز و چشم را واضح‌تر و سریع‌تر می‌کند

تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) استاندارد طلایی برای تشخیص‌های پزشکی غیرتهاجمی است، با این حال نقاط کور پایداری دارد. بافت‌هایی که در عمق بدن قرار دارند، یا نواحی پیچیده آناتومیکی مانند چشم و لوب پس‌سری مغز، اغلب تصاویر تار ارائه می‌دهند یا به زمان‌های اسکن طولانی و طاقت‌فرسا نیاز دارند. تنگنا به ندرت مربوط به آهنربای اصلی اسکنر است؛ بلکه مربوط به آنتن‌های فرکانس رادیویی (یا کویل‌ها) است که سیگنال‌ها را ارسال و دریافت می‌کنند. در یک مطالعه برجسته که در مجله «ادونسد متریالز» (Advanced Materials) منتشر شد، محققان مرکز پزشکی مولکولی ماکس دلبروک و مرکز پزشکی دانشگاه روستوک راه‌حلی انقلابی را نشان دادند. آن‌ها با ادغام فرامواد مهندسی‌شده مستقیماً در آنتن MRI، با موفقیت میدان‌های الکترومغناطیسی را دستکاری کرده‌اند تا وضوح تصویر و سرعت اسکن را به شدت افزایش دهند.[1][2]

ادعای اصلی این بسته شواهد این است که ادغام فراماده به طور قابل توجهی قدرت سیگنال و وضوح فضایی MRI را بدون نیاز به آهنرباهای اصلی قوی‌تر و گران‌تر افزایش می‌دهد. برای دهه‌ها، روش مرسوم برای بهبود وضوح MRI، استفاده از نیروی خام بود: افزایش قدرت میدان مغناطیسی اسکنر از ۱.۵ تسلا به ۳.۰ تسلا یا حتی ۷.۰ تسلا. این رویکرد به شدت پرهزینه است و پیچیدگی‌های ایمنی مربوط به گرم شدن بافت را به همراه دارد. داده‌های جدید نشان می‌دهد که مواد هوشمند می‌توانند با کسری از هزینه، به دستاوردهای مشابهی برسند.[3][4]

تیم تحقیقاتی، به رهبری ناندیتا ساها (Nandita Saha)، دانشجوی دکترا، و پروفسور تورالف نین‌دورف (Thoralf Niendorf)، یک آنتن فرکانس رادیویی با فراماده طراحی کردند. فرامواد ساختارهای مصنوعی هستند که از سلول‌های واحد زیرطول‌موجی تشکیل شده‌اند و به روش‌هایی غیرطبیعی با امواج الکترومغناطیسی تعامل می‌کنند. این تیم از طراحی تشدیدگر حلقه شکاف‌دار دو مربعی استفاده کرد. این ساختارهای مسی و پلاستیکی غیرفعال، هنگامی که نزدیک بدن قرار می‌گیرند، با میدان‌های فرکانس رادیویی MRI تشدید کرده و انرژی را متمرکز می‌کنند و حساسیت سیگنال محلی را تقویت می‌نمایند. در آزمایش‌های فانتوم و آزمایش‌های انسانی در ۷.۰ تسلا، پیکربندی مسطح بین ۱۴ تا ۲۰ درصد کارایی انتقال بالاتری نسبت به آنتن‌های حلقه‌ای استاندارد نشان داد.[2][4]

ادعای ثانویه بر حل چالش تاریخی تصویربرداری چشمی و مداری با وضوح بالا متمرکز است. تصویربرداری از چشم و مدار اطراف آن به دلیل نیاز به وضوح فضایی فوق‌العاده بالا و میدان دید کوچک، بسیار دشوار است. کویل‌های فرکانس رادیویی استاندارد برای ارائه این وضوح بدون ایجاد نویز شدید در تصویر، با مشکل مواجه هستند. برای رفع این مشکل، محققان یک پیکربندی خاص به نام Bend-MTMA را توسعه دادند که دارای یک خمیدگی ۹۰ درجه است و برای انطباق کامل با صورت انسان طراحی شده است.[1][5]

در آزمایش‌هایی که شامل داوطلبان سالم و بیماران مبتلا به آسیب‌شناسی شبکیه بود، پیکربندی خمیده پوشش سیگنال بی‌سابقه‌ای را فراهم کرد. ارزیابی‌های کمی با استفاده از تصویربرداری توربو اسپین اکو با وزن T2، افزایش چشمگیر سیگنال را در مقایسه با آنتن‌های حلقه خمیده مرسوم نشان داد. محققان افزایش سیگنال تا ۵۱ درصد را در نواحی چشمی داوطلبان ثبت کردند. این حساسیت افزایش یافته، عضلات خارج چشمی و عصب بینایی را با جزئیات خیره‌کننده‌ای به تصویر کشید. در یک نمایش قابل توجه از قدرت تشخیصی این آنتن، اسکن به طور غیرمنتظره‌ای یک کیست سینوسی در مجاورت مدار چپ یک داوطلب را نشان داد و توانایی آنتن را برای نفوذ فراتر از حفره چشمی و به داخل سینوس‌های پارانازال ثابت کرد.[2][4]

بسته شواهد همچنین ادعا می‌کند که آنتن‌های فراماده‌ای به طور چشمگیری تجسم نواحی خلفی مغز، به ویژه لوب پس‌سری، را بهبود می‌بخشند. لوب پس‌سری، که مسئول پردازش بینایی است، یک هدف حیاتی برای معاینات عصبی-چشمی، ارزیابی سکته مغزی و تحقیقات میگرن است. با این حال، موقعیت آن در پشت جمجمه اغلب آن را در لبه پروفایل‌های حساسیت کویل استاندارد قرار می‌دهد.[3][6]

برای هدف قرار دادن مغز، تیم از یک پیکربندی مسطح استفاده کرد که پشت سر بیمار قرار می‌گرفت. نقشه‌برداری B1+—تکنیکی که برای اندازه‌گیری کارایی میدان فرکانس رادیویی منتقل شده استفاده می‌شود—تأیید کرد که آنتن فراماده‌ای تا ۲۱ درصد شدت بالاتری را در صفحه محوری در مقایسه با حلقه‌های مسطح استاندارد تولید می‌کند. این پوشش سیگنال برتر، ترسیم آناتومیکی قشر بینایی اولیه و مرتبط را بهبود بخشید. این فناوری با دریافت سیگنال بیشتر در زمان کمتر، احتمال آرتیفکت‌های حرکتی (تاری ناشی از حرکت بیمار در طول اسکن طولانی) را که دلیل اصلی تکرار اسکن‌های MRI است، کاهش می‌دهد.[2][4]

نکته مهم این است که محققان ادعا می‌کنند آنتن‌های فراماده‌ای برای انتقال فوری به کاربرد بالینی انسانی ایمن هستند. یک نگرانی پایدار در مورد اصلاح میدان‌های فرکانس رادیویی MRI، نرخ جذب ویژه (SAR) یا نرخی است که انرژی فرکانس رادیویی توسط بدن جذب می‌شود و می‌تواند باعث گرم شدن خطرناک بافت شود.[2]

مقاله منتشر شده شامل یک چارچوب اعتبارسنجی ایمنی دقیق است. تیم شبیه‌سازی‌های گسترده نرخ جذب ویژه را با استفاده از مدل‌های وکسل انسانی انجام دادند و به دنبال آن مدل‌سازی حرارتی زیستی صورت گرفت. آن‌ها این مدل‌ها را به صورت تجربی با استفاده از دماسنجی تشدید مغناطیسی و حسگرهای دمای فیبر نوری در طول اسکن تأیید کردند. داده‌ها به طور قطعی نشان داد که آنتن‌های فراماده‌ای به خوبی در محدوده دستورالعمل‌های ایمنی بین‌المللی تعیین شده عمل می‌کنند و راه را برای تأیید نظارتی و استفاده بالینی هموار می‌سازند.[2]

با وجود شواهد قوی برای افزایش سیگنال، بسته داده فعلی حاوی ابهام شفافی است: این داده‌ها کاملاً بر اساس آزمایش‌هایی است که در ۷.۰ تسلا انجام شده‌اند. اسکنرهای میدان فوق‌العاده بالا عمدتاً محدود به مؤسسات تحقیقاتی نخبه هستند، در حالی که اکثریت قریب به اتفاق بیمارستان‌های جهانی به دستگاه‌های ۱.۵ یا ۳.۰ تسلا متکی هستند. هنوز مشخص نیست که سلول‌های واحد فراماده‌ای دقیقاً چقدر افزایش سیگنال را در این فرکانس‌های استاندارد و پایین‌تر ارائه خواهند داد، اگرچه اصول فیزیکی نشان می‌دهد که این دستاوردها همچنان از نظر بالینی قابل توجه خواهند بود. علاوه بر این، جدول زمانی برای تولید تجاری و هزینه نهایی این کویل‌های جانبی هنوز فاش نشده است.[1][4]

پیامدهای این پیشرفت بسیار فراتر از چشم‌پزشکی و مغز و اعصاب است. اگر آنتن‌های فراماده‌ای بتوانند به تولید انبوه برسند و بر روی ناوگان MRI موجود نصب شوند، می‌توانند اقتصاد مراقبت‌های بهداشتی را به طور اساسی تغییر دهند. بیمارستان‌ها می‌توانند وضوح و سرعت اسکنرهای ۱.۵ تسلا قدیمی خود را بدون صرف میلیون‌ها دلار برای آهنرباهای اصلی جدید یا بازسازی امکانات، به طور مؤثر ارتقا دهند.[5][6]

تیم مرکز ماکس دلبروک در حال حاضر روی نسل بعدی این فناوری کار می‌کند. از آنجایی که سلول‌های واحد مدولار هستند، هندسه آن‌ها می‌تواند برای قدرت‌های میدان مغناطیسی مختلف و اندام‌های متفاوت تنظیم شود. پیکربندی‌های آینده برای تصویربرداری از قلب، کلیه‌ها و شکم در حال طراحی هستند. علاوه بر این، محققان در حال بررسی تشدید مغناطیسی حرارتی هستند، یک کاربرد پیشگامانه که در آن آنتن‌های فراماده‌ای می‌توانند نه تنها برای تصویربرداری از تومور، بلکه برای تمرکز دقیق انرژی فرکانس رادیویی برای گرم کردن و از بین بردن آن استفاده شوند و تشخیص و درمان را در یک روش واحد و غیرتهاجمی ترکیب کنند.[2][4]