通过允许临床医生无创地观察人体内部，磁共振成像(MRI)已成为损伤和疾病检测、治疗计划和监测的支柱。但并不是每个人都同样受益:最强大的现代核磁共振成像技术通常体积庞大、刚性和昂贵，限制了它在资源匮乏和偏远地区的使用和影响。
在波士顿大学(Boston University)，工程师张欣(Xin Zhang)领导着一个团队，致力于普及核磁共振成像技术，开发创新的设备，使扫描更快、更便宜、更准确。为了做到这一点，他们转向了超材料——精确设计的结构，使用令人惊讶的普通构建块，如铜、织物和塑料，来操纵电磁波和无线电频率。
他们的工作带来了一系列突破性的设备，可以提高和加快对膝盖、脚踝、脊柱等部位的核磁共振成像。每一种新的超材料工具和方法——从操纵磁场的谐振器到可穿戴的、像珠宝一样的、能切断背景噪音的手镯——都能极大地提高核磁共振成像的能力。研究人员在最近的一系列期刊文章中报告了他们的发现。
波士顿大学工程学院杰出的工程学教授Zhang说:“我们如何改进核磁共振成像技术，使清晰的成像对病人来说也是负担得起的、容易获得的、可以忍受的?”“这是一个我长期以来一直感兴趣的实际问题。”
从光学应用到降噪，张博士研究了超材料在各个领域的应用，并于2016年开始关注超材料在改善医学成像方面的潜力。在几年内，她和她的团队开发了一种她称之为“智能超材料”的东西来加快扫描速度，以及一种可调谐的头盔，这种头盔可以引导核磁共振仪的磁场，提供更清晰的大脑图像，并大幅缩短扫描时间。
在发表在《高级科学》(Advanced Science)杂志上的一篇最新论文中，他们在这项研究的基础上，通过计算设计出了可穿戴的超材料，这种材料可以安装在身体的任何部位——甚至是像肘部或膝盖这样形状不规则的部位。在文章中，研究人员展示了如何使用超材料来改善脚踝扫描的例子(想象一下关节周围的一对连接的椎间盘)。研究人员写道，因为它们“很容易与患者的膝盖、脚踝、头部或身体任何需要成像的部位保持一致……同时确保最佳的共振频率”，这项新技术可以促进“超材料在临床MRI应用中的广泛采用”。
在他们早期的工作中，该团队能够手动设计适合人类头部的头盔。但在最新的研究中，论文的第一作者、张博士实验室的博士后吴柯(ENG'23)说，“我们认识到，在身体的其他部位安装自由形式的可展开的超材料需要计算辅助。”
Wu开发的算法和程序能够分析身体部分的3D扫描，并在不到一秒钟的时间内计算出螺旋谐振器的几何形状和排列——由塑料和薄铜线圈制成的结构——可以操纵MRI的磁场。至关重要的是，这些线圈阵列有助于提高目标区域MRI的信噪比(SNR)，减少背景电磁信号渗入视野时造成的成像模糊。
吴的计算程序使用了圆填充的原理——一种将圆挤压在一起而不重叠的几何方法——来确定排列磁线圈的最佳阵列和结构。它们还可以调谐到与特定无线电频率共振，而自由形状可以集成到舒适的可穿戴袖口中。
在一篇发表在《先进材料》杂志上的相关论文中，张的团队展示了一种可穿戴的MRI超材料设计，这种材料用同轴电缆制成的线圈取代了铜和塑料线圈，同轴电缆是用来连接互联网的电缆。同轴电缆的设计目的是传输和屏蔽高频电信号，防止信号意外丢失。“这种材料具有固有的优势，因为它重量轻，柔韧，并将电场限制在你想要的位置，”论文的第一作者，张实验室的研究生夏竹(26岁)说。
朱发明了一种基于织物的可穿戴超材料——每种材料只需要50美元左右的材料——旨在将同轴电缆环尽可能地靠近接受扫描的身体部位。在这篇论文中，研究小组展示了一种潜在的膝关节扫描技术:一个由轻质织物组成的垫子，上面覆盖着一些线圈，当病人躺在核磁共振成像仪中时，它会随着病人的腿部曲线弯曲。研究人员发现，它“在其附近实现了大量的电场衰减，从而最大限度地减少了对成像对象的电场暴露”。
更进一步，该团队试图开发一种完全无线的，合身的可穿戴超材料，可以提高信噪比，被动调谐和放大MRI信号。“为了创造这样一个简单而优雅的设计，我们必须首先解决几个问题，”隶属于波士顿大学光子学中心的张说，该中心为许多最新研究提供了技术支持。
在一篇发表在《科学进展》上的论文中，张的团队和他们的长期合作伙伴斯蒂芬·w·安德森(波士顿大学乔巴尼安和阿维迪安医学院放射学教授)证明了同轴电缆可以被安排成独立的袖口，而不需要额外的支撑材料——不需要织物。他们制作了指环和袖口的原型，大小可以增强脊柱、手腕和单个手指的核磁共振扫描，并且在每个实验中都证明了他们看似简单的设计可以提高信噪比，并实现清晰的核磁共振成像。这些环形电缆看起来像现代艺术品或定制珠宝。
“我们最近的设计展示了几种使用低成本材料的超材料来增强MRI的策略，”张说，“我们希望这些策略将转化为技术，让世界各地更多的患者受益于MRI。”
第一篇论文得到了国家生物医学成像与生物工程研究所和波士顿大学Rajen Kilachand综合生命科学与工程基金的支持;第二篇和第三篇论文得到了Kilachand基金的支持。
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