Adv. Mater.封面:智能超材料助力磁共振成像

科技工作者之家 2019-12-22

来源:X一MOL资讯

磁共振成像(MRI)是现代医学成像技术的重要支柱。伴随着电子学、超导技术、计算机技术的发展,MRI已成为医学诊断和评估疾病的主要工具。目前MRI的临床应用面临费用高、扫描时间长等问题,并且相关数据表明部分MRI扫描的排队时间长达数月甚至一年之久。如果能缩短单次MRI的扫描时间,将能够大幅度提高各大医院MRI设备的利用效率,缩短排队时间,从而让更多的人享受到科技进步带来的福利。近日,波士顿大学Xin Zhang教授团队利用智能化非线性电磁超材料显著提高了MRI成像的信噪比(SNR),有望不久后实现临床应用。该技术大幅度缩短单次MRI的扫描时间,相关成果发表于Advanced Materials

近年来,超材料技术蓬勃发展。电磁超材料作为超材料技术的主要分支,是一种具有特殊电磁学性质的人造材料。通过微纳加工技术,在亚波长尺度上设计并加工超材料晶元,从而调控超材料的等效介电常数和磁导率常数,以实现对电磁波和电磁场的控制。MRI设备利用静磁场和射频电磁波对被测物体进行成像。当物体放置在静磁场中,原子核会以拉莫频率进动,如果入射相同频率的电磁波脉冲,会发生共振吸收;去掉入射电磁脉冲之后,原子核进动磁矩会发生衰退而释放电磁波,通过检测释放电磁波的强度,可以对被测物体进行成像。

信噪比是衡量MRI成像质量的主要指标。Xin Zhang教授团队设计了基于螺线管谐振单元的磁性超材料,利用近场磁场增强效应,增强MRI检测信号的强度,提高其成像的信噪比。亚波长螺线管谐振器阵列组成的超材料对磁场的作用可以类比于光学透镜对光的作用。光学透镜可以把光聚焦到一个区域,让被测对象成像更清晰。螺线管超材料可以利用谐振效应,把磁场聚集在超材料附近,从而增强MRI线圈能够检测到的信号强度,使获得的图像更清晰。

更重要的是,Zhang教授团队创造性地在超材料中引入非线性,使其智能化,具有自适应响应特性,能够选择性放大磁场强度,实现传统线性超材料无法企及的功能。他们将由开口环结构和变容二极管组成的非线性谐振器,与螺线管阵列集成到一起,组成耦合型非线性超材料。在MRI扫描进程中,在激励阶段,功率强的射频电磁波入射,使得非线性超材料处于非谐振状态,磁场不会得到增强,从而被测物体收到均匀的磁场激励;在信号收集阶段,被测物体发射的电磁波强度很弱,非线性超材料返回谐振状态,则大幅度增强磁场信号强度。实验表明,该技术可以将MRI图像的信噪比提高10倍以上,意味着在保证相同成像质量的情况下,可以大幅度缩短MRI的成像时间。除了在MRI中的应用外,Xin Zhang教授团队的耦合型非线性超材料及理论分析方法,为构建智能型超材料提出了一种新范式,用于设计并优化超材料的自适应响应,以实现其他不同功能和应用。

20191222100255_f4aaed.jpg

这一成果发表在Advanced Materials 上,并被选为封面文章。文章的第一作者是波士顿大学研究助理教授赵晓光。

20191222100255_f80bc4.jpg

来源:X-molNews X一MOL资讯

原文链接:http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAwOTExNzg4Nw==&mid=2657625576&idx=6&sn=8fe8b6a1454331a973776cb54659567a&chksm=80f80c38b78f852e9cb28222b0e55f767fb862ba14cf971795aafd61cd6d0f6ca090cac7c2c7&scene=27#wechat_redirect

版权声明:除非特别注明,本站所载内容来源于互联网、微信公众号等公开渠道,不代表本站观点,仅供参考、交流、公益传播之目的。转载的稿件版权归原作者或机构所有,如有侵权,请联系删除。

电话:(010)86409582

邮箱:kejie@scimall.org.cn

技术 材料 MRI 电磁波 超材料 信噪比 成像

推荐资讯