Zobrazování metodou magnetické rezonance je fyzikálně zajímavý, sofistikovaný postup jak pro naprostou většinu lidí zcela bezpečně, neinvazivním způsobem nahlédnout do těla bez skalpelu, radionuklidů nebo rentgenového záření. V přístrojích používané silné magnetické pole o intenzitě zpravidla 1,5 až 3 Tesla, v nejvýkonnějších systémech až 7 Tesla představuje riziko pro například kardiaky s kardiostimulátory nebo lidí s implantáty s obsahem feromagnetik. MRI, jak metodu podle anglického „magnetic resonance imaging“ ve zkratce nazýváme, poskytuje trojrozměrné detailní anatomické obrazy u mnoha nemocí téměř nezbytné pro diagnostiku i monitoring průběhu nemoci. Nezastupitelné je MRI při vyšetřeních mozku nejen dospělých, ale i dětí.

Prototyp metamateriálové helmy, která ve spojení s přístrojem MRI zvýší kvalitu výsledných obrazů mozku. Předvádí první autor studie, Ke Wu, doktorand na Katedře strojního inženýrství Kredit: Boston University

Dva recentní příklady. Výzkumníci z Lékařské fakulty Dukeovy univerzity v Severní Karolíně provedli rozsáhlý výzkum vývoje mozku dětí a adolescentů, v němž opakované kognitivní a psychologické testy doplnili o MRI skeny. Když výsledky ve skupině 9 – 10letých dětí s hyperkinetickou poruchou ADHD porovnali s jejich zdravými vrstevníky, podařilo se jim odhalit jen 11 prokazatelných, nicméně velmi malých rozdílů (vždy šlo o mírnou redukci) ve 79 různých měřeních mozku (1, 2). Na odpovědnou přístrojovou diagnostiku ADHD pomocí MRI to tedy nestačí. Zatím, pokud se nenajdou cesty k ještě detailnějším snímkům. I velká studie lékařů Stanfordské university se zaměřila na děti. Díky metodě zobrazování magnetickou rezonanci a novým diagnostickým algoritmům využívajících umělou inteligenci se při ní prokázalo, že mezi mozky děvčat a chlapců (jiná pohlaví se v studii nezmiňují) s autismem jsou odlišné vzorce neuronálních propojení v několika mozkových centrech, například motorických, jazykových a pro vizuálně-prostorovou pozornost.

Samozřejmě platí, že čím výkonnější a kvalitnější – i co se analytického softwaru týče – přístroj lékař k dispozici má, tím lepší obraz z vyšetření dostane. Pro běžné nemocnice jsou ale problémem náklady. Samotný provoz MRI soustavy zasahuje do rozpočtu nejen kvůli vysokým nárokům na elektrickou energii. Silný supravodivý elektromagnet je chlazený tekutým heliem. Pořizovací cena přístroje může být různá. Třeba i těsně pod 100 tisíc dolarů v případě starších, zánovních MRI systémů. Ty nové vyjdou kupujícího na milion i více a při špičkových přístrojích bude prý muset z kapsy vylovit téměř 3 miliony USD (zdroj 1, 2). A zdražování všeho, energiemi počínaje, neposkytuje nadějné vyhlídky. Proto každé dodatečné a finančně dostupné vylepšení, které může přispět ke kvalitě výsledného obrazu také u těch méně výkonných a nějaký rok již využívaných MRI skenerů, je vítané.

Vedoucí týmu, profesorka Xin Zhang s doktorandem Ke Wu. V popředí auxetická struktura která je optimalizovaná pro megahertzové frekvence používané při zobrazení magnetickou rezonancí Kredit: Boston University

Takovou inovací – a to prý pro jakýkoliv typ přístroje, by mohla být bizarní helma, která podle jejich tvůrců z Fotonického centra Bostonské univerzity může znamenat „technologický průlom s potenciálem revoluce v medicínském zobrazování“.

Tým výzkumníků vedený profesorkou Xin Zhang z Katedry strojního inženýrství Bostonské univerzity si „pohrál“ a výsledkem je metamateriál s auxetickou strukturou. O co jde? Bližší pohled na obrázek odhalí, že jednotlivé plastové komponenty vytvořené 3D tiskem propojují můstky, které se mohou roztahovat nebo stlačovat. Tím se celá polo-sférická struktura zvětší nebo zmenší. Samozřejmě, že samotný plast, jakkoli barevný, ke funkci MRI nijak nepřispívá. Na válečcích jsou ale drážky a v nich je navinut měděný drát do tvaru cívek. Tyto malé metamateriálové elektromagnetické rezonátory pracující v megahertzové oblasti zesilují magnetické pole přístroje a zlepšují radiofrekvenční signál vysílaný protony – jádry vodíku v molekulách vody při návratu do energeticky nižší úrovně po vybuzení intenzivním radiovým pulzem (poslední video pod článkem o principu MRI). Změnou tvaru helmy se mění vzájemné rozestavení cívek, čímž lze modulovat rezonanční mód v rozsahu asi 20 MHz.

Experimentálně byla helma testována ve standardním klinickém přístroji MRI o intenzitě primárního magnetického pole 3 Tesla. Díky ní se zdvojnásobila rychlost snímaní a poměr signál / šum se 4,5krát zvýšil. A to je pozoruhodné vylepšení. Autoři studie upozorňují, že tím lze zdokonalit vyšetření i v levnějších přístrojích pro magnetickou rezonanci se slabším magnetickým polem. Zajímavé nejen pro rozvojové země, že? Navíc nemusí jít jenom o helmu a MRI mozku. Auxetický metamateriál lze poskládat do 2D, tedy plošné formy a použít na skenování libovolné části těla. Vlastně původně byl vyvinut jen jako rovná podložka sestavena z válcových rezonátorů určená pod tělo vyšetřovaného pacienta (video).

Video 1: Tým z profesorky Xin Zhang z Katedry strojního inženýrství Bostonské univerzity vyvinul nový trojrozměrný metamateriál, který má potenciál zlepšit zobrazování lidského mozku pomocí magnetické rezonance. Sférická struktura, jejíž velikost lze měnit, umožňuje snímky MRI dělat rychleji a v lepší kvalitě. Kredit: Boston University.

Video 2: Pro pochopení základních principů MRI doporučujeme shlédnout následující krátké video:

Poznámka k videu: pro ty, kterým angličtina není blízká, doporučujeme v nastavení zvolit český/slovenský překlad titulků. Ve videu zmiňované „malé části atomů vodíku“ jsou jádra tzv. protia – nejběžnějšího isotopu tohoto nejlehčího prvku (99.98% všech vodíkových atomů jsou atomy protia). Jádro protia tvoří jediný proton, který může (a nemusí – viz video) být zdrojem signálu při zobrazení magnetickou rezonancí. Podrobněji o principech této důležité, moderní, přesto se stále intenzivně rozvíjející metody pojednává dvoudílné video – část 1 a část 2.

Literatura

Odborný článek: Wu, Ke & Zhao, Xiaoguang & Bifano, Thomas & Anderson, Stephan & Zhang, Xin. (2022). Auxetics‐Inspired Tunable Metamaterials for Magnetic Resonance Imaging (Adv. Mater. 6/2022). Advanced Materials. 34. 10.1002/adma.202270049

Volně dostupný preprint v arXiv

Boston University, Advanced Materials