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最近，波士頓大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種彩色頭盔，他們說(shuō)，這種頭盔可以與MR掃描結(jié)合，增加了MR系統(tǒng)的信噪比，從而為醫(yī)學(xué)診斷提供更高質(zhì)量的圖像。這是一種由小單元細(xì)胞單獨(dú)創(chuàng)造的工程結(jié)構(gòu)，但當(dāng)以一種精確的方式組合在一起時(shí)，就會(huì)獲得自然界中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的新的超級(jí)力量。

克武(左)和張欣，機(jī)械工程教授，通過(guò)精確連接超材料諧振器來(lái)引導(dǎo)核磁共振機(jī)的磁場(chǎng)來(lái)設(shè)計(jì)這個(gè)裝置。

它可能看起來(lái)像一個(gè)奇怪的自行車(chē)頭盔，或者是在布朗博士實(shí)驗(yàn)室里發(fā)現(xiàn)的一件設(shè)備，它是由超材料方面的專(zhuān)家，電氣和計(jì)算機(jī)工程、生物醫(yī)學(xué)工程、材料科學(xué)和工程教授張欣，和她的光子學(xué)中心科學(xué)家團(tuán)隊(duì)BU共同研發(fā)而成，這項(xiàng)工作得到了美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院的支持。回到未來(lái)，這個(gè)由塑料和銅線制成的小玩意是一項(xiàng)技術(shù)突破，有可能徹底改變醫(yī)學(xué)成像。盡管它看起來(lái)很好玩，但它實(shí)際上是一種超材料，包含了大量的物理、工程和數(shù)學(xué)知識(shí)。

01

可穿戴磁性超材料

使MRI掃描更快、更便宜

這是一種新設(shè)計(jì)的可穿戴磁性超材料，圓頂形器件由磁性超材料諧振器和銅線包裹的3D印刷塑料管組成，排列在一個(gè)陣列上，精確地排列成核磁共振機(jī)的磁場(chǎng)通道，將磁性超材料以頭盔的形式放置或作為最初設(shè)計(jì)的平面陣列，這些諧振器被精確地布置成磁場(chǎng)通道，提高了MR機(jī)的信噪比。圓頂形狀的裝置適合于人的頭部，可以在腦部掃描時(shí)佩戴，增強(qiáng)了磁共振成像性能，產(chǎn)生了更清晰的圖像，當(dāng)接近掃描部位時(shí)，對(duì)醫(yī)生、放射科醫(yī)生和病人來(lái)說(shuō)，可以以兩倍于正常的速度捕捉到更高質(zhì)量的圖像。

張欣(音譯設(shè)計(jì)的這樣一種聲學(xué)超材料，阻塞聲而不停止氣流(想象一下更安靜的噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)和空調(diào))和磁性超材料以提高用于醫(yī)學(xué)診斷的磁共振成像儀質(zhì)量。她認(rèn)為，這種解決方案有可能降低MR的成本，減少醫(yī)生、放射科醫(yī)生和病人的時(shí)間。

“從理論上講，任何涉及大腦的病理都可能被處理，包括中風(fēng)成像、癌癥或退行性腦疾病。然而，這是一種利用超材料治療大腦MR的潛在方法的早期原型，仍需要不斷地將其轉(zhuǎn)化為臨床應(yīng)用，“她和她的同事、波士頓大學(xué)醫(yī)學(xué)中心放射科主任斯蒂芬-安德森(Stephan Anderson)博士告訴HCB新聞。

磁性超材料是一種工程結(jié)構(gòu)，由小單元細(xì)胞產(chǎn)生。這些細(xì)胞可能單獨(dú)做不了什么，但它們一起獲得新的能力，例如能夠彎曲、吸收和操縱電磁波、聲波或無(wú)線電波。每個(gè)單元單元，也稱為諧振器，通常排列成行和列的重復(fù)圖案；它們可以設(shè)計(jì)成不同的大小和形狀，并放置在不同的方向，這取決于它們?cè)O(shè)計(jì)的影響是什么波。當(dāng)一個(gè)人只需要把頭盔戴在頭上進(jìn)行腦部掃描時(shí)，便可以使MRI更快、更方便地掃描。

用更經(jīng)濟(jì)的方式對(duì)大腦成像的其他頭盔技術(shù)也在研究之中，早在2018年，范德比爾特大學(xué)的研究人員就建立了一個(gè)配備 AI 的帽子狀接口，它集成了超聲和腦電圖技術(shù)，用于實(shí)時(shí)成像。這有助于理解動(dòng)作和情緒是如何刺激大腦器官的不同部位的，這樣人們就可以用他們的思想來(lái)指導(dǎo)軟件和機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)。

，時(shí)長(zhǎng)01:31

2016 年，西弗吉尼亞大學(xué)創(chuàng)造了一種低劑量便攜式 PET 掃描系統(tǒng)，當(dāng)佩戴時(shí)，可以潛在地掃描運(yùn)動(dòng)中的人，其輻射量是全尺寸固定PET機(jī)器使用輻射量的十分之一。這將有助于更好地評(píng)估和診斷阿爾茨海默病和自閉癥等疾病，并減少掃描時(shí)間。

02

可與廉價(jià)的低場(chǎng)核磁共振機(jī)結(jié)合使用

科學(xué)家們此前在 2019 年使用它們創(chuàng)建了一個(gè)平面陣列，可以放在被掃描的身體部位附近，以提高圖像質(zhì)量。在一項(xiàng)測(cè)試中，他們?cè)?.5 T 磁共振系統(tǒng)上掃描雞腿、西紅柿和葡萄，加入平面陣列后，信噪比提高了4.2倍。

因此，研究人員將平面陣列和頭盔技術(shù)視為添加劑工具，可以提高低強(qiáng)度磁共振系統(tǒng)的成像能力，并使醫(yī)院不必投資昂貴的高端動(dòng)力掃描儀升級(jí)，這些設(shè)備具有較高的安全風(fēng)險(xiǎn)。他們還認(rèn)為，這種超材料有一天可以用于超低場(chǎng)磁共振，它所依賴的磁場(chǎng)比標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器低幾千倍。這將有助于擴(kuò)大 MR 技術(shù)在發(fā)展中國(guó)家和世界范圍內(nèi)的可用性。

磁性超材料有可能與廉價(jià)的低場(chǎng)核磁共振機(jī)結(jié)合使用，使這項(xiàng)技術(shù)更加廣泛，特別是在發(fā)展中國(guó)家。“如果你能夠提供可以顯著提高信噪比的東西，我們可以開(kāi)始考慮以前不存在的可能性，”安德森在 2019 年補(bǔ)充說(shuō)，“這包括在戰(zhàn)場(chǎng)附近或其他偏遠(yuǎn)地區(qū)部署MR的可能性，能夠簡(jiǎn)化這種先進(jìn)技術(shù)非常吸引人”。

03

市場(chǎng)穩(wěn)步增長(zhǎng)

近年來(lái)，隨著全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及人口老齡化問(wèn)題不斷涌現(xiàn)，醫(yī)療市場(chǎng)的潛力被進(jìn)一步激發(fā)，伴隨了醫(yī)療器械市場(chǎng)的進(jìn)一步擴(kuò)容；醫(yī)療影像市場(chǎng)依舊位居第一。其中從全球市場(chǎng)規(guī)模來(lái)看，MR設(shè)備市場(chǎng)呈現(xiàn)穩(wěn)步增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年全球MR設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模為93億美元，同比上漲3.33%，年均復(fù)合增長(zhǎng)速度為4.4%。預(yù)計(jì)2021年全球MR設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到99億美元。2020年1-12月核磁共振成像裝置中國(guó)進(jìn)出口總市場(chǎng)容量7.25億美元，累計(jì)出口約1.29億美元，累計(jì)進(jìn)口約5.96億美元。

全球市場(chǎng)增速穩(wěn)定，產(chǎn)品更新?lián)Q代產(chǎn)生需求。核磁共振成像是一種利用核磁共振原理的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)。與其他輔助檢查手段相比，核磁共振具有成像參數(shù)多、掃描速度快、組織分辨率高和圖像更清晰等優(yōu)點(diǎn)。全球市場(chǎng)超導(dǎo) MR 逐漸成為主流產(chǎn)品，其中 1.5T MR 系統(tǒng)目前保有量最多。

而此次波士頓大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)的彩色頭盔可以與MR掃描結(jié)合，增加了MR系統(tǒng)的信噪比，從而為醫(yī)學(xué)診斷提供更高質(zhì)量的圖像。其與低場(chǎng)強(qiáng)MR結(jié)合，可以提高低強(qiáng)度磁共振系統(tǒng)的成像能力，并使醫(yī)院不必投資昂貴的高端動(dòng)力掃描儀升級(jí)，這些設(shè)備具有較高的安全風(fēng)險(xiǎn)。在很多方面的優(yōu)勢(shì)，搭載在低場(chǎng)強(qiáng)MR上或進(jìn)一步提升其性能，可以減少升級(jí)換代帶來(lái)的支出。

在未來(lái)這種超材料有一天可以用于超低場(chǎng)磁共振，它所依賴的磁場(chǎng)比標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器低幾千倍。這將有助于擴(kuò)大 MR 技術(shù)在發(fā)展中國(guó)家和世界范圍內(nèi)的可用性。器械之家將持續(xù)關(guān)注該技術(shù)發(fā)展。