Magnetic resonance imaging, ofwel MRI, is een onmisbaar onderdeel geworden bij de diagnostiek voor veel ziektes. Voor patiënten is het ondergaan van een MRI-scan doorgaans een langdurig, oncomfortabel proces met veel lawaai. Onderzoekers van het Fraunhofer Instituut zijn er in geslaagd de MRI-technologie te verbeteren. Met zogenoemde metamaterialen, speciale printplaten, wordt de meetgevoeligheid een factor vijf hoger en worden de scans sneller en stiller.
Voor het onderzoeken van de hersenen, het ruggenmerg, de interne organen, de spieren en de gewrichten, maken artsen vaak gebruik van een MRI-scans. Daarmee kunnen lichaamsdelen nauwkeurig, en laag voor laag, in beeld gebracht worden. De MRI-technologie maakt gebruik van het feit dat bepaalde kernen in het lichaam heel licht gemagnetiseerd kunnen worden.
Een MRI-scan kan ook orgaanbewegingen weergeven, zoals het kloppen van het hart. Voor patiënten is de MRI-procedure vaak een onaangename ervaring. Het hele proces duurt vrij lang waarbij de patiënt (gefixeerd) stil moet blijven liggen in een lawaaierige omgeving die bij sommigen claustrofobische gevoelens kan opwekken.
Gedetailleerdere MRI-scans
Onderzoeksteams van de Fraunhofer MEVIS en FHR instituten zijn er in geslaagd de technologie voor MRI-scans te verbeteren. Met deze nieuwe technologie kan de gevoeligheid van MRI scanners in bepaalde omstandigheden tot een factor vijf verhoogd worden. Dit betekent dat de MRI-scans een heel stuk gedetailleerder worden.
"Bij een MRI die met hoogfrequente spoelen werkt die op het lichaam van de patiënt worden geplaatst, kan, afhankelijk van de vraag, de dynamiek met wel 20 procent verbeteren. Wanneer de spoelen in de MRI-scanner geplaatst worden, dan kunnen gemeten signalen zelfs tot vijfmaal sterker worden", aldus dr. Thomas Bertuch, teamleider bij Fraunhofer FHR.
Metamaterialen verhogen gevoeligheid
De verbeterde gevoeligheid van de MRI-scanners is te danken aan de speciaal ontwikkelde materiaalschijven. Die worden, tijdens een MRI-scan, op het te onderzoeken lichaamsdeel geplaatst. “Deze metamaterialen zijn geen materialen in de traditionele zin, maar printplaten met speciale structuren en sporen die het mogelijk maken om materialen te ontwerpen met effectieve eigenschappen, ook materialen die niet in de natuur voorkomen”, aldus Bertuch.
Bij een MRI scan wordt gebruik gemaakt van een krachtig magnetisch veld om de atomen in het lichaam te 'activeren'. Toch is het signaal dat reflecteert, en de basis vormt voor de MRI-scan, doorgaans zeer zwak. De nieuwe technologie, met de metamaterialen, is in staat de meetgevoeligheid zodanig te verhogen dat de scans veel gedetailleerder worden.
Om te voorkomen dat de reeds zeer sterke exitatiesignalen signalen, die dezelfde golflengte en frequentie hebben als de gereflecteerde signalen, nog verder versterk moeten worden, wat niet wenselijk is, hebben de onderzoekers een truc bedacht. Door niet-lineaire componenten, zoals diodes, in de metamaterialen te verwerken, kan versterking voorkomen worden.
Stillere en snellere MRI-scans
Een 'ritje' in MRI-scanner is geen pretje. Je ligt in een krappe ruimte met veel lawaai. Bepalen welk deel van het lichaam welk signaal terugstuurt, vereist meestal een magnetisch veld waarvan de sterkte varieert met de positie - het gradiëntveld. Schakelbare spoelen overlappen dit veld dynamisch op het sterke permanente magnetische veld en dit veroorzaakt het luide geluid. "Tijdens een MRI-scan is het lawaai doorgaans het grootst op het moment wanneer de beelden opgenomen worden. Door met metamaterialen te werken willen we deze geluidsbron volledig elimineren", vertelt prof. Matthias Günther, adjunct-directeur bij Fraunhofer MEVIS.
De onderzoekers gebruiken hiervoor een zogenoemd metamateriaal-array-systeem. De signalen van de verschillende delen van het lichaam raken verschillende 'pixels' in het array-systeem, ook om de signalen te lokaliseren. Het eerste prototype van dit systeem moet in het voorjaar van 2021 gereed zijn.
Uiteindelijk zal het niet mogelijk zijn om een MRI-scan geheel geruisloos te maken. Aan het geluid dat geproduceerd wordt door de schakelingen van het magnetische veld om speciale beelden te produceren, zoals doorbloeding of diffusie-effecten, is niet te verhelpen. Echter, met de nieuwe technologie wordt het maken van een MRI-scan wel al heel veel stiller.
Het elimineren van de extra magnetische veldschakeling voor beeldvorming betekent ook dat het MRI-proces een stuk sneller verloopt. De theoretische berekeningen van de nieuwe technologie spreken zelfs van een versnelling tot duizend keer. Of die snelheidswinst ook echt in de praktijk gehaald kan worden, zal moeten blijken uit de eerste experimenten.
