Metamaterial Destekli Yeni MRI Antenleri Görüntü Kalitesini Artırıyor ve Tarama Süresini Kısaltıyor

Manyetik rezonans görüntüleme (MRI) tıpta en önemli görüntüleme yöntemlerinden biri olarak kullanılmaktadır. Ancak, derin dokuların veya karmaşık anatomik yapıların net görüntülenmesi, mevcut MRI sistemlerinde yüksek zaman ve çaba gerektirdiği için zorlayıcı olabiliyor. Almanya’daki Max Delbrück Merkezi’nden Thoralf Niendorf liderliğindeki araştırma ekibi, metamaterial adı verilen yapay elektromanyetik malzemeleri kullanarak, kompakt ve yüksek performanslı radyo frekans (RF) antenleri geliştirdi. Bu yeni antenler sayesinde hem görüntü kalitesi önemli ölçüde artıyor hem de MRI tarama süreleri kısalıyor.

Özellikle göz ve göz çukuru (orbit) gibi küçük ve karmaşık yapılar MRI ile görüntülenirken yüksek mekânsal çözünürlük ve dar alan görüntüleme gerektirdiğinden standart sistemler yetersiz kalabiliyor. Bu yetersizliğin temel nedeni, kullanılan antenlerin (RF bobinlerinin) sinyal alma ve gönderme hassasiyetinin sınırlı olmasıdır. Antenlerin hassasiyetinin artırılması sinyal gücünü yükselterek daha keskin ve net MR görüntülerinin elde edilmesini sağlar.

Bu hedef doğrultusunda Niendorf ve ekibi, doğal malzemelerin elektromanyetik dalgalarla etkileşim biçiminden farklı, yapay olarak üretilmiş, düzenli alt-dalga boyu ölçeğinde birim hücrelerden oluşan elektromanyetik metamaterial yapılar tasarladı. Bu birim hücreler, 7 Tesla gibi yüksek manyetik alan gücünde çalışacak şekilde, özel çift kare yarık halkalı rezonatör tasarımları temel alınarak geliştirildi.

Genç doktora öğrencisi Nandita Saha liderliğinde gerçekleştirilen ve Advanced Materials dergisinde yayımlanan çalışma kapsamında araştırmacılar, metamaterial birim hücreleri kullanarak 5×8’lik matris şeklinde metamaterial entegreli RF anten (MTMA) tasarladı. İki farklı anten konfigürasyonu üretildi: Yüzeye düz olarak yerleştirilen planar-MTMA ve insan yüzünün eğimine uyum sağlaması için ortasında 90° açı bükülmüş bend-MTMA. Karşılaştırma amacıyla, aynı tasarımların metamaterialsız halleri yani planar-loop ve bend-loop antenler de üretildi.

Simülasyon ve 7 Tesla ortamında yapılan ölçümler, geliştirdikleri planar-MTMA anteninin geleneksel planar-loop’a göre %14-20 daha yüksek iletim verimliliği sağladığını gösterdi. Baş fantomu (modeli) üzerinde yapılan görüntülemede, planar-MTMA antenin sinyal alma hassasiyeti ise %94 ila %132 arasında artış gösterdi. Bend konfigürasyonunda da bend-MTMA, bend-loop’a kıyasla %20 civarında iletim ve %30’a yakın alım sinyali avantajına ulaştı.

Araştırmacılar Niendorf’un ifadesiyle, geliştirdikleri metamaterial yapılar sayesinde MRI’de oluşturulan RF alanlarının daha verimli yönlendirilip modüle edilebildiğini belirtiyor. Bu sayede hem hedef dokudan gelen sinyal gücü yükseliyor hem de görüntü keskinliği artıyor. Ayrıca hızlı veri toplama sayesinde tarama süreleri kısalıyor. Bunun bir diğer avantajı ise yeni antenlerin mevcut MRI cihazlarıyla uyumlu olması; kliniklerde ekstra donanım yatırımı gerekmeden kullanılabilmesi.

Ekip, teknoloji güvenliğini sağlamak için antenlerin insan vücudundaki SAR (spesifik absorbsiyon oranı) seviyelerini ölçtü. Tüm anten konfigürasyonları IEC güvenlik limitlerinin çok altında kaldı. Bend-MTMA anteni en yüksek SAR değerini gösterse de, MR termometri ve fiber optik sensörlerle yapılan incelemede 30 dakikalık 10W güç girişinde sıcaklık artışı yalnızca 1.5°C oldu. 5W güce indirildiğinde ise sıcaklık artışı 0.5°C’nin altında kaldı ve bu güvenli kabul edilerek canlı denemelerde bu anten kullanıldı.

Deneysel uygulamada bend-MTMA ve bend-loop antenler kullanılarak 3 sağlıklı gönüllünün göz ve göz çevresi görüntülendi. Her katılımcıda bend-MTMA, göz çevresinde daha güçlü ve homojen sinyaller elde edilmesini sağladı. T2 ağırlıklı turbo spin-eko görüntülemesiyle ölçülen intraoküler sinyal yoğunluğu bend-MTMA ile %25 ile %51 arasında artış gösterdi. Bu da gözün detaylı görüntülenmesinde bend-MTMA antenin büyük avantaj sağladığını ortaya koydu.

Çalışma kapsamında bend-MTMA anteni daha ileri klinik senaryolarda da test ettiler. Retina hemanjiyomu tedavisi görmüş bir gönüllünün gözünün 7 Tesla MRI ile taraması yapıldı. Tedaviden 16 gün sonra çekilen tarama başarıyla iki farklı yapısal değişim kümesini ortaya koydu. Ayrıca bu taramada paranasal sinüs ve alt ön lobu da kapsayan, daha önce fark edilmeyen sinüs kisti bulundu. Bu durum, bend-MTMA antenin yalnızca göz küresi değil çevresindeki yapıları da yüksek detayda görüntüleyebildiğini gösterdi.

Planar anten dizisi ise görsel işlemden sorumlu beyin bölgesi olan oksipital lobu incelemek için kullanıldı. Planar-MTMA, planar-loop’a göre önemli ölçüde daha yüksek sinyal iletim verimliliği ve daha geniş kapsama alanı sağladı. Bu da arka beyin bölgelerinin klinik açıdan daha net ve detaylı görüntülenmesine olanak tanıdı.

Thoralf Niendorf, daha net sinyallerin ve yüksek çözünürlüklü görüntülerin teşhis süreçlerinde yeni ufuklar açacağını vurguluyor. Özellikle erken dönemde karmaşık oftalmoskopik bulguların doğrulanması, göz kitlelerinin lokal evrelemesi, 3D MRI ve renkli Doppler ultrasonla birleşik kullanım gibi ophthalmolojik uygulamalarda önem taşıyacağını belirtiyor. Ayrıca fizyometabolik görüntüleme ile göz içindeki demir konsantrasyonu veya su difüzyonunun araştırılması gibi ileri uygulamaların da mümkün olduğunu söylüyor.

Ayrıca yeni antenlerin hafif modifikasyonlarla vücut içinde ilaçların salınım ve taşınmasının MRI ile izlenmesini sağlayacak potansiyele sahip olduğu ifade ediliyor. Kalp, böbrek ve beyin gibi diğer organların görüntülenmesi için anten geometrileri kolayca uyarlanabilir. Niendorf’un aktardığına göre, termal manyetik rezonans uygulamaları da bu antenlerle desteklenerek tanı, termal tedavi ve tedavi izlemenin tek cihazda gerçekleştirilmesi mümkün olabilir.

Sonuç olarak, metamaterial tabanlı yeni RF MRI antenleri sağlıkta görüntüleme alanında devrim yaratacak yenilikler sunuyor. Göz ve beyin gibi hassas bölümlerde, hem daha hızlı hem de çok daha kaliteli görüntüler elde edilerek tanı ve tedavi süreçleri geliştirilebilir. Yakın gelecekte kliniklerde kullanımın artmasıyla bu teknolojinin tıp dünyasında geniş kabul görmesi bekleniyor.

Kaynak: https://physicsworld.com/a/metamaterial-antennas-enhance-mr-images-of-the-eye-and-brain/