O uso de metamateriais e a evolução da ressonância magnética

A imagem por ressonância magnética tem representado um excelente avanço à medicina moderna, sendo um popular método de diagnóstico estabelecido na prática clínica.

Ao mapear a posição de moléculas de águas no organismo, o aparelho de ressonância magnética submete o local a um campo magnético, alinhando os núcleos de átomos de hidrogênios e formando “pequenos imãs”. Em seguida, ondas de rádio são emitidas em determinadas frequências (Frequência de Larmor), atravessando o tecido que será examinado e produzindo uma vibração (sinal) que é captada por uma antena e transformada em imagem.

Em tese, quanto maior é o campo magnético, maior é a quantidade de hidrogênios alinhados e menor são os ruídos que contribuem para a degradação da imagem. O ruído interfere na pureza do sinal formando uma granulação que sobrepõe à imagem, prejudicando a análise. Por isso a relação sinal-ruído (RSR) representa, em termos qualitativos, uma métrica fundamental de desempenho à ressonância magnética. Sua melhoria pode significar o aumento da resolução da imagem e a diminuição do tempo de varredura.

Um estudo recente realizado por uma equipe da Universidade de Boston relatou melhorias na RSR com a aplicação de metamateriais na ressonância magnética. Os metamateriais, por sua vez, formam uma classe de materiais produzidos artificialmente, que podem ser projetados para exibir propriedades físicas não encontradas em materiais naturais e podem ter capacidade de interagir com a radiação eletromagnética.

O metamaterial magnético desenvolvido para o estudo é composto de uma matriz de células unitárias com hélices metálicas (ressonadores helicoidais), na forma de um pequeno cilindro. O metamaterial foi capaz de amplificar os sinais das máquinas de ressonância magnética. Na ocasião, o modo ressonante do metamaterial proporcionou um aumento acentuado na intensidade dos campos magnéticos da radiofrequência, provindo um aumento notável na RSR.

Embora o pequeno dispositivo possa não impressionar, quando colocado em conjunto com outros similares e perto do corpo, os ressonadores interagem com o campo magnético da máquina formando uma matriz flexível.

Ilustração do metamaterial magnético. A matriz de metamateriais compõe células unitárias com hélices metálicas, que são feitas de fios de cobre com andaimes poliméricos centrais.

Os experimentos foram realizados usando uma coxa de frango, com sequências de pulso idênticas em um sistema de ressonância magnética de 1,5 Tesla para demonstrar as capacidades de realce da RSR com o metamaterial magnético.

A qualidade da imagem alcançada na presença do metamaterial foi nítido, proporcionando uma RSR de até 3,6x maior. Para consideração, o uso da média de sinal também é uma métrica qualitativa de RSR. No experimento, então, foi necessário um aumento de 13,9x no tempo de varredura para alcançar um resultado similar sem o metamaterial.

À esquerda, exame realizado com o metamaterial magnético. À direita, sem o metamaterial.

Conclui-se que o desenvolvimento de metamateriais magnéticos validam sua aplicação à ressonância magnética, podendo ser utilizados para promover melhorias eficientes na qualidade de aquisição e na resolução de imagem.

Mais informações sobre projeto experimental tal como dados para apoiar as conclusões estão disponíveis no estudo Boosting magnetic resonance imaging signal-to-noise ratio using magnetic metamaterials. Realizado por Guangwu Duan, Xiaoguang Zhao, Stephan William Anderson e Xin Zhang.