20 Nov 2019 Gakken Editorial

Wujud Teknologi MRI di Masa Depan

Magnetic Resonance Imaging (MRI), selama ini, telah memberi kita gambaran bagian dalam tubuh kita: organ, tulang, saraf dan jaringan lunak. Tetapi, bagaimana jika MRI dapat menunjukkan kepada kita susunan molekul dari bagian tubuh kita, dan membantu dokter lebih cepat menentukan timbulnya penyakit dan memulai perawatan?

Dalam sebuah makalah yang diterbitkan di Nature Communications, Dr. Aviv Mezer dan timnya di Universitas Hebrew di Yerusalem (HUJI), Edmond dan Lily Safra Centre for Brain Sciences, berhasil mengubah MRI dari kamera diagnostik. Mereka menggunakan perangkat yang dapat merekam perubahan dalam susunan biologis jaringan otak. Ini sangat penting bagi dokter yang ingin memahami apakah pasien hanya bertambah tua atau mengembangkan penyakit neurodegeneratif, seperti Alzheimer atau Parkinson.

"Alih-alih gambar, model MRI kuantitatif kami memberikan informasi molekuler tentang jaringan otak yang kami pelajari. Ini dapat memungkinkan dokter untuk membandingkan pemindaian otak yang diambil dari waktu ke waktu dari pasien yang sama, dan untuk membedakan antara jaringan otak yang sehat dan yang sakit, tanpa menggunakan prosedur invasif atau berbahaya, seperti biopsi jaringan otak, "jelas Mezer.

Tanda-tanda eksternal penuaan sudah tidak asing lagi bagi kita: rambut beruban, tulang belakang bungkuk, kadang-kadang mengalami pikun. Namun, bagaimana kita tahu jika otak pasien menua secara normal atau terserang penyakit? Jawabannya ditemukan pada tingkat biologis. Penuaan normal maupun penyakit neurodegeneratif menciptakan "jejak kaki" biologis di otak, mengubah kandungan lemak dan protein dari jaringan otak.

Sementara pemindaian MRI saat ini hanya memberikan gambar otak manusia, teknik baru ini memberikan pembacaan biologis jaringan otak - kemampuan untuk melihat apa yang terjadi pada tingkat molekuler, dan untuk mengarahkan program pengobatan yang sesuai.

"Ketika kami melakukan tes darah, itu menunjukkan kepada kami jumlah sel darah putih yang tepat dalam tubuh kita dan apakah angka itu lebih tinggi dari ambang normal karena penyakit. Pemindaian MRI memberikan gambar otak tetapi tidak menunjukkan perubahan dalam komposisi otak manusia, perubahan yang berpotensi membedakan penuaan normal dari permulaan Alzheimer atau Parkinson," kata mahasiswa PhD Shir Shiro yang bekerja pada penelitian tersebut.

Ke depan, Mezer percaya bahwa teknik MRI baru juga akan memberikan pemahaman penting tentang bagaimana usia otak kita, "ketika kita memindai otak pasien muda dan tua, kita melihat bahwa area otak yang berbeda berubah secara berbeda. Misalnya, dalam beberapa area materi putih, ada penurunan volume jaringan otak, sedangkan pada materi abu-abu, volume jaringan tetap konstan. Namun, kami melihat perubahan besar dalam susunan molekul materi abu-abu pada subjek yang lebih muda dibandingkan yang lebih tua. "

Semua ini menjadi pertanda baik bagi pasien. MRI tidak hanya dapat membedakan tanda-tanda molekul penuaan normal dari tanda-tanda awal penyakit. Pasien akan lebih mungkin menerima diagnosis dan perawatan yang tepat lebih awal dan non-invasif.

Penggunaan Metamaterial 

Para peneliti Universitas Boston telah mengembangkan bahan metamik "cerdas" yang dapat merevolusi magnetic resonance imaging (MRI), membuat seluruh proses MRI lebih cepat, lebih aman, dan lebih mudah diakses oleh pasien di seluruh dunia.

Salah satu persoalan MRI selama ini adalah biayanya yang cukup mahal, paparan radiasi yang berisiko, serta waktu pemindaian yang cukup lama--seringkali lebih dari satu jam untuk satu kali pemindaian.

Xin Zhang, profesor BU College of Engineering di bidang teknik mesin dan profesor di Photonics Center, bersama tim peneliti lainnya menggunakan metamaterial untuk menyelesaikan persoalan tersebut.

MRI bekerja dengan menghasilkan medan magnet yang kuat dan mengirimkan gelombang radio ke tubuh pasien. "Medan magnet MRI ribuan kali lebih kuat dari medan magnet Bumi," kata Zhao. "Serangkaian gelombang radio berenergi tinggi yang diatur secara tepat dikirim ke tubuh manusia, dan jaringan memancarkan gelombang radio berenergi lebih rendah yang diterima oleh MRI untuk menghasilkan gambar."

Kualitas gambar MRI sangat tergantung pada apa yang disebut signal-to-noise ratio atau SNR. Semakin tinggi SNR, semakin baik gambar, dan cara paling langsung untuk meningkatkan SNR adalah dengan menaikkan medan magnet.

Sayangnya, setiap peningkatan medan magnet juga meningkatkan kompleksitas dan biaya MRI, serta risiko potensial bagi pasien. Untuk alasan itu, ahli radiologi yang ingin mendapatkan tampilan yang lebih baik di dalam tubuh tidak bisa begitu saja meningkatkan kekuatan medan magnet.

Jadi Zhang dan rekan-rekannya mengembangkan metamaterial magnetik baru yang, ketika ditempatkan di samping bagian tubuh yang menjadi target pemindaian, meningkatkan energi yang dipancarkan oleh tubuh pasien, meningkatkan SNR dan meningkatkan pencitraan MRI. Hasil pengembangan metamaterial magnetik yang terbuat dari kabel tembaga dan plastik sederhana ini diulas dalam Nature's Communications Physics.

Sekarang, Zhang, Anderson, Zhao, dan anggota tim lainnya telah mengambil perkembangan mereka selangkah lebih maju, mengembangkan apa yang mereka sebut bahan metam "cerdas" yang secara selektif meningkatkan emisi energi rendah dari tubuh pasien, dan benar-benar mati sendiri selama semburan milidetik transmisi energi tinggi dari mesin.

Dua gambar MRI dari bawang: gambar di sebelah kanan menunjukkan peningkatan yang dihasilkan oleh bahan metam cerdas yang dikembangkan oleh Xin Zhang dan rekannya. (Sumber: Zhang et al).

_________

Zhang mengatakan bahwa bahan smart metam memperkuat SNR sebanyak 10 kali lipat, yang sangat meningkatkan kualitas gambar dan mengurangi waktu pemindaian, membuka cara baru untuk mendapatkan gambar MRI yang lebih tajam dengan biaya yang sangat rendah.

"Memperpendek pemeriksaan MRI sangat penting untuk memaksimalkan kapasitas," kata Anderson. "Belum lagi pendapatan, serta pengalaman pasien secara keseluruhan dari teknologi pencitraan yang kuat ini."

"Metamaterial cerdas terdiri dari berbagai resonator heliks logam yang dikemas erat dengan sensor pasif," kata Zhao. "Ketika gelombang radio berenergi tinggi datang, metamaterial mendeteksi tingkat energi tinggi dan 'mematikan' resonansi secara otomatis. Dengan eksitasi radio berenergi rendah, metamaterial mengaktifkan resonansi dan meningkatkan komponen magnetik dari gelombang radio."

Berlangsung dengan cepat dan memungkinkan dokter menggunakan bahan metam cerdas untuk meningkatkan energi yang dikirim kembali ke MRI. Ini juga mengurangi paparan keseluruhan pasien terhadap radiasi gelombang radio dan mengurangi masalah keamanan potensial, memudahkan jalan menuju adopsi teknologi ini dalam pencitraan klinis.

"Kami sekarang dapat membangun bahan pintar yang dapat berinteraksi dengan gelombang radio secara cerdas, meningkatkan sinyal yang diinginkan sambil membiarkan sinyal yang tidak diinginkan pergi," kata Zhang.

Para peneliti memperkirakan bahwa susunan metamaterial, yang dikembangkan dengan dukungan dari National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering, harus dibangun dengan biaya kurang dari $ 10. Meskipun prototipe metamaterial magnetik saat ini adalah lapisan datar dan tebal, mereka berharap untuk menyesuaikannya dengan lembar peningkatan MRI yang fleksibel dan sangat tipis. Terintegrasi dengan sistem MRI klinis, kata mereka, metamaterial magnetik yang baru ditemukan memiliki potensi untuk mengantarkan lompatan kuantum dalam kinerja MRI.

Sumber:
  1. Disentangling molecular alterations from water-content changes in the aging human brain using quantitative MRINature Communications, 2019; 10 (1) DOI: 10.1038/s41467-019-11319-1
  2. Intelligent Metamaterials Based on Nonlinearity for Magnetic Resonance ImagingAdvanced Materials, 2019; 1905461 DOI: 10.1002/adma.201905461

Berita Riset dan Terobosan


20 Nov 2019 Gakken Editorial