מבוא: מדד מדעי החומר וטכנולוגיה MRI

הדמיה של התחדשות מגנטית (MRI) היא אחד הכלים האיבחוניים החזקים ביותר ברפואה המודרנית, מתן תמונות רזולוציה גבוהה, לא פולשניות של רקמות רכות, איברים, ואת מערכת העצבים המרכזית.עם זאת, פיזיקה שהופכת את MRI כל כך יעיל - שדות מגנטיים חזקים, במהירות החלפת ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

הפיזיקה של MRI: מדוע בחירות חומריות אינן אופטיות ולא פשוטות

כדי להבין את התפקיד של מדע החומרי, יש קודם כל להעריך את הסביבה האלקטרומגנטית בתוך סורק MRI.שדה מגנטי הראשי, בדרך כלל 1.5 עד 3 טסלה (ועד 7 טסלה במערכות מחקר), הוא חזק מאות אלפי פעמים מהשדה המגנטי של כדור הארץ.כל אובייקט פרומגנטי – כמו ברזל, ניקל או קובלט – ימשוך אלים לעבר השעמום, תוך סיכון קטלני של חומר מגנטי, אפילו מחוספס, או ממתכתי, עלולים, עם חומרים מגנטיים שונים.

לכן, חומרים תואמים ל-MRI חייבים לספק במקביל שלושה קריטריונים: (א) להיות לא-פרומגנטיים (עדיף עם רגישות קרוב לזה של רקמת האדם, - 11 - 9) עד 9m), (ב) יש מוליכות חשמלית נמוכה למזער זרמי dy והתחממות RF, ו (ג) להיות אינרטי ומאובטח לשימוש ביו-רפואי.

פתרונות מדע חומריים: A Palette of Non-Magneticמועמדים

מדענים חומריים פנו באופן שיטתי לכל מעצורים, מפתחים משפחות של חומרים שהם בטוחים, פונקציונליים, ותואמים תמונה.

פולימרים ופלסטיק

פולימרים הם לא מגנטיים, מבודדים מבחינה חשמלית, וניתן לנסח אותם עם רגישות קרוב לרקמות. פוליואתרketone ברמה רפואית (PEEK) הפך להיות הכפייה עבור שתלים תואמים MRI, מכלובים ספין-סוליים ועד לוחיות סטריליות (PEEK) מציע כוח גבוה, התנגדות כימית, ורדיו-לא יוצר חפצים קשים כמו פולימרים חשמליים-אוויריים (Otramesteral) גם תכונות חלופיות).

Ceramics

קרמיקה מתקדמת, כולל אלומיניום, zirconia, ו סיליקון nitride, הם עוד מחלקה של חומרים תואמים MRI.הם לא מגנטיים, insulating חשמלית, וקשה מאוד ללבוש עמיד בפניים. Zirconia ראשים בשלב מוסרי בחליפים מוחלטים הירכיים כבר בשימוש בהצלחה בסביבות MRI, והשתלות שיניים קרמיקה הן עכשיו נפוץ.

פחמן סיבים

אולי שום חידוש יחיד שינה את הנדסת מכשירים לא תואמים MRI יותר מאשר סיבים פחמן מחזק פולימר (CFRP) פחמן סיבים עצמם הוא התנהגותית, אבל כאשר מוטבע במריצה פולימרית עם אוריינטציה ספציפית וסיבים, את המורכב יכול להיות כמעט לא מגנטי, ו, באופן מכריע, עם מוליכות קוסמטיקה איסומטית שמפחיתה את זרמי האנטומיה התואמים באופן מדהים, קל משקל, עייפות, להפוך את הכלים של MRI, אפילו, כמו גם כן, חומר ניקוי, כמו גם כן, כלי נגינה, חומר ניקוי, ללא תכונות אלקטרופטיים, חומר חזותיים, כולל.

מחקר שנערך בשנת 2021 ב-Journal of מגנטית Resonance Imaging הראה כי מחטי פחמן ביופסיה מייצרים חפצים 60% קטנים יותר מאשר מחטים cobalt-chromium סטנדרטיים, בעוד שיש להם חימום RF נמוך יותר תחת הדמיה 3T.למרות היתרונות האלה, סיבים פחמן חייבים להיות מוגנים בקפידה על מנת למנוע השפעות האנטנה, ועלות הייצור שלה נשאר גבוה יותר מאשר פלדות.

מתכת לא מגנטית ו-Alloys

יישומים מסוימים דורשים תכונות מתכת - אלקטרוניקה, מוליכות חשמלית עבור העברת אותות, או כוח גבוה בחלקים דקים של c-bric. במקרים אלה, מדענים חומרים בחרו או פיתחו ⁇ עם רגישות מגנטית נמוכה מאוד. טיטניום ו ⁇ שלה (עד 6Al-4V) הם את הצורה הגבוהה ביותר של מתכת-דלקתיים-אפקטיביים (Noltraicialolative) הוא paratanium עם רגישות של בערך +180m, אשר מנוהלת עבור מבנים קטנים יותר, אך ורקמות גבוהה יותר, אך שימוש ב-חומצה מגנטית (NRM) הוא צורך ב-inolicialoliciallyolicial) הוא דורש שימוש באופן מלא.

חומרים משותפים ו היברידיים

יותר ויותר, מכשירים תואמים MRI משלבים חומרים מרובים כדי לנצל את החוזקות של כל אחד.לדוגמה, מוביל גירוי ספינל עשוי להשתמש גוף PEEK עם אלקטרודות פלטינה-iridium מוטבעת ב insulator קרמיקה. חוקרים מאוניברסיטת קליפורניה, סן פרנסיסקו, פיתחה סיבי פחמן-PEEK מורכבים כי תואם את הנוקשות של העצם תוך כדי להיות לחלוטין קומפקטית MRI, המאפשר שיתוף טוב יותר ו-אוקסציה מוגברת של תאים גמישים (Lagicial) יש צורך במגבלה (דלקת לייזרים) הוא לחץ דם גמישה.

קטגוריות של מכשירי MRI-Compatible ו- How Materials Science Enables Them

שתלים ופרוזציות

שתלים אורתופדיים, שתלים שיניים, vascular stents, ומכשירי לב כגון קוצני קצב ודימום דורשים תאימות MRI לחולים הזקוקים הדמיה לאחרית, מבחינה היסטורית, שתלים רבים נחשבו בניגוד לניתוח סינדיקציה עבור MRI.היום, מדע החומרי השתנה באופן יסודי כי.קצב מודרני מוביל להשתמש titaniums, MP35N, סיליקון או פולית'רין באופן זמני עשוי באופן אוטומטי להיות מופעלתמיטיבית אבטחה 3.

ניטור ומכשירי Life-Support

ניטור המטופל במהלך MRI - כגון הדופק oximeters, לחץ דם cuffs, ECG מוביל, ובדיקות טמפרטורה - קוויר כבלים וחיישנים שאינם מחממים או מעוותים את התמונה.חומר מדע סיפק חיישני סיבים אופטיים: סיבים אופטיים מפלסטיק עשויים מ- PMMA או פלואורין מגיב פולימרים שאינם מוליכים לחלוטין וחסומיים להפרעות RF.

מערכות ביופסיה ומכשירים

MRI הבין-קונבנציונלי - יצירת ביופסיה, זריקות, או ablations תחת הדמיה בזמן אמת - כלי ביקוש גלויים על MRI אבל לא ליצור חפצים מזיקים.חומרים מדענים פיתחו מחטים ביופסיה ו סיבים מבוססי פחמן סיבים ביופסיה עם סמנים אופטיים המופיעים כנקודות מגע בהירות על הסריקות הרובוטיות.

אביזרים ומכשירי נוחות המטופל

אפילו פריטים פשוטים כמו אוזניות, משקפי שמש, ומיקום כריות חייב להיות תואמים MRI. אוזניות המשמשות עבור MRI פונקציונלי (fMRI) מחקרים דורשים נהגים לא מגנטיים.חוקרים להשתמש diaphragms ⁇ במקום קו סלילים קוליים קונבנציונליים. עיניים מעקב מצלמות עבור fMRI משתמש עדשות ספירה ודיור פלסטיק.

אתגרים, סיכונים, וצורך בבדיקת ריגאור

למרות ההתקדמות המדהימה, פיתוח מכשירים תואמים ל-MRI עדיין מופרעים אתגרים.שום חומר אינו תואם לחלוטין, וסחר-offs הם בלתי נמנעים.

RF Heating and the "Antenna Effect"

אפילו מוליכים לא מגנטיים יכולים לפעול כמו אנאנטנות, ריכוז אנרגיית RF וגורם לטמפרטורה מקומית עולה.זהו סיכון בטיחותי קריטי עבור חוטים מתכתיים ארוכים, דקים (למשל, מדריכים, מובילי חיזוי) סטנדרטיים כגון ASTM F2182 ו- ISO/TS 10974 מגדירים שיטות למיזוג RF.

תמונות אמנותיות וקיימות חוסר התאמה

ממצאים של קליטורים הם התלונה הנפוצה ביותר של קורנולוגים.אפילו חומרים כמו titanium יכול לגרום לירידה אות מקומית אם הגאומטריה היא גדולה. מחקר על ידי Hargreaves et al. (2011) הראה כי החלפת הירכיים עשויה cobalt-chromium לייצר פריטים חמורים, בעוד קרמיקה-on-ceramic מייצרת כמעט שום חומר.

מסחר מכני ויציבות

חלופות לא מגנטיות לעתים קרובות יש כוח נמוך יותר, קשיחות, או חיי עייפות מאשר עמיתיהם הפורטרומגנטיים. CFRP, בעוד חזק, יכול להתמוסס תחת עומס מחזורי אם לא לרפא כראוי. Ceramics הם קשים אבל שברירי. פולימרים מצמררים תחת עומס קבוע.מהנדסים חייבים לתכנן עם מגבלות אלה בראש, לעתים קרובות באמצעות חתך עבה יותר או הוספת מושכות.

רגולציה ובדיקה סטנדרטים

ה- FDA וגופים בינלאומיים דורשים בדיקות נרחבות עבור כל מכשיר הטוען תאימות ל-MRI.הסטנדרט לאינטראקציות שדה מגנטיות (ASTM F2052) מודד משיכה תרגומים ו- torque.הסטנדרט לחימום (ASTM F2182 משתמש ב-phantom ובדיקות טמפרטורה. Characterization חומרי הוא רק הצעד הראשון; בדיקות חד-פעמיות מלאות הוא חובה.

פריצות דרך ודרכים עתידיות

מדע חומרי למכשירים לא תואמים ל-MRI מתקדם במהירות, מונע על ידי דרישה ל-MRI גבוה יותר בשדה (T ומעבר) ויישומים קליניים חדשים.

חומרים ויזואליים-כיפופפטיים

חוקרים מפתחים שתלים זמניים שמתמוססים לאחר שהם משרתים את מטרתם – לדוגמה, אנטנים דו-חמצני המספקים תמיכה מכנית במשך כמה חודשים ולאחר מכן resorb, הימנעות סיבוכים כרוניים.המכשירים האלה חייבים להיות תואמים ל-MRI לפני ובמהלך ההשפלה. Magnesium ⁇ s (למשל, אנו מבטיחים כי הם לא מגנטיים (מגנטיים הם paraמגנטיים אך עם רגישות נמוכה) ונזקים לפחמיים, עלולים, וגורמים המבוססים על ידי פחמן, אך מזיקים לרקמות ברזל, אך לא מזיקות, אך לא מזיקות, אך לא מזיקות, אך לא מזיקות, הם עלולים, אך הם עלולים, אך ורק לפסלים.

אלקטרוניקה גמישה ומתיחה

העלייה של מכשירים תואמים ל-MRI, כגון כתמים חכמים למעקב אחר רופא ילדים, דורשת חומרים קלים, מתוחים, ולא מוליכים.מתכת נוזלית המבוססת על גליום (autectic Gallium-indium) המוטבעת בסיליקון elastomers יכול ליצור אנטנה וחיישנים מתוחים ובטוחים ב-MRI.

עיצוב חומרי AI-Optimized

למידת מכונה מוחלת על עיצוב חומרים מותאמים אישית עם רגישות מגנטית ממוקדת ונכסים מכניים.במקום משפט וטרור, אלגוריתמים יכולים לחזות את הביצועים של תערובת מורכבת ולהמליץ על היחס האופטימלי של פולימר, קרמיקה, חיזוק סיבים. גישה זו כבר הפיקה גרסה CFRP עם רגישות בתוך ±2 ppm של מים, כמעט ביטול חפצים מתכתיים.העתיד עשוי להביא "תאומים דיגיטליים" של חומרים שניתן לבדוק כמעט לפני כמעט חומרים פיזיים.

חומרים חכמים ומכשירים אחראיים

צורה של פולימרים שינוי צורה בטמפרטורת הגוף משמשים במנהגים תואמים MRI עבור משלוח סמים ביופסיה.לדוגמה, טינונופול (סגסוגת זיכרון סגסוגת) ניתן לתכנן לסגור כלי שיט לאחר ביופסיה נלקח, והנפח הקטן שלו מייצר פריטים רשלניים באופן דומה, חומרים מגנטיים (אשר חום כאשר מגנטים) נחשבים מקומיים עבור חומרים היפרמטריה משולבת עבור טיפול MRI.

מסקנה

ההשפעה של מדעי החומר על פיתוח מכשירים לא תואמים של MRI לא ניתן להפריז מה היה פעם אזור ללא רצועה עבור אלקטרוניקה ושתלים מתכתיים הוא עכשיו שדה תוסס של חדשנות, הודות ⁇ לא מגנטיים, פולימרים מתקדמים, סיבים פחמן מרוכבים, וקרמיקה.כל קטגוריה חומרית נתונה יש גם כוח ומגבלות, והמכשירים הטובים ביותר משלבים לעתים קרובות חומרים רבים בכימיה גבוהה יותר, כמו טכנולוגיות דונמיות, מבטיחות יותר למהנדסים מתקדמים יותר, אך ורק חומרים כימיים, אך ורק לשיטות בקרה סטנדרטיות, אך ורק חומרים סטנדרטיות, אך ורק לשיטות בקרה סטנדרטיות, אך ורק לשיטות בקרה סטנדרטיות, אך ורק לשיטות אבטחה, אך ורק לשיטות בקרה סטנדרטיות יותר, אך ורק לשיטות בקרה סטנדרטיות יותר, אך יעילות יותר, אך ורק לשיטות בקרה סטנדרטיות, אך יעילות יותר, אך ורק לשיטות בקרה וביקוש ביולוגיות, אך ורק לשיטות אבטחה, אך יעילות יותר, אך יעילות יותר, אך יעילות יותר, אך ורק לשיטות בקרה ואפקטיביות, לא מרפאות, לא מרפאות, לא מרפאות, אך ורק לשיטות אבטחה, אך ורק לשיטות אבטחה, לא מרפאות, לא מרפאות, אך ורק לשיטות בקרה סטנדרטיות, אך יעילות יותר, אך

"מדע אוויר הוא השותף השקט בכל סריקת MRI.ללאו, רבים מהשתלים והכלים שאנו לוקחים כמובן מאליו יהיו מסוכנים או בלתי אפשריים" - ד"ר ג'יימס וואנג, פרופסור להנדסה ביו-רפואית, אוניברסיטת סטנפורד.

קריאה והערות נוספות

  • (FLT:0) תקן TMTM לבטיחות MRI ובדיקת תאימות
  • (ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (בקיצור:0) ,Mterial-Induced Artifacts in MRI: A Review - Journal of Magnetic Resonance ImagingFLT 1
  • (ב) MED-EL MRI-Ready Cochlear Implant TechnologyFLT 1
  • (ב) .0MRISmart - מסד הנתונים של מכשירי MRI-חומרים וחומרים מרביים