Міма вуха прасвістала адвёртка. З гучным звонам яна замерла на корпусе крыястату. Чартнуўшыся пра сябе, я вырашыў узяць перапынак. Адкручваць ніты ў магнітным полі велічынёй 1.5/2 цела, пры дапамозе сталёвага інструмента - так сабе задума. Поле як нябачны супернік увесь час спрабуе вырваць прыладу з рук, зарыентаваць яго ўздоўж сваіх сілавых ліній і накіраваць як мага бліжэй да электронаў, бягучым па замкнёным коле з звышправадніка. Аднак, калі вельмі трэба перамагчы закіслыя злучэнні шматгадовай даўніны, асабліва выбару няма. Я сеў за кампутар і звыкла прагартаў стужку навін. «Расійскія навукоўцы палепшылі МРТ у XNUMX разы!» - абвяшчаў падазроны загаловак.
Каля года таму назад, мы і спасцігалі сутнасць яго працы. Настойліва рэкамендую перад прачытаннем дадзенага артыкула, асвяжыць у памяці той матэрыял.
У сілу розных прычын, у тым ліку, гістарычных, у Расіі на сённяшні дзень. вытворчасці такога складанага абсталявання, як высакапольныя магнітна-рэзанансныя тамографы. Тым не менш, калі вы жывяце ў больш-менш буйным горадзе, вы без працы знойдзеце клінікі, якія аказваюць такога роду паслугі. Пры гэтым, парк МРТ сканараў часцяком прадстаўлены былым ва ўжыванні абсталяваннем, завезеным калісьці з ЗША і Еўропы і, калі вам раптам прыйдзецца наведаць клініку з МРТ, няхай вас не падманвае прыгожы вонкавы выгляд апарата - яму цалкам можа ісці другі дзясятак гадоў. Як следства, такое абсталяванне бывае, што ламаецца, і я доўгі час быў адным з тых людзей, што вяртаў зламаныя тамографы ў лад, каб пацыенты і надалей маглі праходзіць дыягностыку, а ўладальнікі - атрымліваць прыбытак.
Пакуль у адзін з выдатных дзён, у перапынку паміж небяспечнымі забаўкамі з магнітнымі палямі велізарнай велічыні, я не натыкнуўся ў стужцы навін на цікавы надпіс: «Рускія навукоўцы сумесна з галандскімі калегамі пры дапамозе метаматэрыялаў». Ці варта казаць, што сам факт таго, што ў Расіі вядуць даследаванні, прысвечаныя абсталяванню, вытворчасць якога так і не было асвоена, здаўся мне вельмі і вельмі спрэчным. Я вырашыў, што гэта проста нейкі чарговы папіў грантаў, разведзены незразумелымі навуковымі слоўцамі накшталт ужо абрыдлых усім «нанатэхналогій». Пошук інфармацыі па тэме працы айчынных навукоўцаў з МРТ і метаматэрыяламі, прывёў мяне да артыкула, які змяшчае апісанне простага эксперыменту, які я лёгка мог бы паўтарыць, балазе МРТ апарат заўсёды пад рукой.
Малюнак з , прысвечанай узмацненню МРТ сігналу пры дапамозе так званага «метаматэрыялу». У тыповы клінічны 1.5 - Тесловый апарат замест пацыента загружаецца метаматэрыял, у выглядзе тазіка з вадой, усярэдзіне якога размешчаны паралельныя правады вызначанай даўжыні. На правадах ляжыць аб'ект даследавання - рыба (нежывая). Малюнкі справа - гэта атрыманыя ў МРТ выявы рыбы, з накладзенай каляровай картай, якая азначае інтэнсіўнасць сігналу ад ядраў вадароду. Відаць, што калі рыба ляжыць на правадах, сігнал значна лепш, чым без іх. Час сканавання ў абодвух выпадках аднолькава, што даказвае павышэнне эфектыўнасці сканавання. У артыкуле таксама клапатліва была прыведзена
формула
для разліку доўгія правадоў у залежнасці ад працоўнай частаты тамографа, якой я і скарыстаўся. Я змайстраваў свой метаматэрыял з кюветы і масіва медных правадоў, забяспечыўшы іх пластыкавымі мацаваннямі, надрукаванымі на 3d друкарцы:
Мой першы метаматэрыял. Адразу ж пасля вырабу быў засунуты ў 1-Цеславы тамограф. Апельсін выступаў у якасці аб'екта для сканавання.
Аднак, замест абяцанага ўзмацнення сігналу, я атрымаў кучу артэфактаў, якія зусім псуюць малюнак! Абурэньне майму не было мяжы! Даеўшы падыспытнага, я напісаў ліст аўтарам артыкула, сэнс якога можна звесці да пытання «Якога …?».
Аўтары даволі хутка адказалі мне. Яны былі вельмі ўражаныя тым, што нехта спрабуе паўтарыць іх эксперыменты. Спачатку доўга спрабавалі мне растлумачыць як усё ж працуюць метаматэрыялы, выкарыстоўваючы тэрміны "рэзанансы Фабры-Пяро", "уласныя моды", і ўсякія радыёчастотныя палі ў аб'ёме. Потым, відаць, зразумеўшы, што я зусім не разумею, пра што гаворка, яны вырашылі запрасіць мяне да сябе ў госці, каб я паглядзеў на іх распрацоўкі ўжывую і пераканаўся, што гэта ўсё ж такі працуе. Я закінуў у заплечнік свой любімы паяльнік і паехаў у Санкт-Пецярбург, у нацыянальны даследчы ўніверсітэт інфармацыйных тэхналогій, механікі і оптыкі (як аказалася, там навучаюць не толькі праграмістаў).
На месцы мяне ветліва сустрэлі, і раптоўна, прапанавалі працу, бо былі ўражаныя маёй кюветай з правадамі і ім патрэбен быў чалавек для стварэння новых. Узамен абяцалі падрабязна растлумачыць усё што мяне цікавіць і прайсці курс навучання па радыёфізіцы і МРТ, які стартаваў па шчаслівай выпадковасці менавіта ў той год. Мая цяга да ведаў перамагла, і далей, на працягу года я навучаўся, рабіў праекты і працаваў, паступова пазнаючы ўсё новыя і новыя рэчы пра гісторыю магнітнага рэзанансу, а таксама стан сучаснай навукі ў гэтай галіне, чым і падзялюся тут.
У аснове метаду меркаванага ўдасканалення МРТ, і доследнага ў згаданых навуковых артыкулах, ляжаць так званыя "метаматэрыялы". Метаматэрыялы, як і многія іншыя адкрыцці, абавязаны сваім з'яўленнем нечаканым рашэнням, атрыманым на базе тэарэтычных пошукаў. Савецкі навуковец, Віктар Веселага, у 1967 году, працуючы над тэарэтычнай мадэллю, выказаў здагадку існаванне матэрыялаў з адмоўным каэфіцыентам праламлення. Як вы ўжо зразумелі, гаворка ідзе пра оптыку, і велічыня гэты каэфіцыент, грубіянска кажучы, азначае, наколькі зменіць свой кірунак святло, прайшоўшы праз мяжу паміж рознымі асяроддзямі, напрыклад паветрам і вадой. У тым, што гэта сапраўды так адбываецца, можна лёгка ўпэўніцца самастойна:
Просты эксперымент з лазернай указкай і акварыумам, які дэманструе праламленне святла.
Цікавы факт, які можна атрымаць з такога эксперыменту - прамень не можа пераламляцца ў той жа бок, адкуль ён упаў на мяжу часткі, як бы эксперыментатар не стараўся. Такі эксперымент праводзілі з усімі сустракаемымі ў прыродзе рэчывамі, аднак прамень упарта пераламляўся толькі ў адзін бок. Матэматычна гэта азначае, што каэфіцыент праламлення, як і складнікі яго велічыні, дыэлектрычная і магнітная пранікальнасць, дадатныя, і ні разу не назіралася іншага. Прынамсі, датуль, пакуль В. Веселага не вырашыў вывучыць гэтае пытанне, і паказаў, што тэарэтычна няма ніводнай прычыны чаму нельга быць каэфіцыенту праламлення адмоўным.
Малюнак з Вікі, якая паказвае розніцу паміж асяроддзямі са станоўчым і адмоўным каэфіцыентамі праламлення. Як мы бачым, святло паводзіць сябе зусім ненатуральна, у параўнанні з нашым бытавым досведам.
В. Вясёлага доўгі час спрабаваў знайсці доказы існавання матэрыялаў з адмоўным каэфіцыентам праламлення, аднак пошукі не ўвянчаліся поспехам, і яго праца была незаслужана забытая. Як толькі ў пачатку наступнага стагоддзя былі штучна створаны кампазітныя структуры, якія рэалізуюць апісваныя ўласцівасці, але не ў аптычным, а ў ніжэйшым мікрахвалевым дыяпазоне частот. Што і стала пераломным момантам, бо сама магчымасць існавання такіх матэрыялаў адкрывала новыя перспектывы. Напрыклад - стварэнне , здольных павялічваць аб'екты нават меншыя, чым даўжыня хвалі святла. Або ж - абсалютных маскіруючых пакрыццяў-невідзімак, мары ўсіх вайскоўцаў. Былі ўнесены сур'ёзныя папраўкі ў тэорыю, якія ўлічваюць новыя даныя. Ключом да поспеху аказалася выкарыстанне спарадкаваных структур з рэзанансных элементаў - метаатамаў, памер якіх значна менш доўгія хвалі выпраменьвання з якім яны ўзаемадзейнічаюць. Спарадкаваная структура з метаатамаў - гэта штучны кампазіт, званы метаматэрыялам.
Практычная рэалізацыя метаматэрыялаў нават сёння тэхналагічна складана, бо памер рэзанансных часціц павінен быць супастаўна менш доўгія хвалі электрамагнітнага выпраменьвання. Для аптычнага дыяпазону (дзе даўжыня хвалі – нанаметры) падобныя тэхналогіі знаходзяцца на лязе магчымасцяў прагрэсу. Таму, не дзіўна, што першыя прадстаўнікі канцэпцыі метаматэрыялаў былі створаны для параўнальна даўжэйшых электрамагнітных хваль з радыёдыяпазону (якія маюць больш звыклую нам даўжыню ад мм да м). Асноўная фішка і адначасова недахоп любога метаматэрыялу - следства рэзананснай прыроды складнікаў яго элементаў. Метаматэрыял можа праяўляць свае цуда-ўласцівасці толькі на пэўных частотах.
Абмежаваных частотах.Таму, напрыклад, калі ў чарговы раз убачыце нешта тыпу супер-глушылкі гуку на аснове метаматэрыялаў, спытаеце, а які дыяпазон частот яна рэальна глушыць.
Тыповыя прыклады метаматэрыялаў, якія дазваляюць узаемадзейнічаць з электрамагнітнымі хвалямі. Структуры з правадыроў - ні што іншае, як маленькія рэзанатары, LC-контуры, якія фармуюцца прасторавым становішчам правадыроў.
Крыху прайшло з моманту з'яўлення канцэпцыі метаматэрыялаў, і іх першых рэалізацый, як людзі здагадаліся выкарыстоўваць іх у МРТ. Асноўны недахоп метаматэрыялаў - вузкі працоўны дыяпазон не з'яўляецца праблемай для МРТ, дзе ўсе працэсы адбываюцца практычна на адной частаце магнітнага рэзанансу ядраў, якая ляжыць у радыёдыяпазоне. Тут вы сваімі рукамі можаце ствараць метаатамы і адразу глядзець, што атрымаецца на карцінках. Аднымі з першых фіч, якія даследнікі рэалізавалі ў МРТ з выкарыстаннем метаматэрыялаў былі суперлінза і эндаскопы.
На левай частцы пад літарай а) паказана суперлінза, якая складаецца з трохмернай рашоткі рэзанатараў на друкаваных поплатках. Кожны рэзанатар – гэта растуленае металічнае колца з прыпаяным кандэнсатарам, якое ўтварае LC-контур, наладжаны на частату МРТ. Ніжэй прыведзены прыклад размяшчэння дадзенай структуры з метаматэрыялу паміж ног пацыента, які праходзіць працэдуру тамаграфіі і адпаведна атрымліваюцца пасля карцінкі. Калі вы раней не пагрэбавалі радай прачытаць мінулую мой артыкул аб МРТ, тыя вы ўжо ведаеце, што для атрымання малюнка якога-небудзь участку цела пацыента патрабуецца сабраць слабыя, хутка загасальныя сігналы ядраў з дапамогай блізка размешчанай антэны - шпулькі.
Суперлінза з метаматэрыялу дазваляе павялічыць вобласць дзеяння стандартнай шпулькі. Напрыклад, візуалізаваць абедзве нагі пацыента адразу замест адной. З дрэнных навін - становішча суперлінзы павінна быць падабрана вызначанай выявай для найлепшай праявы эфекту, а сама суперлінза даволі дарога ў вырабе. Калі вы ўсё яшчэ не зразумелі, чаму гэтая лінза называецца з прыстаўкай супер- то ацаніце па фота яе памеры, а потым усведамляйце, што яна працуе з доўгай хвалі каля пяці метраў!
Пад літарай б) дэманструецца канструкцыя эндаскопа. Па сутнасці, эндаскоп для МРТ - гэта масіў з паралельных правадоў, які грае ролю хвалявода. Ён дазваляе прасторава разнесці рэгіён, з якога шпулька атрымлівае сігнал ад ядраў і саму шпульку на прыстойную адлегласць - аж да таго, што прыёмная антэна можа размяшчацца і зусім па-за криостата тамографа, далёка ад сталага магнітнага поля. На ніжніх карцінках ўкладкі б) прадстаўлены здымкі, атрыманыя для спецыяльнай запоўненай вадкасцю пасудзіны - фантома. Розніца паміж імі ў тым, што выявы, падпісаныя «эндаскоп» былі атрыманы, калі шпулька знаходзілася на прыстойнай адлегласці ад фантома, дзе без эндаскопа сігналы ад ядраў зусім немагчыма было б задэтэктаваць.
Калі казаць аб адной з самых перспектыўных абласцей прымянення метаматэрыялаў у МРТ, і найбольш блізкай да сваёй практычнай рэалізацыі (у якую я і ўвязаўся ў выніку) - гэта стварэнне бесправадных шпулек. Варта патлумачыць, што гаворка тут зусім не ідзе аб Bluetooth ці іншай бесправадной тэхналогіі перадачы дадзеных. "Бесправадная" у дадзеным выпадку абазначае наяўнасць індуктыўнай або ёмістнай сувязі двух рэзанансных структур – прыёмаперадаючай антэны, а таксама метаматэрыялу. У канцэпцыі гэта выглядае так:
Злева паказана як звычайна праходзіць працэдура МРТ: пацыент ляжыць ўнутры крыястату ў зоне аднастайнага статычнага магнітнага поля. У тунэлі тамографа змантавана вялікая антэна, званая «птушыная клетка». Антэна такой канфігурацыі, дазваляе круціць вектар радыёчастотнага магнітнага поля з частатой прэцэсіі ядраў вадароду (для клінічных машын гэта звычайна ад 40 да 120Мгц у залежнасці ад велічыні статычнага магнітнага поля ад 1Т і да 3Т адпаведна), прымушаючы іх паглынаць энергію, а затым выпраменьваць у адказ . Зваротны сігнал ад ядраў вельмі слабы і пакуль ён дойдзе да праваднікоў вялікай антэны ён непазбежна згасне. Па гэтай прычыне, у МРТ для прыёму сігналаў выкарыстоўваюць блізкаразмешчаныя лакальныя шпулькі. На малюнку па цэнтры, напрыклад, паказана тыповая сітуацыя сканавання калена. З дапамогай метаматэрыялаў можна зрабіць рэзанатар, які будзе індуктыўна злучаны з птушынай клеткай. Досыць змясціць такую штуку побач з патрэбным участкам цела пацыента і сігнал адтуль будзе прымацца не горш, чым лакальнай шпулькай! У выпадку поспеху рэалізацыі канцэпта, пацыентам больш не давядзецца блытацца ў правадах, і працэдура МРТ дыягностыкі стане больш камфортнай.
Менавіта такую штуку я і спрабаваў стварыць спачатку, заліваючы правады вадой і спрабуючы адсканаваць апельсін. Правады, пагружаныя ў ваду з самай першай карцінкі ў дадзеным артыкуле - нішто іншае як метаатомы, кожны з якіх уяўляе сабой паўхвалевы дыполь - адну з самых вядомых канструкцый антэн, знаёмую кожнаму радыёаматару.
Апускаюць іх у ваду не для таго, каб яны не загарэліся ў МРТ (хоць і для гэтага таксама)), а для таго, каб дзякуючы высокай дыэлектрычнай пранікальнасці вады, скараціць іх рэзанансную даўжыню роўна на велічыню, роўную квадратнаму кораню з дыэлектрычнай пранікальнасці вады.
Дадзеную фішку ўжо даўно ўжываюць у радыёпрымачах, намотваючы дрот на кавалак ферыту - т.зв. ферытавая антэна. Толькі ферыт мае высокую магнітную пранікальнасць, а не дыэлектрычную што аднак, працуе таксама, і дазваляе адпаведна скараціць рэзанансныя памеры антэны. У МРТ нажаль ферыт не засунешь, т.к. ён магнітны. Вада - гэта танная і даступная альтэрнатыва.
Зразумелая справа, што для разлікаў усіх гэтых рэчаў трэба будаваць найскладаныя матэматычныя мадэлі, якія ўлічваюць узаемасувязь паміж рэзананснымі элементамі, параметрамі асяроддзя і крыніцамі выпраменьвання… ці ж можна скарыстацца плёнам прагрэсу і ПА для лікавага электрамагнітнага мадэлявання, з якім без працы разбярэцца і школьнік (самыя яркія прыклады - CST, HFSS). ПА дазваляе стварыць 3d мадэлі рэзанатараў, антэн, электрычных схем, дадаваць туды людзей так, уласна, усё што заўгодна, пытанне толькі ў фантазіі і даступных вылічальных магутнасцях. Пабудаваныя мадэлі дробняцца на сеткі, у вузлах якіх вырабляецца рашэнне вядомых раўнанняў Максвела.
Вось, напрыклад мадэляванне радыёчастотнага магнітнага поля ўсярэдзіне згаданай раней антэнны тыпу птушыная клетка:
Адразу даволі навочна становіцца, як круціцца поле. Злева паказана сітуацыя калі ўсярэдзіне антэны скрынка з вадой, а справа - калі тая ж скрынка на рэзанатары з правадоў рэзананснай даўжыні. Відаць як магнітнае поле значна ўзмацняецца дзякуючы правадам. Пасля засваення CST і аптымізацыі там сваёй канструкцыі, я яшчэ раз зрабіў метаматэрыял, які ўжо сапраўды дазволіў узмацніць сігнал у стандартным клінічным 1.5Т МРТ тамографе. Ён усё таксама ўяўляў сабой скрынку (праўда прыгажэйшую, з аргшкла), якая запаўняецца вадой і масіў правадоў. На гэты раз, структура была аптымізавана з пункту гледжання рэзанансных умоў а менавіта: падбор даўжыні правадоў, іх палажэнні, а таксама колькасці вады. Вось што атрымалася з памідорам:
Першае сканіраванне памідора выконвалася на вялікую антэну. У выніку атрымаўся толькі шум з ледзь-ледзь праглядальнымі абрысамі. Другі раз я змясціў плён на свежую рэзанансную канструкцыю. Я не стаў будаваць каляровыя карты, альбо нешта падобнае, бо эфект у наяўнасці. Тым самым, на сваім досведзе, хоць і патраціўшы кучу часу, я даказаў, што канцэпцыя працуе.
Зразумела, пра што вы думаеце - апельсіны, памідоры - гэта ўсё не тое, дзе ж выпрабаванні на людзях?
Яны сапраўды былі :
Рука добраахвотніка, які праходзіць МРТ ляжыць на ўсё той жа каробцы. Уласна вада ў скрынцы, паколькі змяшчае вадарод, таксама добра бачная. Узмацненне сігналу адбываецца ў зоне запясця, які ляжыць на рэзанатары, тады як усе астатнія часткі цела бачныя дрэнна. Зразумелая справа, што такога ж эфекту, а можа і лепш, можна дабіцца і выкарыстоўваючы стандартныя клінічныя шпулькі. Але сам факт таго, што можна рабіць падобныя штукі, проста прасторава скамбінаваўшы ваду і правады, патрэбнай выявай спалучаючы іх, дзівіць уяўленне. Яшчэ больш дзіўна, што веды аб гэтым можна атрымаць, дзякуючы даследаванню, здавалася б, нязвязаных з'яў, такіх як праламленне святла.
Для тых хто яшчэ не стаміўсяНа дадзены момант канструкцыя каробкі з вадой ужо палепшана. Цяпер гэта проста плоская друкаваная плата, якая дазваляе лакалізаваць магнітнае поле знешняй вялікай антэны каля сябе. Прычым яе працоўная зона больш чым у папярэдняй канструкцыі:
Каляровыя стужачкі паказваюць напружанасць магнітнага поля над структурай пры ўзрушанасці ад знешняй крыніцы электрамагнітных хваль. Плоская структура ўяўляе сабой тыповую лінію перадачы, вядомую ў радыётэхніцы, аднак адначасова можа быць разгледжана і як метэматэрыял для МРТ. Гэтая "бесправадная шпулька" ужо можа паспаборнічаць са стандартнымі шпулькамі па аднастайнасці стваранага поля на некаторай глыбіні ў аб'екце сканавання:
Анімацыя паказвае пласт за пластом каляровую карту сігналу ўнутры скрынкі з вадой у МРТ. Колер азначае інтэнсіўнасць сігналаў ад ядраў вадароду. У левым верхнім куце ў якасці прымача выкарыстоўваецца сегмент стандартнай шпулькі для сканавання спіны. Левы ніжні кут калі скрынка стаіць на рэзанатары ў выглядзе друкаванай платы. Справа ўнізе - сігнал прымае вялікая антэна убудаваная ў тунэль тамографа. Я параўнаў аднастайнасць сігналу ў зоне, абведзенай прамавугольнікам. На некаторай вышыні, метаматэрыял працуе лепш чым шпулька ў плане аднастайнасці сігналу. Для клінічных задач гэта можа быць не моцна важнае дасягненне, затое калі гаворка ідзе аб навуковых усталёўках МРТ, дзе скануюць пацукоў, гэта можа дапамагчы дамагчыся прыросту сігналу і зніжэнні неабходнай магутнасці ўзбуджальных радыёімпульсаў.
Пра «палепшылі ў 2 разы» ў пачатку артыкула – зразумела, гэта чарговы плён непадзеленага кахання журналістаў да навукоўцаў, аднак і сказаць што гэта пустыя даследаванні таксама няправільна, што падмацоўваецца цікавасцю да дадзенай тэмы ў навуковых групах па ўсім свеце. Дзіўна, але працы вядуць і ў нас у Расіі, хоць зыходзячы з майго асабліва асабістага досведу, гэта хутчэй рэдкае выключэнне. Ёсць яшчэ шмат нявырашаных праблем звязаных з ужываннем метаматэрыялаў у МРТ. Акрамя лакалізацыі магнітных палёў для атрымання добрай карцінкі, не варта забываць аб электрычных палях, якія прыводзяць да нагрэву тканін, а таксама аб паглынанні тканінамі пацыентаў, якія праходзяць абследаванне энергіі радыёчастотнага поля. За гэтымі рэчамі, пры клінічным выкарыстанні, павінен быць адмысловы канроль, які моцна ўскладняецца пры выкарыстанні лакалізуючых поля рэзанатараў. Пакуль метаматэрыялы для МРТ застаюцца ў рамках навуковых даследаванняў, але атрыманыя вынікі ўжо вельмі цікавыя і магчыма ў будучыні працэдура МРТ, дзякуючы ім, зменіцца ў лепшы бок, стаўшы хутчэй і бяспечней.
Крыніца: habr.com