Покрай ухото прелетя отвертка. С шумен звън тя спря на корпуса на криостата. Про себе си проклех и реших да направя почивка. Развиването на болтове в магнитно поле от 1.5 тесла с помощта на стоманен инструмент не е най-добрият план. Полето, като невидим враг, постоянно се опитва да изтръгне инструмента от ръцете ми, ориентира го по силовите си линии и го насочва все по-близо до електроните, които се движат по затворен контур от суперпроводник. Въпреки това, ако наистина трябва да победя корозиралите съединения от миналото, няма много избор. Седнах пред компютъра и обичайно прегледах новинарския фийд. "Руски учени подобриха ЯМР два пъти!" - гласяше подозрителният заглавие.
Около година по-рано, ние и проучвахме същността на неговата работа. Настоятелно препоръчвам преди да прочетете тази статия, да си припомните материала.
Поради различни причини, включително исторически, в Русия в момента производство на такова сложно оборудване, като високо поле магнитно-резонансни томографи. Въпреки това, ако живеете в по-голям град, ще откриете клиники, предлагащи такого рода услуги без затруднение. В същото време, паркът на ЯМР скенерите често е представен от употребявано оборудване, внесено отдавна от САЩ и Европа и, ако случайно се наложи да посетите клиника с ЯМР, не се оставяйте да ви заблуди красивият външен вид на апарата - той може да е на почти двайсет години. Като следствие, такова оборудване се чупи и дълго време бях един от онези, които възстановяваха счупените томографи, за да могат пациентите да продължават да се диагностицират, а собствениците - да получават печалба.
Докато в един прекрасен ден, в паузата между опасните забавления с огромни магнитни полета, не попаднах в новинарския фийд на интересен надпис: "Руски учени съвместно с холандските си колеги чрез метаматериали». Струва ли си да се казва, че самият факт, че в Русия се провеждат изследвания, посветени на оборудване, производството на което така и не е било освоено, ми се стори наистина спорен. Реших, че това е просто поредният разход на грантове, разреден с неразбираеми научни термини, като вече омръзналите на всички „нанотехнологии“. Търсенето на информация по темата на работата на нашите учени със МРТ и метаматериали ме доведе до статия, съдържаща описание на прост експеримент, който лесно можех да повторя, понеже МРТ апаратът винаги е под ръка.
Картина от , посветена на усилването на МРТ сигнала чрез т. нар. „метаматериал“. В типичен клиничен 1.5-теслов апарат вместо пациент се зарежда метаматериал, под формата на казан с вода, в който са разположени паралелни проводници с определена дължина. На проводниците лежи обект на изследване — риба (нежива). Снимките вдясно — това са получените в МРТ изображения на риба с наложена цветова карта, означаваща интензивността на сигнала от ядрата на водорода. Ясно се вижда, че когато рибата лежи на проводниците, сигналът е много по-добър, отколкото без тях. Времето за сканиране и в двата случая е еднакво, което доказва повишаването на ефективността на сканирането. В статията също така внимателно бе приведена
формулата
за изчисление на дължината на проводниците в зависимост от работната честота на томографа, която използвах. Аз изработих своя метаматериал от кювета и масив медни проводници, снабдени с пластмасови крепежи, отпечатани на 3D принтер:
Моят първи метаматериал. Веднага след производството беше поставен в 1-теслов томограф. Портокалът слугуваше за обект на сканиране.
Въпреки обещаното усилване на сигнала, получих куп артефакти, които напълно развалиха изображението! Недоволството ми нямаше граници! След като изядох опитното животно, написах письмо на авторите на статията, смисълът на което може да се сведе до въпроса „Какво за ...?“.
Авторите скоро ми отговориха. Те бяха силно впечатлени от факта, че някой се опитва да повтори техните експерименти. Първоначално дълго ми обясняваха как всъщност работят метаматериалите, използвайки термини като „резонанс на Фабри-Перо“, „собствени моди“ и всякакви радиочестотни полета в обем. После, явно осъзнавайки, че изобщо не разбирам за какво става въпрос, решиха да ме поканят при себе си, за да изгледам техните разработки на живо и да се уверя, че всичко това действително работи. Сложих любимия си запойник в раницата и заминах за Санкт Петербург, в Националния изследователски университет по информационни технологии, механика и оптика (както стана ясно, там обучават не само програмисти).
На мястото ме посрещнаха радушно и изведнъж ми предложиха работа, тъй като бяха впечатлени от моето устройство с проводници и им трябваше човек за създаване на нови. В замяна обещаха подробно да ми обяснят всичко, което ме интересува, и да премина курса по радиофизика и МРТ, който по щастлива случайност стартира именно през същата година. Моята жажда за знания надделя и през следващата година учех, реализирах проекти и работех, постепенно научавайки все нови и нови неща за историята на магнитния резонанс, както и за състоянието на съвременната наука в тази област, което ще споделя тук.
В основата на метода за предполагаемо подобряване на МРТ, изследван в споменатите научни статии, лежат така наречените „метаматериали“. Метаматериалите, както и много други открития, дължат своето съществуване на неочаквани решения, получени на базата на теоретични изследвания. Съветският учен Виктор Веселаго през 1967 година, работейки върху теоретичен модел, предположи съществуването на материали с отрицателен коефициент на пречупване. Както вече разбирате, става въпрос за оптика, а величината на този коефициент, грубо казано, определя колко ще промени посоката си светлината, преминавайки през границата между различни среди, например между въздух и вода. В това, че наистина се случва така, можете лесно да се уверите сами:
Прост експеримент с лазерна указка и аквариум, демонстриращ пречупването на светлината.
Интересен факт, който може да бъде извлечен от такъв експеримент — лъчът не може да се пречупва в същата посока, от която е паднал на границата на раздела, каквито и усилия да полага експериментаторът. Такъв експеримент е провеждан с всички вещества, срещащи се в природата, но лъчът упорито се пречупва само в една посока. Математически това означава, че коефициентът на пречупване, както и величините, от които той се състои, диелектричната и магнитната проницаемост, са положителни и нито веднъж не е наблюдавано нещо друго. Поне до момента, в който В. Веселаго не решава да проучи този въпрос и показва, че теоретично няма нито една причина, поради която коефициентът на пречупване да не може да бъде отрицателен.
Снимка от Уикипедия, показваща разликата между среди с положителни и отрицателни коефициенти на пречупване. Както виждаме, светлината се държи напълно неестествено в сравнение с нашия ежедневен опит.
В. Веселаго дълго време се опитва да намери доказателства за съществуването на материали с отрицателен коефициент на пречупване, но търсенията му не увенчават успех и работата му е незаслужено забравена. Само в началото на следващия век бяха изкуствено създадени композитни структури, реализиращи описваните свойства, но не в оптичния, а в по-ниския микровълнов диапазон на честотите. Това стана ключов момент, тъй като самата възможност за съществуването на такива материали отваря нови перспективи. Например — създаването на , които могат да увеличават обекти дори по-малки от дължината на светлинната вълна. Или пък – абсолютни маскиращи покрития-невидимки, мечтите на всички военни. В теоретичните разработки бяха направени значителни корекции, отчитащи новите данни. Ключът към успеха се оказа използването на подредени структури от резонансни елементи — метатомите, размерът на които е много по-малък от дължината на вълната на излъчването, с което взаимодействат. Подредената структура от метатомите е изкуствен композит, наречен метаматериал.
Практическата реализация на метаматериали и днес е технологично сложна, тъй като размерът на резонансните частици трябва да бъде значително по-малък от дължината на вълната на електромагнитното излъчване. За оптичния диапазон (където дължината на вълната е в нанометри) подобни технологии са на края на възможностите за напредък. Затова не е изненада, че първите представители на концепцията за метаматериали са били създадени за сравнително по-дълги електромагнитни вълни от радиодиапазона (които имат по-позната дължина от мм до м). Основната особеност и едновременно недостатък на всеки метаматериал е следствие от резонансната природа на съставните му елементи. Метаматериалът може да проявява своите чудодейни свойства само на определени честоти.
Ограничени честоти.Затова, например, когато отново видите нещо като супер-глушилка на звук на база метаматериали, попитайте, в кой честотен диапазон тя наистина глуши.
Типични примери за метаматериали, позволяващи взаимодействие с електромагнитни вълни. Структурите от проводници са нищо друго освен малки резонатори, LC-контури, оформени от пространственото разположение на проводниците.
Минало е малко време от момента на появата на концепцията за метаматериали и техните първи реализации, когато хората започнали да ги използват в МРТ. Основният недостатък на метаматериалите — тесният работен диапазон — не е проблем за МРТ, където всички процеси протичат практически на една честота на магнитен резонанс на ядрата, разположена в радиодиапазона. Тук можете сами да създадете метаатоми и веднага да видите какво ще получите на снимките. Едни от първите функционалности, които изследователите реализирали в МРТ с помощта на метаматериали, бяха суперлинза и ендоскопите.
В лявата част под буква а) е показана суперинзема, състояща се от триизмерна решетка резонатори на печатни платки. Всеки резонатор е отворено метално кръгче с припоен кондензатор, образуващо LC-контур, настроен на честота на ЯМР. По-долу е даден пример за разположение на тази структура от метаматериал между краката на пациента, преминаващ през процедурата томография и съответно получените изображения след това. Ако преди не сте пренебрегнали съвета да прочетете моята предишна статия за ЯМР, вече знаете, че за получаване на изображение на определена част от тялото на пациента е необходимо да се съберат слаби, бързо затихващи сигнали от ядрата с помощта на близко разположена антена – бобина.
Суперинзема от метаматериал позволява да се увеличи обхвата на действие на стандартната бобина. Например, да се визуализират и двата крака на пациента едновременно вместо един. От лошите новини - положението на суперинзема трябва да бъде подбрано по специфичен начин за най-добро проявление на ефекта, а самата суперинзема е доста скъпа за производство. Ако все още не сте разбрали защо тази леща се нарича с приставката супер-, оценете по снимката нейния размер, а след това осъзнайте, че тя работи с дължина на вълната около пет метра!
Под буква б) е демонстрирана конструкция на ендоскоп. По същество, ендоскопът за ЯМР е масив от паралелни проводници, играещи роля на вълговод. Той позволява пространствено разместване на региона, от който бобината получава сигнал от ядрата и самата бобина на прилично разстояние – до такава степен, че приемната антена може да бъде разположена дори извън криостата на томографа, далеч от постоянното магнитно поле. На долните изображения в раздел б) са представени снимки, получени за специално напълнен с течност съд – фантом. Разликата между тях е в това, че изображенията, подписани „ендоскоп“, са получени, когато бобината е била на прилично разстояние от фантома, където без ендоскопа сигналите от ядрата не биха могли да бъдат засечени.
Ако говорим за една от най-обещаващите области на приложение на метаматериалите в ЯМР и най-близката до практическото й реализиране (в която понеже в крайна сметка се включих) – това е създаването на безжични намотки. Трябва да уточня, че тук не става въпрос нито за Bluetooth, нито за друга безжична технология за предаване на данни. «Безжичен» в този случай означава наличието на индуктивна или капацитивна връзка между две резонансни структури – приемопредавателна антена и метаматериал. Концепцията изглежда така:
Вляво е показано как обикновено протича процедурата по ЯМР: пациентът лежи вътре в криостата в зоната на хомогенно статично магнитно поле. В тунела на томографа е инсталирана голяма антена, наречена «птичка клетка». Антената с такава конфигурация позволява да се върти векторът на радиочестотното магнитно поле с честота на прецесията на ядрата на водорода (за клинични машини обикновено това е от 40 до 120 МГц в зависимост от стойността на статичното магнитно поле от 1 Т до 3 Т съответно), карайки ги да абсорбират енергия и след това да излъчват в отговор. Отговорният сигнал от ядрата е много слаб и докато достигне проводниците на голямата антена, той неизбежно ще избледнее. По тази причина, в ЯМР се използват близко разположени локални намотки за приемане на сигнали. На централната снимка, например, е показана типичната ситуация при сканиране на коляното. Чрез метаматериалите може да се създаде резонатор, който ще бъде индуктивно свързан с птичия клетка. Достатъчно е да се постави такава неща близо до нужния участък на тялото на пациента и сигналът от там ще бъде приеман не по-лошо от локална намотка! При успех на реализирането на концепцията, пациентите повече няма да трябва да се заплитат в проводници и процедурата по ЯМР диагностика ще стане по-комфортна.
Точно такъв елемент се опитвах да създам в началото, потапяйки проводниците във вода и опитвайки се да сканирам портокал. Проводниците, потопени във вода на самата първа снимка в този материал – не са нищо друго освен метаатомите, всеки от които представлява полувълнов дипол – една от най-известните конструкции на антени, познати на всеки радиолюбител.
Потапят ги във водата не за да не загорят в МРТ (макар и за това също)), а за да съкратят резонансната им дължина точно с величината, равна на квадратния корен от диелектричната проницаемост на водата.
Тази техника отдавна се прилага в радиоприемниците, навивайки проводник около парче ферит — т.н. феритна антена. Само че феритът има висока магнитна проницаемост, а не диелектрическа, което обаче работи също така и позволява съответно да се съкратят резонансните размери на антената. В МРТ, за съжаление, ферит не може да се постави, тъй като е магнитен. Водата е евтина и достъпна алтернатива.
Разбира се, че за изчисленията на всички тези неща трябва да се изградят сложни математически модели, вземащи предвид взаимовръзките между резонансните елементи, параметрите на средата и източниците на излъчване… или може да се възползваш от плодове на прогреса и софтуер за числено електромагнитно моделиране, с който без затруднение може да се справи дори ученик (ярки примери — CST, HFSS). Софтуерът позволява да се създават 3D модели на резонатори, антени, електрически схеми, да добавят там хора – да, всъщност всичко, което пожелаеш, въпросът е само в фантазията и наличните изчислителни мощности. Построените модели се разделят на мрежи, в възлите на които се решават известните уравнения на Максуел.
Ето, например, моделирането на радиочестотното магнитно поле вътре в споменатата по-рано антена, тип птича клетка:
Веднага става видно как се върти полето. Вляво е показана ситуацията, когато вътре в антената има кутия с вода, а вдясно — когато същата кутия е на резонатора от проводници с резонансна дължина. Видно е как магнитното поле значително се усилва благодарение на проводниците. След овладяване на CST и оптимизацията на конструкцията си, отново направих метаматериал, който наистина успя да усили сигнала в стандартния клиничен 1.5Т МРТ томограф. Той отново представляваше кутия (но този път по-красивк, от оргстъкло), пълнена с вода и масив от проводници. Този път структурата беше оптимизирана с оглед на резонансните условия именно: подбор на дължината на проводниците, местоположението им, както и количеството вода. Ето какво се получи с домата:
Първото сканиране на домата беше извършено с голяма антена. В резултат получихме само шум с малко видими контури. Втори път поставих плода на новосъответстваща конструкция. Не направих цветни карти или нещо подобно, тъй като ефектът е очевиден. По този начин, по своя опит, макар и с много загубено време, доказах, че концепцията работи.
Разбирам какво мислите — портокали, домати — това не е това, къде са тестовете върху хора?
Наистина бяха :
Ръката на доброволеца, който преминава през МРТ, е поставена на същата кутия. Всъщност, водата в кутията, тъй като съдържа водород, също е отлично видима. Увеличаването на сигнала става в зоната на китката, лежаща върху резонатора, докато всички останали части на тялото са слабо видими. Разбираемо е, че същият или дори по-добър ефект може да се постигне и с използването на стандартни клинични намотки. Но самият факт, че е възможно да се правят подобни неща, просто комбинирайки пространствено вода и проводници, правилно съчетавайки ги, е впечатляващ. Още по-впечатляващо е, че знания за това могат да се получат благодарение на изследването на, на пръв поглед, несвързани явления, като отражение на светлината.
За тези, които все още не са се изморилиВ момента конструкцията на кутията с вода вече е подобрена. Сега това е просто плоска печатна платка, която позволява локализиране на магнитното поле около външната голяма антена. Освен това работната ѝ зона е по-голяма от тази на предходната конструкция:
Цветните ленти показват интензивността на магнитното поле над структурата, когато е активирана от външен източник на електромагнитни вълни. Плоската структура представлява типична линия за предаване, известна в радиотехниката, но също така може да се разглежда и като метаматериал за МРТ. Тази „безжична намотка“ вече може да се състезава със стандартните намотки по хомогенност на създаваното поле на определена дълбочина в обекта на сканиране:
Анимацията показва слой по слой цветна карта на сигнала в кутия с вода в МРТ. Цветът означава интензивността на сигналите от ядрата на водорода. В горния ляв ъгъл се използва сегмент от стандартна намотка за сканиране на гърба като приемник. В левия долен ъгъл — когато кутията стои на резонатор с формата на печатна платка. Вдясно долу — сигналът се приема от голяма антена, вградена в тунела на томографа. Сравних хомогенността на сигнала в зоната, обградена с правоъгълник. На определена височина метаматериалът работи по-добре от намотката по отношение на хомогенността на сигнала. За клинични задачи това може да не е особено важно постижение, но когато става въпрос за научни настройки на МРТ, при които се сканират плъхове, това може да помогне за постигане на увеличение на сигнала и намаляване на необходимата мощност на възбуждащите радиоимпулси.
Про „подобрени в 2 пъти“ в началото на статията — разбира се, това е ново изкушение на журналистите към учените, обаче е неправилно да се твърди, че това са безполезни изследвания, какъвто интерес има към тази тема в научните групи по целия свят. Удивително, но работи се и у нас в Русия, въпреки че според моите строго лични опити, това е по-скоро рядко изключение. Все още има много нерешени проблеми, свързани с прилагането на метаматериали в МРТ. Освен локализацията на магнитните полета за получаване на добра картина, не трябва да се забравя за електрическите полета, които водят до нагряване на тъканите, както и за абсорбцията на енергията на радиочестотното поле от тъканите на пациентите, подложени на изследване. За тези неща, при клинична употреба, трябва да има специален контрол, който се усложнява при използването на локализиращи полета резонатори. Докато метаматериалите за МРТ остават в рамките на научните изследвания, получените резултати вече са много интересни и е възможно в бъдеще процедурата по МРТ да бъде променена към по-добро, ставайки по-бърза и безопасна.
Източник: habr.com
