Край ухото ми изсвири отвертка. Със силен звън тя замръзна върху тялото на криостата. Ругаейки се на себе си, реших да си почина. Развиването на болтове в магнитно поле от 1.5 тесла, с помощта на стоманен инструмент, е толкова идея. Полето, като невидим враг, непрекъснато се опитва да изтръгне инструмента от ръцете, да го ориентира по неговите силови линии и да го насочи възможно най-близо до електроните, които се движат в порочен кръг от свръхпроводника. Въпреки това, ако е много необходимо да се победят вкиснали съединения отпреди много години, няма голям избор. Седнах на компютъра и по навик превъртях емисията с новини. „Руските учени подобриха ЯМР 2 пъти!“ прочете подозрителното заглавие.
Преди около година ние и разбра същността на работата му. Горещо препоръчвам, преди да прочетете тази статия, да опресните паметта на този материал.
По различни причини, включително исторически, в Русия днес производство на такова сложно оборудване като магнитно-резонансни томографи с високо поле. Въпреки това, ако живеете в повече или по-малко голям град, можете лесно да намерите клиники, които предоставят този вид услуга. В същото време паркът от скенери за ядрено-магнитен резонанс често е представен от използвано оборудване, веднъж внесено от САЩ и Европа, и ако внезапно трябва да посетите клиника за ЯМР, не се заблуждавайте от красивия външен вид на устройството - може добре да е във второто си десетилетие. В резултат на това такова оборудване понякога се поврежда и аз дълго време бях един от хората, които връщаха повредени томографи, за да могат пациентите да продължат да се диагностицират, а собствениците да печелят.
Докато в един от най-добрите дни, по време на пауза между опасни забавления с огромни магнитни полета, не попаднах на интересен надпис в емисия новини: „Руски учени заедно с холандски колеги с помощта на метаматериали. Излишно е да казвам, че самият факт, че Русия провежда изследвания на оборудване, чието производство никога не е усвоено, ми се стори много, много спорен. Реших, че това е просто поредното черпене на безвъзмездни средства, разредено с неразбираеми научни думи като „нанотехнологии“, от които вече е писнало на всички. Търсенето на информация за работата на руски учени с ЯМР и метаматериали ме доведе до статия, съдържаща описание на прост експеримент, който лесно бих могъл да повторя, тъй като машината за ЯМР е винаги под ръка.
Картина от посветен на усилването на ЯМР сигнала с помощта на така наречения "метаматериал". Вместо пациент, в типичен клиничен апарат 1.5 - Tesla се зарежда метаматериал под формата на басейн с вода, вътре в който има успоредни проводници с определена дължина. Върху жиците лежи обектът на изследване - риба (нежива). Снимките вдясно са MRI изображения на риба, насложени с цветна карта, показваща интензитета на сигнала от водородните ядра. Вижда се, че когато рибата лежи върху кабелите, сигналът е много по-добър, отколкото без тях. Времето за сканиране и в двата случая е еднакво, което доказва повишаването на ефективността на сканиране. Статията също е внимателно цитирана
формула
да изчисля дължината на проводниците в зависимост от работната честота на скенера, който използвах. Направих своя метаматериал от клетка и набор от медни проводници, снабдени с 3D отпечатани пластмасови стойки:
Моят първи метаматериал. Веднага след изработването, той беше поставен в 1-Tesla томограф. Портокалът действаше като обект за сканиране.
Въпреки това, вместо обещаното усилване на сигнала, получих куп артефакти, които напълно развалят изображението! Възмущението ми нямаше граници! След като приключих с изяждането на темата, написах писмо до авторите на статията, чийто смисъл може да се сведе до въпроса „Какво ...?“.
Авторите ми отговориха доста бързо. Те бяха доста впечатлени, че някой се опитва да възпроизведе техните експерименти. Първоначално дълго време се опитваха да ми обяснят как метаматериалите все още работят, използвайки термините „резонанси на Фабри-Перо“, „собствени модове“ и всякакви радиочестотни полета в обема. Тогава, явно като разбраха, че изобщо не разбирам за какво става въпрос, решиха да ме поканят да им гостувам, за да им разгледам на живо разработките и да се уверя, че все още работи. Хвърлих любимия си поялник в раницата си и отидох в Санкт Петербург, в Националния изследователски университет по информационни технологии, механика и оптика (както се оказа, там учат не само програмисти).
Бях топло посрещнат на място и изведнъж ми предложиха работа, тъй като бяха впечатлени от клетката ми с кабели и имаха нужда от човек, който да създаде нови. В замяна ми обещаха да обяснят подробно всичко, което ме интересува и да премина курс по радиофизика и ядрено-магнитен резонанс, който започна по щастлива случайност същата година. Жаждата ми за знания победи и след това през цялата година учих, правех проекти и работих, като постепенно научавах все нови и нови неща за историята на магнитния резонанс, както и за състоянието на съвременната наука в тази област, която ще споделете тук.
Методът за предложеното подобрение на ЯМР, изследван в споменатите научни статии, се основава на така наречените "метаматериали". Метаматериалите, подобно на много други открития, дължат появата си на неочаквани решения, получени въз основа на теоретични изследвания. Съветският учен Виктор Веселаго през 1967 г., докато работи върху теоретичен модел, предполага съществуването на материали с отрицателен индекс на пречупване. Както вече разбрахте, говорим за оптика и стойността на този коефициент, грубо казано, означава колко светлината ще промени посоката си, когато премине през границата между различни среди, например въздух и вода. Лесно можете сами да се убедите, че това наистина е така:
Прост експеримент с лазерна показалка и аквариум, показващ пречупването на светлината.
Интересен факт, който може да се научи от такъв експеримент е, че лъчът не може да бъде пречупен в същата посока, от която е паднал към интерфейса, колкото и да се опитва експериментаторът. Такъв експеримент беше проведен с всички естествено срещащи се вещества, но лъчът упорито се пречупваше само в една посока. Математически това означава, че индексът на пречупване, както и неговите компоненти, диелектричната и магнитната пропускливост, са положителни и нищо друго не е наблюдавано. Поне докато В. Веселаго не реши да проучи този въпрос и показа, че теоретично няма нито една причина коефициентът на пречупване да не е отрицателен.
Картина от Wiki, показваща разликата между медии с положителен и отрицателен индекс на пречупване. Както виждаме, светлината се държи напълно неестествено в сравнение с ежедневния ни опит.
В. Веселаго дълго време се опитваше да намери доказателства за съществуването на материали с отрицателен индекс на пречупване, но търсенето беше неуспешно и работата му беше незаслужено забравена. Едва в началото на следващия век са изкуствено създадени композитни структури, реализиращи описаните свойства, но не в оптичния, а в долния микровълнов диапазон. Което беше повратна точка, тъй като самата възможност за съществуването на такива материали отвори нови перспективи. Например, създаване , способен да увеличава обекти, дори по-малки от дължината на вълната на светлината. Или - абсолютен камуфлаж-невидими покрития, мечтите на всички военни. Бяха направени сериозни промени в теорията, като се вземат предвид новите данни. Ключът към успеха беше използването на подредени структури от резонансни елементи - метаатоми, чийто размер е много по-малък от дължината на вълната на радиацията, с която взаимодействат. Подредена структура от метаатоми е изкуствен композит, наречен метаматериал.
Практическото прилагане на метаматериалите е технологично трудно дори днес, тъй като размерът на резонансните частици трябва да бъде сравним с по-малък от дължината на вълната на електромагнитното излъчване. За оптичния диапазон (където дължината на вълната е нанометра) такива технологии са в челните редици на прогреса. Ето защо не е изненадващо, че първите представители на концепцията за метаматериали са създадени за относително по-дълги електромагнитни вълни от радиообхвата (които имат по-позната за нас дължина от mm до m). Основната характеристика и в същото време недостатък на всеки метаматериал е следствие от резонансната природа на съставните му елементи. Метаматериалът може да прояви своите чудодейни свойства само при определени честоти.
ограничени честоти.Ето защо, например, когато за пореден път видите нещо като свръхзвуков заглушител, базиран на метаматериали, попитайте в какъв честотен диапазон наистина заглушава.
Типични примери за метаматериали, които позволяват взаимодействие с електромагнитни вълни. Структурите на проводниците не са нищо повече от малки резонатори, LC вериги, формирани от пространственото положение на проводниците.
Измина малко време от появата на концепцията за метаматериали и първите им реализации, как хората се досетиха да ги използват в ЯМР. Основният недостатък на метаматериалите е, че тесният работен диапазон не е проблем за ЯМР, където всички процеси протичат при почти същата честота на ядрено-магнитен резонанс, която се намира в радиообхвата. Тук можете да създадете мета-атоми със собствените си ръце и веднага да видите какво се случва на снимките. Една от първите функции, които изследователите внедриха в ЯМР, използвайки метаматериали, беше суперлещи и ендоскопи.
От лявата страна под буквата а) е показана суперлеща, състояща се от триизмерен масив от резонатори върху печатни платки. Всеки резонатор е отворен метален пръстен със запоен кондензатор, образуващ LC верига, настроена на честотата на ЯМР. По-долу е даден пример за поставяне на тази структура от метаматериал между краката на пациент, подложен на томографска процедура и съответно получена след снимката. Ако преди не сте пренебрегнали съвета да прочетете последната ми статия за ЯМР, тогава вече знаете, че за да получите изображение на която и да е част от тялото на пациента, е необходимо да съберете слаби, бързо затихващи ядрени сигнали с помощта на близко разположени антена - намотка.
Метаматериалната суперлеща позволява по-голяма площ на покритие на стандартната бобина. Например визуализирайте двата крака на пациента наведнъж вместо единия. Лошата новина е, че позицията на суперлещата трябва да бъде избрана по определен начин за най-добро проявление на ефекта, а самата суперлеща е доста скъпа за производство. Ако все още не разбирате защо този обектив се нарича с префикса супер- тогава преценете размера му от снимката и след това разберете, че работи с дължина на вълната от около пет метра!
Под буква б) е показан дизайнът на ендоскопа. По същество MRI ендоскопът е набор от успоредни проводници, които действат като вълновод. Позволява ви да разделите пространствено областта, от която бобината получава сигнал от ядрата и самата бобина на прилично разстояние - до степен, че приемната антена може да бъде разположена напълно извън криостата на томографа, далеч от постоянната магнитно поле. Долните снимки на раздел b) показват изображения, получени за специален съд, пълен с течност - фантом. Разликата между тях е, че изображенията с етикет "ендоскоп" са получени, когато бобината е била на прилично разстояние от фантома, където без ендоскоп сигналите от ядрата биха били напълно невъзможни за откриване.
Ако говорим за една от най-обещаващите области на приложение на метаматериалите в ЯМР и най-близката до практическата им реализация (в която се включих в крайна сметка), е създаването на безжични бобини. Струва си да се изясни, че това изобщо не е свързано с Bluetooth или друга безжична технология за пренос на данни. „Безжично“ в този случай означава наличието на индуктивно или капацитивно свързване на две резонансни структури – приемо-предавателна антена, както и метаматериал. В концепцията изглежда така:
Вляво е показана типична ЯМР процедура: пациентът лежи вътре в криостата в зона на равномерно статично магнитно поле. В тунела на скенера е монтирана голяма антена, наречена "птича клетка". Антена с тази конфигурация ви позволява да завъртите вектора на радиочестотното магнитно поле с честотата на прецесията на водородните ядра (за клинични машини това обикновено е от 40 до 120 MHz, в зависимост от големината на статичното магнитно поле от 1T до 3T, съответно), което ги кара да абсорбират енергия и след това да излъчват в отговор. Отговорният сигнал от ядрата е много слаб и докато достигне проводниците на голяма антена, той неизбежно ще избледнее. Поради тази причина ЯМР използва близко разположени локални намотки за получаване на сигнали. Картината в центъра, например, показва типична ситуация при сканиране на коляно. Използвайки метаматериали, можете да направите резонатор, който ще бъде индуктивно свързан с клетка за птици. Достатъчно е да поставите такова нещо близо до желаната част от тялото на пациента и сигналът от там ще се приема не по-зле, отколкото с локална намотка! Ако концепцията бъде успешно приложена, пациентите вече няма да се оплитат в жици, а диагностичната процедура с ЯМР ще стане по-удобна.
Това е точно нещото, което се опитвах да създам в началото, наводнявайки проводниците с вода и опитвайки се да сканирам портокал. Потопените във водата проводници от първата снимка в тази статия не са нищо друго освен метаатоми, всеки от които е полувълнов дипол - един от най-известните дизайни на антени, познат на всеки радиолюбител.
Те се потапят във вода не за да не се запалят при ЯМР (макар и за това също)), а за да се намали резонансната им дължина точно с корен квадратен от диелектричната проницаемост на водата поради високата диелектрична проницаемост на водата .
Този чип отдавна се използва в радиостанции, навивайки жицата около парче ферит - т.нар. феритна антена. Само феритът има висока магнитна проницаемост, а не диелектрикът, който обаче работи по същия начин и позволява съответно да се намалят резонансните размери на антената. За съжаление феритът не може да се постави в ЯМР, т.к тя е магнетична. Водата е евтина и достъпна алтернатива.
Ясно е, че за да се изчислят всички тези неща, е необходимо да се изградят най-сложните математически модели, които отчитат връзката между резонансни елементи, параметри на околната среда и източници на радиация ... или можете да използвате плодовете на прогреса и софтуера за числено електромагнитно моделиране, което дори ученик може лесно да разбере (най-ярките примери - CST, HFSS). Софтуерът ви позволява да създавате 3d модели на резонатори, антени, електрически вериги, да добавяте хора там - да, всъщност всичко, единственият въпрос е фантазията и наличната изчислителна мощност. Построените модели са разделени на мрежи, в чиито възли се извършва решаването на известните уравнения на Максуел.
Ето, например, симулация на радиочестотното магнитно поле вътре в споменатата по-горе антена за клетка за птици:
Веднага става съвсем ясно как се върти полето. Ситуацията е показана отляво, когато вътре в антената има кутия с вода, а отдясно, когато същата кутия е върху резонатор, направен от проводници с резонансна дължина. Може да се види как магнитното поле е силно усилено от проводниците. След като усвоих CST и оптимизирах дизайна си там, отново направих метаматериал, който наистина позволи усилване на сигнала в стандартен клиничен 1.5T MRI томограф. Все още беше кутия (макар и по-красива, направена от плексиглас), пълна с вода и набор от жици. Този път конструкцията е оптимизирана по отношение на резонансните условия, а именно изборът на дължината на проводниците, тяхната позиция, както и количеството вода. Ето какво се случи с домата:
Първото сканиране на домат е извършено на голяма антена. Резултатът беше само шум с едва видими очертания. Вторият път поставих плода върху прясно изпечена резонансна конструкция. Не съм правил цветни карти или нещо подобно, тъй като ефектът е очевиден. Така в моя опит, въпреки че отделих много време, доказах, че концепцията работи.
Ясно е за какво си мислите - портокали, домати - това не е всичко, къде са тестовете върху хората?
Те наистина бяха :
Ръката на доброволец, подложен на ЯМР, лежи върху същата кутия. Самата вода в кутията, тъй като съдържа водород, също се вижда отлично. Усилването на сигнала става в областта на китката, лежаща върху резонатора, докато всички останали части на тялото са слабо видими. Ясно е, че същият ефект, а може би и по-добър, може да се постигне с помощта на стандартни клинични спирали. Но самият факт, че можете да правите такива неща, просто като комбинирате пространствено вода и жици, комбинирайки ги по правилния начин, е невероятен. Още по-удивително е, че знанията за това могат да бъдат получени чрез изследване на привидно несвързани явления, като пречупването на светлината.
За тези, които още не са се уморилиВ момента дизайнът на водната кутия вече е подобрен. Сега това е просто плоска печатна платка, която ви позволява да локализирате магнитното поле на външна голяма антена близо до вас. Освен това работната му площ е по-голяма от тази на предишния дизайн:
Цветните ленти показват силата на магнитното поле над структурата, когато се възбужда от външен източник на електромагнитни вълни. Плоската структура е типична предавателна линия, известна в радиотехниката, но в същото време може да се разглежда като метеоматериал за ЯМР. Тази „безжична намотка“ вече може да се конкурира със стандартните намотки по отношение на равномерността на генерираното поле на определена дълбочина в сканирания обект:
Анимацията показва цветна карта слой по слой на сигнала във водната кутия за ЯМР. Цветът показва интензитета на сигналите от водородните ядра. В горния ляв ъгъл като приемник се използва сегмент от стандартна намотка за сканиране на гърба. Долният ляв ъгъл е, когато кутията е върху резонатора под формата на печатна платка. Долу вдясно - сигналът се приема от голяма антена, вградена в тунела на томографа. Сравних равномерността на сигнала в областта, оградена с правоъгълника. На известна надморска височина метаматериалът се представя по-добре от намотката по отношение на еднородността на сигнала. За клинични цели това може да не е много важно постижение, но когато става въпрос за научни съоръжения за ЯМР, където се сканират плъхове, това може да помогне за постигане на усилване на сигнала и намаляване на необходимата мощност на възбуждащите радиоимпулси.
Относно „подобрено с 2 пъти“ в началото на статията - разбира се, това е още един плод на несподелената любов на журналистите към учените, но също така е погрешно да се каже, че това са празни изследвания, което е подсилено от интереса към тази тема в научни групи по света. Изненадващо, тук в Русия също се работи, но въз основа на чисто личния ми опит това е по-скоро рядко изключение. Все още има много нерешени проблеми, свързани с използването на метаматериали в ЯМР. В допълнение към локализирането на магнитните полета, за да получите добра картина, не забравяйте за електрическите полета, които водят до нагряване на тъканите, както и абсорбцията на тъканите на пациентите, подложени на изследване на енергията на радиочестотното поле. За тези неща при клинична употреба трябва да има специален контрол, което е много сложно при използване на резонатори с локализиращо поле. Засега метаматериалите за ЯМР остават в рамките на научните изследвания, но получените резултати вече са много интересни и е възможно в бъдеще процедурата за ЯМР да се промени към по-добро благодарение на тях, ставайки по-бърза и по-безопасна.
Източник: www.habr.com