Šrafciger mi je zviždao pored uha. Uz glasnu zvonjavu, ukočila se na tijelu kriostata. Psujući u sebi, odlučio sam da napravim pauzu. Odvrtanje vijaka u magnetnom polju od 1.5 Tesla pomoću čeličnog alata nije dobra ideja. Polje, poput nevidljivog neprijatelja, neprestano pokušava oteti instrument iz ruku, orijentirati ga duž njegovih linija sile i usmjeriti ga što bliže elektronima koji trče u zatvorenom krugu iz supravodiča. Međutim, ako zaista trebate pobijediti zakiseljene spojeve od prije mnogo godina, nema puno izbora. Sjeo sam za kompjuter i po navici listao vijesti. "Ruski naučnici su dva puta poboljšali magnetnu rezonancu!" - pročitao je sumnjiv naslov.
Prije otprilike godinu dana, mi i shvatio suštinu njegovog rada. Toplo preporučujem da osvježite sjećanje na taj materijal prije čitanja ovog članka.
Iz raznih razloga, uključujući i povijesne, u Rusiji danas proizvodnju tako složene opreme kao što su skeneri za magnetnu rezonancu visokog polja. Međutim, ako živite u većem gradu, lako možete pronaći klinike koje pružaju ovu vrstu usluge. Istovremeno, flotu MR skenera često predstavlja rabljena oprema, nekada uvezena iz SAD-a i Europe, a ako iznenada morate posjetiti kliniku sa magnetnom rezonancom, nemojte da vas zavara predivan izgled uređaja - može biti u drugoj deceniji. Zbog toga se takva oprema ponekad pokvari, a ja sam dugo vremena bio jedan od onih koji su pokvarene tomografe vraćali u servis, kako bi pacijenti nastavili na dijagnostiku, a vlasnici profitirali.
Sve dok jednog lepog dana, u pauzi između opasnih zabava sa ogromnim magnetnim poljima, nisam naišao na zanimljiv natpis u news feed-u: „Ruski naučnici zajedno sa holandskim kolegama koristeći metamaterijale." Nepotrebno je reći da mi se sama činjenica da Rusija provodi istraživanja o opremi, čija proizvodnja nikada nije savladana, činila vrlo, vrlo kontroverznom. Odlučio sam da je ovo samo još jedna runda grantova, razvodnjena nerazumljivim naučnim frazama poput „nanotehnologije“ koje su svi već zasitili. Potraga za informacijama na temu rada domaćih naučnika sa magnetnom rezonancom i metamaterijalima dovela me je do članka koji sadrži opis jednostavnog eksperimenta koji bih lako mogao ponoviti, budući da je MRI aparat uvijek pri ruci.
Slika iz , posvećen poboljšanju MRI signala pomoću takozvanog “metamaterijala”. U tipičnom kliničkom 1.5 - termalnom aparatu, umjesto pacijenta, učitava se metamaterijal, u obliku bazena s vodom, unutar kojeg se nalaze paralelne žice određene dužine. Na žicama leži predmet proučavanja - riba (neživa). Slike na desnoj strani su MRI slike ribe, sa mapom boja koja se nadovezuje na intenzitet signala jezgri vodika. Vidi se da kada riba leži na žicama, signal je mnogo bolji nego bez njih. Vrijeme skeniranja je isto u oba slučaja, što dokazuje da je efikasnost skeniranja povećana. Članak je također pažljivo uključen
formula
da izračunam dužinu žica u zavisnosti od radne frekvencije tomografa, koji sam koristio. Napravio sam svoj metamaterijal od kivete i niza bakrenih žica, opremljenih 3D štampanim plastičnim zatvaračima:
Moj prvi metamaterijal. Odmah nakon proizvodnje stavljen je u tomograf od 1 Tesla. Narandža je djelovala kao objekt koji je trebalo skenirati.
Međutim, umjesto obećanog poboljšanja signala, dobio sam gomilu artefakata koji su potpuno pokvarili sliku! Mojem ogorčenju nije bilo granica! Nakon što sam završio temu, napisao sam pismo autorima članka čije se značenje može svesti na pitanje "Šta...?"
Autori su mi odgovorili prilično brzo. Bili su prilično impresionirani da neko pokušava ponoviti njihove eksperimente. Isprva su dugo pokušavali da mi objasne kako metamaterijali zapravo funkcionišu, koristeći termine “Fabry-Perot rezonancije”, “intrinzični modovi” i sve vrste radiofrekventnih polja u volumenu. Onda su, očigledno shvativši da uopšte ne razumem o čemu pričaju, odlučili da me pozovu da ih posetim kako bih uživo pogledao njihov razvoj i uverio se da i dalje funkcioniše. Bacio sam svoje omiljeno lemilo u ranac i otišao u Sankt Peterburg, na Nacionalni istraživački univerzitet za informacione tehnologije, mehaniku i optiku (kako se ispostavilo, tamo se ne školuju samo programeri).
Bio sam srdačno dočekan na licu mjesta, i odjednom su mi ponudili posao, jer su bili impresionirani mojim jarkom sa žicama i trebala im je osoba koja će napraviti nove. Zauzvrat su obećali da će mi detaljno objasniti sve što me zanima i da ću pohađati kurs iz radiofizike i magnetne rezonancije, koji je sretnom igrom slučaja počeo baš te godine. Moja žeđ za znanjem je pobedila, a onda sam, tokom cele godine, učio, radio projekte i radio, postepeno saznavajući sve više i više novih stvari o istoriji magnetne rezonance, kao i o stanju savremene nauke u ovoj oblasti, što ću podijelite ovdje.
Metoda predloženog poboljšanja MRI, a proučavana u navedenim naučnim člancima, zasniva se na tzv. „metamaterijalima“. Metamaterijal, kao i mnoga druga otkrića, svoj izgled duguju neočekivanim rješenjima dobivenim na temelju teorijskih istraživanja. Sovjetski naučnik Viktor Veselago je 1967. godine, radeći na teorijskom modelu, sugerisao postojanje materijala sa negativnim indeksom prelamanja. Kao što ste već shvatili, govorimo o optici, a vrijednost ovog koeficijenta, grubo govoreći, znači koliko će svjetlost promijeniti svoj smjer prilikom prolaska kroz granicu između različitih medija, na primjer zraka i vode. Lako se sami uvjerite da se ovo zaista događa:
Jednostavan eksperiment koji koristi laserski pokazivač i akvarij za demonstriranje prelamanja svjetlosti.
Zanimljiva činjenica koja se može naučiti iz takvog eksperimenta je da se snop ne može prelomiti u istom smjeru odakle je pao na sučelje, ma koliko se eksperimentator trudio. Ovaj eksperiment je izveden sa svim prirodnim supstancama, ali se snop tvrdoglavo lomio samo u jednom smjeru. Matematički, to znači da su indeks prelamanja, kao i njegove sastavne veličine, dielektrična i magnetska permeabilnost, pozitivni i nikada nije opažen drugačije. Barem dok V. Veselago nije odlučio da prouči ovo pitanje i pokazao da teoretski ne postoji nijedan razlog zašto indeks prelamanja ne može biti negativan.
Slika sa Wiki koja pokazuje razliku između pozitivnih i negativnih indeksnih medija. Kao što vidimo, svjetlost se ponaša potpuno neprirodno, u poređenju sa našim svakodnevnim iskustvom.
V. Veselago je dugo pokušavao da pronađe dokaze o postojanju materijala sa negativnim indeksom prelamanja, ali potraga je bila neuspešna, a njegov rad je nezasluženo zaboravljen. Tek početkom sljedećeg stoljeća umjetno su stvorene kompozitne strukture koje su ostvarile opisana svojstva, ali ne u optičkom, već u nižem mikrovalnom frekvencijskom opsegu. Što je bila prekretnica, jer je sama mogućnost postojanja ovakvih materijala otvarala nove perspektive. Na primjer - stvaranje , sposoban da uvećava objekte čak i manje od talasne dužine svetlosti. Ili - apsolutna maskirna nevidljiva pokrivala, san svih vojnih lica. U teoriji su napravljene velike izmjene kako bi se uzeli u obzir novi podaci. Ključ uspjeha bila je upotreba uređenih struktura rezonantnih elemenata - metaatoma, čija je veličina mnogo manja od valne dužine zračenja s kojim stupaju u interakciju. Uređena struktura meta-atoma je vještački kompozit koji se naziva metamaterijal.
Praktična implementacija metamaterijala i danas je tehnološki složena, budući da veličina rezonantnih čestica mora biti uporediva sa manjom od talasne dužine elektromagnetnog zračenja. Za optički opseg (gde je talasna dužina nanometri), takve tehnologije su na čelu napretka. Stoga ne čudi da su prvi predstavnici koncepta metamaterijala stvoreni za relativno duže elektromagnetne talase iz radio opsega (koji imaju poznatiju dužinu od mm do m). Glavna karakteristika i istovremeno nedostatak bilo kojeg metamaterijala je posljedica rezonantne prirode njegovih sastavnih elemenata. Metamaterijal može pokazati svoja čudesna svojstva samo na određenim frekvencijama.
Ograničene frekvencije.Stoga, na primjer, sljedeći put kada vidite nešto poput ometača super-zvuka zasnovanog na metamaterijalima, pitajte koji opseg frekvencija zapravo ometa.
Tipični primjeri metamaterijala koji omogućavaju interakciju s elektromagnetnim valovima. Strukture provodnika nisu ništa drugo do mali rezonatori, LC kola formirana prostornim položajem provodnika.
Prošlo je malo vremena od pojave koncepta metamaterijala i njihove prve implementacije, a ljudi su shvatili kako ih koristiti u MRI. Glavni nedostatak metamaterijala je što uski radni opseg nije problem za MRI, gdje se svi procesi odvijaju na gotovo istoj frekvenciji nuklearne magnetne rezonancije, koja leži u radio opsegu. Ovdje možete kreirati meta-atome vlastitim rukama i odmah vidjeti šta se dešava na slikama. Jedna od prvih karakteristika koju su istraživači implementirali u MRI koristeći metamaterijale bile su superleće i endoskopi.
Na lijevoj strani pod slovom a) prikazano je supersočivo koje se sastoji od trodimenzionalnog niza rezonatora na štampanim pločama. Svaki rezonator je otvoreni metalni prsten sa zalemljenim kondenzatorom, koji formira LC kolo podešeno na frekvenciju MRI. Ispod je primjer postavljanja ove metamaterijalne strukture između nogu pacijenta koji je podvrgnut tomografskoj proceduri i, shodno tome, rezultirajuće slike. Ako ranije niste zanemarili savjet da pročitate moj prethodni članak o magnetskoj rezonanciji, onda već znate da je za dobivanje slike bilo kojeg dijela pacijentovog tijela potrebno prikupiti slabe, brzo raspadajuće nuklearne signale koristeći blisko locirani antena - kalem.
Super sočivo od metamaterijala omogućava vam da povećate domet djelovanja standardne zavojnice. Na primjer, vizualizirajte obje noge pacijenta odjednom umjesto samo jedne. Loša vijest je da se položaj superleće mora odabrati na određeni način za najbolji efekat, a samo supersočivo je prilično skupo za proizvodnju. Ako još uvijek ne razumijete zašto se ovaj objektiv naziva super-prefiksom, onda procijenite njegovu veličinu sa fotografije, a zatim shvatite da radi na valnoj dužini od oko pet metara!
Slovo b) prikazuje dizajn endoskopa. U suštini, MRI endoskop je niz paralelnih žica koje se ponašaju kao talasovod. Omogućava vam da prostorno odvojite područje iz kojeg zavojnica prima signal od jezgri i samu zavojnicu na znatnoj udaljenosti - do te mjere da se prijemna antena može nalaziti potpuno izvan kriostata tomografa, daleko od konstantnog magnetskog polje. Donje slike kartice b) prikazuju slike dobivene za posebnu posudu napunjenu tekućinom - fantoma. Razlika između njih je u tome što su slike označene kao "endoskop" dobijene kada je zavojnica bila na pristojnoj udaljenosti od fantoma, gdje bi bez endoskopa signale iz jezgara bilo potpuno nemoguće detektirati.
Ako govorimo o jednom od najperspektivnijih područja primjene metamaterijala u MRI, a najbliže njegovoj praktičnoj implementaciji (u koju sam se na kraju uključio) je stvaranje bežičnih zavojnica. Vrijedi pojasniti da ovdje ne govorimo o Bluetooth ili nekoj drugoj tehnologiji bežičnog prijenosa podataka. "Bežični" u ovom slučaju znači prisustvo induktivnog ili kapacitivnog spajanja dvije rezonantne strukture - primopredajne antene, kao i metamaterijala. U konceptu to izgleda ovako:
Na lijevoj strani je prikazano kako se obično odvija MRI procedura: pacijent leži unutar kriostata u području jednolikog statičkog magnetnog polja. Velika antena koja se zove "kavez za ptice" postavljena je u tunel za tomograf. Antena ove konfiguracije vam omogućava da rotirate vektor radiofrekventnog magnetnog polja sa frekvencijom precesije jezgri vodika (za kliničke mašine to je obično od 40 do 120 MHz u zavisnosti od veličine statičkog magnetnog polja od 1T do 3T, odnosno), uzrokujući da apsorbuju energiju, a zatim emituju energiju kao odgovor. Signal odgovora iz jezgri je vrlo slab i dok stigne do provodnika velike antene, neizbježno će izblijediti. Iz tog razloga, MRI koristi blisko raspoređene lokalne zavojnice za primanje signala. Slika u sredini, na primjer, prikazuje tipičnu situaciju skeniranja koljena. Koristeći metamaterijale, moguće je napraviti rezonator koji će biti induktivno spojen na kavez za ptice. Dovoljno je postaviti takvu stvar blizu željenog područja pacijentovog tijela i signal odatle neće biti primljen ništa gore nego s lokalnom zavojnicom! Ako se koncept uspješno implementira, pacijenti više neće morati da se petljaju u žice, a dijagnostički postupak MRI će postati ugodniji.
To je upravo ono što sam pokušao napraviti na početku, punjenjem žica vodom i pokušajem skeniranja narandže. Žice uronjene u vodu sa prve slike u ovom članku nisu ništa drugo do meta-atomi, od kojih svaki predstavlja polutalasni dipol - jedan od najpoznatijih dizajna antena, poznat svakom radio-amateru.
Potopljeni su u vodu ne da se ne bi zapalili na magnetskoj rezonanci (iako i za ovu svrhu)), već da bi zbog visoke dielektrične konstante vode smanjili njihovu rezonantnu dužinu za tačno iznos jednak kvadratu korijen dielektrične konstante vode.
Ovaj čip se dugo koristio u radio prijemnicima, namotavajući žicu na komad ferita - tzv. feritna antena. Samo ferit ima visoku magnetnu permeabilnost, a ne dielektričnu, koja, međutim, radi na isti način i omogućava da se rezonantne dimenzije antene u skladu s tim smanje. Nažalost, ne možete staviti ferit u magnetnu rezonancu, jer... magnetno je. Voda je jeftina i pristupačna alternativa.
Jasno je da da biste sve ove stvari izračunali, morate izgraditi složene matematičke modele koji uzimaju u obzir odnos između rezonantnih elemenata, parametara okoline i izvora zračenja... ili možete iskoristiti plodove napretka i softvera za numeričku elektromagnetsku modeliranje, koje čak i školarac može lako razumjeti (najupečatljiviji primjeri - CST, HFSS). Softver vam omogućava da kreirate 3D modele rezonatora, antena, električnih kola, da im dodate ljude - da, zapravo, bilo šta, samo je pitanje vaše mašte i raspoložive računarske snage. Konstruisani modeli su podeljeni u mreže u čijim čvorovima su rešene poznate Maxwellove jednačine.
Evo, na primjer, simulacija magnetnog polja radio frekvencije unutar prethodno spomenute antene za kavez za ptice:
Odmah postaje sasvim jasno kako se polje rotira. Na lijevoj strani je prikazana situacija kada se unutar antene nalazi kutija vode, a desno - kada je ista kutija na rezonatoru napravljenom od žica rezonantne dužine. Možete vidjeti kako je magnetsko polje značajno pojačano žicama. Nakon što sam savladao CST i tamo optimizirao svoj dizajn, još jednom sam napravio metamaterijal, koji je zapravo omogućio pojačavanje signala u standardnom kliničkom 1.5T MRI tomografu. I dalje je to bila kutija (iako ljepša, napravljena od pleksiglasa), napunjena vodom i nizom žica. Ovoga puta konstrukcija je optimizovana u smislu rezonantnih uslova, odnosno: odabira dužine žica, njihovog položaja i količine vode. Evo šta se desilo sa paradajzom:
Prvo skeniranje paradajza obavljeno je velikom antenom. Rezultat je bila samo buka s jedva vidljivim obrisima. Drugi put sam stavio voće na svježe pečenu rezonantnu strukturu. Nisam pravio mape u boji ili nešto slično, jer je efekat očigledan. Tako sam iz vlastitog iskustva, iako sam proveo dosta vremena, dokazao da koncept funkcionira.
Jasno je šta mislite - pomorandže, paradajz - sve je to pogrešno, gdje su ispitivanja na ljudima?
Zaista su bili :
Ruka volontera koji se podvrgava magnetnoj rezonanciji leži na istoj kutiji. Prava voda u kutiji, budući da sadrži vodonik, takođe je jasno vidljiva. Signal se pojačava u predjelu ručnog zgloba koji leži na rezonatoru, dok su svi ostali dijelovi tijela slabo vidljivi. Jasno je da se isti efekat, a možda i bolji, može postići upotrebom standardnih kliničkih zavojnica. Ali sama činjenica da takve stvari možete učiniti jednostavnim prostornim kombinovanjem vode i žica, kombinujući ih na pravi način, je nevjerovatna. Što je još nevjerovatnije, znanje o tome može se steći proučavanjem naizgled nepovezanih fenomena, kao što je prelamanje svjetlosti.
Za one koji se još nisu umoriliTrenutno je dizajn vodene kutije već poboljšan. Sada je to samo ravna štampana ploča koja vam omogućava da lokalizujete magnetno polje vanjske velike antene u vašoj blizini. Štaviše, njegova radna površina je veća od one kod prethodnog dizajna:
Obojene trake označavaju jačinu magnetnog polja iznad strukture kada je pobuđena vanjskim izvorom elektromagnetnih valova. Ravna struktura je tipičan dalekovod poznat u radiotehnici, ali se može smatrati i metamaterijalom za MRI. Ova „bežična zavojnica“ već može konkurirati standardnim zavojnicama u smislu ujednačenosti generiranog polja na određenoj dubini u skeniranom objektu:
Animacija prikazuje sloj-po-sloj mapu boja signala unutar kutije s vodom u MRI. Boja označava intenzitet signala iz jezgara vodonika. U gornjem lijevom kutu se kao prijemnik koristi segment standardne stražnje zavojnice za skeniranje. Donji lijevi ugao je kada se kutija postavlja na rezonator u obliku štampane ploče. Dole desno - signal prima velika antena ugrađena u tunel tomografa. Uporedio sam uniformnost signala u oblasti ocrtanoj pravougaonikom. Na određenoj visini, metamaterijal radi bolje od zavojnice u smislu uniformnosti signala. Za kliničke svrhe, ovo možda nije važno dostignuće, ali kada su u pitanju naučne MRI instalacije u kojima se pacovi skeniraju, može pomoći u postizanju povećanja signala i smanjenja potrebne snage uzbudljivih radio impulsa.
O “poboljšanom za 2 puta” na početku članka - naravno, ovo je još jedan plod neuzvraćene ljubavi novinara prema naučnicima, međutim, također je pogrešno reći da je ovo prazno istraživanje, koje potkrepljuje interesovanjem za ovu temu u naučnim grupama širom sveta. Iznenađujuće, rad se obavlja i ovdje u Rusiji, iako je to, na osnovu mog čisto ličnog iskustva, prilično rijedak izuzetak. Još uvijek postoje mnogi neriješeni problemi povezani s upotrebom metamaterijala u MRI. Osim lokalizacije magnetnih polja za dobijanje dobre slike, ne zaboravite na električna polja koja dovode do zagrijavanja tkiva, kao i na apsorpciju energije radiofrekventnog polja od strane tkiva pacijenata na pregledu. Za ove stvari, u kliničkoj upotrebi, mora postojati posebna kontrola, koja postaje mnogo komplikovanija kada se koriste rezonatori za lokalizaciju polja. Za sada, metamaterijali za magnetnu rezonancu ostaju u domenu naučnih istraživanja, ali su dobijeni rezultati već veoma interesantni i možda će se u budućnosti, zahvaljujući njima, postupak magnetne rezonance promeniti na bolje, postati brži i sigurniji.
izvor: www.habr.com