Un tornavís va xiular per davant de la meva orella. Amb un fort so, es va congelar al cos del criostat. Maleint-me a mi mateix, vaig decidir fer un descans. Desenroscar els cargols en un camp magnètic d'1.5 tesla, utilitzant una eina d'acer, és una idea. El camp, com un enemic invisible, intenta constantment arrabassar l'eina de les mans, orientar-la al llarg de les seves línies de força i dirigir-la el més a prop possible dels electrons que circulen en un cercle viciós des del superconductor. Tanmateix, si és molt necessari derrotar els compostos àcids de fa molts anys, no hi ha molta opció. Em vaig asseure davant de l'ordinador i habitualment em desplaçava pel canal de notícies. "Els científics russos han millorat la ressonància magnètica dues vegades!" llegiu el titular sospitós.
Fa aproximadament un any, nosaltres i va entendre l'essència de la seva obra. Recomano fermament que abans de llegir aquest article, refresqueu la memòria d'aquest material.
Per diverses raons, incloses les històriques, a Rússia actual producció d'equips tan complexos com els tomògrafs de ressonància magnètica d'alt camp. Tanmateix, si vius a una ciutat més o menys gran, pots trobar fàcilment clíniques que ofereixen aquest tipus de servei. Al mateix temps, la flota d'escàners de ressonància magnètica sovint està representada per equips usats, un cop importats dels EUA i d'Europa, i si de sobte heu de visitar una clínica de ressonància magnètica, no us deixeu enganyar per l'aspecte bonic del dispositiu: pot ser que ben bé en la seva segona dècada. Com a resultat, aquests equips de vegades es fan malbé, i durant molt de temps vaig ser una d'aquelles persones que van tornar al servei de tomògrafs trencats, de manera que els pacients poguessin continuar fent-se diagnòstics i els propietaris poguessin obtenir beneficis.
Fins que un dels millors dies, durant una pausa entre un entreteniment perillós amb camps magnètics enormes, em vaig trobar amb una inscripció interessant al canal de notícies: "Científics russos juntament amb col·legues holandesos. amb l'ajuda de metamaterials. No cal dir que el fet mateix que Rússia estigui duent a terme investigacions sobre equips, la producció dels quals mai no s'ha dominat, em va semblar molt, molt controvertit. Vaig decidir que només era una beguda més de beques, diluïda amb paraules de moda científiques incomprensibles com "nanotecnologies" ja fartes de tothom. La recerca d'informació sobre el treball dels científics russos amb ressonància magnètica i metamaterials em va portar a un article que conté la descripció d'un experiment senzill que podria repetir fàcilment, ja que la màquina de ressonància magnètica sempre està a mà.
Imatge de dedicada a l'amplificació del senyal de ressonància magnètica mitjançant l'anomenat "metamaterial". En lloc d'un pacient, es carrega un metamaterial en un aparell clínic típic de Tesla 1.5, en forma de conca d'aigua, dins del qual hi ha cables paral·lels d'una certa longitud. Als cables hi ha l'objecte d'estudi: peixos (no vius). Les imatges de la dreta són imatges de ressonància magnètica d'un peix, superposades amb un mapa de colors que indica la intensitat del senyal dels nuclis d'hidrogen. Es pot veure que quan el peix es troba sobre els cables, el senyal és molt millor que sense ells. El temps d'escaneig en tots dos casos és el mateix, la qual cosa demostra l'augment de l'eficiència de l'escaneig. L'article també s'ha citat amb cura
fórmula
per calcular la longitud dels cables en funció de la freqüència de funcionament de l'escàner, que vaig utilitzar. Vaig fer el meu metamaterial a partir d'una cel·la i una sèrie de cables de coure, equipats amb suports de plàstic impresos en 3D:
El meu primer metamaterial. Immediatament després de la fabricació, es va posar en un tomògraf d'1 Tesla. La taronja actuava com un objecte per escanejar.
No obstant això, en comptes de l'amplificació del senyal promesa, tinc un munt d'artefactes que fan malbé completament la imatge! La meva indignació no tenia límits! Un cop acabat de menjar el tema, vaig escriure una carta als autors de l'article, el significat de la qual es pot reduir a la pregunta "Què ...?".
Els autors em van respondre amb força rapidesa. Estaven força impressionats que algú estigués intentant replicar els seus experiments. Al principi, van intentar explicar-me durant molt de temps com funcionen encara els metamaterials, utilitzant els termes “ressonàncies de Fabry-Perot”, “modes propis” i tota mena de camps de radiofreqüència al volum. Aleshores, aparentment adonant-se que no entenia gens de què es tractava, van decidir convidar-me a visitar-los per poder veure en directe els seus desenvolupaments i assegurar-me que encara funciona. Vaig llençar el meu soldador preferit a la motxilla i vaig anar a Sant Petersburg, a la Universitat Nacional de Recerca de Tecnologies de la Informació, Mecànica i Òptica (com va resultar, no només s'hi ensenya als programadors).
Vaig rebre una càlida acollida al moment i, de sobte, em van oferir una feina, ja que van quedar impressionats amb el meu mòbil amb cables i necessitaven una persona per crear-ne de nous. A canvi, es van comprometre a explicar amb detall tot el que m'interessa i a fer un curs de radiofísica i ressonància magnètica, que va començar per una sort aquell mateix any. La meva set de coneixement va guanyar, i després, al llarg de l'any, vaig estudiar, fer projectes i treballar, aprenent a poc a poc més i més coses noves sobre la història de la ressonància magnètica, així com l'estat de la ciència moderna en aquest àmbit, que comparteix aquí.
El mètode de millora de la ressonància magnètica proposada, i investigat en els articles científics esmentats, es basa en els anomenats "metamaterials". Els metamaterials, com molts altres descobriments, deuen el seu aspecte a solucions inesperades obtingudes a partir de la investigació teòrica. El científic soviètic, Victor Veselago, l'any 1967, mentre treballava en un model teòric, va suggerir l'existència de materials amb un índex de refracció negatiu. Com ja heu entès, estem parlant d'òptica, i el valor d'aquest coeficient, a grans trets, significa quant canviarà la seva direcció la llum quan travessa el límit entre diferents mitjans, per exemple, l'aire i l'aigua. Podeu comprovar fàcilment per vosaltres mateixos que aquest és realment el cas:
Un experiment senzill amb un punter làser i un aquari que mostra la refracció de la llum.
Un fet interessant que es pot aprendre d'aquest experiment és que el feix no es pot refractar en la mateixa direcció des de la qual va caure a la interfície, per molt que ho intenti l'experimentador. Aquest experiment es va dur a terme amb totes les substàncies naturals, però el feix es va refractar obstinadament en una sola direcció. Matemàticament, això vol dir que l'índex de refracció, així com els seus components, la permeabilitat dielèctrica i magnètica, són positius, i no s'ha observat mai res més. Almenys fins que V. Veselago va decidir estudiar aquesta qüestió, i va demostrar que teòricament no hi ha una sola raó per la qual l'índex de refracció no pugui ser negatiu.
Imatge de Wiki que mostra la diferència entre mitjans amb índexs de refracció positius i negatius. Com podem veure, la llum es comporta de manera totalment antinatural, en comparació amb la nostra experiència quotidiana.
V. Veselago durant molt de temps va intentar trobar proves de l'existència de materials amb un índex de refracció negatiu, però la recerca va ser infructuosa i la seva obra va ser oblidada injustament. Només a principis del segle següent es van crear artificialment estructures compostes realitzant les propietats descrites, però no en l'òptica, sinó en el rang de freqüència inferior de microones. La qual cosa va ser un punt d'inflexió, ja que la possibilitat mateixa de l'existència d'aquests materials va obrir noves perspectives. Per exemple, la creació , capaç d'augmentar objectes fins i tot més petits que la longitud d'ona de la llum. O: recobriments invisibles de camuflatge absolut, els somnis de tots els militars. Es van fer esmenes serioses a la teoria, tenint en compte les noves dades. La clau de l'èxit va ser l'ús d'estructures ordenades d'elements ressonants: meta-àtoms, la mida dels quals és molt més petita que la longitud d'ona de la radiació amb la qual interactuen. Una estructura ordenada de metaàtoms és un compost artificial anomenat metamaterial.
La implementació pràctica dels metamaterials és tecnològicament difícil fins i tot avui dia, ja que la mida de les partícules ressonants ha de ser comparable a menys que la longitud d'ona de la radiació electromagnètica. Per al rang òptic (on la longitud d'ona és nanòmetre), aquestes tecnologies estan a l'avantguarda del progrés. Per tant, no és estrany que els primers representants del concepte de metamaterials es creïn per a ones electromagnètiques relativament més llargues del rang de ràdio (que tenen una longitud més familiar per a nosaltres de mm a m). La característica principal i al mateix temps el desavantatge de qualsevol metamaterial és conseqüència de la naturalesa ressonant dels seus elements constitutius. Un metamaterial només pot manifestar les seves propietats miraculoses a determinades freqüències.
freqüències limitades.Per tant, per exemple, quan torneu a veure alguna cosa com un embullador de súper so basat en metamaterials, pregunteu a quin rang de freqüències s'embolica realment.
Exemples típics de metamaterials que permeten la interacció amb ones electromagnètiques. Les estructures de conductors no són més que petits ressonadors, circuits LC, formats per la posició espacial dels conductors.
Ha passat una mica de temps des de l'aparició del concepte de metamaterials i les seves primeres implementacions, i la gent va descobrir com utilitzar-los a la ressonància magnètica. El principal desavantatge dels metamaterials és que l'estret rang de funcionament no és un problema per a la ressonància magnètica, on tots els processos es produeixen gairebé a la mateixa freqüència de ressonància magnètica nuclear, que es troba en el rang de ràdio. Aquí podeu crear meta-àtoms amb les vostres pròpies mans i veure immediatament què passa a les imatges. Una de les primeres característiques que els investigadors van implementar en la ressonància magnètica mitjançant metamaterials van ser les superlents i els endoscopis.
A la part esquerra sota la lletra a) es mostra una superlent, que consisteix en una matriu tridimensional de ressonadors en plaques de circuits impresos. Cada ressonador és un anell metàl·lic obert amb un condensador soldat que forma un circuit LC sintonitzat a la freqüència de ressonància magnètica. A continuació es mostra un exemple de col·locació d'aquesta estructura a partir d'un metamaterial entre les cames d'un pacient sotmès a un procediment de tomografia i, en conseqüència, obtinguda després de la imatge. Si anteriorment no vau menysprear el consell de llegir el meu últim article sobre ressonància magnètica, ja sabeu que per obtenir una imatge de qualsevol part del cos del pacient, cal recollir senyals nuclears febles i que es descomponen ràpidament mitjançant un espai molt proper. antena - una bobina.
La superlent metamaterial permet una àrea de cobertura més gran de la bobina estàndard. Per exemple, visualitzeu les dues cames del pacient alhora en lloc d'una. La mala notícia és que la posició de la superlent s'ha de triar d'una determinada manera per a la millor manifestació de l'efecte, i la superlent en si és bastant cara de fabricar. Si encara no enteneu per què aquesta lent es diu amb el prefix super-, calculeu la seva mida a partir de la foto i, a continuació, adoneu-vos que funciona amb una longitud d'ona d'uns cinc metres!
Sota la lletra b) es demostra el disseny de l'endoscopi. En essència, un endoscopi de ressonància magnètica és una matriu de cables paral·lels que actua com a guia d'ones. Permet separar espacialment la regió de la qual la bobina rep un senyal dels nuclis i la bobina mateixa a una distància decent, fins al punt que l'antena receptora es pot situar completament fora del criòstat del tomògraf, lluny de la constant. camp magnètic. Les imatges inferiors de la pestanya b) mostren imatges obtingudes per a un recipient especial ple de líquid: un fantasma. La diferència entre ells és que les imatges etiquetades com "endoscopi" es van obtenir quan la bobina es trobava a una distància decent del fantasma, on sense un endoscopi, els senyals dels nuclis serien completament impossibles de detectar.
Si parlem d'una de les àrees d'aplicació més prometedores dels metamaterials a la ressonància magnètica, i la més propera a la seva implementació pràctica (en la qual em vaig implicar al final), és la creació de bobines sense fil. Val la pena aclarir que no es tracta en absolut de Bluetooth ni d'altres tecnologies de transferència de dades sense fil. "Sense fil" en aquest cas significa la presència d'un acoblament inductiu o capacitiu de dues estructures ressonants: una antena de transceptor, així com un metamaterial. En concepte es veu així:
A l'esquerra, es mostra un procediment de ressonància magnètica típica: el pacient es troba dins del criostat en una zona d'un camp magnètic estàtic uniforme. Una gran antena, anomenada "gàbia d'ocells", està muntada al túnel de l'escàner. Una antena d'aquesta configuració permet girar el vector del camp magnètic de radiofreqüència amb la freqüència de la precessió dels nuclis d'hidrogen (per a màquines clíniques, això sol ser de 40 a 120 MHz, depenent de la magnitud del camp magnètic estàtic de 1T a 3T, respectivament), fent-los absorbir energia i després irradiar en resposta. El senyal de resposta dels nuclis és molt feble, i fins que no arriba als conductors d'una antena gran, inevitablement s'esvaeix. Per aquest motiu, la ressonància magnètica utilitza bobines locals molt espaiades per rebre senyals. La imatge del centre, per exemple, mostra una situació típica d'exploració del genoll. Utilitzant metamaterials, podeu fer un ressonador que s'acoblarà de manera inductiva a una gàbia d'ocells. N'hi ha prou amb col·locar una cosa així a prop de l'àrea desitjada del cos del pacient i el senyal d'allà no es rebrà pitjor que una bobina local. Si el concepte s'implementa amb èxit, els pacients ja no hauran d'enredar-se amb cables i el procediment de diagnòstic de ressonància magnètica serà més còmode.
Aquest és exactament el tipus de coses que estava intentant crear al principi, inundant els cables amb aigua i intentant escanejar una taronja. Els cables submergits a l'aigua des de la primera imatge d'aquest article no són més que meta-àtoms, cadascun dels quals és un dipol de mitja ona, un dels dissenys d'antena més famosos, familiar per a tots els radioaficionats.
Es submergeixen a l'aigua no perquè no s'encendin a la ressonància magnètica (tot i que per això també)), sinó per reduir la seva longitud de ressonància exactament en l'arrel quadrada de la constant dielèctrica de l'aigua a causa de l'alta constant dielèctrica de l'aigua. .
Aquest xip s'ha utilitzat durant molt de temps a les ràdios, enrotllant el cable al voltant d'un tros de ferrita, l'anomenat. antena de ferrita. Només la ferrita té una alta permeabilitat magnètica i no una dielèctrica, que, però, funciona de la mateixa manera, i permet reduir en conseqüència les dimensions ressonants de l'antena. Malauradament, la ferrita no es pot inserir en una ressonància magnètica, perquè és magnètic. L'aigua és una alternativa barata i assequible.
És evident que per calcular totes aquestes coses cal construir els models matemàtics més complexos que tinguin en compte la relació entre els elements ressonants, els paràmetres ambientals i les fonts de radiació... o bé es pot utilitzar els fruits del progrés i del programari. per al modelatge electromagnètic numèric, que fins i tot un escolar pot entendre fàcilment (els exemples més brillants: CST, HFSS). El programari us permet crear models en 3D de ressonadors, antenes, circuits elèctrics, afegir persones allà, sí, de fet, qualsevol cosa, l'única qüestió és la fantasia i la potència informàtica disponible. Els models construïts es divideixen en quadrícules, en els nodes de les quals es realitza la solució de les equacions de Maxwell conegudes.
Aquí, per exemple, hi ha una simulació del camp magnètic de RF dins de l'antena de la gàbia d'ocells esmentada anteriorment:
Immediatament queda força clar com gira el camp. La situació es mostra a l'esquerra quan hi ha una caixa amb aigua dins de l'antena, i a la dreta quan la mateixa caixa es troba en un ressonador fet de cables de longitud ressonant. Es pot veure com el camp magnètic es veu molt millorat pels cables. Després de dominar la CST i d'optimitzar el meu disseny allà, vaig tornar a fer un metamaterial, que realment va permetre amplificar el senyal en un tomògraf clínic estàndard de 1.5T. Encara era una caixa (encara que més bonica, feta de plexiglàs), plena d'aigua i una sèrie de cables. Aquesta vegada, l'estructura s'ha optimitzat pel que fa a les condicions de ressonància, és a dir, la selecció de la longitud dels cables, la seva posició, així com la quantitat d'aigua. Això és el que va passar amb el tomàquet:
La primera exploració d'un tomàquet es va realitzar en una gran antena. El resultat va ser només un soroll amb contorns amb prou feines visibles. La segona vegada vaig col·locar el fetus sobre una estructura ressonant acabada de coure. No vaig crear mapes de colors, ni alguna cosa així, ja que l'efecte és evident. Així, per la meva experiència, tot i que vaig passar molt de temps, vaig demostrar que el concepte funciona.
Està clar en què estàs pensant: taronges, tomàquets, això no és tot això, on són les proves a les persones?
Realment ho eren :
La mà d'un voluntari que se sotmet a una ressonància magnètica es troba a la mateixa caixa. La pròpia aigua de la caixa, ja que conté hidrogen, també és perfectament visible. L'amplificació del senyal es produeix a la zona del canell, estirat sobre el ressonador, mentre que totes les altres parts del cos són poc visibles. Està clar que el mateix efecte, i potser millor, es pot aconseguir mitjançant bobines clíniques estàndard. Però el fet mateix de poder fer aquestes coses, simplement combinant espacialment aigua i cables, combinant-los de la manera correcta, és increïble. Encara més sorprenent és que el coneixement sobre això es pot obtenir mitjançant l'estudi de fenòmens aparentment no relacionats, com la refracció de la llum.
Per als que encara no estan cansatsDe moment, el disseny de la caixa d'aigua ja s'ha millorat. Ara només és una placa de circuit imprès plana que us permet localitzar el camp magnètic d'una antena gran externa a prop vostre. A més, la seva àrea de treball és més gran que la del disseny anterior:
Les cintes de colors mostren la força del camp magnètic sobre l'estructura quan s'excita des d'una font externa d'ones electromagnètiques. L'estructura plana és una línia de transmissió típica coneguda en enginyeria de ràdio, però al mateix temps es pot considerar com un meteoromaterial per a la ressonància magnètica. Aquesta "bobina sense fil" ja pot competir amb les bobines estàndard pel que fa a la uniformitat del camp generat a una certa profunditat a l'objecte escanejat:
L'animació mostra un mapa de color capa per capa del senyal dins de la caixa d'aigua de ressonància magnètica. El color indica la intensitat dels senyals dels nuclis d'hidrogen. A la cantonada superior esquerra, un segment d'una bobina estàndard per escanejar la part posterior s'utilitza com a receptor. La cantonada inferior esquerra és quan la caixa es troba al ressonador en forma de placa de circuit imprès. A la part inferior dreta: el senyal és rebut per una gran antena integrada al túnel del tomògraf. Vaig comparar la uniformitat del senyal a l'àrea encerclada pel rectangle. A certa altitud, el metamaterial funciona millor que la bobina en termes d'uniformitat del senyal. A efectes clínics, pot ser que aquest no sigui un assoliment molt important, però quan es tracta d'instal·lacions de ressonància magnètica científica, on s'escanegen rates, això pot ajudar a aconseguir un guany de senyal i reduir la potència necessària dels polsos de ràdio excitadors.
Sobre "2 vegades millorat" a l'inici de l'article: per descomptat, aquest és un altre fruit de l'amor no correspost dels periodistes pels científics, però també és incorrecte dir que es tracta d'estudis buits, que es veu reforçat per l'interès per aquest tema en grups científics d'arreu del món. Sorprenentment, també s'està treballant aquí a Rússia, tot i que d'acord amb la meva experiència purament personal, aquesta és una rara excepció. Encara hi ha molts problemes sense resoldre associats a l'ús de metamaterials en la ressonància magnètica. A més de la localització de camps magnètics per obtenir una bona imatge, no us oblideu dels camps elèctrics que provoquen l'escalfament dels teixits, així com de l'absorció dels teixits dels pacients sotmesos a un examen de l'energia del camp de radiofreqüència. Per a aquestes coses, en l'ús clínic, hi ha d'haver un control especial, que és molt complicat quan s'utilitzen ressonadors de localització de camp. Fins ara, els metamaterials per a ressonància magnètica es mantenen en el marc de la investigació científica, però els resultats obtinguts ja són molt interessants i és possible que en un futur el procediment de ressonància magnètica canviï a millor gràcies a ells, fent-se més ràpid i segur.
Font: www.habr.com