Kolem ucha mi zasvištěl šroubovák. S hlasitým zvoněním ztuhla na těle kryostatu. S nadávkou pro sebe jsem se rozhodl dát si pauzu. Odšroubování šroubů v magnetickém poli 1.5 tesla pomocí ocelového nástroje je tak-tak nápad. Pole se jako neviditelný nepřítel neustále snaží vyrvat nástroj z rukou, orientovat jej po svých siločárách a nasměrovat jej co nejblíže k elektronům běžícím v začarovaném kruhu ze supravodiče. Pokud je však velmi nutné porazit zakysané sloučeniny před mnoha lety, není příliš na výběr. Sedl jsem si k počítači a obvykle jsem procházel zprávy. "Ruští vědci zlepšili MRI dvakrát!" přečtěte si podezřelý nadpis.
Asi před rokem jsme a pochopil podstatu své práce. Důrazně doporučuji, abyste si před čtením tohoto článku osvěžili paměť tohoto materiálu.
Z různých důvodů, včetně historických, dnes v Rusku výroba tak složitých zařízení, jako jsou tomografy s magnetickou rezonancí s vysokým polem. Pokud však žijete ve více či méně velkém městě, můžete snadno najít kliniky, které tento druh služeb poskytují. Flotila MRI skenerů je přitom často zastoupena použitým vybavením, kdysi dovezeným z USA a Evropy, a pokud náhle musíte navštívit MRI kliniku, nenechte se oklamat krásným vzhledem přístroje – může dobře být v jeho druhé dekádě. V důsledku toho se taková zařízení občas porouchají a já jsem dlouho patřil k lidem, kteří rozbité tomografy vraceli do provozu, aby pacienti mohli dál podstupovat diagnostiku a majitelé mohli vydělávat.
Až do jednoho z nejlepších dnů, během přestávky mezi nebezpečnou zábavou s obrovskými magnetickými poli, jsem narazil na zajímavý nápis: „Ruští vědci spolu s holandskými kolegy pomocí metamateriálů. Netřeba dodávat, že samotná skutečnost, že Rusko provádí výzkum zařízení, jejichž výroba nebyla nikdy zvládnuta, mi připadala velmi, velmi kontroverzní. Rozhodl jsem se, že je to jen další pití z grantů, naředěné nesrozumitelnými vědeckými hláškami jako „nanotechnologie“, které jsou již ze všech nemocné. Hledání informací o práci ruských vědců s magnetickou rezonancí a metamateriály mě přivedlo k článku obsahujícímu popis jednoduchého experimentu, který bych mohl snadno zopakovat, protože přístroj na magnetickou rezonanci je vždy po ruce.
Obrázek z věnované zesílení signálu MRI pomocí tzv. „metamateriálu“. Místo pacienta je do typického klinického 1.5 - Teslova aparátu naložen metamateriál ve formě vodní nádrže, uvnitř které jsou paralelní dráty určité délky. Na drátech leží předmět studia - ryba (neživá). Obrázky vpravo jsou snímky ryb z MRI, překryté barevnou mapou indikující intenzitu signálu z vodíkových jader. Je vidět, že když ryba leží na drátech, je signál mnohem lepší než bez nich. Doba skenování je v obou případech stejná, což dokazuje zvýšení efektivity skenování. Článek také pečlivě citován
vzorec
pro výpočet délky vodičů v závislosti na pracovní frekvenci skeneru, který jsem použil. Vytvořil jsem svůj metamateriál z buňky a řady měděných drátů, vybavených 3D tištěnými plastovými úchyty:
Můj první metamateriál. Ihned po vyrobení byl vložen do 1-Tesla tomografu. Pomeranč fungoval jako objekt pro skenování.
Místo slibovaného zesílení signálu jsem však dostal hromadu artefaktů, které obraz zcela kazí! Moje rozhořčení neznalo mezí! Když jsem dojedl téma, napsal jsem autorům článku dopis, jehož význam lze zredukovat na otázku „Co...?“.
Autoři na mě reagovali poměrně rychle. Docela na ně zapůsobilo, že se někdo pokouší zopakovat jejich experimenty. Nejprve se mi dlouho snažili vysvětlit, jak metamateriály stále fungují, pomocí termínů „Fabry-Perotovy rezonance“, „vlastní módy“ a všemožná radiofrekvenční pole ve svazku. Když si pak zřejmě uvědomili, že vůbec nerozumím, o co jde, rozhodli se mě pozvat k nim na návštěvu, abych se mohl podívat na jejich vývoj naživo a ujistit se, že to stále funguje. Hodil jsem svou oblíbenou pájku do batohu a vydal se do Petrohradu, na Národní výzkumnou univerzitu informačních technologií, mechaniky a optiky (jak se ukázalo, neučí se tam jen programátoři).
Na místě mě vřele přivítali a najednou mi nabídli práci, protože na ně zapůsobil můj mobil s dráty a potřebovali člověka, který by vytvořil nové. Na oplátku mi slíbili, že mi podrobně vysvětlí vše, co mě zajímá, a že absolvují kurz radiofyziky a magnetické rezonance, který šťastnou náhodou začal právě ten rok. Moje touha po vědění zvítězila a pak jsem celý rok studoval, dělal projekty a pracoval, postupně se učil stále více nových věcí o historii magnetické rezonance a také o stavu moderní vědy v této oblasti, které budu sdílet zde.
Metoda navrhovaného zlepšení MRI a zkoumaná ve zmíněných vědeckých článcích je založena na tzv. „metamateriálech“. Metamateriály, stejně jako mnoho dalších objevů, vděčí za svůj vzhled nečekaným řešením získaným na základě teoretického výzkumu. Sovětský vědec Victor Veselago v roce 1967 při práci na teoretickém modelu navrhl existenci materiálů s negativním indexem lomu. Jak jste již pochopili, mluvíme o optice a hodnota tohoto koeficientu, zhruba řečeno, znamená, jak moc světlo změní svůj směr, když projde hranicí mezi různými médii, například vzduchem a vodou. Snadno se sami přesvědčíte, že tomu tak skutečně je:
Jednoduchý experiment s laserovým ukazovátkem a akváriem ukazujícím lom světla.
Zajímavý fakt, který lze z takového experimentu vyvodit, je, že paprsek se nemůže lámat ve stejném směru, ze kterého dopadl na rozhraní, ať se experimentátor snaží sebevíc. Takový experiment byl proveden se všemi přirozeně se vyskytujícími látkami, ale paprsek se tvrdošíjně lámal pouze jedním směrem. Matematicky to znamená, že index lomu, stejně jako jeho složky, dielektrikum a magnetická permeabilita, jsou kladné a nic jiného nebylo nikdy pozorováno. Alespoň do té doby, než se V. Veselago rozhodl tuto problematiku prostudovat a ukázal, že teoreticky neexistuje jediný důvod, proč by index lomu nemohl být záporný.
Obrázek z Wiki ukazující rozdíl mezi médii s pozitivními a negativními indexy lomu. Jak vidíme, světlo se ve srovnání s naší každodenní zkušeností chová naprosto nepřirozeně.
V. Veselago se dlouhou dobu snažil najít důkazy o existenci materiálů s negativním indexem lomu, ale pátrání bylo neúspěšné a jeho práce byla nezaslouženě zapomenuta. Teprve na počátku dalšího století byly uměle vytvořeny kompozitní struktury realizující popsané vlastnosti, nikoli však v optickém, ale v nižším mikrovlnném kmitočtovém rozsahu. Což byl zlom, protože samotná možnost existence takových materiálů otevřela nové perspektivy. Například tvoření , schopný zvětšit předměty ještě menší, než je vlnová délka světla. Nebo - absolutní maskování-neviditelné nátěry, sny celé armády. V teorii byly provedeny vážné změny, které zohlednily nová data. Klíčem k úspěchu bylo použití uspořádaných struktur rezonančních prvků – meta-atomů, jejichž velikost je mnohem menší než vlnová délka záření, se kterým interagují. Uspořádaná struktura meta-atomů je umělý kompozit nazývaný metamateriál.
Praktická realizace metamateriálů je i dnes technologicky obtížná, neboť velikost rezonančních částic musí být srovnatelná s menší než vlnová délka elektromagnetického záření. Pro optický rozsah (kde je vlnová délka nanometrů) jsou takové technologie v popředí pokroku. Proto není divu, že první představitelé konceptu metamateriálů vznikli pro relativně delší elektromagnetické vlny z rádiového rozsahu (které mají délku nám známější od mm do m). Hlavním rysem a zároveň nevýhodou každého metamateriálu je důsledek rezonanční povahy jeho základních prvků. Metamateriál může projevit své zázračné vlastnosti pouze při určitých frekvencích.
omezené frekvence.Proto, když například znovu uvidíte něco jako superzvukovou rušičku založenou na metamateriálech, zeptejte se, v jakém frekvenčním rozsahu to skutečně ruší.
Typické příklady metamateriálů, které umožňují interakci s elektromagnetickými vlnami. Struktury vodičů nejsou nic jiného než malé rezonátory, LC obvody, tvořené prostorovou polohou vodičů.
Od doby, kdy se objevil koncept metamateriálů a jejich první implementace, uplynulo trochu času, jak lidé hádali, že je použijí v MRI. Hlavní nevýhodou metamateriálů je, že úzký operační rozsah není problémem pro MRI, kde všechny procesy probíhají na téměř stejné frekvenci nukleární magnetické rezonance, která leží v rádiovém rozsahu. Zde můžete vytvářet meta-atomy vlastníma rukama a okamžitě vidět, co se děje na obrázcích. Jednou z prvních funkcí, kterou výzkumníci implementovali do MRI pomocí metamateriálů, byly superčočky a endoskopy.
Na levé straně pod písmenem a) je zobrazena superčočka skládající se z trojrozměrného pole rezonátorů na deskách plošných spojů. Každý rezonátor je otevřený kovový prstenec s připájeným kondenzátorem tvořící LC obvod naladěný na frekvenci MRI. Níže je uveden příklad umístění této struktury z metamateriálu mezi nohy pacienta podstupujícího tomografii a podle toho získaného po obrázku. Pokud jste dříve nepohrdli radou přečíst si můj poslední článek o magnetické rezonanci, pak již víte, že pro získání obrazu jakékoli části pacientova těla je nutné shromáždit slabé, rychle se rozkládající nukleární signály pomocí těsně umístěného anténa - cívka.
Metamateriálová superčočka umožňuje větší pokrytí standardní cívky. Představte si například obě nohy pacienta najednou místo jedné. Špatnou zprávou je, že poloha superčočky musí být pro nejlepší projev účinku zvolena určitým způsobem a samotná superčočka je poměrně nákladná na výrobu. Pokud stále nechápete, proč se tento objektiv nazývá s předponou super-, odhadněte jeho velikost z fotografie a pak si uvědomte, že pracuje s vlnovou délkou kolem pěti metrů!
Pod písmenem b) je znázorněna konstrukce endoskopu. MRI endoskop je v podstatě pole paralelních drátů, které fungují jako vlnovod. Umožňuje prostorově oddělit oblast, ze které cívka přijímá signál z jader, a samotnou cívku na slušnou vzdálenost - až do té míry, že přijímací anténa může být umístěna zcela mimo kryostat tomografu, daleko od konstanty magnetické pole. Spodní obrázky záložky b) ukazují obrázky získané pro speciální nádobu naplněnou kapalinou - fantom. Rozdíl mezi nimi je v tom, že snímky označené jako „endoskop“ byly získány, když byla cívka ve slušné vzdálenosti od fantomu, kde by bez endoskopu byly signály z jader zcela nemožné detekovat.
Pokud se budeme bavit o jedné z nejslibnějších oblastí aplikace metamateriálů v MRI a nejblíže její praktické realizaci (do které jsem se nakonec zapojil), je tvorba bezdrátových cívek. Stojí za to upřesnit, že se vůbec nejedná o Bluetooth nebo jinou technologii bezdrátového přenosu dat. "Bezdrátové" v tomto případě znamená přítomnost indukční nebo kapacitní vazby dvou rezonančních struktur - antény transceiveru a také metamateriálu. V konceptu to vypadá takto:
Vlevo je znázorněn typický postup MRI: pacient leží uvnitř kryostatu v zóně rovnoměrného statického magnetického pole. V tunelu skeneru je namontována velká anténa, nazývaná „birdcage“. Anténa této konfigurace umožňuje natáčet vektor radiofrekvenčního magnetického pole s frekvencí precese vodíkových jader (u klinických strojů je to obvykle od 40 do 120 MHz, v závislosti na velikosti statického magnetického pole od 1T až 3T), což způsobuje, že absorbují energii a poté v reakci vyzařují. Signál odezvy z jader je velmi slabý a dokud nedosáhne vodičů velké antény, nevyhnutelně bude slábnout. Z tohoto důvodu MRI používá k příjmu signálů blízko umístěné lokální cívky. Obrázek uprostřed například ukazuje typickou situaci skenování kolena. Pomocí metamateriálů můžete vytvořit rezonátor, který bude indukčně spojen s ptačí klecí. Stačí umístit takovou věc blízko požadované oblasti těla pacienta a signál odtud nebude přijat horší než místní cívka! Pokud bude koncept úspěšně implementován, pacienti se již nebudou muset zaplétat do drátů a diagnostický postup MRI bude pohodlnější.
Přesně takovou věc jsem se snažil vytvořit na začátku, zaplavit dráty vodou a zkusit naskenovat pomeranč. Dráty ponořené do vody z prvního obrázku v tomto článku nejsou nic jiného než meta-atomy, z nichž každý je půlvlnný dipól - jeden z nejznámějších návrhů antén, který zná každý radioamatér.
Jsou ponořeny do vody ne proto, aby se při MRI nevznítily (i když i kvůli tomu)), ale proto, aby se jejich rezonanční délka zmenšila přesně o druhou odmocninu dielektrické konstanty vody kvůli vysoké dielektrické konstantě vody. .
Tento čip se odedávna používá v rádiích, kde se drát omotává kolem kusu feritu - tzv. feritová anténa. Vysokou magnetickou permeabilitu má pouze ferit, nikoli dielektrickou, který však funguje stejně a umožňuje odpovídajícím způsobem zmenšit rezonanční rozměry antény. Bohužel ferit nelze vložit do MRI, protože je to magnetické. Voda je levná a dostupná alternativa.
Je jasné, že pro výpočet všech těchto věcí je nutné sestavit ty nejsložitější matematické modely, které berou v úvahu vztah mezi rezonančními prvky, parametry prostředí a zdroji záření ... nebo můžete použít plody pokroku a softwaru pro numerické elektromagnetické modelování, kterému snadno porozumí i školák (nejjasnější příklady — CST, HFSS). Software umožňuje vytvářet 3D modely rezonátorů, antén, elektrických obvodů, přidávat tam lidi - ano, vlastně cokoli, otázkou je pouze fantazie a dostupný výpočetní výkon. Sestrojené modely jsou rozděleny do mřížek, v jejichž uzlech se provádí řešení známých Maxwellových rovnic.
Zde je například simulace RF magnetického pole uvnitř výše zmíněné antény ptačí klece:
Okamžitě je jasné, jak se pole točí. Situace je znázorněna vlevo, když je uvnitř antény krabice s vodou, a vpravo, když je stejná krabice na rezonátoru z drátů rezonanční délky. Je vidět, jak je magnetické pole silně zesíleno dráty. Po zvládnutí CST a optimalizaci mého návrhu tam jsem ještě jednou vytvořil metamateriál, který skutečně umožnil zesílení signálu ve standardním klinickém 1.5T MRI tomografu. Pořád to byla krabice (i když krásnější, vyrobená z plexiskla), naplněná vodou a řadou drátů. Tentokrát byla konstrukce optimalizována z hlediska rezonančních podmínek, a to výběru délky drátů, jejich polohy a také množství vody. Co se stalo s rajčaty:
První skenování rajčete bylo provedeno na velké anténě. Výsledkem byl pouze šum se sotva viditelnými obrysy. Podruhé jsem plod umístila na čerstvě vypečenou rezonanční strukturu. Nestavěl jsem barevné mapy nebo něco podobného, protože efekt je zřejmý. Na základě své zkušenosti, i když jsem strávil spoustu času, jsem dokázal, že koncept funguje.
Je jasné, na co myslíš - pomeranče, rajčata - to není všechno, kde jsou testy na lidech?
Opravdu byli :
Ruka dobrovolníka podstupujícího magnetickou rezonanci leží na stejné krabici. Voda samotná v krabici, protože obsahuje vodík, je také dokonale viditelná. K zesílení signálu dochází v oblasti zápěstí, ležící na rezonátoru, zatímco všechny ostatní části těla jsou špatně viditelné. Je jasné, že stejného účinku a možná i lepšího lze dosáhnout použitím standardních klinických spirál. Ale samotná skutečnost, že můžete dělat takové věci jednoduše tím, že prostorově zkombinujete vodu a dráty a zkombinujete je správným způsobem, je úžasná. Ještě úžasnější je, že znalosti o tom lze získat studiem zdánlivě nesouvisejících jevů, jako je lom světla.
Pro ty, kteří ještě nejsou unaveníV tuto chvíli je již design vodního boxu vylepšen. Nyní je to jen plochý plošný spoj, který vám umožní lokalizovat magnetické pole externí velké antény ve vaší blízkosti. Jeho pracovní plocha je navíc větší než u předchozího návrhu:
Barevné pásky ukazují sílu magnetického pole nad strukturou při buzení z vnějšího zdroje elektromagnetických vln. Plochá struktura je typickou přenosovou linkou známou v radiotechnice, ale zároveň ji lze považovat za meteomateriál pro MRI. Tato „bezdrátová cívka“ již může konkurovat standardním cívkám, pokud jde o rovnoměrnost generovaného pole v určité hloubce ve snímaném objektu:
Animace ukazuje vrstvu po vrstvě barevnou mapu signálu uvnitř nádoby na vodu MRI. Barva označuje intenzitu signálů z vodíkových jader. V levém horním rohu je jako přijímač použit segment standardní cívky pro snímání zadní strany. Levý dolní roh je, když je krabice na rezonátoru ve formě desky s plošnými spoji. Vpravo dole - signál přijímá velká anténa zabudovaná v tunelu tomografu. Porovnal jsem rovnoměrnost signálu v oblasti zakroužkované obdélníkem. V určité nadmořské výšce metamateriál funguje lépe než cívka, pokud jde o rovnoměrnost signálu. Pro klinické účely to nemusí být příliš důležitý úspěch, ale pokud jde o vědecká zařízení pro magnetickou rezonanci, kde se skenují krysy, může to pomoci dosáhnout zisku signálu a snížit požadovaný výkon excitačních rádiových pulsů.
O „zlepšeno 2 krát“ na začátku článku - to je samozřejmě další plod neopětované lásky novinářů k vědcům, nicméně je také mylné říkat, že jde o prázdné studie, které posiluje zájem o toto téma ve vědeckých skupinách po celém světě. Kupodivu se pracuje i u nás v Rusku, i když na základě mých čistě osobních zkušeností jde spíše o vzácnou výjimku. Stále existuje mnoho nevyřešených problémů spojených s použitím metamateriálů v MRI. Kromě lokalizace magnetických polí pro získání dobrého obrazu nezapomínejte na elektrická pole, která vedou k zahřívání tkání a také k absorpci tkání pacientů podstupujících vyšetření energie radiofrekvenčního pole. Na tyto věci musí v klinickém použití existovat speciální ovládání, které je při použití pole lokalizujících rezonátorů značně komplikované. Metamateriály pro MRI zatím zůstávají v rámci vědeckého výzkumu, ale již nyní jsou získané výsledky velmi zajímavé a je možné, že v budoucnu se díky nim postup MRI změní k lepšímu, bude rychlejší a bezpečnější.
Zdroj: www.habr.com