En skruetrækker svømmede forbi mit øre. Med en høj lyd, stoppede den på kassen af kryostaten. Jeg bandede for mig selv og besluttede at tage en pause. At skrue bolte af i et magnetfelt på 1,5 tesla ved hjælp af et stålværktøj er ikke ligefrem en god idé. Feltet fungerer som en usynlig modstander, der konstant forsøger at rive værktøjet ud af hænderne på mig, orientere det langs sine kraftlinjer og sende det så tæt som muligt på elektronerne, der løber i en lukket kreds af superleder. Men hvis man virkelig skal overvinde de oksiderede forbindelser fra mange år tilbage, er der ikke meget valg. Jeg satte mig ved computeren og bladrede rutinemæssigt igennem nyhedsstrømmen. "Russiske forskere har forbedret MRT med 2 gange!" lød den mistænkelige overskrift.
For omtrent et år siden, og forstod principperne bag dens funktion. Jeg anbefaler stærkt, at du frisker op i det materiale, før du læser denne artikel.
Af forskellige årsager, herunder historiske, eksisterer der i Rusland i dag produktion af så kompleks udstyr som højfelt magnetisk resonanstomografi. Ikke desto mindre, hvis du bor i en mere eller mindre stor by, vil du uden problemer kunne finde klinikker, der tilbyder denne slags tjenester. Desuden er MRT-skannerne ofte repræsenteret af brugt udstyr, der engang blev importeret fra USA og Europa, og hvis du pludselig skal besøge en klinik med MRT, lad dig ikke narre af maskinens flotte udseende — den kan sagtens være mere end ti år gammel. Som en konsekvens kan sådan udstyr gå i stykker, og jeg har i lang tid været en af dem, der fik de defekte tomografer tilbage i drift, så patienterne kunne fortsætte med at få diagnosticeret, og ejerne kunne fortsætte med at tjene penge.
Indtil en skøn dag, i en pause mellem de farlige aktiviteter med store magnetfelter, jeg snublede over en interessant meddelelse i nyhedsstrømmen: "Russiske forskere sammen med deres hollandske kolleger med metamatériale». Skal man sige, at selve det faktum, at der i Rusland udføres forskning om udstyr, hvis produktion aldrig er blevet mestret, virkede ret og slet ikke overbevisende for mig. Jeg besluttede, at det bare var endnu en form for grantmisbrug, blandet med uforståelige videnskabelige vendinger som de allerede trættende 'nanoteknologier'. Søgningen efter information om emnet for indenlandske forskeres arbejde med MRT og metamatériale førte mig til en artikel, der indeholdt beskrivelsen af et enkelt eksperiment, som jeg nemt kunne gentage, da MRT-apparatet altid var ved hånden.
Billede fra , dedikeret til forstærkning af MRT-signal ved hjælp af den såkaldte «metamatériale». I en typisk klinisk 1.5-Tesla apparat erstattes patienten af metamatérialet, som er en bassinhåndtering af vand, hvor parallelle ledninger af en bestemt længde er placeret. På ledningerne ligger undersøgelsesobjektet - fisken (død). Billederne til højre er de opnåede MRT-billeder af fisken, med en overlejret farvekort, der angiver signalintensiteten fra hydrogenkærnerne. Det ses, at når fisken ligger på ledningerne, er signalet meget bedre, end når den ikke gør. Scanningtiden er i begge tilfælde den samme, hvilket beviser, at scanningen er mere effektiv. I artiklen blev der også omhyggeligt givet
formlen
til at beregne længden af ledningerne af afhængig af tomografens arbejdshyppighed, som jeg benyttede mig af. Jeg lavede mit metamatériale af en cuvette og et antal kobberledninger, udstyret med plastbeslag, som var printet på en 3D-printer:
Mit første metamatériale. Umiddelbart efter fremstillingen blev det stoppet ind i 1-Tesla tomografen. Appelsinen fungerede som scanningsobjekt.
Men i stedet for den lovede signalforstærkning, modtog jeg en bunke artefakter, der helt ødelagde billedet! Jeg kunne ikke tro mine egne øjne! Efter at have spist det undersøgte, skrev jeg et brev til forfatterne af artiklen, hvor indholdet kan opsummeres med spørgsmålet "Hvad i alverden ...?".
Forfatterne svarede mig ret hurtigt. De var ganske imponerede over, at nogen forsøgte at gentage deres eksperimenter. Først forsøgte de længe at forklare mig, hvordan metamaterialer egentlig fungerer, ved at bruge termer som "Fabry-Pérot-resonanser", "egenmode" og forskellige radiofrekvensfelter i volumen. Senere, efter at have forstået, at jeg slet ikke forstod, hvad de talte om, besluttede de at invitere mig hjem til dem, så jeg kunne se deres udviklinger live og blive overbevist om, at det faktisk fungerer. Jeg pakkede min yndlingsloddekolbe i rygsækken og rejste til Sankt Petersborg, til det nationale forskningsuniversitet for informations teknologi, mekanik og optik (som det viste sig, uddanner de ikke kun programmører der).
På stedet blev jeg hjerteligt mødt, og pludselig tilbød de mig et job, da de var imponerede over mit apparat med ledninger, og de havde brug for en person til at skabe nye. Til gengæld lovede de at forklare alt, hvad jeg var interesseret i, og gennemføre et kursus i radiophysik og MR, som tilfældigvis startede det år. Min trang til viden sejrede, og derefter, i løbet af et år, studerede jeg, lavede projekter og arbejdede, mens jeg gradvist lærte nye ting om historien om magnetisk resonans samt tilstanden for moderne videnskab på dette område, som jeg vil dele her.
I grundlaget for metoden til den foreslåede forbedring af MR, og som undersøgt i de nævnte videnskabelige artikler, ligger de såkaldte "metamaterialer". Metamaterialer, ligesom mange andre opdagelser, skyldes deres tilsynekomst uventede løsninger opnået på baggrund af teoretiske undersøgelser. Den sovjetiske forsker, Viktor Veselago, foreslog i 1967, mens han arbejdede med en teoretisk model, eksistensen af materialer med en negativ brydningskoefficient. Som du allerede har forstået, handler det om optik, og dette koefficient, for at sige det enkelt, angiver, hvor meget lys ændrer retning, når det passerer grænsen mellem forskellige medier, for eksempel luft og vand. Det er let at overbevise sig selv om, at det virkelig sker:
Et simpelt eksperiment med en laserpointer og et akvarium, der demonstrerer lysbrydning.
En interessant fakt, der kan udsættes af et sådant eksperiment — en lysstråle kan ikke brydes i samme retning, som den faldt på grænsen mellem medierne, uanset hvor meget eksperimentatoren prøver. Et sådant eksperiment blev udført med alle stoffer, der findes i naturen, men strålen blev stædigt brudt kun i én retning. Rent matematisk betyder det, at brydningsindekset, ligesom de størrelser, der udgør det, dielektrisk og magnetisk permeabilitet, er positive, og der er aldrig observeret noget andet. I hvert fald indtil V. Veselago besluttede at undersøge dette spørgsmål og viste, at der teoretisk set ikke er nogen grund til, at brydningsindekset ikke kan være negativt.
Billedet fra Wikipedia, der viser forskellen mellem medier med positivt og negativt brydningsindeks. Som vi ser, opfører lys sig helt unaturligt i forhold til vores dagligdags erfaring.
V. Veselago forsøgte i lang tid at finde beviser for eksistensen af materialer med negativt brydningsindeks, men søgningen bar ikke frugt, og hans arbejde blev uretfærdigt glemt. Først i begyndelsen af det næste århundrede blev der kunstigt skabt kompositstrukturer, der realiserede de beskrevne egenskaber, men ikke i det optiske område, men i et lavere mikrobølgespektrum. Dette blev et vendepunkt, da muligheden for at eksistensen af sådanne materialer åbnede nye perspektiver. For eksempel — skabelse , der kan forstørre objekter, der endda er mindre end lysbølgelængden. Eller absolute usynlighedsdækkende belægninger, drømmen for alle militære. Der blev foretaget betydelige ændringer i teorien, der tog højde for nye data. Nøglen til succes var brugen af ordnede strukturer af resonanselementer — metaatomer, hvis størrelse er meget mindre end bølgelængden af den stråling, de interagerer med. Den ordnede struktur af metaatomer — er et kunstigt komposit, der kaldes metamateriale.
Den praktiske implementering af metamaterialer er teknologisk kompleks selv i dag, da størrelsen af resonanspartikler skal være sammenlignelig mindre end bølgelængden af elektromagnetisk stråling. For det optiske spektrum (hvor bølgelængden er i nanometer) er sådanne teknologier på kanten af, hvad der er muligt at opnå. Derfor er det ikke overraskende, at de første repræsentanter for konceptet metamaterialer blev skabt til relativt længere elektromagnetiske bølger fra radiobåndet (som har mere velkendte længder fra mm til m). Den primære funktion og samtidig ulempe ved ethvert metamateriale er konsekvensen af den resonansprægede natur af dets bestanddele. Et metamateriale kan kun udvise sine fantastiske egenskaber ved bestemte frekvenser.
Begrænsede frekvenser.Så når du næste gang ser noget som en super-lyddæmper baseret på metamaterialer, så spørg dig selv, hvilken frekvensområde den faktisk dæmper.
Typiske eksempler på metamaterialer, der tillader interaktion med elektromagnetiske bølger. Strukturer af ledere er i bund og grund små resonatorer, LC-kredsløb, der dannes af den rumlige position af lederne.
Der er gået lidt tid siden konceptet med metamaterialer og deres første implementeringer opstod, før folk kom på at bruge dem i MR-scanning. Den primære ulempe ved metamaterialer – det smalle arbejdsområde – er ikke et problem for MR, hvor alle processer foregår praktisk talt ved en enkelt frekvens af magnetisk resonans for kerner, som ligger i radiobåndet. Her kan du selv skabe meta-atomer og straks se, hvad der kommer frem på billederne. Blandt de første funktioner, som forskere implementerede i MR med brug af metamaterialer, var superlinser og endoskoper.
På venstre side under bogstav a) vises en superlinse, der består af et 3D-netværk af resonatorer på printplader. Hver resonator er en åben metalring med en loddet kondensator, der danner et LC-kredsløb, som er afstemt til MRT-frekvensen. Herunder er et eksempel på placeringen af denne struktur af metamateriale mellem patientens ben under tomografiproceduren, og de billeder, der er opnået efterfølgende. Hvis du tidligere ikke har været tilbageholdende med at læse min tidligere artikel om MRT, ved du allerede, at for at få et billede af et givent område af patientens krop er det nødvendigt at opsamle svage, hurtigt afdæmpede signals fra kerner ved hjælp af en tæt placeret antenne - spolen.
Superlinsen lavet af metamateriale muliggør en større dækning af den standard spole. For eksempel at visualisere begge ben på patienten på én gang i stedet for kun ét. Af de dårlige nyheder skal positionen af superlinsen vælges på en bestemt måde for at opnå den bedste effekt, og selve superlinsen er ret dyr at fremstille. Hvis du stadig ikke forstår, hvorfor denne linse kaldes en super-, så vurder dens størrelse på billedet og forstå derefter, at den arbejder med en bølgelængde på cirka fem meter!
Under bogstav b) vises konstruktionen af endoskopet. I bund og grund er endoskopet til MRT et array af parallelle ledninger, der fungerer som en waveguide. Det muliggør at rumligt adskille det regionale område, hvor spolen modtager signalet fra kernerne, og selve spolen på en betydelig afstand - op til det punkt, hvor modtagerantennen helt kan placeres uden for tomografens kryostat, langt fra det permanente magnetfelt. I de nederste billeder af faneblad b) præsenteres billeder modtaget fra et specielt væskefyldt fartøj - en phantom. Forskellen mellem dem er, at billederne mærket "endoskop" blev opnået, mens spolen var placeret på en betydelig afstand fra phantomet, hvor signalerne fra kernerne slet ikke ville kunne registreres uden endoskopet.
Når man taler om et af de mest lovende anvendelsesområder for metamatérialer i MR-scanning, som er tættest på praktisk implementering (hvortil jeg også endte med at involvere mig) – er det skabelsen af trådløse spoler. Det skal understreges, at dette ikke handler om Bluetooth eller en anden trådløs datatransmissionsteknologi. "Trådløs" her henviser til tilstedeværelsen af induktiv eller kapacitiv forbindelse mellem to resonansstrukturer – en modtager/afsender antenne samt metamatérialet. I konceptet ser det sådan ud:
Til venstre ses, hvordan en MR-procedure normalt udføres: Patienten ligger inde i en kryostat i en zone med et homogent statisk magnetfelt. I tunnelens tomograf er der monteret en stor antenne kaldet "fuglebur". En antenne med denne konfiguration gør det muligt at rotere vektoren af det radiobølgemagnetiske felt med frekvensen for præcessionen af hydrogenkerner (for kliniske maskiner er dette normalt fra 40 til 120 MHz afhængigt af værdien af det statiske magnetfelt fra 1T til 3T), hvilket får dem til at absorbere energi og derefter udsende til svar. Det svarende signal fra kernerne er meget svagt, og når det når ledningerne til den store antenne, vil det uundgåeligt dæmpes. Af denne grund anvendes nærtliggende lokale spoler til at modtage signaler i MR-scanning. På billedet i midten, for eksempel, vises en typisk scanning af et knæ. Med metamatérialer kan der laves en resonator, der vil være induktivt forbundet til fugleburet. Det er tilstrækkeligt at placere sådan en enhed tæt på det relevante område af patientens krop, og signalet derfra vil blive modtaget lige så godt som med en lokal spole! Hvis konceptet lykkes, vil patienterne ikke længere skulle kæmpe med ledninger, og MR-diagnosticeringsproceduren vil blive mere behagelig.
Netop sådan en enhed prøvede jeg i starten at skabe, ved at dyppe ledninger i vand og forsøge at scanne en appelsin. Ledningerne, der er nedsænket i vand fra det første billede i denne artikel – er intet andet end metaatomer, hvor hver enkelt repræsenterer en halv-bølge dipol – en af de mest kendte antennekonstruktioner, som enhver radioentusiast kender.
De putter dem ned i vandet ikke for at forhindre, at de brænder op i MR-scanneren (selvom det også er en grund)), men for at reducere deres resonanslængde takket være den høje dielektriske permeabilitet af vand, præcist med en værdi lig med kvadratroden af vandets dielektriske permeabilitet.
Denne teknik har længe været anvendt i radiomodtagere ved at vikle ledninger omkring et stykke ferrit — den såkaldte ferritantenn. Ferrit har høj magnetisk permeabilitet, men ikke dielektrisk, hvilket dog virker på samme måde og gør det muligt at reducere antennens resonansdimensioner. I MR-scanneren kan man desværre ikke bruge ferrit, da det er magnetisk. Vand er en billig og tilgængelig alternativ.
Det er klart, at til beregning af alle disse ting er det nødvendigt at opbygge komplekse matematiske modeller, der tager højde for sammenhænge mellem resonanskomponenter, miljøparametre og strålingskilder... eller også kan man drage fordel af fremskridtene inden for software til numerisk elektromagnetisk modellering, som selv en skoleelev nemt kan forstå (lysende eksempler — CST, HFSS). Softwaren giver mulighed for at skabe 3D-modeller af resonatorer, antenner, elektriske kredsløb og tilføje mennesker til dem – ja, faktisk alt, hvad man kan forestille sig, spørgsmålene er blot om fantasi og de tilgængelige beregningsressourcer. De byggede modeller deles op i netværk, hvor de kendte Maxwells ligninger løses ved noderne.
Her er for eksempel modelleringen af det radiomagnetiske felt inden i den førnævnte fuglebur-antennes type:
Det bliver straks ret tydeligt, hvordan feltet roterer. Til venstre vises situationen, når der er en kasse med vand inde i antennen, og til højre — når den samme kasse er på en resonator lavet af ledninger med resonanslængde. Det er tydeligt, hvordan det magnetiske felt betydeligt forstærkes takket være ledningerne. Efter at have mestret CST og optimeret min konstruktion, lavede jeg endnu engang et metamateriale, der virkelig gjorde det muligt at forstærke signalet i en standard klinisk 1.5T MR-scanner. Det bestod stadig af en kasse (dog mere æstetisk, lavet af akryl), fyldt med vand og et stort antal ledninger. Denne gang var strukturen optimeret med hensyn til resonansforhold, nemlig: valg af ledningernes længde, deres placering samt mængden af vand. Her er resultatet med tomaten:
Den første scanning af tomaten blev udført på en stor antenne. Resultatet var kun støj med svage konturer, der lige akkurat kunne skimtes. Anden gang placerede jeg frugten på en nyfremstillet resonanskonstruktion. Jeg valgte ikke at lave farvekort eller noget lignende, da effekten tydeligt kunne ses. Derved har jeg, på min egen erfaring og efter at have brugt meget tid, bevist, at konceptet fungerer.
Det er klart, hvad du tænker på — appelsiner, tomater — det er ikke det, hvor er forsøgene på mennesker?
De blev faktisk :
En frivillig hånd, der får en MRT, ligger på den samme kasse. Vandet i kassen, som indeholder brint, er også tydeligt synligt. Signalet forstærkes i området omkring håndleddet, der ligger på resonatoren, mens de andre dele af kroppen er dårligt synlige. Det er indlysende, at man kan opnå en lignende effekt, måske endda bedre, ved at bruge standard kliniske spoler. Men selve faktum, at sådanne ting kan gøres, ved blot at kombinere vand og ledninger på en rumligt passende måde, er besnærende. Endnu mere overraskende er, at denne viden kan opnås gennem forskning af tilsyneladende urelaterede fænomener, såsom lysbrydning.
For dem der ikke er trætte endnuPå nuværende tidspunkt er konstruktionen af vandkassen allerede forbedret. Nu er det blot et fladt printkort, der muliggør at lokalisere det magnetiske felt fra den store eksterne antenne omkring sig. Desuden er dens arbejdsområde større end den tidligere konstruktion:
Farvede bånd viser intensiteten af det magnetiske felt over strukturen, når det exciteres af en ekstern kilde af elektromagnetiske bølger. Den flade struktur fungerer som en typisk transmissionslinje, kendt i radioteknik, men kan samtidig også betragtes som et metamateriale til MRT. Denne "trådløse spole" kan allerede konkurrere med standard spoler i ensartethed af det genererede felt på en vis dybde i scanningsemnet:
Animation shows layer by layer a color map of the signal inside a box of water in MRI. The color indicates the intensity of signals from hydrogen nuclei. In the upper left corner, a segment of a standard coil is used as a receiver for scanning the back. The lower left corner shows when the box is placed on a resonator shaped like a circuit board. In the bottom right, a large antenna built into the tomograph tunnel receives the signal. I compared the uniformity of the signal in the area outlined by the rectangle. At a certain height, the metamaterial performs better than the coil in terms of signal uniformity. For clinical tasks, this may not be a significant achievement, but when it comes to scientific MRI setups scanning rats, it could help achieve a signal boost and reduce the required power of the exciting radio pulses.
The phrase "improved by 2 times" at the beginning of the article — of course, this is just another product of the journalists' infatuation with scientists, but it would also be wrong to say that these studies are meaningless, which is supported by interest in this topic among scientific groups worldwide. Surprisingly, work is also being done here in Russia, although based on my own personal experience, this is rather a rare exception. There are still many unresolved issues related to the use of metamaterials in MRI. Besides localizing magnetic fields to obtain a good image, we must also remember the electric fields that lead to tissue heating, as well as the absorption of energy from the radiofrequency field by the tissues of patients undergoing examination. Special control is required for these factors in clinical use, which becomes much more complicated with the use of field-localizing resonators. For now, metamaterials for MRI remain within the realm of scientific research, but the results obtained are already quite interesting, and perhaps in the future, MRI procedures will improve thanks to them, becoming faster and safer.
Kilde: habr.com
