En skruetrækker fløjtede forbi mit øre. Med en høj ringende lyd frøs hun fast på kryostatkroppen. Jeg bandede for mig selv og besluttede at tage en pause. Det er ikke en god idé at skrue bolte af i et magnetfelt på 1.5 Tesla ved hjælp af et stålværktøj. Feltet, som en usynlig fjende, forsøger konstant at snuppe instrumentet fra hænderne, orientere det langs dets kraftlinjer og rette det så tæt som muligt på elektronerne, der løber i en lukket cirkel fra superlederen. Men hvis du virkelig har brug for at besejre forsurede forbindelser fra mange år siden, er der ikke meget valg. Jeg satte mig ved computeren og plejede at rulle gennem nyhedsstrømmen. "Russiske videnskabsmænd har forbedret MRI med 2 gange!" - læs den mistænkelige overskrift.
For omkring et år siden, vi og forstod essensen af hans arbejde. Jeg anbefaler kraftigt, at du genopfrisker din hukommelse om dette materiale, før du læser denne artikel.
Af forskellige årsager, herunder historiske, i Rusland i dag produktion af så komplekst udstyr som højfeltsmagnetiske resonansscannere. Men bor du i en større by, kan du sagtens finde klinikker, der leverer denne type service. Samtidig er flåden af MR-scannere ofte repræsenteret af brugt udstyr, når det først er importeret fra USA og Europa, og hvis du pludselig skal besøge en klinik med en MR-scanner, så lad dig ikke snyde af enhedens smukke udseende - det kan meget vel være i sit andet årti. Som et resultat går sådant udstyr nogle gange i stykker, og i lang tid var jeg en af dem, der returnerede ødelagte tomografer til service, så patienterne kunne fortsætte med at gennemgå diagnostik, og ejerne kunne tjene penge.
Indtil jeg en skønne dag, i en pause mellem farlig underholdning med enorme magnetfelter, stødte på en interessant inskription i nyhedsstrømmen: "Russiske videnskabsmænd sammen med hollandske kolleger ved hjælp af metamaterialer." Det er overflødigt at sige, at selve det faktum, at Rusland forsker i udstyr, hvis produktion aldrig er blevet mestret, forekom mig meget, meget kontroversielt. Jeg besluttede, at dette blot var endnu en runde af bevillinger, udvandet med uforståelige videnskabelige buzzwords som "nanoteknologien", som alle allerede var trætte af. En søgning efter information om emnet for indenlandske forskeres arbejde med MRI og metamaterialer førte mig til en artikel, der indeholdt en beskrivelse af et simpelt eksperiment, som jeg nemt kunne gentage, da MR-maskinen altid er ved hånden.
Billede fra , dedikeret til at forbedre MR-signalet ved hjælp af det såkaldte "metamateriale". I et typisk klinisk 1.5 - termisk apparat, i stedet for patienten, er metamateriale påfyldt, i form af et bassin med vand, inden for hvilket parallelle ledninger af en vis længde er placeret. På ledningerne ligger studieobjektet - en fisk (ikke-levende). Billederne til højre er MRI-billeder af fiskene, med et farvekort overlejret, der angiver brintkernernes signalintensitet. Det kan ses, at når fisken ligger på ledningerne, er signalet meget bedre end uden dem. Scanningstiden er den samme i begge tilfælde, hvilket beviser, at scanningseffektiviteten er øget. Artiklen er også nøje inkluderet
formel
at beregne længden af ledningerne afhængig af tomografens driftsfrekvens, som jeg brugte. Jeg lavede mit metamateriale af en kuvette og en række kobbertråde og forsynede dem med 3D-printede plastikbefæstelser:
Mit første metamateriale. Umiddelbart efter produktionen blev den sat i en 1 Tesla tomograf. Orangen fungerede som et objekt, der skulle scannes.
Men i stedet for den lovede signalforbedring modtog jeg en masse artefakter, der fuldstændig spolerede billedet! Min indignation kendte ingen grænser! Efter at have afsluttet emnet skrev jeg et brev til forfatterne af artiklen, hvis betydning kan reduceres til spørgsmålet "Hvad ...?"
Forfatterne svarede mig ret hurtigt. De var ret imponerede over, at nogen forsøgte at replikere deres eksperimenter. Først forsøgte de i lang tid at forklare mig, hvordan metamaterialer faktisk fungerer, ved at bruge udtrykkene "Fabry-Perot-resonanser", "intrinsiske tilstande" og alle mulige radiofrekvensfelter i lydstyrken. Så, da de åbenbart indså, at jeg slet ikke forstod, hvad de talte om, besluttede de at invitere mig til at besøge dem, så jeg kunne se på deres udvikling live og sikre mig, at det stadig fungerer. Jeg smed mit yndlingsloddekolbe i min rygsæk og tog til St. Petersborg, til National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics (som det viste sig, er ikke kun programmører uddannet der).
Jeg blev budt hjerteligt velkommen på stedet, og pludselig tilbød de mig et job, da de var imponerede over min grøft med ledninger, og de manglede en person til at skabe nye. Til gengæld lovede de at forklare i detaljer alt, hvad der interesserer mig, og at tage et kursus i radiofysik og MR, som ved et heldigt tilfælde startede præcis det år. Min tørst efter viden vandt, og så gennem hele året studerede jeg, lavede projekter og arbejdede, efterhånden lærte jeg flere og flere nye ting om magnetisk resonans historie, såvel som den moderne videnskabs tilstand på dette område, som jeg vil del her.
Metoden til foreslået forbedring af MR, og studeret i de nævnte videnskabelige artikler, er baseret på de såkaldte "metamaterialer". Metamaterialer, som mange andre opdagelser, skylder deres udseende uventede løsninger opnået på grundlag af teoretisk forskning. Sovjetisk videnskabsmand, Viktor Veselago, i 1967, der arbejdede på en teoretisk model, foreslog eksistensen af materialer med et negativt brydningsindeks. Som du allerede forstår, taler vi om optik, og værdien af denne koefficient betyder groft sagt, hvor meget lys vil ændre retning, når det passerer gennem grænsen mellem forskellige medier, for eksempel luft og vand. Du kan nemt selv kontrollere, at dette virkelig sker:
Et simpelt eksperiment med en laserpointer og et akvarium til at demonstrere lysets brydning.
En interessant kendsgerning, som kan læres af et sådant eksperiment, er, at strålen ikke kan brydes i samme retning fra hvor den faldt på grænsefladen, uanset hvor hårdt forsøgslederen prøver. Dette forsøg blev udført med alle naturligt forekommende stoffer, men strålen blev stædigt kun brudt i én retning. Matematisk betyder det, at brydningsindekset, såvel som dets bestanddele, dielektrisk og magnetisk permeabilitet, er positivt, og det er aldrig blevet observeret ellers. I det mindste indtil V. Veselago besluttede at studere dette spørgsmål og viste, at der teoretisk set ikke er en eneste grund til, at brydningsindekset ikke kan være negativt.
Billede fra Wiki, der viser forskellen mellem positive og negative indeksmedier. Som vi ser, opfører lyset sig helt unaturligt, sammenlignet med vores hverdagsoplevelse.
V. Veselago forsøgte i lang tid at finde beviser for eksistensen af materialer med et negativt brydningsindeks, men søgningen var mislykket, og hans arbejde blev ufortjent glemt. Det var først i begyndelsen af det næste århundrede, at der kunstigt blev skabt sammensatte strukturer, der realiserede de beskrevne egenskaber, men ikke i det optiske, men i det lavere mikrobølgefrekvensområde. Hvilket var et vendepunkt, da selve muligheden for eksistensen af sådanne materialer åbnede nye perspektiver. For eksempel - skabelse , i stand til at forstørre objekter, der er endnu mindre end lysets bølgelængde. Eller - absolut camouflage usynlighedsbetræk, drømmen for alt militært personel. Der blev foretaget store ændringer i teorien for at tage 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, som de interagerer med. En ordnet struktur af meta-atomer er en kunstig komposit kaldet et metamateriale.
Den praktiske implementering af metamaterialer er selv i dag teknologisk kompleks, da størrelsen af de resonante partikler skal være sammenlignelig med mindre end bølgelængden af elektromagnetisk stråling. For det optiske område (hvor bølgelængden er nanometer) er sådanne teknologier på forkant med fremskridtet. Derfor er det ikke overraskende, at de første repræsentanter for metamateriale-konceptet blev skabt til relativt længere elektromagnetiske bølger fra radioområdet (som har en mere velkendt længde fra mm til m). Hovedtrækket og samtidig ulempen ved ethvert metamateriale er en konsekvens af den resonante natur af dets bestanddele. Metamateriale kan kun udvise sine mirakuløse egenskaber ved bestemte frekvenser.
Begrænsede frekvenser.Derfor, for eksempel, næste gang du ser noget som en super-lyd jammer baseret på metamaterialer, så spørg hvilket frekvensområde den faktisk jammer.
Typiske eksempler på metamaterialer, der tillader interaktion med elektromagnetiske bølger. Lederstrukturer er intet andet end små resonatorer, LC-kredsløb dannet af ledernes rumlige position.
Der er gået lidt tid siden fremkomsten af begrebet metamaterialer og deres første implementeringer, og folk fandt ud af, hvordan de skulle bruge dem i MRI. Den største ulempe ved metamaterialer er, at det snævre driftsområde ikke er et problem for MR, hvor alle processer foregår ved næsten den samme kernemagnetiske resonansfrekvens, som ligger i radioområdet. Her kan du skabe meta-atomer med dine egne hænder og med det samme se, hvad der sker på billederne. En af de første funktioner, som forskere implementerede i MRI ved hjælp af metamaterialer, var superlinser og endoskoper.
På venstre side under bogstavet a) er vist en superlinse, bestående af en tredimensionel række af resonatorer på printplader. Hver resonator er en åben metalring med en loddet kondensator, der danner et LC-kredsløb indstillet til MRI-frekvensen. Nedenfor er et eksempel på at placere denne metamateriale struktur mellem benene på en patient, der gennemgår en tomografiprocedure, og følgelig de resulterende billeder. Hvis du ikke tidligere har foragtet rådet om at læse min tidligere artikel om MR, så ved du allerede, at for at få et billede af en hvilken som helst del af patientens krop, er det nødvendigt at indsamle svage, hurtigt henfaldende nukleare signaler ved hjælp af en tæt placeret antenne - en spole.
Metamateriale-superlinsen giver dig mulighed for at øge aktionsområdet for en standardspole. Visualiser f.eks. patientens begge ben på én gang i stedet for kun det ene. Den dårlige nyhed er, at placeringen af superlinsen skal vælges på en bestemt måde for den bedste effekt, og selve superlinsen er ret dyr at fremstille. Hvis du stadig ikke forstår, hvorfor denne linse kaldes et superpræfiks, så estimer dens størrelse ud fra billedet, og indse, at den fungerer med en bølgelængde på omkring fem meter!
Bogstav b) viser endoskopets design. I det væsentlige er et MR-endoskop en række parallelle ledninger, der fungerer som en bølgeleder. Det giver dig mulighed for rumligt at adskille området, hvorfra spolen modtager signalet fra kernerne og selve spolen med en betydelig afstand - til det punkt, at modtagerantennen kan placeres helt uden for tomografens kryostat, langt fra den konstante magnetiske Mark. De nederste billeder af fane b) viser billeder opnået for en speciel væskefyldt beholder - et fantom. Forskellen mellem dem er, at billederne mærket "endoskop" blev opnået, når spolen var i en anstændig afstand fra fantomet, hvor uden endoskopet ville signalerne fra kernerne være fuldstændig umulige at opdage.
Hvis vi taler om et af de mest lovende anvendelsesområder for metamaterialer i MRI, og det tætteste på dens praktiske implementering (som jeg til sidst blev involveret i) er oprettelsen af trådløse spoler. Det er værd at præcisere, at vi ikke taler om Bluetooth eller anden trådløs dataoverførselsteknologi her. "Trådløs" betyder i dette tilfælde tilstedeværelsen af induktiv eller kapacitiv kobling af to resonansstrukturer - en transceiverantenne såvel som et metamateriale. I konceptet ser det sådan ud:
Til venstre ses, hvordan en MR-procedure normalt foregår: patienten ligger inde i en kryostat i et område med et ensartet statisk magnetfelt. En stor antenne kaldet et "fuglebur" er monteret i tomograftunnelen. En antenne med denne konfiguration giver dig mulighed for at rotere vektoren af det radiofrekvensmagnetiske felt med præcessionsfrekvensen af brintkerner (for kliniske maskiner er dette normalt fra 40 til 120 MHz afhængigt af størrelsen af det statiske magnetfelt fra 1T til 3T, henholdsvis), hvilket får dem til at absorbere energi og derefter udsende energi som svar . Svarsignalet fra kernerne er meget svagt, og når det når lederne af en stor antenne, vil det uundgåeligt falme. Af denne grund bruger MRI tæt anbragte lokale spoler til at modtage signaler. Billedet i midten viser for eksempel en typisk knæscanningssituation. Ved hjælp af metamaterialer er det muligt at lave en resonator, der induktivt kobles til et fuglebur. Det er nok at placere sådan noget nær det ønskede område af patientens krop, og signalet derfra modtages ikke værre end med en lokal spole! Hvis konceptet implementeres med succes, behøver patienterne ikke længere at blive viklet ind i ledninger, og den MR-diagnostiske procedure bliver mere behagelig.
Det er præcis den slags ting, jeg prøvede at lave i starten, ved at fylde ledningerne med vand og prøve at scanne en appelsin. Ledningerne nedsænket i vand fra det allerførste billede i denne artikel er intet andet end metaatomer, som hver repræsenterer en halvbølgedipol - et af de mest berømte antennedesign, kendt for enhver radioamatør.
De nedsænkes i vand, ikke for at de ikke skal antændes i MR (dog også til dette formål)), men for på grund af vands høje dielektriske konstant at reducere deres resonanslængde med nøjagtig en mængde svarende til kvadratet roden af vands dielektriske konstant.
Denne chip har længe været brugt i radiomodtagere, vikling af ledning på et stykke ferrit - den såkaldte. ferrit antenne. Kun ferrit har en høj magnetisk permeabilitet, og ikke en dielektrisk, som dog fungerer på samme måde og gør det muligt at reducere antennens resonansdimensioner tilsvarende. Desværre kan du ikke sætte ferrit i en MR, fordi... det er magnetisk. Vand er et billigt og tilgængeligt alternativ.
Det er klart, at for at beregne alle disse ting, skal du bygge meget komplekse matematiske modeller, der tager højde for forholdet mellem resonanselementer, miljøparametre og strålingskilder... eller du kan drage fordel af frugterne af fremskridt og software til numerisk elektromagnetisk modellering, som selv et skolebarn let kan forstå (de mest slående eksempler - CST, HFSS). Softwaren giver dig mulighed for at skabe 3D-modeller af resonatorer, antenner, elektriske kredsløb, føje folk til dem - ja, faktisk, alt hvad du vil, det eneste spørgsmål er din fantasi og tilgængelig computerkraft. De konstruerede modeller er opdelt i gitter, ved hvilke knudepunkter de velkendte Maxwell-ligninger er løst.
Her er for eksempel en simulering af det radiofrekvente magnetfelt inde i den tidligere nævnte fuglebur-antenne:
Det bliver straks ret tydeligt, hvordan feltet roterer. Situationen til venstre er vist, når der er en kasse med vand inde i antennen, og til højre - når den samme boks er på en resonator lavet af ledninger af resonanslængde. Du kan se, hvordan magnetfeltet forstærkes markant af ledningerne. Efter at have mestret CST og optimeret mit design der, lavede jeg endnu engang et metamateriale, som faktisk gjorde det muligt at forstærke signalet i en standard klinisk 1.5T MR tomograf. Det var stadig en kasse (dog smukkere, lavet af plexiglas), fyldt med vand og en række ledninger. Denne gang blev strukturen optimeret med hensyn til resonansforhold, nemlig: valg af længden af ledningerne, deres placering og mængden af vand. Her er hvad der skete med tomaten:
Den første scanning af tomaten blev udført med en stor antenne. Resultatet var bare støj med knap synlige konturer. Anden gang placerede jeg frugten på en nybagt resonansstruktur. Jeg byggede ikke farvede kort eller lignende, da effekten er tydelig. Af egen erfaring beviste jeg således, at konceptet virker, selvom jeg brugte meget tid.
Det er tydeligt, hvad du tænker - appelsiner, tomater - det er helt forkert, hvor er de menneskelige forsøg?
Det var de virkelig :
Hånden på en frivillig, der gennemgår en MR-scanning, ligger på den samme boks. Selve vandet i kassen, da det indeholder brint, er også tydeligt synligt. Signalet forstærkes i det område af håndleddet, der ligger på resonatoren, mens alle andre dele af kroppen er dårligt synlige. Det er klart, at den samme effekt, og måske endda bedre, kan opnås ved brug af standard kliniske spoler. Men selve det faktum, at du kan gøre sådanne ting blot ved rumligt at kombinere vand og ledninger, kombinere dem på den rigtige måde, er fantastisk. Endnu mere forbløffende kan viden om dette opnås gennem studiet af tilsyneladende ikke-relaterede fænomener, såsom lysets brydning.
Til dem der ikke er trætte endnuI øjeblikket er designet af vandkassen allerede blevet forbedret. Nu er det bare et fladt printkort, der giver dig mulighed for at lokalisere magnetfeltet på en ekstern stor antenne nær dig. Desuden er dets arbejdsområde større end det tidligere design:
De farvede bånd angiver den magnetiske feltstyrke over strukturen, når den exciteres af en ekstern kilde til elektromagnetiske bølger. Den flade struktur er en typisk transmissionslinje kendt i radioteknik, men kan også betragtes som et metamateriale til MRI. Denne "trådløse spole" kan allerede konkurrere med standardspoler med hensyn til ensartetheden af det genererede felt i en bestemt dybde i det scannede objekt:
Animationen viser et lag-for-lag farvekort af signalet inde i en kasse med vand i en MRI. Farve angiver intensiteten af signaler fra brintkerner. I øverste venstre hjørne bruges et segment af en standard tilbagescanningsspole som modtager. Det nederste venstre hjørne er, når boksen placeres på en resonator i form af et printkort. Nederst til højre - signalet modtages af en stor antenne indbygget i tomograftunnelen. Jeg sammenlignede signalens ensartethed i området skitseret af rektanglet. I en vis højde yder metamaterialet bedre end spolen med hensyn til signalens ensartethed. Til kliniske formål er dette måske ikke en særlig vigtig bedrift, men når det kommer til videnskabelige MR-installationer, hvor rotter scannes, kan det hjælpe med at opnå en stigning i signalet og et fald i den nødvendige effekt af spændende radioimpulser.
Om "forbedret med 2 gange" i begyndelsen af artiklen - selvfølgelig er dette endnu en frugt af journalisters ulykkelige kærlighed til videnskabsmænd, men det er også forkert at sige, at dette er tom forskning, som understøttes af interessen for dette emne i videnskabelige grupper rundt om i verden. Overraskende nok udføres der også arbejde her i Rusland, selvom det baseret på min rent personlige erfaring er en ret sjælden undtagelse. Der er stadig mange uløste problemer forbundet med brugen af metamaterialer i MR. Ud over at lokalisere magnetiske felter for at opnå et godt billede, glem ikke elektriske felter, der fører til vævsopvarmning, såvel som absorptionen af radiofrekvensfeltenergi af væv hos patienter, der gennemgår undersøgelse. Til disse ting skal der i klinisk brug være en særlig kontrol, som bliver meget mere kompliceret ved brug af feltlokaliserende resonatorer. Indtil videre forbliver metamaterialer til MR inden for omfanget af videnskabelig forskning, men de opnåede resultater er allerede meget interessante, og måske i fremtiden, takket være dem, vil MR-proceduren ændre sig til det bedre, blive hurtigere og sikrere.
Kilde: www.habr.com