Ein Schraubenzieher pfiff an meinem Ohr vorbei. Mit einem lauten Klingeln erstarrte sie am Körper des Kryostats. Ich fluchte vor mich hin und beschloss, eine Pause einzulegen. Das Lösen von Schrauben in einem Magnetfeld von 1.5 Tesla mit einem Stahlwerkzeug ist keine gute Idee. Das Feld versucht wie ein unsichtbarer Feind ständig, das Instrument aus den Händen zu reißen, es entlang seiner Kraftlinien auszurichten und es so nah wie möglich an die Elektronen zu richten, die in einem geschlossenen Kreis vom Supraleiter ausgehen. Wenn Sie jedoch wirklich versauerte Verbindungen von vor vielen Jahren bekämpfen müssen, gibt es keine große Wahl. Ich setzte mich an den Computer und scrollte gewohnheitsmäßig durch den Newsfeed. „Russische Wissenschaftler haben die MRT um das Zweifache verbessert!“ - Lesen Sie die verdächtige Schlagzeile.
Vor etwa einem Jahr haben wir und verstand die Essenz seiner Arbeit. Ich empfehle Ihnen dringend, Ihre Erinnerung an dieses Material aufzufrischen, bevor Sie diesen Artikel lesen.
Aus verschiedenen Gründen, auch historischen, im heutigen Russland Herstellung solch komplexer Geräte wie Hochfeld-Magnetresonanztomographen. Wenn Sie jedoch in einer größeren Stadt leben, können Sie leicht Kliniken finden, die diese Art von Service anbieten. Gleichzeitig besteht die Flotte der MRT-Scanner oft aus gebrauchten Geräten, die einst aus den USA und Europa importiert wurden, und wenn Sie plötzlich eine Klinik mit einem MRT aufsuchen müssen, lassen Sie sich nicht von der schönen Optik des Geräts täuschen – es könnte durchaus sein, dass es bereits das zweite Jahrzehnt ist. Die Folge ist, dass solche Geräte manchmal kaputt gehen, und ich gehörte lange Zeit zu den Menschen, die kaputte Tomographen wieder in Betrieb genommen haben, damit die Patienten weiterhin diagnostiziert werden konnten und die Besitzer einen Gewinn erzielen konnten.
Bis ich eines schönen Tages, während einer Pause zwischen gefährlichen Unterhaltungen mit enormen Magnetfeldern, im Newsfeed auf eine interessante Inschrift stieß: „Russische Wissenschaftler zusammen mit niederländischen Kollegen Verwendung von Metamaterialien. Unnötig zu erwähnen, dass mir die Tatsache, dass Russland an Geräten forscht, deren Herstellung nie gemeistert wurde, sehr, sehr umstritten erschien. Ich entschied, dass dies nur eine weitere Runde von Zuschüssen war, verwässert mit unverständlichen wissenschaftlichen Schlagworten wie „Nanotechnologie“, von denen jeder bereits die Nase voll hatte. Eine Suche nach Informationen zum Thema der Arbeit einheimischer Wissenschaftler mit MRT und Metamaterialien führte mich zu einem Artikel mit der Beschreibung eines einfachen Experiments, das ich leicht wiederholen konnte, da das MRT-Gerät immer zur Hand ist.
Bild von , das sich der Verstärkung des MRT-Signals mithilfe des sogenannten „Metamaterials“ widmet. In einem typischen klinischen 1.5-Thermogerät wird anstelle des Patienten Metamaterial in Form eines Wasserbeckens geladen, in dessen Inneren sich parallele Drähte einer bestimmten Länge befinden. Auf den Drähten liegt das Untersuchungsobjekt – ein Fisch (nicht lebend). Die Bilder rechts sind MRT-Bilder des Fisches, mit einer darübergelegten Farbkarte, die die Signalintensität der Wasserstoffkerne anzeigt. Man erkennt, dass das Signal deutlich besser ist, wenn der Fisch auf den Drähten liegt, als ohne. Die Scanzeit ist in beiden Fällen gleich, was beweist, dass die Scaneffizienz erhöht ist. Der Artikel ist auch sorgfältig enthalten
Formel
um die Länge der Drähte in Abhängigkeit von der Betriebsfrequenz des von mir verwendeten Tomographen zu berechnen. Ich habe mein Metamaterial aus einer Küvette und einer Reihe von Kupferdrähten hergestellt, ausgestattet mit 3D-gedruckten Kunststoffbefestigungen:
Mein erstes Metamaterial. Unmittelbar nach der Produktion wurde es in einen 1-Tesla-Tomographen eingesetzt. Die Orange fungierte als zu scannendes Objekt.
Allerdings erhielt ich statt der versprochenen Signalverstärkung eine Reihe von Artefakten, die das Bild völlig verdarben! Meine Empörung kannte keine Grenzen! Nachdem ich das Thema beendet hatte, schrieb ich einen Brief an die Autoren des Artikels, dessen Bedeutung sich auf die Frage „Was ...?“ reduzieren lässt.
Die Autoren antworteten mir ziemlich schnell. Sie waren ziemlich beeindruckt, dass jemand versuchte, ihre Experimente zu wiederholen. Zuerst versuchten sie mir lange zu erklären, wie Metamaterialien eigentlich funktionieren, indem sie die Begriffe „Fabry-Perot-Resonanzen“, „intrinsische Moden“ und alle möglichen Radiofrequenzfelder im Volumen verwendeten. Als ihnen dann offenbar klar wurde, dass ich überhaupt nicht verstand, wovon sie sprachen, beschlossen sie, mich zu einem Besuch einzuladen, damit ich mir ihre Entwicklungen live ansehen und sicherstellen konnte, dass es noch funktioniert. Ich warf meinen Lieblingslötkolben in meinen Rucksack und ging nach St. Petersburg, zur Nationalen Forschungsuniversität für Informationstechnologien, Mechanik und Optik (wie sich herausstellte, werden dort nicht nur Programmierer ausgebildet).
Ich wurde vor Ort herzlich empfangen und plötzlich boten sie mir einen Job an, da sie von meinem Graben mit Drähten beeindruckt waren und eine Person brauchten, um neue zu erstellen. Im Gegenzug versprachen sie, mir alles, was mich interessiert, ausführlich zu erklären und eine Ausbildung in Radiophysik und MRT zu absolvieren, die durch einen glücklichen Zufall genau in diesem Jahr begann. Mein Wissensdurst siegte, und dann habe ich das ganze Jahr über studiert, Projekte durchgeführt und gearbeitet und dabei nach und nach immer mehr Neues über die Geschichte der Magnetresonanz sowie den Stand der modernen Wissenschaft auf diesem Gebiet gelernt, was ich auch tun werde hier teilen.
Die Methode zur vorgeschlagenen Verbesserung der MRT, die in den genannten wissenschaftlichen Artikeln untersucht wird, basiert auf den sogenannten „Metamaterialien“. Metamaterialien verdanken, wie viele andere Entdeckungen auch, ihre Entstehung unerwarteten Lösungen, die auf der Grundlage theoretischer Forschung erzielt wurden. Der sowjetische Wissenschaftler Viktor Veselago schlug 1967 bei der Arbeit an einem theoretischen Modell die Existenz von Materialien mit einem negativen Brechungsindex vor. Wie Sie bereits wissen, handelt es sich um Optik, und der Wert dieses Koeffizienten gibt grob gesagt an, wie viel Licht seine Richtung ändert, wenn es die Grenze zwischen verschiedenen Medien, beispielsweise Luft und Wasser, passiert. Ob das wirklich passiert, können Sie ganz einfach selbst überprüfen:
Ein einfaches Experiment mit einem Laserpointer und einem Aquarium zur Demonstration der Lichtbrechung.
Eine interessante Tatsache, die man aus einem solchen Experiment lernen kann, ist, dass der Strahl nicht in die gleiche Richtung gebrochen werden kann, in der er auf die Grenzfläche fiel, egal wie sehr sich der Experimentator bemüht. Dieses Experiment wurde mit allen natürlich vorkommenden Substanzen durchgeführt, der Strahl wurde jedoch hartnäckig nur in eine Richtung gebrochen. Mathematisch bedeutet dies, dass der Brechungsindex sowie seine konstituierenden Größen, die dielektrische und magnetische Permeabilität, positiv sind, und dies wurde nie anders beobachtet. Zumindest bis V. Veselago sich entschied, dieses Problem zu untersuchen und zeigte, dass es theoretisch keinen einzigen Grund gibt, warum der Brechungsindex nicht negativ sein kann.
Bild aus dem Wiki, das den Unterschied zwischen positiven und negativen Indexmedien zeigt. Wie wir sehen, verhält sich das Licht im Vergleich zu unserer Alltagserfahrung völlig unnatürlich.
V. Veselago versuchte lange, Beweise für die Existenz von Materialien mit negativem Brechungsindex zu finden, doch die Suche blieb erfolglos und seine Arbeit geriet zu Unrecht in Vergessenheit. Erst zu Beginn des nächsten Jahrhunderts wurden künstlich Verbundstrukturen geschaffen, die die beschriebenen Eigenschaften realisierten, allerdings nicht im optischen, sondern im unteren Mikrowellenfrequenzbereich. Das war ein Wendepunkt, da die bloße Möglichkeit der Existenz solcher Materialien neue Perspektiven eröffnete. Zum Beispiel - Schöpfung , in der Lage, Objekte zu vergrößern, die sogar kleiner als die Wellenlänge des Lichts sind. Oder - absolute Tarn-Unsichtbarkeitsabdeckungen, der Traum aller Militärangehörigen. An der Theorie wurden wesentliche Änderungen vorgenommen, um neue Daten zu berücksichtigen. Der Schlüssel zum Erfolg war die Verwendung geordneter Strukturen resonanter Elemente – Metaatome, deren Größe viel kleiner ist als die Wellenlänge der Strahlung, mit der sie interagieren. Eine geordnete Struktur aus Metaatomen ist ein künstlicher Verbundstoff, der Metamaterial genannt wird.
Die praktische Umsetzung von Metamaterialien ist auch heute noch technologisch aufwändig, da die Größe der resonanten Partikel vergleichbar kleiner als die Wellenlänge elektromagnetischer Strahlung sein muss. Für den optischen Bereich (wo die Wellenlänge Nanometer beträgt) stehen solche Technologien an der Spitze des Fortschritts. Daher ist es nicht verwunderlich, dass die ersten Vertreter des Metamaterialkonzepts für relativ längere elektromagnetische Wellen aus dem Radiobereich geschaffen wurden (die eine bekanntere Länge von mm bis m haben). Das Hauptmerkmal und gleichzeitig der Nachteil jedes Metamaterials ist eine Folge der Resonanznatur seiner Bestandteile. Metamaterial kann seine wundersamen Eigenschaften nur bei bestimmten Frequenzen entfalten.
Begrenzte Frequenzen.Wenn Sie also beispielsweise das nächste Mal so etwas wie einen auf Metamaterialien basierenden Supersound-Störsender sehen, fragen Sie, welchen Frequenzbereich er tatsächlich stört.
Typische Beispiele für Metamaterialien, die eine Interaktion mit elektromagnetischen Wellen ermöglichen. Leiterstrukturen sind nichts anderes als kleine Resonatoren, LC-Kreise, die durch die räumliche Lage der Leiter gebildet werden.
Seit der Entstehung des Konzepts der Metamaterialien und ihrer ersten Implementierungen ist etwas Zeit vergangen, und die Menschen haben herausgefunden, wie man sie in der MRT verwenden kann. Der Hauptnachteil von Metamaterialien besteht darin, dass der enge Betriebsbereich für die MRT kein Problem darstellt, da alle Prozesse bei nahezu derselben Kernresonanzfrequenz ablaufen, die im Radiobereich liegt. Hier können Sie mit Ihren eigenen Händen Metaatome erstellen und sofort sehen, was auf den Bildern passiert. Eine der ersten Funktionen, die Forscher mithilfe von Metamaterialien in der MRT implementierten, waren Superlinsen und Endoskope.
Auf der linken Seite ist unter Buchstabe a) eine Superlinse dargestellt, die aus einer dreidimensionalen Anordnung von Resonatoren auf Leiterplatten besteht. Jeder Resonator ist ein offener Metallring mit einem angelöteten Kondensator, der einen LC-Schaltkreis bildet, der auf die MRT-Frequenz abgestimmt ist. Nachfolgend finden Sie ein Beispiel für die Platzierung dieser Metamaterialstruktur zwischen den Beinen eines Patienten, der sich einer Tomographie unterzieht, und die entsprechenden Bilder. Wenn Sie den Ratschlag, meinen vorherigen Artikel über MRT zu lesen, noch nicht missachtet haben, dann wissen Sie bereits, dass es für die Aufnahme eines Bildes eines Körperteils des Patienten notwendig ist, schwache, schnell abklingende Kernsignale mit einem nahegelegenen Gerät zu sammeln Antenne - eine Spule.
Mit der Metamaterial-Superlinse können Sie den Wirkungsbereich einer Standardspule vergrößern. Visualisieren Sie beispielsweise beide Beine des Patienten gleichzeitig statt nur eines. Die schlechte Nachricht ist, dass die Position der Superlinse auf eine bestimmte Weise gewählt werden muss, um den besten Effekt zu erzielen, und dass die Superlinse selbst ziemlich teuer in der Herstellung ist. Wenn Sie immer noch nicht verstehen, warum dieses Objektiv als Super-Präfix bezeichnet wird, dann schätzen Sie seine Größe anhand des Fotos ab und stellen Sie dann fest, dass es mit einer Wellenlänge von etwa fünf Metern funktioniert!
Buchstabe b) zeigt den Aufbau des Endoskops. Im Wesentlichen besteht ein MRT-Endoskop aus einer Reihe paralleler Drähte, die als Wellenleiter dienen. Dadurch ist es möglich, den Bereich, aus dem die Spule das Signal von den Kernen empfängt, und die Spule selbst räumlich weit voneinander zu trennen – bis zu dem Punkt, dass die Empfangsantenne vollständig außerhalb des Kryostaten des Tomographen, fernab des konstanten Magnetismus, platziert werden kann Feld. Die unteren Bilder von Tab b) zeigen Bilder, die für ein spezielles, mit Flüssigkeit gefülltes Gefäß – ein Phantom – aufgenommen wurden. Der Unterschied zwischen ihnen besteht darin, dass die mit „Endoskop“ gekennzeichneten Bilder aufgenommen wurden, als sich die Spule in einem angemessenen Abstand vom Phantom befand, wo ohne das Endoskop die Signale von den Kernen überhaupt nicht zu erkennen wären.
Wenn wir über einen der vielversprechendsten Anwendungsbereiche von Metamaterialien in der MRT sprechen, der seiner praktischen Umsetzung am nächsten kommt (an dem ich schließlich beteiligt war), ist die Schaffung von drahtlosen Spulen. Es sollte klargestellt werden, dass es sich hier nicht um Bluetooth oder andere drahtlose Datenübertragungstechnologien handelt. „Drahtlos“ bedeutet in diesem Fall das Vorhandensein einer induktiven oder kapazitiven Kopplung zweier Resonanzstrukturen – einer Transceiverantenne sowie eines Metamaterials. Im Konzept sieht es so aus:
Links ist dargestellt, wie eine MRT-Untersuchung üblicherweise abläuft: Der Patient liegt in einem Kryostaten in einem Bereich eines gleichmäßigen statischen Magnetfelds. Im Tomographentunnel ist eine große Antenne, ein sogenannter „Vogelkäfig“, montiert. Mit einer Antenne dieser Konfiguration können Sie den Vektor des hochfrequenten Magnetfelds mit der Präzessionsfrequenz von Wasserstoffkernen drehen (bei klinischen Geräten liegt diese normalerweise zwischen 40 und 120 MHz, abhängig von der Stärke des statischen Magnetfelds zwischen 1 T und 3 T). bzw.), was dazu führt, dass sie Energie absorbieren und als Reaktion darauf Energie abgeben. Das Antwortsignal der Kerne ist sehr schwach und wenn es die Leiter einer großen Antenne erreicht, wird es unweigerlich verblassen. Aus diesem Grund verwendet die MRT eng beieinander liegende Lokalspulen zum Empfangen von Signalen. Das Bild in der Mitte zeigt beispielsweise eine typische Knie-Scan-Situation. Mithilfe von Metamaterialien ist es möglich, einen Resonator herzustellen, der induktiv an einen Vogelkäfig gekoppelt wird. Es genügt, so etwas in der Nähe der gewünschten Körperstelle des Patienten zu platzieren und das Signal von dort wird nicht schlechter empfangen als mit einer Lokalspule! Bei erfolgreicher Umsetzung des Konzepts müssen sich Patienten nicht mehr in Kabeln verheddern und die MRT-Diagnostik wird komfortabler.
Genau so etwas habe ich zu Beginn versucht, indem ich die Drähte mit Wasser gefüllt und versucht habe, eine Orange zu scannen. Die vom ersten Bild dieses Artikels an in Wasser getauchten Drähte sind nichts anderes als Metaatome, von denen jedes einen Halbwellendipol darstellt – eines der berühmtesten Antennendesigns, das jedem Funkamateur bekannt ist.
Sie werden nicht in Wasser getaucht, damit sie im MRT nicht Feuer fangen (allerdings auch zu diesem Zweck), sondern um aufgrund der hohen Dielektrizitätskonstante von Wasser ihre Resonanzlänge genau um den Betrag des Quadrats zu reduzieren Wurzel der Dielektrizitätskonstante von Wasser.
Dieser Chip wird seit langem in Radioempfängern verwendet, bei denen Draht auf ein Stück Ferrit gewickelt wird – das sogenannte. Ferritantenne. Nur Ferrit hat eine hohe magnetische Permeabilität, nicht jedoch ein dielektrisches, was jedoch genauso funktioniert und eine entsprechende Reduzierung der Resonanzabmessungen der Antenne ermöglicht. Leider kann man Ferrit nicht in ein MRT einbringen, weil... es ist magnetisch. Wasser ist eine günstige und zugängliche Alternative.
Es ist klar, dass man zur Berechnung all dieser Dinge komplexe mathematische Modelle erstellen muss, die die Beziehung zwischen Resonanzelementen, Umgebungsparametern und Strahlungsquellen berücksichtigen … oder man kann sich die Früchte des Fortschritts und Software für numerische Elektromagnetik zunutze machen Modellierung, die selbst ein Schulkind leicht verstehen kann (die auffälligsten Beispiele sind CST, HFSS). Mit der Software können Sie 3D-Modelle von Resonatoren, Antennen und Stromkreisen erstellen und ihnen Personen hinzufügen – ja, eigentlich alles, die einzige Frage ist Ihre Vorstellungskraft und die verfügbare Rechenleistung. Die konstruierten Modelle werden in Gitter unterteilt, an deren Knoten die bekannten Maxwell-Gleichungen gelöst werden.
Hier ist zum Beispiel eine Simulation des hochfrequenten Magnetfelds im Inneren der zuvor erwähnten Vogelkäfigantenne:
Es wird sofort deutlich, wie sich das Feld dreht. Die Situation links ist dargestellt, wenn sich in der Antenne eine Box mit Wasser befindet, und rechts – wenn sich dieselbe Box auf einem Resonator befindet, der aus Drähten mit Resonanzlänge besteht. Man sieht, wie das Magnetfeld durch die Drähte deutlich verstärkt wird. Nachdem ich CST beherrschte und mein Design dort optimierte, erstellte ich erneut ein Metamaterial, das es tatsächlich ermöglichte, das Signal in einem standardmäßigen klinischen 1.5-T-MRT-Tomographen zu verstärken. Es war immer noch eine Kiste (wenn auch schöner, aus Plexiglas), gefüllt mit Wasser und einer Reihe von Drähten. Dieses Mal wurde die Struktur im Hinblick auf die Resonanzbedingungen optimiert, nämlich: Auswahl der Länge der Drähte, ihrer Position und der Wassermenge. Folgendes ist mit der Tomate passiert:
Der erste Scan der Tomate wurde mit einer großen Antenne durchgeführt. Das Ergebnis war nur Rauschen mit kaum sichtbaren Umrissen. Beim zweiten Mal habe ich die Früchte auf eine frisch gebackene Resonanzstruktur gelegt. Ich habe keine farbigen Karten oder ähnliches erstellt, da der Effekt offensichtlich ist. Somit habe ich aus eigener Erfahrung bewiesen, dass das Konzept funktioniert, obwohl ich viel Zeit investiert habe.
Es ist klar, was Sie denken – Orangen, Tomaten – das ist alles falsch, wo sind die Versuche am Menschen?
Das waren sie wirklich :
Die Hand eines Freiwilligen, der sich einer MRT-Untersuchung unterzieht, liegt auf derselben Kiste. Auch das tatsächliche Wasser in der Box ist deutlich zu erkennen, da es Wasserstoff enthält. Im Bereich des auf dem Resonator liegenden Handgelenks wird das Signal verstärkt, während alle anderen Körperteile schlecht sichtbar sind. Es ist klar, dass der gleiche Effekt, vielleicht sogar noch besser, mit klinischen Standardspulen erzielt werden kann. Aber allein die Tatsache, dass man solche Dinge einfach dadurch erreichen kann, dass man Wasser und Leitungen räumlich und richtig kombiniert, ist erstaunlich. Noch erstaunlicher ist, dass Erkenntnisse darüber durch die Untersuchung scheinbar nicht zusammenhängender Phänomene wie der Lichtbrechung gewonnen werden können.
Für diejenigen, die noch nicht müde sindDerzeit wurde das Design des Wasserkastens bereits verbessert. Jetzt ist es nur noch eine flache Leiterplatte, mit der Sie das Magnetfeld einer externen großen Antenne in Ihrer Nähe lokalisieren können. Darüber hinaus ist sein Arbeitsbereich größer als der der Vorgängerkonstruktion:
Die farbigen Bänder zeigen die magnetische Feldstärke über der Struktur an, wenn sie durch eine externe Quelle elektromagnetischer Wellen angeregt wird. Die flache Struktur ist eine typische Übertragungsleitung aus der Funktechnik, kann aber auch als Metamaterial für die MRT betrachtet werden. Diese „Funkspule“ kann hinsichtlich der Gleichmäßigkeit des erzeugten Feldes in einer bestimmten Tiefe im gescannten Objekt bereits mit Standardspulen konkurrieren:
Die Animation zeigt eine schichtweise Farbkarte des Signals in einer Wasserkiste in einem MRT. Die Farbe zeigt die Intensität der Signale von Wasserstoffkernen an. In der oberen linken Ecke wird ein Segment einer Standard-Rückscanspule als Empfänger verwendet. Die untere linke Ecke befindet sich, wenn die Box auf einem Resonator in Form einer Leiterplatte platziert ist. Unten rechts: Das Signal wird von einer großen Antenne empfangen, die im Tunnel des Tomographen eingebaut ist. Ich habe die Signalgleichmäßigkeit in dem durch das Rechteck umrissenen Bereich verglichen. In einer gewissen Höhe schneidet das Metamaterial hinsichtlich der Signalgleichmäßigkeit besser ab als die Spule. Für klinische Zwecke ist dies vielleicht keine sehr wichtige Errungenschaft, aber wenn es um wissenschaftliche MRT-Installationen geht, bei denen Ratten gescannt werden, kann es dazu beitragen, das Signal zu erhöhen und die erforderliche Leistung anregender Radioimpulse zu verringern.
Über „um das 2-fache verbessert“ am Anfang des Artikels – das ist natürlich eine weitere Frucht der unerwiderten Liebe von Journalisten zu Wissenschaftlern, allerdings ist es auch falsch zu sagen, dass es sich hierbei um leere Forschung handelt, die durch Interesse an gestützt wird dieses Thema in wissenschaftlichen Gruppen auf der ganzen Welt. Überraschenderweise wird auch hier in Russland gearbeitet, obwohl dies aufgrund meiner rein persönlichen Erfahrung eher eine seltene Ausnahme ist. Es gibt noch viele ungelöste Probleme im Zusammenhang mit der Verwendung von Metamaterialien in der MRT. Neben der Lokalisierung von Magnetfeldern zur Erzielung eines guten Bildes sollten auch elektrische Felder berücksichtigt werden, die zu einer Gewebeerwärmung führen, sowie die Absorption hochfrequenter Feldenergie durch das Gewebe der untersuchten Patienten. Für diese Dinge muss im klinischen Einsatz eine spezielle Steuerung erfolgen, was bei der Verwendung von feldlokalisierenden Resonatoren deutlich komplizierter wird. Metamaterialien für die MRT bleiben vorerst im Rahmen der wissenschaftlichen Forschung, aber die erzielten Ergebnisse sind bereits jetzt sehr interessant und vielleicht wird sich das MRT-Verfahren dank ihnen in Zukunft zum Besseren verändern, schneller und sicherer werden.
Source: habr.com