Ένα κατσαβίδι πέρασε από το αυτί μου. Με ένα δυνατό ήχο κουδουνίσματος, πάγωσε πάνω στο σώμα του κρυοστάτη. Βρίζοντας στον εαυτό μου, αποφάσισα να κάνω ένα διάλειμμα. Το ξεβίδωμα των μπουλονιών σε μαγνητικό πεδίο 1.5 Tesla με χρήση χαλύβδινου εργαλείου δεν είναι καλή ιδέα. Το πεδίο, σαν αόρατος εχθρός, προσπαθεί συνεχώς να αρπάξει το όργανο από τα χέρια, να το προσανατολίσει κατά μήκος των γραμμών δύναμης του και να το κατευθύνει όσο το δυνατόν πιο κοντά στα ηλεκτρόνια που τρέχουν σε κλειστό κύκλο από τον υπεραγωγό. Ωστόσο, εάν χρειάζεται πραγματικά να νικήσετε τις οξινισμένες ενώσεις πριν από πολλά χρόνια, δεν υπάρχουν πολλές επιλογές. Κάθισα στον υπολογιστή και συνήθισα να μετακινούμαι στη ροή ειδήσεων. «Ρώσοι επιστήμονες βελτίωσαν τη μαγνητική τομογραφία κατά 2 φορές!» - διαβάστε τον ύποπτο τίτλο.
Πριν από ένα χρόνο περίπου, εμείς και κατάλαβε την ουσία του έργου του. Συνιστώ ανεπιφύλακτα να ανανεώσετε τη μνήμη σας από αυτό το υλικό πριν διαβάσετε αυτό το άρθρο.
Για διάφορους λόγους, συμπεριλαμβανομένων ιστορικών, στη Ρωσία σήμερα παραγωγή σύνθετου εξοπλισμού όπως σαρωτές μαγνητικής τομογραφίας υψηλού πεδίου. Ωστόσο, εάν ζείτε σε μια μεγαλύτερη πόλη, μπορείτε εύκολα να βρείτε κλινικές που παρέχουν αυτού του είδους τις υπηρεσίες. Ταυτόχρονα, ο στόλος των σαρωτών μαγνητικής τομογραφίας αντιπροσωπεύεται συχνά από χρησιμοποιημένο εξοπλισμό, που έχει εισαχθεί από τις ΗΠΑ και την Ευρώπη, και αν πρέπει ξαφνικά να επισκεφτείτε μια κλινική με μαγνητική τομογραφία, μην ξεγελαστείτε από την όμορφη εμφάνιση της συσκευής - μπορεί κάλλιστα να είναι στη δεύτερη δεκαετία του. Ως αποτέλεσμα, αυτός ο εξοπλισμός μερικές φορές χαλάει και για μεγάλο χρονικό διάστημα ήμουν ένας από εκείνους τους ανθρώπους που επέστρεφαν σπασμένους τομογράφους στην υπηρεσία, έτσι ώστε οι ασθενείς να συνεχίσουν να υποβάλλονται σε διαγνωστικά και οι ιδιοκτήτες να έχουν κέρδος.
Μέχρι που μια ωραία μέρα, σε ένα διάλειμμα ανάμεσα σε επικίνδυνες ψυχαγωγίες με τεράστια μαγνητικά πεδία, έπεσα πάνω σε μια ενδιαφέρουσα επιγραφή στη ροή ειδήσεων: «Ρώσοι επιστήμονες μαζί με Ολλανδούς συναδέλφους χρησιμοποιώντας μεταϋλικά». Περιττό να πούμε ότι το ίδιο το γεγονός ότι η Ρωσία διεξάγει έρευνα για εξοπλισμό, η παραγωγή του οποίου δεν έχει κατακτηθεί ποτέ, μου φάνηκε πολύ, πολύ αμφιλεγόμενο. Αποφάσισα ότι αυτός ήταν απλώς ένας ακόμη γύρος επιχορηγήσεων, αραιωμένος με ακατανόητα επιστημονικά τσιτάτα όπως η «νανοτεχνολογία» που όλοι είχαν ήδη βαρεθεί. Μια αναζήτηση πληροφοριών σχετικά με το θέμα της εργασίας εγχώριων επιστημόνων με μαγνητική τομογραφία και μεταϋλικά με οδήγησε σε ένα άρθρο που περιείχε περιγραφή ενός απλού πειράματος που θα μπορούσα εύκολα να επαναλάβω, καθώς το μηχάνημα μαγνητικής τομογραφίας είναι πάντα στο χέρι.
Εικόνα από , αφιερωμένο στην ενίσχυση του σήματος μαγνητικής τομογραφίας χρησιμοποιώντας το λεγόμενο «μεταυλικό». Σε μια τυπική κλινική θερμική συσκευή 1.5 - αντί για τον ασθενή, φορτώνεται μεταϋλικό, με τη μορφή λεκάνης νερού, μέσα στην οποία βρίσκονται παράλληλα σύρματα συγκεκριμένου μήκους. Στα καλώδια βρίσκεται το αντικείμενο μελέτης - ένα ψάρι (μη ζωντανό). Οι εικόνες στα δεξιά είναι εικόνες μαγνητικής τομογραφίας των ψαριών, με έναν έγχρωμο χάρτη που τοποθετείται πάνω που υποδεικνύει την ένταση του σήματος των πυρήνων του υδρογόνου. Μπορεί να φανεί ότι όταν το ψάρι βρίσκεται στα καλώδια, το σήμα είναι πολύ καλύτερο από ό, τι χωρίς αυτά. Ο χρόνος σάρωσης είναι ο ίδιος και στις δύο περιπτώσεις, γεγονός που αποδεικνύει ότι η αποτελεσματικότητα σάρωσης βελτιώνεται. Το άρθρο περιλαμβάνεται επίσης προσεκτικά
φόρμουλα
να υπολογίσω το μήκος των συρμάτων ανάλογα με τη συχνότητα λειτουργίας του τομογράφου, τον οποίο χρησιμοποίησα. Έφτιαξα το μεταϋλικό μου από μια κυβέτα και μια σειρά από σύρματα χαλκού, εξοπλισμένα με 3D τυπωμένα πλαστικά κουμπώματα:
Το πρώτο μου μεταϋλικό. Αμέσως μετά την παραγωγή τοποθετήθηκε σε τομογράφο 1 Tesla. Το πορτοκαλί λειτούργησε ως αντικείμενο προς σάρωση.
Ωστόσο, αντί για την υποσχεμένη βελτίωση του σήματος, έλαβα ένα σωρό αντικείμενα που χάλασαν εντελώς την εικόνα! Η αγανάκτησή μου δεν είχε όρια! Αφού τελείωσα το θέμα, έγραψα μια επιστολή στους συντάκτες του άρθρου, το νόημα της οποίας μπορεί να περιοριστεί στην ερώτηση "Τι ...;"
Οι συγγραφείς μου απάντησαν αρκετά γρήγορα. Τους εντυπωσίασε πολύ που κάποιος προσπαθούσε να επαναλάβει τα πειράματά τους. Στην αρχή προσπάθησαν για πολύ καιρό να μου εξηγήσουν πώς λειτουργούν πραγματικά τα μεταϋλικά, χρησιμοποιώντας τους όρους «συντονισμοί Fabry-Perot», «εσωτερικοί τρόποι λειτουργίας» και κάθε είδους πεδία ραδιοσυχνοτήτων στον τόμο. Στη συνέχεια, προφανώς συνειδητοποιώντας ότι δεν καταλάβαινα καθόλου τι μιλούσαν, αποφάσισαν να με προσκαλέσουν να τους επισκεφτώ για να δω τις εξελίξεις τους ζωντανά και να βεβαιωθώ ότι λειτουργεί ακόμα. Πέταξα το αγαπημένο μου κολλητήρι στο σακίδιο μου και πήγα στην Αγία Πετρούπολη, στο Εθνικό Ερευνητικό Πανεπιστήμιο Τεχνολογιών Πληροφορικής, Μηχανικής και Οπτικής (όπως αποδείχτηκε, εκεί δεν εκπαιδεύονται μόνο προγραμματιστές).
Με υποδέχτηκαν θερμά στο χώρο και ξαφνικά, μου πρότειναν δουλειά, καθώς εντυπωσιάστηκαν με το χαντάκι μου με τα καλώδια και χρειάζονταν έναν άνθρωπο για να δημιουργήσει νέα. Σε αντάλλαγμα, υποσχέθηκαν να εξηγήσουν λεπτομερώς ό,τι με ενδιαφέρει και να παρακολουθήσω ένα εκπαιδευτικό σεμινάριο ραδιοφυσικής και μαγνητικής τομογραφίας, που από τυχερή σύμπτωση ξεκίνησε ακριβώς εκείνη τη χρονιά. Η δίψα μου για γνώση κέρδισε και, στη συνέχεια, όλο το χρόνο, σπούδασα, έκανα έργα και δούλεψα, μαθαίνοντας σταδιακά όλο και περισσότερα νέα πράγματα για την ιστορία του μαγνητικού συντονισμού, καθώς και για την κατάσταση της σύγχρονης επιστήμης σε αυτόν τον τομέα, τα οποία θα μοιραστείτε εδώ.
Η μέθοδος προτεινόμενης βελτίωσης της μαγνητικής τομογραφίας, και μελετήθηκε στα αναφερόμενα επιστημονικά άρθρα, βασίζεται στα λεγόμενα «μεταϋλικά». Τα μεταϋλικά, όπως και πολλές άλλες ανακαλύψεις, οφείλουν την εμφάνισή τους σε απροσδόκητες λύσεις που προέκυψαν με βάση τη θεωρητική έρευνα. Ο Σοβιετικός επιστήμονας, Viktor Veselago, το 1967, εργαζόμενος σε ένα θεωρητικό μοντέλο, πρότεινε την ύπαρξη υλικών με αρνητικό δείκτη διάθλασης. Όπως καταλαβαίνετε ήδη, μιλάμε για οπτικά και η τιμή αυτού του συντελεστή, χονδρικά μιλώντας, σημαίνει πόσο φως θα αλλάξει την κατεύθυνση του όταν διέρχεται από το όριο μεταξύ διαφορετικών μέσων, για παράδειγμα αέρα και νερού. Μπορείτε εύκολα να επαληθεύσετε μόνοι σας ότι αυτό συμβαίνει πραγματικά:
Ένα απλό πείραμα χρησιμοποιώντας δείκτη λέιζερ και ενυδρείο για να αποδείξει τη διάθλαση του φωτός.
Ένα ενδιαφέρον γεγονός που μπορεί να μαθευτεί από ένα τέτοιο πείραμα είναι ότι η δέσμη δεν μπορεί να διαθλαστεί προς την ίδια κατεύθυνση από όπου έπεσε στη διεπαφή, ανεξάρτητα από το πόσο σκληρά προσπαθεί ο πειραματιστής. Αυτό το πείραμα διεξήχθη με όλες τις φυσικές ουσίες, αλλά η δέσμη διαθλόταν επίμονα μόνο προς μία κατεύθυνση. Μαθηματικά, αυτό σημαίνει ότι ο δείκτης διάθλασης, καθώς και τα μεγέθη που τον αποτελούν, η διηλεκτρική και η μαγνητική διαπερατότητα, είναι θετικά και δεν έχει παρατηρηθεί ποτέ διαφορετικά. Τουλάχιστον μέχρι που ο V. Veselago αποφάσισε να μελετήσει αυτό το θέμα και έδειξε ότι θεωρητικά δεν υπάρχει ούτε ένας λόγος για τον οποίο ο δείκτης διάθλασης δεν μπορεί να είναι αρνητικός.
Εικόνα από το Wiki που δείχνει τη διαφορά μεταξύ θετικών και αρνητικών μέσων ευρετηρίου. Όπως βλέπουμε, το φως συμπεριφέρεται εντελώς αφύσικα, σε σύγκριση με την καθημερινή μας εμπειρία.
Ο V. Veselago προσπάθησε για μεγάλο χρονικό διάστημα να βρει στοιχεία για την ύπαρξη υλικών με αρνητικό δείκτη διάθλασης, αλλά η αναζήτηση ήταν ανεπιτυχής και το έργο του ξεχάστηκε αδικαιολόγητα. Μόνο στις αρχές του επόμενου αιώνα δημιουργήθηκαν τεχνητά σύνθετες δομές που πραγματοποίησαν τις περιγραφόμενες ιδιότητες, αλλά όχι στην οπτική, αλλά στην κατώτερη περιοχή συχνοτήτων μικροκυμάτων. Κάτι που ήταν σημείο καμπής, αφού η ίδια η πιθανότητα ύπαρξης τέτοιων υλικών άνοιγε νέες προοπτικές. Για παράδειγμα - δημιουργία , ικανό να μεγεθύνει αντικείμενα ακόμη μικρότερα από το μήκος κύματος του φωτός. Ή - απόλυτο καμουφλάζ αόρατο καλύμματα, το όνειρο όλου του στρατιωτικού προσωπικού. Έγιναν σημαντικές τροποποιήσεις στη θεωρία για να ληφθούν υπόψη νέα δεδομένα. Το κλειδί της επιτυχίας ήταν η χρήση διατεταγμένων δομών συντονισμένων στοιχείων - μεταατόμων, το μέγεθος των οποίων είναι πολύ μικρότερο από το μήκος κύματος της ακτινοβολίας με την οποία αλληλεπιδρούν. Μια διατεταγμένη δομή μετα-ατόμων είναι ένα τεχνητό σύνθετο που ονομάζεται μεταϋλικό.
Η πρακτική εφαρμογή των μεταϋλικών ακόμη και σήμερα είναι τεχνολογικά πολύπλοκη, αφού το μέγεθος των συντονισμένων σωματιδίων πρέπει να είναι συγκρίσιμο με μικρότερο από το μήκος κύματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Για το οπτικό εύρος (όπου το μήκος κύματος είναι νανόμετρα), τέτοιες τεχνολογίες βρίσκονται στην πρώτη γραμμή της προόδου. Επομένως, δεν προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι οι πρώτοι εκπρόσωποι της έννοιας των μεταϋλικών δημιουργήθηκαν για σχετικά μεγαλύτερα ηλεκτρομαγνητικά κύματα από το εύρος του ραδιοφώνου (τα οποία έχουν πιο οικείο μήκος από mm έως m). Το κύριο χαρακτηριστικό και ταυτόχρονα το μειονέκτημα κάθε μεταϋλικού είναι συνέπεια της ηχητικής φύσης των συστατικών του στοιχείων. Το μεταϋλικό μπορεί να επιδείξει τις θαυματουργές του ιδιότητες μόνο σε ορισμένες συχνότητες.
Περιορισμένες συχνότητες.Επομένως, για παράδειγμα, την επόμενη φορά που θα δείτε κάτι σαν παρεμβολές υπερήχου που βασίζεται σε μετα-υλικά, ρωτήστε τι εύρος συχνοτήτων εμποδίζει πραγματικά.
Τυπικά παραδείγματα μεταϋλικών που επιτρέπουν την αλληλεπίδραση με ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Οι δομές αγωγών δεν είναι τίποτα άλλο από μικροί συντονιστές, κυκλώματα LC που σχηματίζονται από τη χωρική θέση των αγωγών.
Έχει περάσει λίγος χρόνος από την εμφάνιση της έννοιας των μεταϋλικών και των πρώτων εφαρμογών τους, και οι άνθρωποι κατάλαβαν πώς να τα χρησιμοποιήσουν στη μαγνητική τομογραφία. Το κύριο μειονέκτημα των μεταϋλικών είναι ότι το στενό εύρος λειτουργίας δεν αποτελεί πρόβλημα για τη μαγνητική τομογραφία, όπου όλες οι διεργασίες συμβαίνουν σχεδόν στην ίδια συχνότητα πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού, η οποία βρίσκεται στο εύρος του ραδιοφώνου. Εδώ μπορείτε να δημιουργήσετε μετα-άτομα με τα χέρια σας και να δείτε αμέσως τι συμβαίνει στις εικόνες. Ένα από τα πρώτα χαρακτηριστικά που εφάρμοσαν οι ερευνητές στη μαγνητική τομογραφία χρησιμοποιώντας μεταϋλικά ήταν οι υπερφακοί και τα ενδοσκόπια.
Στην αριστερή πλευρά κάτω από το γράμμα α) εμφανίζεται ένας υπερφακός, που αποτελείται από μια τρισδιάστατη διάταξη συντονιστών σε πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων. Κάθε αντηχείο είναι ένας ανοιχτός μεταλλικός δακτύλιος με συγκολλημένο πυκνωτή, που σχηματίζει ένα κύκλωμα LC συντονισμένο στη συχνότητα MRI. Παρακάτω είναι ένα παράδειγμα τοποθέτησης αυτής της δομής μεταϋλικού μεταξύ των ποδιών ενός ασθενούς που υποβάλλεται σε τομογραφία και, κατά συνέπεια, των εικόνων που προκύπτουν. Εάν δεν έχετε περιφρονήσει προηγουμένως τη συμβουλή να διαβάσετε το προηγούμενο άρθρο μου για τη μαγνητική τομογραφία, τότε γνωρίζετε ήδη ότι για να λάβετε μια εικόνα οποιουδήποτε μέρους του σώματος του ασθενούς, είναι απαραίτητο να συλλέξετε αδύναμα, ταχέως αποσυντιθέμενα πυρηνικά σήματα χρησιμοποιώντας ένα κοντινό κεραία - ένα πηνίο.
Ο super φακός μεταϋλικού σάς επιτρέπει να αυξήσετε το εύρος δράσης ενός τυπικού πηνίου. Για παράδειγμα, οραματιστείτε και τα δύο πόδια του ασθενούς ταυτόχρονα αντί μόνο για ένα. Τα κακά νέα είναι ότι η θέση του υπερφακού πρέπει να επιλεγεί με συγκεκριμένο τρόπο για το καλύτερο αποτέλεσμα, και ο ίδιος ο υπερφακός είναι αρκετά ακριβός στην κατασκευή του. Αν πάλι δεν καταλαβαίνετε γιατί αυτός ο φακός ονομάζεται υπερ-πρόθεμα, τότε υπολογίστε το μέγεθός του από τη φωτογραφία και, στη συνέχεια, συνειδητοποιήστε ότι λειτουργεί με μήκος κύματος περίπου πέντε μέτρων!
Το γράμμα β) δείχνει το σχέδιο του ενδοσκοπίου. Ουσιαστικά, ένα ενδοσκόπιο μαγνητικής τομογραφίας είναι μια σειρά παράλληλων συρμάτων που λειτουργεί ως κυματοδηγός. Σας επιτρέπει να διαχωρίσετε χωρικά την περιοχή από την οποία το πηνίο λαμβάνει το σήμα από τους πυρήνες και το ίδιο το πηνίο σε σημαντική απόσταση - σε σημείο που η κεραία λήψης μπορεί να βρίσκεται εντελώς έξω από τον κρυοστάτη του τομογράφου, μακριά από το σταθερό μαγνητικό πεδίο. Οι κάτω εικόνες της καρτέλας β) δείχνουν εικόνες που λαμβάνονται για ένα ειδικό δοχείο γεμάτο υγρό - ένα φάντασμα. Η διαφορά μεταξύ τους είναι ότι οι εικόνες με την ένδειξη «ενδοσκόπιο» ελήφθησαν όταν το πηνίο βρισκόταν σε μια αξιοπρεπή απόσταση από το φάντασμα, όπου χωρίς το ενδοσκόπιο τα σήματα από τους πυρήνες θα ήταν εντελώς αδύνατο να ανιχνευθούν.
Αν μιλάμε για έναν από τους πιο υποσχόμενους τομείς εφαρμογής μεταϋλικών στη μαγνητική τομογραφία, και ο πιο κοντινός στην πρακτική εφαρμογή του (στην οποία τελικά ασχολήθηκα) είναι η δημιουργία ασύρματων πηνίων. Αξίζει να διευκρινιστεί ότι εδώ δεν μιλάμε για Bluetooth ή άλλη τεχνολογία ασύρματης μεταφοράς δεδομένων. "Ασύρματο" σε αυτή την περίπτωση σημαίνει την παρουσία επαγωγικής ή χωρητικής σύζευξης δύο δομών συντονισμού - μιας κεραίας πομποδέκτη, καθώς και ενός μεταϋλικού. Στην ιδέα μοιάζει με αυτό:
Στα αριστερά φαίνεται πώς λαμβάνει χώρα συνήθως μια διαδικασία μαγνητικής τομογραφίας: ο ασθενής βρίσκεται μέσα σε έναν κρυοστάτη σε μια περιοχή ομοιόμορφου στατικού μαγνητικού πεδίου. Μια μεγάλη κεραία που ονομάζεται «κλουβί πουλιών» είναι τοποθετημένη στη σήραγγα του τομογράφου. Μια κεραία αυτής της διαμόρφωσης σάς επιτρέπει να περιστρέψετε το διάνυσμα του μαγνητικού πεδίου ραδιοσυχνοτήτων με τη συχνότητα μετάπτωσης των πυρήνων υδρογόνου (για κλινικές μηχανές αυτή είναι συνήθως από 40 έως 120 MHz ανάλογα με το μέγεθος του στατικού μαγνητικού πεδίου από 1Τ σε 3Τ, αντίστοιχα), με αποτέλεσμα να απορροφούν ενέργεια και στη συνέχεια να εκπέμπουν ενέργεια ως απόκριση. Το σήμα απόκρισης από τους πυρήνες είναι πολύ αδύναμο και μέχρι να φτάσει στους αγωγούς μιας μεγάλης κεραίας, αναπόφευκτα θα εξασθενίσει. Για το λόγο αυτό, η μαγνητική τομογραφία χρησιμοποιεί τοπικά πηνία σε κοντινή απόσταση για τη λήψη σημάτων. Η εικόνα στο κέντρο, για παράδειγμα, δείχνει μια τυπική κατάσταση σάρωσης γονάτων. Χρησιμοποιώντας μεταϋλικά, είναι δυνατό να κατασκευαστεί ένα αντηχείο που θα συνδεθεί επαγωγικά σε ένα κλουβί πουλιών. Αρκεί να τοποθετήσετε κάτι τέτοιο κοντά στην επιθυμητή περιοχή του σώματος του ασθενούς και το σήμα από εκεί δεν θα ληφθεί χειρότερα από ό, τι με ένα τοπικό πηνίο! Εάν η ιδέα εφαρμοστεί με επιτυχία, οι ασθενείς δεν θα χρειάζεται πλέον να μπλέκονται στα καλώδια και η διαγνωστική διαδικασία MRI θα γίνει πιο άνετη.
Αυτό ακριβώς προσπάθησα να δημιουργήσω στην αρχή, γεμίζοντας τα καλώδια με νερό και προσπαθώντας να σαρώσω ένα πορτοκάλι. Τα καλώδια που βυθίζονται στο νερό από την πρώτη κιόλας εικόνα σε αυτό το άρθρο δεν είναι τίποτα άλλο από μετα-άτομα, καθένα από τα οποία αντιπροσωπεύει ένα δίπολο μισού κύματος - ένα από τα πιο διάσημα σχέδια κεραιών, οικεία σε κάθε ραδιοερασιτέχνη.
Βυθίζονται στο νερό όχι για να μην πάρουν φωτιά στην μαγνητική τομογραφία (αν και για αυτόν τον σκοπό)), αλλά για να μειώσουν, λόγω της υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς του νερού, το μήκος συντονισμού τους ακριβώς ίσο με το τετράγωνο. ρίζα της διηλεκτρικής σταθεράς του νερού.
Αυτό το τσιπ έχει χρησιμοποιηθεί από καιρό σε ραδιοφωνικούς δέκτες, τυλίγοντας σύρμα σε ένα κομμάτι φερρίτη - το λεγόμενο. κεραία φερρίτη. Μόνο ο φερρίτης έχει υψηλή μαγνητική διαπερατότητα και όχι η διηλεκτρική, η οποία όμως λειτουργεί με τον ίδιο τρόπο και επιτρέπει την ανάλογη μείωση των διαστάσεων συντονισμού της κεραίας. Δυστυχώς, δεν μπορείτε να βάλετε φερρίτη σε μαγνητική τομογραφία, γιατί... είναι μαγνητικό. Το νερό είναι μια φθηνή και προσβάσιμη εναλλακτική λύση.
Είναι σαφές ότι για να υπολογίσετε όλα αυτά τα πράγματα, πρέπει να δημιουργήσετε πολύπλοκα μαθηματικά μοντέλα που να λαμβάνουν υπόψη τη σχέση μεταξύ συντονιστικών στοιχείων, περιβαλλοντικών παραμέτρων και πηγών ακτινοβολίας... ή μπορείτε να επωφεληθείτε από τους καρπούς της προόδου και το λογισμικό για αριθμητικά ηλεκτρομαγνητικά μοντελοποίηση, που ακόμη και ένας μαθητής μπορεί εύκολα να καταλάβει (τα πιο εντυπωσιακά παραδείγματα - CST, HFSS). Το λογισμικό σάς επιτρέπει να δημιουργείτε τρισδιάστατα μοντέλα συντονιστών, κεραιών, ηλεκτρικών κυκλωμάτων, να προσθέτετε άτομα σε αυτά - ναι, στην πραγματικότητα, οτιδήποτε, το μόνο ερώτημα είναι η φαντασία σας και η διαθέσιμη υπολογιστική ισχύς σας. Τα κατασκευασμένα μοντέλα χωρίζονται σε πλέγματα, στους κόμβους των οποίων λύνονται οι γνωστές εξισώσεις Maxwell.
Εδώ, για παράδειγμα, είναι μια προσομοίωση του μαγνητικού πεδίου ραδιοσυχνοτήτων μέσα στην προαναφερθείσα κεραία του κλουβιού πουλιών:
Γίνεται αμέσως ξεκάθαρο πώς περιστρέφεται το πεδίο. Η κατάσταση στα αριστερά εμφανίζεται όταν υπάρχει ένα κουτί με νερό μέσα στην κεραία και στα δεξιά - όταν το ίδιο κουτί βρίσκεται σε έναν αντηχείο κατασκευασμένο από καλώδια μήκους συντονισμού. Μπορείτε να δείτε πώς το μαγνητικό πεδίο ενισχύεται σημαντικά από τα καλώδια. Αφού κατέκτησα το CST και βελτιστοποίησα το σχέδιό μου εκεί, έφτιαξα για άλλη μια φορά ένα μεταϋλικό, το οποίο στην πραγματικότητα κατέστησε δυνατή την ενίσχυση του σήματος σε έναν τυπικό κλινικό τομογράφο MRI 1.5T. Ήταν ακόμα ένα κουτί (αν και πιο όμορφο, από πλεξιγκλάς), γεμάτο με νερό και μια σειρά από σύρματα. Αυτή τη φορά, η δομή βελτιστοποιήθηκε ως προς τις συνθήκες συντονισμού, δηλαδή: επιλογή του μήκους των συρμάτων, της θέσης τους και της ποσότητας νερού. Δείτε τι συνέβη με την ντομάτα:
Η πρώτη σάρωση της ντομάτας έγινε με μεγάλη κεραία. Το αποτέλεσμα ήταν απλώς θόρυβος με μόλις ορατά περιγράμματα. Τη δεύτερη φορά τοποθέτησα τα φρούτα σε μια φρεσκοψημένη δομή συντονισμού. Δεν έφτιαξα έγχρωμους χάρτες ή κάτι τέτοιο, αφού το αποτέλεσμα είναι εμφανές. Έτσι, από τη δική μου εμπειρία, αν και αφιέρωσα πολύ χρόνο, απέδειξα ότι το concept λειτουργεί.
Είναι ξεκάθαρο τι σκέφτεστε - πορτοκάλια, ντομάτες - όλα αυτά είναι λάθος, πού είναι οι ανθρώπινες δοκιμές;
Πραγματικά ήταν :
Το χέρι ενός εθελοντή που υποβάλλεται σε μαγνητική τομογραφία βρίσκεται στο ίδιο κουτί. Το πραγματικό νερό στο κουτί, καθώς περιέχει υδρογόνο, είναι επίσης καθαρά ορατό. Το σήμα ενισχύεται στην περιοχή του καρπού που βρίσκεται στο αντηχείο, ενώ όλα τα άλλα μέρη του σώματος είναι ελάχιστα ορατά. Είναι σαφές ότι το ίδιο αποτέλεσμα, και ίσως ακόμη καλύτερο, μπορεί να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας τυπικά κλινικά πηνία. Αλλά το ίδιο το γεγονός ότι μπορείτε να κάνετε τέτοια πράγματα απλά συνδυάζοντας χωρικά νερό και καλώδια, συνδυάζοντάς τα με τον σωστό τρόπο, είναι εκπληκτικό. Ακόμη πιο εκπληκτικό, η γνώση σχετικά με αυτό μπορεί να αποκτηθεί μέσω της μελέτης φαινομενικά άσχετων φαινομένων, όπως η διάθλαση του φωτός.
Για όσους δεν έχουν κουραστεί ακόμαΠρος το παρόν, ο σχεδιασμός του κιβωτίου νερού έχει ήδη βελτιωθεί. Τώρα είναι απλώς μια επίπεδη πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος που σας επιτρέπει να εντοπίσετε το μαγνητικό πεδίο μιας εξωτερικής μεγάλης κεραίας κοντά σας. Επιπλέον, η περιοχή εργασίας του είναι μεγαλύτερη από αυτή του προηγούμενου σχεδιασμού:
Οι χρωματιστές κορδέλες υποδεικνύουν την ένταση του μαγνητικού πεδίου πάνω από τη δομή όταν διεγείρονται από μια εξωτερική πηγή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Η επίπεδη δομή είναι μια τυπική γραμμή μετάδοσης γνωστή στη ραδιομηχανική, αλλά μπορεί επίσης να θεωρηθεί ως μεταϋλικό για μαγνητική τομογραφία. Αυτό το "ασύρματο πηνίο" μπορεί ήδη να ανταγωνιστεί τα τυπικά πηνία όσον αφορά την ομοιομορφία του παραγόμενου πεδίου σε ένα ορισμένο βάθος στο σαρωμένο αντικείμενο:
Η κινούμενη εικόνα δείχνει έναν χρωματικό χάρτη στρώμα προς στρώμα του σήματος μέσα σε ένα κουτί με νερό σε μια μαγνητική τομογραφία. Το χρώμα υποδεικνύει την ένταση των σημάτων από τους πυρήνες του υδρογόνου. Στην επάνω αριστερή γωνία, ένα τμήμα ενός τυπικού πηνίου σάρωσης πλάτης χρησιμοποιείται ως δέκτης. Η κάτω αριστερή γωνία είναι όταν το κουτί τοποθετείται σε αντηχείο με τη μορφή πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος. Κάτω δεξιά - το σήμα λαμβάνεται από μια μεγάλη κεραία ενσωματωμένη στη σήραγγα του τομογράφου. Σύγκρισα την ομοιομορφία του σήματος στην περιοχή που περιγράφεται από το ορθογώνιο. Σε κάποιο υψόμετρο, το μεταϋλικό αποδίδει καλύτερα από το πηνίο όσον αφορά την ομοιομορφία του σήματος. Για κλινικούς σκοπούς, αυτό μπορεί να μην είναι πολύ σημαντικό επίτευγμα, αλλά όταν πρόκειται για επιστημονικές εγκαταστάσεις μαγνητικής τομογραφίας όπου σαρώνονται αρουραίοι, μπορεί να βοηθήσει στην επίτευξη αύξησης του σήματος και μείωσης της απαιτούμενης ισχύος των συναρπαστικών ραδιοπαλμών.
Σχετικά με το "βελτιώθηκε κατά 2 φορές" στην αρχή του άρθρου - φυσικά, αυτό είναι ένας άλλος καρπός της ανεκπλήρωτης αγάπης των δημοσιογράφων για τους επιστήμονες, ωστόσο, είναι επίσης λάθος να πούμε ότι πρόκειται για κενή έρευνα, η οποία υποστηρίζεται από το ενδιαφέρον αυτό το θέμα σε επιστημονικές ομάδες σε όλο τον κόσμο. Παραδόξως, η εργασία εκτελείται και εδώ στη Ρωσία, αν και με βάση την καθαρά προσωπική μου εμπειρία, αυτή είναι μάλλον μια σπάνια εξαίρεση. Υπάρχουν ακόμη πολλά άλυτα προβλήματα που σχετίζονται με τη χρήση μεταϋλικών στη μαγνητική τομογραφία. Εκτός από τον εντοπισμό των μαγνητικών πεδίων για να αποκτήσετε μια καλή εικόνα, μην ξεχνάτε τα ηλεκτρικά πεδία που οδηγούν σε θέρμανση των ιστών, καθώς και την απορρόφηση της ενέργειας του πεδίου ραδιοσυχνοτήτων από τους ιστούς των ασθενών που υποβάλλονται σε εξέταση. Για αυτά τα πράγματα, σε κλινική χρήση, πρέπει να υπάρχει ειδικός έλεγχος, ο οποίος γίνεται πολύ πιο περίπλοκος όταν χρησιμοποιούνται συντονιστές εντοπισμού πεδίου. Προς το παρόν, τα μεταϋλικά για τη μαγνητική τομογραφία παραμένουν στο πεδίο της επιστημονικής έρευνας, αλλά τα αποτελέσματα που λαμβάνονται είναι ήδη πολύ ενδιαφέροντα και ίσως στο μέλλον, χάρη σε αυτά, η διαδικασία μαγνητικής τομογραφίας να αλλάξει προς το καλύτερο, να γίνει ταχύτερη και ασφαλέστερη.
Πηγή: www.habr.com