Preter mia orelo fajfis ŝraŭbturnilo. Kun laŭta sonora sono, ŝi frostiĝis sur la kriostatkorpo. Malbenante al mi mem, mi decidis preni paŭzon. Malŝraŭbi riglilojn en magneta kampo de 1.5 Tesla per ŝtala ilo ne estas bona ideo. La kampo, kiel nevidebla malamiko, konstante provas kapti la instrumenton el la manoj, orienti ĝin laŭ siaj fortolinioj kaj direkti ĝin kiel eble plej proksime al la elektronoj kurantaj en fermita cirklo de la superkonduktaĵo. Tamen, se vi vere bezonas venki acidigitajn komponaĵojn de antaŭ multaj jaroj, ne estas multe da elekto. Mi sidiĝis ĉe la komputilo kaj kutime rulumis la novaĵfluon. "Rusaj sciencistoj plibonigis RM je 2 fojojn!" - legu la suspektindan titolon.
Antaŭ proksimume unu jaro, ni kaj komprenis la esencon de lia laboro. Mi forte rekomendas, ke vi refreŝigu vian memoron pri tiu materialo antaŭ ol legi ĉi tiun artikolon.
Pro diversaj kialoj, inkluzive de historiaj, en Rusio hodiaŭ produktado de tiaj kompleksaj ekipaĵoj kiel altkampaj magnetresonancaj bildigaj skaniloj. Tamen, se vi loĝas en pli granda urbo, vi povas facile trovi klinikojn, kiuj provizas ĉi tiun tipon de servo. Samtempe, la aro de MRI-skaniloj ofte estas reprezentita de uzataj ekipaĵoj, iam importitaj el Usono kaj Eŭropo, kaj se vi subite devas viziti klinikon kun MRI, ne trompiĝu per la bela aspekto de la aparato - ĝi povas bone esti en sia dua jardeko. Kiel rezulto, tia ekipaĵo foje malfunkcias, kaj dum longa tempo mi estis unu el tiuj homoj, kiuj resendis rompitajn tomografojn al servo, por ke pacientoj daŭre suferu diagnozon, kaj la posedantoj povu fari profiton.
Ĝis unu belan tagon, dum paŭzo inter danĝeraj distraĵoj kun grandegaj magnetaj kampoj, mi renkontis interesan surskribon en la novaĵfluo: “Rusaj sciencistoj kune kun nederlandaj kolegoj. uzante metamaterialojn." Ne necesas diri, ke la fakto mem, ke Rusio faras esploradon pri ekipaĵoj, kies produktado neniam estis majstrita, ŝajnis al mi tre, tre polemika. Mi decidis, ke tio estas nur plia rondo de subvencioj, diluitaj per nekompreneblaj sciencaj zumvortoj kiel la "nanoteknologio", de kiu ĉiuj jam satiĝis. Serĉo de informoj pri la temo de la laboro de hejmaj sciencistoj kun MRI kaj metamaterialoj kondukis min al artikolo enhavanta priskribon de simpla eksperimento, kiun mi facile povus ripeti, ĉar la MRI-maŝino estas ĉiam ĉe mano.
Bildo el , dediĉita al plibonigo de la MRI-signalo uzante la tielnomitan "metamaterialon". En tipa klinika 1.5 - Termika aparato, anstataŭ la paciento, metamaterialo estas ŝarĝita, en formo de baseno da akvo, en kiu troviĝas paralelaj dratoj de certa longo. Sur la dratoj kuŝas la studobjekto - fiŝo (neviva). La bildoj dekstre estas MRI-bildoj de la fiŝo, kun kolormapo supermetita indikante la signalintensecon de la hidrogenkernoj. Oni povas vidi, ke kiam la fiŝo kuŝas sur la dratoj, la signalo estas multe pli bona ol sen ili. La skanada tempo estas la sama en ambaŭ kazoj, kio pruvas, ke skana efikeco estas plibonigita. La artikolo ankaŭ zorge inkluzivita
la formulo
por kalkuli la longon de la dratoj depende de la operacia frekvenco de la tomografo, kiun mi uzis. Mi faris mian metamaterialon el kuveto kaj aro da kupraj dratoj, ekipitaj per 3D presitaj plastaj fermiloj:
Mia unua metamaterialo. Tuj post produktado ĝi estis metita en 1 Tesla tomografon. La oranĝo funkciis kiel objekto por esti skanita.
Tamen, anstataŭ la promesita signal-plibonigo, mi ricevis amason da artefaktoj kiuj tute fuŝis la bildon! Mia indigno ne konis limojn! Fininte la temon, mi skribis leteron al la aŭtoroj de la artikolo, kies signifo povas esti reduktita al la demando "Kio ...?"
La aŭtoroj respondis al mi sufiĉe rapide. Ili estis sufiĉe imponitaj, ke iu provas reprodukti iliajn eksperimentojn. Komence ili longe provis klarigi al mi kiel metamaterialoj efektive funkcias, uzante la terminojn "Fabry-Perot-resonancoj", "internsekaj modoj", kaj ĉiaj radiofrekvencaj kampoj en la volumeno. Tiam, ŝajne konsciante, ke mi tute ne komprenas, pri kio ili parolas, ili decidis inviti min viziti ilin, por ke mi povu rigardi iliajn evoluojn en vivas kaj certigi, ke ĝi ankoraŭ funkcias. Mi ĵetis mian plej ŝatatan lutferon en mian dorsosakon kaj iris al Sankt-Peterburgo, al la Nacia Esplora Universitato pri Informa Teknologioj, Mekaniko kaj Optiko (kiel montriĝis, tie ne nur programistoj estas trejnitaj).
Mi estis varme bonvenigita surloke, kaj subite, ili proponis al mi laboron, ĉar ili estis impresitaj de mia fosaĵo per dratoj kaj ili bezonis personon por krei novajn. Kontraŭe, ili promesis klarigi detale ĉion, kio interesas min kaj fari trejnan kurson pri radiofiziko kaj MR, kiu, pro bonŝanca hazardo, komenciĝis ĝuste en tiu jaro. Mia soifo je scio venkis, kaj poste, dum la tuta jaro, mi studis, faris projektojn kaj laboris, iom post iom lernante pli kaj pli novajn aferojn pri la historio de magneta resonanco, kaj ankaŭ pri la stato de la moderna scienco en ĉi tiu kampo, kiun mi faros. kundividu ĉi tie.
La metodo de proponita plibonigo de MRI, kaj studita en la menciitaj sciencaj artikoloj, baziĝas sur la tiel nomataj "metamaterialoj". Metamaterialoj, kiel multaj aliaj eltrovaĵoj, ŝuldas sian aspekton al neatenditaj solvoj akiritaj surbaze de teoria esplorado. Sovetia sciencisto, Viktor Veselago, en 1967, laborante pri teoria modelo, sugestis la ekziston de materialoj kun negativa refrakta indico. Kiel vi jam komprenas, ni parolas pri optiko, kaj la valoro de ĉi tiu koeficiento, proksimume, signifas kiom da lumo ŝanĝos sian direkton trapasante la limon inter malsamaj amaskomunikiloj, ekzemple aero kaj akvo. Vi povas facile kontroli mem, ke tio vere okazas:
Simpla eksperimento uzanta lasermontrilon kaj akvarion por montri la refrakton de lumo.
Interesa fakto kiu povas esti lernita de tia eksperimento estas ke la trabo ne povas esti refraktita en la sama direkto de kie ĝi falis sur la interfacon, kiom ajn forte la eksperimentanto provas. Ĉi tiu eksperimento estis farita kun ĉiuj nature okazantaj substancoj, sed la trabo estis obstine refraktita en nur unu direkto. Matematike, tio signifas ke la refrakta indico, same kiel ĝiaj konsistigaj kvantoj, dielektrika kaj magneta permeablo, estas pozitivaj, kaj ĝi neniam estis observita alie. Almenaŭ ĝis V. Veselago decidis studi tiun ĉi aferon kaj montris, ke teorie ne ekzistas eĉ unu kialo, kial la refrakta indico ne povas esti negativa.
Bildo el Vikio montranta la diferencon inter pozitivaj kaj negativaj indekskomunikiloj. Kiel ni vidas, la lumo kondutas tute nenature, kompare kun nia ĉiutaga sperto.
V. Veselago longe provis trovi pruvojn pri la ekzisto de materialoj kun negativa refrakta indico, sed la serĉo estis malsukcesa, kaj lia laboro estis senmerite forgesita. Nur komence de la venonta jarcento estis artefarite kreitaj kunmetitaj strukturoj, kiuj realigis la priskribitajn trajtojn, sed ne en la optika, sed en la pli malalta mikroonda frekvenco. Tio estis turnopunkto, ĉar la ebleco mem de la ekzisto de tiaj materialoj malfermis novajn perspektivojn. Ekzemple - kreado , kapabla pligrandigi objektojn eĉ pli malgrandajn ol la ondolongo de lumo. Aŭ - absoluta kamuflaĵa nevidebleco kovriloj, la revo de ĉiuj militistoj. Gravaj amendoj estis faritaj al la teorio por enkalkuli novajn datenojn. La ŝlosilo al sukceso estis la uzo de ordigitaj strukturoj de resonantaj elementoj - metaatomoj, kies grandeco estas multe pli malgranda ol la ondolongo de la radiado kun kiu ili interagas. Ordigita strukturo de meta-atomoj estas artefarita kunmetaĵo nomita metamaterialo.
La praktika efektivigo de metamaterialoj eĉ hodiaŭ estas teknologie kompleksa, ĉar la grandeco de la resonancaj partikloj devas esti komparebla al malpli ol la ondolongo de elektromagneta radiado. Por la optika intervalo (kie la ondolongo estas nanometroj), tiaj teknologioj estas ĉe la avangardo de progreso. Tial, ne estas surprize, ke la unuaj reprezentantoj de la metamateriala koncepto estis kreitaj por relative pli longaj elektromagnetaj ondoj de la radioamplekso (kiuj havas pli konatan longon de mm ĝis m). La ĉefa trajto kaj samtempe la malavantaĝo de iu ajn metamaterialo estas sekvo de la resonanca naturo de ĝiaj konsistigaj elementoj. Metamaterialo povas elmontri siajn miraklajn ecojn nur ĉe certaj frekvencoj.
Limigitaj frekvencoj.Sekve, ekzemple, la venontan fojon kiam vi vidos ion kiel supersona jammer bazita sur metamaterialoj, demandu kian frekvencintervalon ĝi efektive blokas.
Tipaj ekzemploj de metamaterialoj kiuj permesas interagadon kun elektromagnetaj ondoj. Konduktaj strukturoj estas nenio pli ol malgrandaj resonatoroj, LC-cirkvitoj formitaj per la spaca pozicio de la konduktiloj.
Pasis iom da tempo ekde la apero de la koncepto de metamaterialoj kaj iliaj unuaj efektivigoj, kaj homoj eksciis kiel uzi ilin en MRI. La ĉefa malavantaĝo de metamaterialoj estas ke la mallarĝa operacia intervalo ne estas problemo por MRI, kie ĉiuj procezoj okazas ĉe preskaŭ la sama nuklea magneta resonanca frekvenco, kiu kuŝas en la radiointervalo. Ĉi tie vi povas krei meta-atomojn per viaj propraj manoj kaj tuj vidi kio okazas en la bildoj. Unu el la unuaj trajtoj, kiujn esploristoj efektivigis en MRI uzante metamaterialojn, estis superlensoj kaj endoskopoj.
Maldekstre sub litero a) estas montrita superlenso, konsistanta el tridimensia aro de resonatoroj sur presitaj cirkvitoj. Ĉiu resonator estas malferma metala ringo kun lutita kondensilo, formante LC-cirkviton agorditan al la MRI-frekvenco. Malsupre estas ekzemplo de metado de ĉi tiu metamateriala strukturo inter la gamboj de paciento spertanta tomografian proceduron kaj, sekve, la rezultajn bildojn. Se vi antaŭe ne malestimis la konsilon legi mian antaŭan artikolon pri MRI, tiam vi jam scias, ke por akiri bildon de iu parto de la korpo de la paciento, necesas kolekti malfortajn, rapide kadukiĝantajn nukleajn signalojn uzante proksime lokitan. anteno - bobeno.
La metamateriala superlenso permesas vin pliigi la gamon de ago de norma bobeno. Ekzemple, vidu ambaŭ krurojn de la paciento samtempe anstataŭ nur unu. La malbona novaĵo estas, ke la pozicio de la superlenso devas esti elektita laŭ certa maniero por la plej bona efiko, kaj la superlenso mem estas sufiĉe multekosta por fabriki. Se vi ankoraŭ ne komprenas, kial ĉi tiu lenso nomiĝas superprefikso, tiam taksu ĝian grandecon el la foto, kaj tiam rimarku, ke ĝi funkcias kun ondolongo de ĉirkaŭ kvin metroj!
Litero b) montras la dezajnon de la endoskopo. Esence, MRI-endoskopo estas aro de paralelaj dratoj, kiuj funkcias kiel ondgvidilo. Ĝi permesas al vi space apartigi la regionon, de kiu la bobeno ricevas la signalon de la kernoj kaj la bobeno mem je konsiderinda distanco - ĝis la punkto, ke la ricevanta anteno povas troviĝi tute ekster la kriostato de la tomografo, malproksime de la konstanta magneta. kampo. La malsupraj bildoj de langeto b) montras bildojn akiritajn por speciala likvplena vazo - fantomo. La diferenco inter ili estas ke la bildoj etikeditaj "endoskopo" estis akiritaj kiam la bobeno estis je deca distanco de la fantomo, kie sen la endoskopo la signaloj de la nukleoj estus tute neeblaj de detekti.
Se ni parolas pri unu el la plej promesplenaj kampoj de apliko de metamaterialoj en MRI, kaj la plej proksima al ĝia praktika efektivigo (kiu mi finfine engaĝiĝis) estas la kreado de sendrataj bobenoj. Indas klarigi, ke ĉi tie ni ne parolas pri Bluetooth aŭ alia sendrata transiga teknologio. "Sendrata" ĉi-kaze signifas la ĉeeston de indukta aŭ kapacita kuplado de du resonancaj strukturoj - transceptora anteno, same kiel metamaterialo. Koncepte ĝi aspektas jene:
Maldekstre estas montrita kiel MRI-proceduro kutime okazas: la paciento kuŝas ene de kriostato en areo de unuforma statika magneta kampo. Granda anteno nomita "birdkaĝo" estas muntita en la tomograftunelo. Anteno de ĉi tiu agordo permesas turni la vektoron de la radiofrekvenca magneta kampo kun la precesia frekvenco de hidrogenaj kernoj (por klinikaj maŝinoj ĉi tio estas kutime de 40 ĝis 120 MHz depende de la grandeco de la senmova magneta kampo de 1T ĝis 3T, respektive), igante ilin absorbi energion kaj tiam elsendi energion en respondo. La respondsignalo de la kernoj estas tre malforta kaj kiam ĝi atingas la konduktilojn de granda anteno, ĝi neeviteble fados. Tial, MRI uzas proksime spacigitajn lokajn bobenojn por ricevi signalojn. La bildo en la centro, ekzemple, montras tipan genuan skanan situacion. Uzante metamaterialojn, estas eble fari resonator kiu estos indukte kunligita al birdokaĝo. Sufiĉas meti tian aferon proksime de la dezirata areo de la korpo de la paciento kaj la signalo de tie estos ricevita ne pli malbona ol per loka bobeno! Se la koncepto estas sukcese efektivigita, pacientoj ne plu devos implikiĝi en dratoj, kaj la MRI-diagnoza proceduro fariĝos pli komforta.
Ĉi tio estas ĝuste tia afero, kiun mi provis krei komence, plenigante la dratojn per akvo kaj provante skani oranĝon. La dratoj mergitaj en akvon de la plej unua bildo en ĉi tiu artikolo estas nenio pli ol meta-atomoj, ĉiu el kiuj reprezentas duon-ondan dipolon - unu el la plej famaj antenoj, konataj al ĉiu radioamatoro.
Ili estas mergitaj en akvon ne por ke ili ne ekbruliĝu en MRI (kvankam ankaŭ por ĉi tiu celo)), sed por, pro la alta dielektrika konstanto de akvo, redukti sian resonan longon ĝuste je kvanto egala al la kvadrato. radiko de la dielektrika konstanto de akvo.
Ĉi tiu blato estas delonge uzata en radioriceviloj, bobenante drato sur peco de ferito - la tn. ferrita anteno. Nur ferito havas altan magnetan permeablon, kaj ne dielektrikan, kiu tamen funkcias same kaj permesas la resonancaj dimensioj de la anteno reduktiĝi laŭe. Bedaŭrinde, vi ne povas meti ferriton en MR, ĉar... ĝi estas magneta. Akvo estas malmultekosta kaj alirebla alternativo.
Estas klare, ke por kalkuli ĉiujn ĉi aferojn, vi devas konstrui kompleksajn matematikajn modelojn, kiuj konsideras la rilaton inter resonantaj elementoj, mediaj parametroj kaj radiadfontoj... aŭ vi povas utiligi la fruktojn de progreso kaj programaro por nombra elektromagneta. modelado, kiun eĉ lernejano povas facile kompreni (la plej okulfrapaj ekzemploj - CST, HFSS). La programaro permesas krei 3D modelojn de resonatoroj, antenoj, elektraj cirkvitoj, aldoni homojn al ili - jes, fakte, io ajn, la sola demando estas via imago kaj disponebla komputika potenco. La konstruitaj modeloj estas dividitaj en kradojn, ĉe kies nodoj la konataj Maxwell-ekvacioj estas solvitaj.
Jen, ekzemple, simulado de la radiofrekvenca magneta kampo ene de la antaŭe menciita birdkaĝa anteno:
Tuj fariĝas sufiĉe klare kiel la kampo rotacias. La situacio maldekstre estas montrita kiam estas skatolo da akvo ene de la anteno, kaj dekstre - kiam la sama skatolo estas sur resonator farita el dratoj de resonanca longo. Vi povas vidi kiel la magneta kampo estas signife plifortigita per la dratoj. Post majstrado de CST kaj optimumigi mian dezajnon tie, mi denove faris metamaterialon, kiu fakte ebligis plifortigi la signalon en norma klinika 1.5T MRI-tomografo. Ĝi estis ankoraŭ skatolo (kvankam pli bela, el pleksiglas), plenigita per akvo kaj aro da dratoj. Ĉi-foje, la strukturo estis optimumigita laŭ resonancaj kondiĉoj, nome: elekto de la longo de la dratoj, ilia pozicio kaj la kvanto de akvo. Jen kio okazis kun la tomato:
La unua skanado de la tomato estis farita per granda anteno. La rezulto estis nur bruo kun apenaŭ videblaj konturoj. La duan fojon mi metis la frukton sur freŝbakitan resonan strukturon. Mi ne konstruis kolorajn mapojn aŭ ion similan, ĉar la efiko estas evidenta. Tiel, el mia propra sperto, kvankam mi pasigis multe da tempo, mi pruvis, ke la koncepto funkcias.
Estas klare, kion vi pensas - oranĝoj, tomatoj - ĉio estas malĝusta, kie estas la homaj provoj?
Ili vere estis :
La mano de volontulo sperta MR kuŝas sur la sama skatolo. La efektiva akvo en la skatolo, ĉar ĝi enhavas hidrogenon, ankaŭ estas klare videbla. La signalo estas plifortigita en la areo de la pojno kuŝanta sur la resonatoro, dum ĉiuj aliaj partoj de la korpo estas malbone videblaj. Estas klare, ke la sama efiko, kaj eble eĉ pli bona, povas esti atingita per normaj klinikaj bobenoj. Sed la fakto mem, ke vi povas fari tiajn aferojn simple space kombinante akvon kaj dratojn, kombinante ilin en la ĝusta maniero, estas mirinda. Eĉ pli mirige, scio pri tio povas esti akirita per la studo de ŝajne senrilataj fenomenoj, kiel ekzemple la refrakto de lumo.
Por tiuj, kiuj ankoraŭ ne estas lacajNuntempe, la dezajno de la akvokesto jam estis plibonigita. Nun ĝi estas nur plata presita cirkvito, kiu ebligas al vi lokalizi la magnetan kampon de ekstera granda anteno proksime de vi. Krome, ĝia laborareo estas pli granda ol tiu de la antaŭa dezajno:
La koloraj rubandoj indikas la magnetkampan forton super la strukturo kiam ekscitita per ekstera fonto de elektromagnetaj ondoj. La plata strukturo estas tipa transmisilinio konata en radioinĝenieristiko, sed ankaŭ povas esti konsiderita metamaterialon por MR. Ĉi tiu "sendrata bobeno" jam povas konkuri kun normaj bobenoj laŭ la unuformeco de la generita kampo ĉe certa profundo en la skanita objekto:
La animacio montras tavolon-post-tavolan kolormapon de la signalo ene de kesto da akvo en MR. Koloro indikas la intensecon de signaloj de hidrogenaj kernoj. En la supra maldekstra angulo, segmento de norma malantaŭa skananta bobeno estas utiligita kiel ricevilo. La malsupra maldekstra angulo estas kiam la kesto estas metita sur resonator en la formo de presita cirkvito. Malsupre dekstre - la signalo estas ricevita per granda anteno konstruita en la tomograftunelon. Mi komparis la signalan unuformecon en la areo skizita de la rektangulo. En iu alteco, la metamaterialo rezultas pli bone ol la bobeno laŭ signala unuformeco. Por klinikaj celoj, ĉi tio eble ne estas tre grava atingo, sed kiam temas pri sciencaj MRI-instalaĵoj, kie ratoj estas skanitaj, ĝi povas helpi atingi pliigon de signalo kaj malpliigon de la bezonata potenco de ekscitaj radiopulsoj.
Pri "plibonigita je 2-fojoj" komence de la artikolo - ĉi tio kompreneble estas alia frukto de la nereciproka amo de ĵurnalistoj al sciencistoj, tamen ankaŭ estas malĝuste diri, ke ĉi tio estas malplena esplorado, kiu estas subtenata de intereso pri ĉi tiu temo en sciencaj grupoj tra la mondo. Surprize, ankaŭ ĉi tie en Rusio estas laboroj, kvankam laŭ mia pure persona sperto, tio estas sufiĉe malofta escepto. Estas ankoraŭ multaj nesolvitaj problemoj asociitaj kun la uzo de metamaterialoj en MR. Krom lokalizi magnetajn kampojn por akiri bonan bildon, ne forgesu pri elektraj kampoj, kiuj kondukas al histo-hejtado, kaj ankaŭ la sorbadon de radiofrekvenca kampo-energio de la histoj de pacientoj ekzamenitaj. Por ĉi tiuj aferoj, en klinika uzo, devas ekzisti speciala kontrolo, kiu fariĝas multe pli komplika kiam oni uzas kampo-lokaligajn resonaciojn. Nuntempe, metamaterialoj por MRI restas en la amplekso de scienca esplorado, sed la rezultoj akiritaj estas jam tre interesaj kaj eble en la estonteco, danke al ili, la MRI-proceduro ŝanĝiĝos pli bone, iĝante pli rapida kaj pli sekura.
fonto: www.habr.com