Una destornillador pasó zumbando junto a mi oído. Con un fuerte tintineo, se detuvo en el cuerpo del criostato. Maldiciendo para mis adentros, decidí tomar un descanso. Desatornillar tuercas en un campo magnético de 1.5 teslas, utilizando una herramienta de acero, no es una buena idea. El campo, como un adversario invisible, intenta constantemente arrancar la herramienta de mis manos, alinearla a lo largo de sus líneas de fuerza y acercarla lo más posible a los electrones que corren en un circuito cerrado de superconductores. Sin embargo, si realmente es necesario vencer las conexiones oxidadas de hace años, no hay mucho que hacer. Me senté frente al ordenador y, como de costumbre, empecé a desplazarme por las noticias. "¡Científicos rusos han mejorado la resonancia magnética por dos veces!" decía un titular sospechoso.
Hace alrededor de un año, nosotros y comprendimos la esencia de su funcionamiento. Recomiendo encarecidamente refrescar en la memoria ese material antes de leer este artículo.
Por diversas razones, incluidas las históricas, en Rusia hoy en día producción de equipos tan complejos como los tomógrafos de resonancia magnética de alto campo. Sin embargo, si vives en una ciudad más o menos grande, no tendrás problemas para encontrar clínicas que ofrezcan este tipo de servicios. Además, el parque de escáneres de RM a menudo está compuesto por equipos de segunda mano que alguna vez fueron importados de Estados Unidos y Europa, y si alguna vez tienes que visitar una clínica de RM, no te dejes engañar por la apariencia atractiva del aparato: podría tener ya casi dos décadas. Como consecuencia, a menudo este equipo se descompone, y durante mucho tiempo fui una de esas personas que devolvían los tomógrafos rotos a su funcionamiento, para que los pacientes pudieran seguir siendo diagnosticados y los propietarios obtuvieran sus ganancias.
Mientras en uno de esos hermosos días, durante un descanso entre peligrosos pasatiempos con enormes campos magnéticos, me encontré en la cinta de noticias con un mensaje interesante: "Científicos rusos junto con colegas holandeses mediante metamateriales». Vale la pena decir que el mero hecho de que en Rusia se realicen investigaciones sobre equipos cuya producción no se ha logrado, me pareció bastante controvertido. Decidí que esto era simplemente otro caso de malversación de fondos, aderezado con palabras científicas incomprensibles como las ya agotadoras « nanotecnologías». La búsqueda de información sobre el trabajo de los científicos nacionales con MRI y metamateriales me llevó a un artículo que contenía la descripción de un experimento simple que fácilmente podría repetir, dado que la máquina de MRI siempre está a mano.
Imagen de , dedicada a la amplificación de la señal de MRI mediante un llamado «metamaterial». En un típico aparato clínico de 1.5 Tesla, en lugar del paciente se carga un metamaterial en forma de un recipiente con agua, dentro del cual hay cables paralelos de una longitud determinada. Sobre los cables se coloca el objeto de estudio: un pez (sin vida). Las imágenes a la derecha son las obtenidas en las imágenes de MRI del pez, con un mapa de colores superpuesto que indica la intensidad de la señal de los núcleos de hidrógeno. Se observa que cuando el pez está sobre los cables, la señal es mucho mejor que sin ellos. El tiempo de escaneo en ambos casos es el mismo, lo que prueba el aumento en la eficiencia del escaneo. El artículo también proporcionó cuidadosamente
una fórmula
para calcular la longitud de los cables en función de la frecuencia operativa del tomógrafo, la cual utilicé. Construí mi metamaterial de una cubeta y un montón de cables de cobre, equipándolos con sujetadores de plástico impresos en 3D:
Mi primer metamaterial. Justo después de fabricarlo, fue introducido en el tomógrafo de 1 Tesla. La naranja actuó como objeto para el escaneo.
Sin embargo, en lugar de la prometida amplificación de la señal, obtuve un montón de artefactos que arruinaban la imagen por completo. ¡No podía contener mi indignación! Después de comerme el sujeto de prueba, escribí a los autores del artículo, cuya esencia podría resumirse en la pregunta «¿Qué demonios... ?».
Los autores me respondieron bastante rápido. Estaban muy impresionados de que alguien intentara replicar sus experimentos. Al principio, intentaron explicarme durante mucho tiempo cómo funcionaban los metamateriales, utilizando términos como "resonancias Fabry-Pérot", "modos propios" y varios campos de radiofrecuencia en el volumen. Luego, al parecer, entendieron que no tenía idea de lo que estaban hablando y decidieron invitarme a su lugar, para que pudiera ver sus desarrollos en persona y comprobar que realmente funcionaba. Metí mi soldador favorito en la mochila y me dirigí a San Petersburgo, a la Universidad Nacional de Investigación de Tecnologías de la Información, Mecánica y Óptica (resulta que allí no solo enseñan a programadores).
Al llegar, fui recibido calurosamente y de repente me ofrecieron un trabajo, ya que estaban impresionados con mi cubeta de cables y necesitaban a alguien para crear nuevos. A cambio, prometieron explicarme detalladamente todo lo que me interesaba y cursar un programa de formación en radiofísica y RMN, que por casualidad comenzaba ese mismo año. Mi afán de conocimiento ganó, y a partir de ahí, durante un año, estudié, realicé proyectos y trabajé, aprendiendo cada vez más sobre la historia de la resonancia magnética y el estado actual de la ciencia en esta área, lo cual compartiré aquí.
En la base del método propuesto para mejorar la RMN, investigado en los mencionados artículos científicos, se encuentran los llamados "metamateriales". Los metamateriales, al igual que muchos otros descubrimientos, deben su existencia a soluciones inesperadas obtenidas a partir de investigaciones teóricas. El científico soviético, Viktor Veselago, en 1967, trabajando en un modelo teórico, postuló la existencia de materiales con un coeficiente de refracción negativo. Como ya habrán comprendido, se trata de óptica, y el valor de dicho coeficiente, en términos simples, indica cuánto cambiará de dirección la luz al atravesar el límite entre diferentes medios, por ejemplo, aire y agua. Es fácil comprobar que esto realmente sucede:
Un simple experimento con un puntero láser y un acuario, que demuestra la refracción de la luz.
Un hecho interesante que se puede extraer de tal experimento es que un rayo no puede refractarse en la misma dirección de donde cayó en el límite de separación, por más que el experimentador lo intente. Este experimento se ha realizado con todas las sustancias que se encuentran en la naturaleza, sin embargo, el rayo se refracta obstinadamente solo en una dirección. Matemáticamente, esto significa que el índice de refacción, al igual que las magnitudes que lo componen, la permitividad y la permeabilidad magnética, son positivas, y nunca se ha observado lo contrario. Al menos, hasta que V. Veselago decidió estudiar esta cuestión y demostró que teóricamente no existe motivo alguno por el cual el índice de refacción no pudiera ser negativo.
Imagen de Wikipedia que muestra la diferencia entre medios con índices de refacción positivos y negativos. Como podemos ver, la luz se comporta de manera completamente antinatural en comparación con nuestra experiencia cotidiana.
V. Veselago durante mucho tiempo intentó encontrar pruebas de la existencia de materiales con un índice de refracción negativo, sin embargo, sus búsquedas no tuvieron éxito, y su trabajo fue injustamente olvidado. Solo a principios del siguiente siglo se crearon artificialmente estructuras compuestas que implementaban las propiedades descritas, pero no en el ámbito óptico, sino en un rango de frecuencias de microondas más bajo. Esto fue un punto de inflexión, ya que la mera posibilidad de la existencia de tales materiales abría nuevas perspectivas. Por ejemplo, la creación de , capaces de aumentar objetos incluso más pequeños que la longitud de onda de la luz. O cubiertas de camuflaje absolutas e invisibles, sueños de todos los militares. Se realizaron serias modificaciones en la teoría teniendo en cuenta los nuevos datos. La clave del éxito fue el uso de estructuras ordenadas de elementos resonantes - metaátomos, cuyo tamaño es mucho menor que la longitud de onda de la radiación con la que interactúan. La estructura ordenada de los metaátomos es un compuesto artificial llamado metamaterial.
La implementación práctica de los metamateriales sigue siendo tecnológicamente compleja, ya que el tamaño de las partículas resonantes debe ser comparativamente menor que la longitud de onda de la radiación electromagnética. Para el rango óptico (donde la longitud de onda es en nanómetros), dichas tecnologías están a la vanguardia de las capacidades del progreso. Por lo tanto, no es sorprendente que los primeros representantes de la concepción de metamateriales se crearan para longitudes de onda electromagnéticas comparativamente más largas del rango de radio (que tienen longitudes más familiares de mm a m). La característica principal y al mismo tiempo la desventaja de cualquier metamaterial es la consecuencia de la naturaleza resonante de los elementos que lo componen. Un metamaterial solo puede exhibir sus propiedades milagrosas en ciertas frecuencias.
Frecuencias limitadas.Por lo tanto, por ejemplo, cuando veas una vez más algo como un superproyector de sonido basado en metamateriales, pregúntate, ¿qué rango de frecuencias realmente está silenciando?
Ejemplos típicos de metamateriales que permiten interactuar con las ondas electromagnéticas. Las estructuras de conductores son nada menos que pequeños resonadores, circuitos LC, formados por la disposición espacial de los conductores.
Poco tiempo pasó desde el momento de la aparición de la concepción de los metamateriales y sus primeras realizaciones, hasta que la gente pensó en usarlos en la resonancia magnética (RM). La principal desventaja de los metamateriales —el rango de trabajo estrecho— no es un problema para la RM, donde todos los procesos ocurren prácticamente en una sola frecuencia de resonancia magnética de los núcleos, que se encuentra en el rango de radio. Aquí puedes crear metaátomos con tus propias manos y ver de inmediato qué resulta en las imágenes. Algunas de las primeras características que los investigadores implementaron en la RM utilizando metamateriales fueron la superlente y los endoscopios.
En la parte izquierda bajo la letra a) se muestra una superlente, compuesta por una red tridimensional de resonadores en placas de circuito impreso. Cada resonador es un anillo metálico abierto con un condensador soldado, formando un circuito LC sintonizado a la frecuencia de MRI. A continuación se incluye un ejemplo de disposición de esta estructura de metamaterial entre las piernas de un paciente que está sometiéndose a una tomografía, y las imágenes obtenidas posteriormente. Si no despreciaste el consejo de leer mi artículo anterior sobre MRI, ya sabes que para obtener imágenes de alguna parte del cuerpo del paciente es necesario recopilar señales nucleares débiles y de rápida caída mediante una antena de proximidad: una bobina.
La superlente de metamaterial permite ampliar el área de acción de la bobina estándar. Por ejemplo, visualizar ambas piernas del paciente al mismo tiempo en lugar de una sola. De las malas noticias, la posición de la superlente debe estar ajustada de manera específica para obtener el mejor efecto, y además, la superlente es bastante costosa de fabricar. Si aún no entiendes por qué esta lente se llama 'súper', observa su tamaño en la foto y luego comprende que funciona con una longitud de onda de alrededor de cinco metros.
Bajo la letra b) se muestra la estructura del endoscopio. En esencia, el endoscopio para MRI es un conjunto de cables paralelos que actúa como guía de ondas. Esto permite separar espacialmente la región de la que la bobina recibe la señal de los núcleos y la propia bobina a una distancia considerable; de hecho, la antena receptora puede estar completamente fuera del criostato del tomógrafo, alejada del campo magnético constante. En las imágenes en la parte inferior de la pestaña b) se presentan fotografías obtenidas para un vaso especial lleno de líquido — un fantoma. La diferencia entre ellas radica en que las imágenes etiquetadas como 'endoscopio' fueron obtenidas cuando la bobina se encontraba a una distancia considerable del fantoma, donde sin el endoscopio las señales de los núcleos no habrían podido detectarse en absoluto.
Si hablamos de una de las áreas más prometedoras para la aplicación de metamateriales en la RMN, y la más cercana a su implementación práctica (en la que terminé involucrándome), es la creación de bobinas inalámbricas. Es importante aclarar que aquí no se trata de Bluetooth u otra tecnología inalámbrica de transmisión de datos. 'Inalámbrico' en este caso se refiere a la existencia de una conexión inductiva o capacitiva entre dos estructuras resonantes: una antena de transmisión y recepción, así como el metamaterial. Conceptualmente, se presenta así:
A la izquierda se muestra cómo transcurre normalmente el procedimiento de RMN: el paciente se encuentra dentro de un criostato en la zona de un campo magnético estático homogéneo. En el túnel del tomógrafo se instala una gran antena, llamada 'jaula de Faraday'. Esta configuración de antena permite rotar el vector del campo magnético de radiofrecuencia a la frecuencia de precesión de los núcleos de hidrógeno (para máquinas clínicas, esto generalmente varía de 40 a 120 MHz, dependiendo de la magnitud del campo magnético estático, que puede ser de 1T a 3T respectivamente), forzándolos a absorber energía y luego emitir una respuesta. La señal de retorno de los núcleos es muy débil y, antes de llegar a los conductores de la gran antena, inevitablemente se atenua. Por esta razón, en la RMN se utilizan bobinas locales de proximidad para recibir señales. En la imagen del centro, por ejemplo, se muestra una situación típica de escaneo de la rodilla. Con la ayuda de metamateriales, se puede crear un resonador que esté inductivamente acoplado a la jaula de Faraday. Con colocar un dispositivo así cerca de la parte del cuerpo del paciente, la señal de allí será recibida tan bien como con una bobina local. Si se tiene éxito en la implementación del concepto, los pacientes ya no tendrán que lidiar con cables y el procedimiento de diagnóstico por RMN será más cómodo.
Justamente ese tipo de dispositivo intenté crear al comenzar, sumergiendo cables en agua y tratando de escanear una naranja. Los cables sumergidos en agua de la primera imagen de este artículo son, en realidad, metaátomos, cada uno de los cuales representa un dipolo de media onda, una de las configuraciones de antenas más conocidas, familiar para cualquier amante de la radio.
Los sumergen en agua no solo para evitar que se incendien en la RMN (aunque también por eso), sino para que, gracias a la alta permitividad dieléctrica del agua, se reduzca su longitud de resonancia exactamente en una cantidad igual a la raíz cuadrada de la permitividad dieléctrica del agua.
Esta técnica ya se utiliza desde hace tiempo en receptores de radio, enrollando un alambre alrededor de un trozo de ferrita, conocida como antena de ferrita. Solo que la ferrita tiene una alta permeabilidad magnética, no dieléctrica, lo que de todos modos funciona, y permite reducir los tamaños de resonancia de la antena. En la RMN, desafortunadamente, no se puede insertar ferrita, ya que es magnética. El agua es una alternativa económica y accesible.
Está claro que para calcular todas estas cosas es necesario construir modelos matemáticos complejos que tengan en cuenta las interrelaciones entre los elementos de resonancia, las características del medio y las fuentes de radiación... o se puede aprovechar los frutos del progreso y usar software de modelado electromagnético numérico, que puede manejar sin dificultad incluso un estudiante de secundaria (ejemplos brillantes son CST, HFSS). El software permite crear modelos 3D de resonadores, antenas, circuitos eléctricos, agregar personas: sí, en realidad, cualquier cosa, el único límite es la imaginación y la potencia de cálculo disponible. Los modelos construidos se dividen en mallas, en cuyos nodos se resuelven las conocidas ecuaciones de Maxwell.
Aquí, por ejemplo, el modelado del campo magnético de radiofrecuencia dentro de la ya mencionada antena tipo jaula de pájaro:
Inmediatamente se vuelve bastante evidente cómo gira el campo. A la izquierda se muestra la situación cuando dentro de la antena hay una caja con agua, y a la derecha, cuando la misma caja está en un resonador de alambres de longitud de resonancia. Se puede ver cómo el campo magnético se intensifica significativamente gracias a los alambres. Después de aprender a usar CST y optimizar mi diseño allí, una vez más creé un metamaterial que realmente permitió aumentar la señal en un tomógrafo RMN clínico estándar de 1.5T. Este también consistía en una caja (aunque más bonita, de acrílico), llena de agua y un conjunto de alambres. Esta vez, la estructura fue optimizada en términos de condiciones de resonancia, es decir: la elección de la longitud de los alambres, sus posiciones y la cantidad de agua. Aquí está cómo quedó con el tomate:
La primera exploración del tomate se realizó con una gran antena. Al final, solo se obtuvo ruido con contornos apenas visibles. La segunda vez coloqué el fruto en una nueva estructura de resonancia recién horneada. No hice mapas de colores ni nada parecido, ya que el efecto es evidente. De esta manera, con mi experiencia, aunque me tomó mucho tiempo, demostré que el concepto funciona.
Entiendo lo que piensas: naranjas, tomates, eso no es lo que buscas. ¿Dónde están las pruebas en humanos?
Realmente se llevaron a cabo :
La mano de un voluntario que se somete a una resonancia magnética está sobre la misma caja. De hecho, el agua en la caja, al contener hidrógeno, también es muy visible. La amplificación de la señal se produce en la zona de la muñeca que descansa sobre el resonador, mientras que las demás partes del cuerpo son menos visibles. Es evidente que se puede lograr el mismo efecto, quizás incluso mejor, utilizando bobinas clínicas estándar. Pero el mero hecho de que se pueden realizar tales cosas simplemente combinando el agua y los cables en el espacio, asociándolos de la manera adecuada, es asombroso. Aún más sorprendente es que se puede obtener conocimiento sobre esto a través de la investigación de fenómenos aparentemente no relacionados, como la refracción de la luz.
Para aquellos que aún no están cansadosEn este momento, la estructura de la caja con agua ya ha sido mejorada. Ahora es simplemente una placa de circuito plana que permite localizar el campo magnético de una gran antena externa a su alrededor. Además, su zona de trabajo es más grande que la de la estructura anterior:
Las cintas de colores muestran la intensidad del campo magnético sobre la estructura cuando es excitada por una fuente externa de ondas electromagnéticas. La estructura plana representa una típica línea de transmisión conocida en la ingeniería de radio, aunque también puede ser considerada un metamaterial para resonancia magnética. Esta "bobina inalámbrica" ya puede competir con las bobinas estándar en términos de homogeneidad del campo creado a cierta profundidad dentro del objeto de exploración:
La animación muestra capa por capa un mapa de colores de la señal dentro de una caja con agua en una RMN. El color indica la intensidad de las señales de los núcleos de hidrógeno. En la esquina superior izquierda, un segmento de una bobina estándar se utiliza como receptor para escanear la espalda. En la esquina inferior izquierda, la caja está sobre un resonador en forma de placa de circuito. En la esquina inferior derecha, una gran antena integrada en el túnel del tomógrafo recibe la señal. Comparé la homogeneidad de la señal en la zona delimitada por un rectángulo. A cierta altura, el metamaterial funciona mejor que la bobina en términos de homogeneidad de la señal. Para tareas clínicas, esto puede no ser un gran avance, pero en el caso de configuraciones científicas de RMN, donde se escanean ratas, esto puede ayudar a obtener un aumento de la señal y a reducir la potencia necesaria de los pulsos de radiofrecuencia.
Sobre el "mejorado en 2 veces" al inicio del artículo: por supuesto, es otro fruto del amor no correspondido de los periodistas hacia los científicos, pero tampoco sería correcto decir que se trata de investigaciones vacías, lo cual se respalda por el interés en este tema en grupos de investigación en todo el mundo. Es sorprendente, pero también se está trabajando aquí en Rusia, aunque, según mi experiencia personal, esto es más bien una rara excepción. Aún hay muchos problemas no resueltos relacionados con la aplicación de metamateriales en la RMN. Además de la localización de los campos magnéticos para obtener una buena imagen, no debemos olvidar los campos eléctricos que pueden provocar el calentamiento de los tejidos, así como la absorción de energía del campo de radiofrecuencia por parte de los tejidos de los pacientes que se someten a exploraciones. En estos aspectos, al usarse clínicamente, debe existir un control especial que se complica enormemente al utilizar resonadores que localizan campos. Por el momento, los metamateriales para la RMN permanecen en el ámbito de la investigación científica, pero los resultados que se obtienen ya son muy interesantes y quizás en el futuro el procedimiento de RMN cambie gracias a ellos, volviéndose más rápido y seguro.
Fuente: habr.com
