Un destornillador pasó silbando junto a mi oreja. Con un fuerte sonido, se congeló en el cuerpo del criostato. Maldiciéndome a mí mismo, decidí tomarme un descanso. Desenroscar tornillos en un campo magnético de 1.5 Tesla con una herramienta de acero no es una buena idea. El campo, como un enemigo invisible, intenta constantemente arrebatar el instrumento de las manos, orientarlo según sus líneas de fuerza y acercarlo lo más posible a los electrones que salen del superconductor en un círculo cerrado. Sin embargo, si realmente necesita derrotar a los compuestos acidificados de hace muchos años, no hay muchas opciones. Me senté frente a la computadora y habitualmente hojeé las noticias. "¡Los científicos rusos han mejorado la resonancia magnética 2 veces!" - lee el titular sospechoso.
Hace aproximadamente un año, nosotros y entendió la esencia de su trabajo. Le recomiendo encarecidamente que actualice su memoria sobre ese material antes de leer este artículo.
Por diversas razones, incluidas las históricas, en la Rusia actual producción de equipos tan complejos como escáneres de imágenes por resonancia magnética de alto campo. Sin embargo, si vives en una ciudad más grande, podrás encontrar fácilmente clínicas que brinden este tipo de servicio. Al mismo tiempo, la flota de escáneres de resonancia magnética a menudo está representada por equipos usados, una vez importados de EE. UU. y Europa, y si de repente tiene que visitar una clínica con una resonancia magnética, no se deje engañar por la hermosa apariencia del dispositivo. bien podría estar en su segunda década. Como resultado, estos equipos a veces se estropean, y durante mucho tiempo fui una de esas personas que devolvía los tomógrafos rotos al servicio para que los pacientes pudieran seguir siendo diagnosticados y los propietarios pudieran obtener ganancias.
Hasta que un buen día, durante una pausa entre entretenimientos peligrosos con enormes campos magnéticos, encontré una inscripción interesante en las noticias: "Científicos rusos junto con colegas holandeses usando metamateriales." No hace falta decir que el hecho mismo de que Rusia esté realizando investigaciones sobre equipos cuya producción nunca ha sido dominada me parecía muy, muy controvertido. Decidí que se trataba simplemente de otra ronda de subvenciones, diluidas con palabras científicas incomprensibles de moda como “nanotecnología”, de las que todo el mundo ya estaba harto. Una búsqueda de información sobre el trabajo de los científicos nacionales con resonancia magnética y metamateriales me llevó a un artículo que contiene una descripción de un experimento simple que podría repetir fácilmente, ya que la máquina de resonancia magnética siempre está a mano.
Imagen de , dedicada a mejorar la señal de resonancia magnética utilizando el llamado “metamaterial”. En un aparato clínico típico 1.5 - Térmico, en lugar del paciente, se carga un metamaterial, en forma de un recipiente con agua, dentro del cual se encuentran cables paralelos de cierta longitud. Sobre los cables se encuentra el objeto de estudio: un pez (no vivo). Las imágenes de la derecha son imágenes de resonancia magnética del pez, con un mapa de colores superpuesto que indica la intensidad de la señal de los núcleos de hidrógeno. Se puede ver que cuando el pez se encuentra sobre los cables, la señal es mucho mejor que sin ellos. El tiempo de escaneo es el mismo en ambos casos, lo que demuestra que aumenta la eficiencia del escaneo. El artículo también incluye cuidadosamente
fórmula
para calcular la longitud de los cables dependiendo de la frecuencia de funcionamiento del tomógrafo que utilicé. Hice mi metamaterial a partir de una cubeta y una serie de cables de cobre, equipados con sujetadores de plástico impresos en 3D:
Mi primer metamaterial. Inmediatamente después de su producción se colocó en un tomógrafo de 1 Tesla. La naranja actuó como un objeto a escanear.
Sin embargo, en lugar de la mejora de señal prometida, recibí un montón de artefactos que arruinaron por completo la imagen. ¡Mi indignación no tuvo límites! Terminado el tema, escribí una carta a los autores del artículo, cuyo significado se puede reducir a la pregunta “¿Qué…?”
Los autores me respondieron bastante rápido. Quedaron bastante impresionados de que alguien estuviera intentando replicar sus experimentos. Al principio intentaron durante mucho tiempo explicarme cómo funcionan realmente los metamateriales, utilizando los términos "resonancias de Fabry-Perot", "modos intrínsecos" y todo tipo de campos de radiofrecuencia en el volumen. Luego, aparentemente al darse cuenta de que no entendía nada de lo que estaban hablando, decidieron invitarme a visitarlos para poder ver sus desarrollos en vivo y asegurarme de que todavía funcionan. Tiré mi soldador favorito en mi mochila y fui a San Petersburgo, a la Universidad Nacional de Investigación de Tecnologías de la Información, Mecánica y Óptica (al final resultó que, allí no solo se capacitan programadores).
Me recibieron calurosamente en el lugar y, de repente, me ofrecieron un trabajo, ya que estaban impresionados con mi zanja con cables y necesitaban una persona para crear otros nuevos. A cambio, me prometieron explicarme detalladamente todo lo que me interesara y realizar un curso de formación en radiofísica y resonancia magnética que, por afortunada coincidencia, empezó exactamente ese año. Ganó mi sed de conocimiento y luego, a lo largo del año, estudié, realicé proyectos y trabajé, aprendiendo gradualmente más y más cosas nuevas sobre la historia de la resonancia magnética, así como el estado de la ciencia moderna en esta área, que continuaré. comparte aquí.
El método de mejora propuesto de la resonancia magnética, y estudiado en los artículos científicos mencionados, se basa en los llamados “metamateriales”. Los metamateriales, como muchos otros descubrimientos, deben su aparición a soluciones inesperadas obtenidas a partir de investigaciones teóricas. El científico soviético Viktor Veselago en 1967, trabajando en un modelo teórico, sugirió la existencia de materiales con un índice de refracción negativo. Como ya comprenderá, estamos hablando de óptica, y el valor de este coeficiente, en términos generales, significa cuánta luz cambiará de dirección al atravesar la frontera entre diferentes medios, por ejemplo, el aire y el agua. Puedes comprobar fácilmente por ti mismo que esto realmente sucede:
Un experimento sencillo que utiliza un puntero láser y un acuario para demostrar la refracción de la luz.
Un hecho interesante que se puede aprender de un experimento de este tipo es que el haz no puede refractarse en la misma dirección desde donde cayó sobre la interfaz, por mucho que lo intente el experimentador. Este experimento se llevó a cabo con todas las sustancias naturales, pero el rayo se refractó obstinadamente en una sola dirección. Matemáticamente, esto significa que el índice de refracción, así como sus cantidades constituyentes, la permeabilidad dieléctrica y magnética, son positivos y nunca se ha observado lo contrario. Al menos hasta que V. Veselago decidió estudiar este tema y demostró que teóricamente no existe una sola razón por la cual el índice de refracción no pueda ser negativo.
Imagen de Wiki que muestra la diferencia entre medios de índice positivos y negativos. Como vemos, la luz se comporta de forma totalmente antinatural en comparación con nuestra experiencia cotidiana.
V. Veselago intentó durante mucho tiempo encontrar evidencia de la existencia de materiales con un índice de refracción negativo, pero la búsqueda no tuvo éxito y su trabajo fue inmerecidamente olvidado. Sólo a principios del siglo siguiente se crearon artificialmente estructuras compuestas que lograron las propiedades descritas, pero no en el rango óptico, sino en el rango de frecuencia inferior de las microondas. Lo cual supuso un punto de inflexión, ya que la posibilidad misma de la existencia de tales materiales abrió nuevas perspectivas. Por ejemplo - creación , capaz de ampliar objetos incluso más pequeños que la longitud de onda de la luz. O bien, las coberturas de absoluta invisibilidad y camuflaje, el sueño de todo el personal militar. Se hicieron modificaciones importantes a la teoría para tener en cuenta 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. Una estructura ordenada de metaátomos es un compuesto artificial llamado metamaterial.
La implementación práctica de metamateriales sigue siendo hoy en día tecnológicamente compleja, ya que el tamaño de las partículas resonantes debe ser comparable a una longitud de onda menor que la de la radiación electromagnética. Para el rango óptico (donde la longitud de onda es de nanómetros), estas tecnologías están a la vanguardia del progreso. Por lo tanto, no es sorprendente que los primeros representantes del concepto de metamateriales fueran creados para ondas electromagnéticas relativamente más largas del rango de radio (que tienen una longitud más familiar de mm a m). La característica principal y al mismo tiempo la desventaja de cualquier metamaterial es consecuencia de la naturaleza resonante de sus elementos constituyentes. El metamaterial puede exhibir sus propiedades milagrosas sólo en ciertas frecuencias.
Frecuencias limitadas.Por lo tanto, por ejemplo, la próxima vez que vea algo así como un bloqueador de súper sonido basado en metamateriales, pregunte en qué rango de frecuencia realmente bloquea.
Ejemplos típicos de metamateriales que permiten la interacción con ondas electromagnéticas. Las estructuras de conductores no son más que pequeños resonadores, circuitos LC formados por la posición espacial de los conductores.
Ha pasado poco tiempo desde que surgió el concepto de metamateriales y sus primeras implementaciones, y la gente descubrió cómo utilizarlos en la resonancia magnética. La principal desventaja de los metamateriales es que el estrecho rango de operación no es un problema para la resonancia magnética, donde todos los procesos ocurren casi a la misma frecuencia de resonancia magnética nuclear, que se encuentra en el rango de radio. Aquí puedes crear metaátomos con tus propias manos y ver inmediatamente lo que sucede en las imágenes. Una de las primeras funciones que los investigadores implementaron en la resonancia magnética utilizando metamateriales fueron las superlentes y los endoscopios.
En el lado izquierdo, debajo de la letra a), se muestra una superlente que consta de un conjunto tridimensional de resonadores sobre placas de circuito impreso. Cada resonador es un anillo de metal abierto con un condensador soldado, que forma un circuito LC sintonizado a la frecuencia de la resonancia magnética. A continuación se muestra un ejemplo de cómo colocar esta estructura metamaterial entre las piernas de un paciente sometido a un procedimiento de tomografía y, en consecuencia, las imágenes resultantes. Si no ha desdeñado anteriormente el consejo de leer mi artículo anterior sobre resonancia magnética, entonces ya sabe que para obtener una imagen de cualquier parte del cuerpo del paciente, es necesario recolectar señales nucleares débiles y de rápida descomposición utilizando un dispositivo ubicado cerca. antena - una bobina.
La súper lente metamaterial le permite aumentar el rango de acción de una bobina estándar. Por ejemplo, visualice ambas piernas del paciente a la vez en lugar de solo una. La mala noticia es que la posición de la superlente debe elegirse de cierta manera para obtener el mejor efecto, y la superlente en sí es bastante cara de fabricar. Si aún no comprende por qué esta lente se llama superprefijo, calcule su tamaño a partir de la foto y luego comprenda que funciona con una longitud de onda de unos cinco metros.
La letra b) muestra el diseño del endoscopio. Básicamente, un endoscopio de resonancia magnética es un conjunto de cables paralelos que actúa como una guía de ondas. Le permite separar espacialmente la región desde la cual la bobina recibe la señal de los núcleos y la propia bobina a una distancia considerable, hasta el punto de que la antena receptora puede ubicarse completamente fuera del criostato del tomógrafo, lejos de la constante magnética. campo. Las imágenes inferiores de la pestaña b) muestran imágenes obtenidas de un recipiente especial lleno de líquido: un fantasma. La diferencia entre ellos es que las imágenes denominadas "endoscopio" se obtuvieron cuando la bobina estaba a una distancia considerable del fantasma, donde sin el endoscopio las señales de los núcleos serían completamente imposibles de detectar.
Si hablamos de una de las áreas más prometedoras de aplicación de metamateriales en resonancia magnética, y la más cercana a su implementación práctica (en la que finalmente me involucré) es la creación de bobinas inalámbricas. Vale aclarar que aquí no estamos hablando de Bluetooth u otra tecnología de transferencia inalámbrica de datos. "Inalámbrico" en este caso significa la presencia de un acoplamiento inductivo o capacitivo de dos estructuras resonantes: una antena transceptora y un metamaterial. En concepto se ve así:
A la izquierda se muestra cómo se realiza normalmente un procedimiento de resonancia magnética: el paciente se encuentra dentro de un criostato en un área de un campo magnético estático uniforme. En el túnel del tomógrafo está montada una gran antena llamada “jaula de pájaros”. Una antena de esta configuración le permite rotar el vector del campo magnético de radiofrecuencia con la frecuencia de precesión de los núcleos de hidrógeno (para máquinas clínicas esto suele ser de 40 a 120 MHz dependiendo de la magnitud del campo magnético estático de 1T a 3T, respectivamente), lo que hace que absorban energía y luego emitan energía en respuesta. La señal de respuesta de los núcleos es muy débil y cuando llegue a los conductores de una antena grande, inevitablemente se desvanecerá. Por esta razón, la resonancia magnética utiliza bobinas locales muy espaciadas para recibir señales. La imagen del centro, por ejemplo, muestra una situación típica de exploración de rodilla. Utilizando metamateriales, es posible fabricar un resonador que se acoplará inductivamente a una jaula de pájaros. ¡Es suficiente colocar tal cosa cerca del área deseada del cuerpo del paciente y la señal desde allí no se recibirá peor que con una bobina local! Si el concepto se implementa con éxito, los pacientes ya no tendrán que enredarse con cables y el procedimiento de diagnóstico por resonancia magnética será más cómodo.
Este es exactamente el tipo de cosas que intenté crear al principio, llenando los cables con agua e intentando escanear una naranja. Los cables sumergidos en agua de la primera imagen de este artículo no son más que metaátomos, cada uno de los cuales representa un dipolo de media onda, uno de los diseños de antena más famosos y familiares para todos los radioaficionados.
Se sumergen en agua no para que no se incendien en la resonancia magnética (aunque también para este propósito)), sino para, debido a la alta constante dieléctrica del agua, reducir su longitud de resonancia exactamente en una cantidad igual al cuadrado. raíz de la constante dieléctrica del agua.
Este chip se ha utilizado durante mucho tiempo en receptores de radio, enrollando alambre en un trozo de ferrita, el llamado. antena de ferrita. Sólo la ferrita tiene una alta permeabilidad magnética, y no la dieléctrica, que, sin embargo, funciona de la misma manera y permite reducir en consecuencia las dimensiones resonantes de la antena. Desafortunadamente, no se puede poner ferrita en una resonancia magnética porque... es magnético. El agua es una alternativa barata y accesible.
Está claro que para calcular todas estas cosas es necesario construir modelos matemáticos complejos que tengan en cuenta la relación entre elementos resonantes, parámetros ambientales y fuentes de radiación... o se pueden aprovechar los frutos del progreso y el software de análisis electromagnético numérico. modelado, que incluso un escolar puede comprender fácilmente (los ejemplos más sorprendentes son CST, HFSS). El software le permite crear modelos 3D de resonadores, antenas, circuitos eléctricos, agregarles personas; sí, de hecho, cualquier cosa, la única cuestión es su imaginación y la potencia informática disponible. Los modelos construidos se dividen en cuadrículas, en cuyos nodos se resuelven las conocidas ecuaciones de Maxwell.
Aquí, por ejemplo, hay una simulación del campo magnético de radiofrecuencia dentro de la antena tipo jaula mencionada anteriormente:
Inmediatamente queda bastante claro cómo gira el campo. La situación de la izquierda se muestra cuando hay una caja con agua dentro de la antena, y a la derecha, cuando la misma caja está sobre un resonador hecho de cables de longitud resonante. Puede ver cómo los cables mejoran significativamente el campo magnético. Después de dominar CST y optimizar mi diseño allí, una vez más hice un metamaterial, que en realidad hizo posible amplificar la señal en un tomógrafo de resonancia magnética clínico estándar de 1.5T. Todavía era una caja (aunque más bonita, hecha de plexiglás), llena de agua y un conjunto de cables. Esta vez, la estructura se optimizó en términos de condiciones de resonancia, a saber: selección de la longitud de los cables, su posición y la cantidad de agua. Esto es lo que pasó con el tomate:
El primer escaneo del tomate se realizó con una antena grande. El resultado fue sólo ruido con contornos apenas visibles. La segunda vez coloqué la fruta sobre una estructura de resonancia recién horneada. No construí mapas de colores ni nada por el estilo, ya que el efecto es obvio. Así, por experiencia propia, aunque dediqué mucho tiempo, demostré que el concepto funciona.
Está claro que lo que estás pensando - naranjas, tomates - todo eso está mal, ¿dónde están los ensayos en humanos?
realmente lo eran :
En la misma caja se encuentra la mano de un voluntario sometido a una resonancia magnética. El agua real dentro de la caja también es claramente visible, ya que contiene hidrógeno. La señal se amplifica en la zona de la muñeca que se encuentra sobre el resonador, mientras que todas las demás partes del cuerpo son poco visibles. Está claro que se puede lograr el mismo efecto, y tal vez incluso mejor, utilizando bobinas clínicas estándar. Pero el hecho mismo de que puedas hacer tales cosas simplemente combinando espacialmente agua y cables, combinándolos de la manera correcta, es asombroso. Aún más sorprendente es que se pueda obtener conocimiento sobre esto mediante el estudio de fenómenos aparentemente no relacionados, como la refracción de la luz.
Para los que aún no están cansadosDe momento ya se ha mejorado el diseño de la caja de agua. Ahora es sólo una placa de circuito impreso plana que le permite localizar el campo magnético de una gran antena externa cerca de usted. Además, su área de trabajo es mayor que la del diseño anterior:
Las cintas de colores indican la intensidad del campo magnético sobre la estructura cuando es excitada por una fuente externa de ondas electromagnéticas. La estructura plana es una línea de transmisión típica conocida en la ingeniería de radio, pero también puede considerarse un metamaterial para la resonancia magnética. Esta “bobina inalámbrica” ya puede competir con las bobinas estándar en términos de uniformidad del campo generado a una determinada profundidad en el objeto escaneado:
La animación muestra un mapa de colores capa por capa de la señal dentro de una caja de agua en una resonancia magnética. El color indica la intensidad de las señales de los núcleos de hidrógeno. En la esquina superior izquierda, un segmento de una bobina de exploración trasera estándar se utiliza como receptor. La esquina inferior izquierda es cuando la caja se coloca sobre un resonador en forma de placa de circuito impreso. Abajo a la derecha: la señal la recibe una gran antena integrada en el túnel del tomógrafo. Comparé la uniformidad de la señal en el área delimitada por el rectángulo. A cierta altitud, el metamaterial funciona mejor que la bobina en términos de uniformidad de la señal. Para fines clínicos, esto puede no ser un logro muy importante, pero cuando se trata de instalaciones científicas de resonancia magnética donde se escanean ratas, puede ayudar a lograr un aumento de la señal y una disminución de la potencia requerida de los pulsos de radio excitantes.
Acerca de "mejorado en 2 veces" al comienzo del artículo; por supuesto, este es otro fruto del amor no correspondido de los periodistas por los científicos, sin embargo, también es incorrecto decir que se trata de una investigación vacía, respaldada por el interés en este tema en grupos científicos de todo el mundo. Sorprendentemente, aquí en Rusia también se está trabajando, aunque, según mi experiencia puramente personal, se trata de una rara excepción. Todavía quedan muchos problemas sin resolver asociados con el uso de metamateriales en resonancia magnética. Además de localizar los campos magnéticos para obtener una buena imagen, no se olvide de los campos eléctricos que provocan el calentamiento de los tejidos, así como la absorción de la energía del campo de radiofrecuencia por parte de los tejidos de los pacientes sometidos a examen. Para estas cosas, en el uso clínico, debe haber un control especial, lo que se vuelve mucho más complicado cuando se utilizan resonadores de localización de campo. Por ahora, los metamateriales para la resonancia magnética siguen estando dentro del ámbito de la investigación científica, pero los resultados obtenidos ya son muy interesantes y quizás en el futuro, gracias a ellos, el procedimiento de la resonancia magnética cambie para mejor, volviéndose más rápido y seguro.
Fuente: habr.com