Kruvikeeraja vilistas mu kõrvast mööda. Valju helina saatel tardus ta krüostaadi korpusele. Ise kirudes otsustasin teha pausi. Poltide lahtikeeramine 1.5 Tesla magnetväljas terastööriista abil pole hea mõte. Väli nagu nähtamatu vaenlane üritab instrumenti pidevalt käte vahelt kiskuda, seda oma jõujoont mööda orienteerida ja ülijuhist suletud ringis jooksvatele elektronidele võimalikult lähedale suunata. Kui aga tõesti on vaja paljude aastate taguseid hapendatud ühendeid alistada, pole suurt valikut. Istusin arvuti taha ja sirvisin harjumuspäraselt uudistevoogu. "Vene teadlased on MRI-d 2 korda parandanud!" - lugege kahtlast pealkirja.
Umbes aasta tagasi me ja mõistis oma töö olemust. Soovitan tungivalt enne selle artikli lugemist selle materjali mälu värskendada.
Erinevatel põhjustel, sealhulgas ajaloolistel, tänapäeval Venemaal selliste keerukate seadmete tootmine nagu kõrgvälja magnetresonantstomograafia skannerid. Kui aga elate suuremas linnas, leiate hõlpsasti seda tüüpi teenust pakkuvaid kliinikuid. Samas esindavad MRT-skannerite parki sageli kasutatud, kunagi USA-st ja Euroopast imporditud seadmed ning kui ootamatult tuleb MRT-ga kliinikut külastada, ärge laske end aparaadi ilusast välimusest petta - see võib olla juba teisel kümnendil. Seetõttu lähevad sellised seadmed mõnikord katki ja olin pikka aega üks neist inimestest, kes andis katkised tomograafid teenindusse, et patsiendid saaksid diagnostikat jätkata ja omanikud saaksid kasumit.
Kuni ühel ilusal päeval sattusin pausi ajal tohutute magnetväljadega ohtlike meelelahutuste vahel uudistevoos huvitavale kirjale: “Vene teadlased koos Hollandi kolleegidega kasutades metamaterjale." Ütlematagi selge, et juba see, et Venemaal tehakse uuringuid seadmete kohta, mille tootmist pole kunagi valdatud, tundus mulle väga-väga vastuoluline. Otsustasin, et see on lihtsalt järjekordne stipendiumivoor, mida lahjendati arusaamatute teaduslike moesõnadega nagu "nanotehnoloogia", millest kõigil on juba kõrini. Teabe otsimine kodumaiste teadlaste töö teemal MRI ja metamaterjalidega viis mind artiklini, mis sisaldas lihtsa katse kirjeldust, mida saaksin kergesti korrata, kuna MRI-aparaat on alati käepärast.
Pilt pärit , mis on pühendatud MRI signaali täiustamisele nn metamaterjali abil. Tüüpilises kliinilises 1.5 - termilises aparaadis laaditakse patsiendi asemel metamaterjal veebasseini kujul, mille sees asuvad teatud pikkusega paralleelsed juhtmed. Juhtmetel lebab uurimisobjekt - kala (elutu). Parempoolsed pildid on kalade MRI-pildid, mille peal on värvikaart, mis näitab vesiniku tuumade signaali intensiivsust. On näha, et kui kalad juhtmetel lebavad, on signaal palju parem kui ilma nendeta. Skannimisaeg on mõlemal juhul sama, mis tõestab, et skannimise efektiivsus paraneb. Artikkel on ka hoolikalt lisatud
valem
juhtmete pikkuse arvutamiseks olenevalt tomograafi töösagedusest, mida kasutasin. Valmistasin oma metamaterjali küvetist ja vaskjuhtmete massiivist, varustades neid 3D-prinditud plastikust kinnitusdetailidega:
Minu esimene metamaterjal. Kohe pärast tootmist pandi see 1 Tesla tomograafi. Oranž toimis skannitava objektina.
Lubatud signaaliparanduse asemel sain aga hunniku artefakte, mis pildi täiesti ära rikkusid! Minu nördimusel polnud piire! Pärast teema lõpetamist kirjutasin artikli autoritele kirja, mille tähenduse võib taandada küsimusele "Mis ...?"
Autorid vastasid mulle üsna kiiresti. Neile avaldas muljet, et keegi üritas nende katseid korrata. Algul üritasid nad mulle pikka aega selgitada, kuidas metamaterjalid tegelikult töötavad, kasutades helitugevuses mõisteid “Fabry-Perot resonants”, “sisemised režiimid” ja kõikvõimalikke raadiosagedusvälju. Siis, ilmselt mõistes, et ma ei saa üldse aru, millest nad räägivad, otsustasid nad mind endale külla kutsuda, et saaksin nende arenguid otsepildis vaadata ja veenduda, et see ikka toimib. Viskasin oma lemmikjootekolvi seljakotti ja läksin Peterburi, Riiklikku Infotehnoloogia, Mehaanika ja Optika Teadusülikooli (nagu selgus, seal ei koolitata ainult programmeerijaid).
Kohapeal võeti mind soojalt vastu ja järsku pakkusid nad mulle tööd, kuna neile avaldas muljet mu juhtmetega kraav ja neil oli vaja inimest uute loomiseks. Vastutasuks lubati kõik, mis mind huvitab, üksikasjalikult lahti seletada ning läbida radiofüüsika ja MRT koolitus, mis õnneliku juhuse läbi sai alguse just sel aastal. Minu teadmistejanu võitis ja siis terve aasta õppisin, tegin projekte ja töötasin, õppides järk-järgult üha uusi asju magnetresonantsi ajaloost ja ka selle valdkonna kaasaegse teaduse seisu kohta, mida ma ka teen. jaga siin.
Mainitud teaduslikes artiklites uuritud MRI täiustamise meetod põhineb nn metamaterjalidel. Metamaterjalid, nagu paljud teisedki avastused, võlgnevad oma välimuse teoreetilise uurimistöö põhjal saadud ootamatutele lahendustele. Nõukogude teadlane Viktor Veselago pakkus 1967. aastal teoreetilise mudeli kallal töötades välja negatiivse murdumisnäitajaga materjalide olemasolu. Nagu te juba aru saite, räägime optikast ja selle koefitsiendi väärtus tähendab jämedalt öeldes seda, kui palju valgus muudab oma suunda erinevate meediumite, näiteks õhu ja vee piiri läbimisel. Saate hõlpsasti ise veenduda, et see tõesti juhtub:
Lihtne katse laserkursori ja akvaariumi abil valguse murdumise demonstreerimiseks.
Huvitav fakt, mida sellisest katsest saab õppida, on see, et kiirt ei saa murduda samas suunas, kust see liidesele langes, ükskõik kui palju katsetaja ka ei üritaks. See katse viidi läbi kõigi looduslikult esinevate ainetega, kuid kiir murdus kangekaelselt ainult ühes suunas. Matemaatiliselt tähendab see seda, et murdumisnäitaja, aga ka selle koostisosad, dielektriline ja magnetiline läbilaskvus, on positiivsed ja seda pole kunagi teisiti täheldatud. Vähemalt seni, kuni V. Veselago otsustas seda küsimust uurida ja näitas, et teoreetiliselt pole ühtegi põhjust, miks murdumisnäitaja ei saaks olla negatiivne.
Pilt Wikist, mis näitab erinevust positiivse ja negatiivse indeksi meedia vahel. Nagu näeme, käitub valgus meie igapäevase kogemusega võrreldes täiesti ebaloomulikult.
V. Veselago püüdis pikka aega leida tõendeid negatiivse murdumisnäitajaga materjalide olemasolu kohta, kuid otsing ei õnnestunud ja tema töö jäi teenimatult unarusse. Alles järgmise sajandi alguses loodi kunstlikult komposiitstruktuurid, mis realiseerisid kirjeldatud omadused, kuid mitte optilises, vaid madalamas mikrolaine sagedusalas. Mis oli pöördepunkt, kuna selliste materjalide olemasolu avas uusi väljavaateid. Näiteks – looming , mis on võimeline suurendama objekte, mis on isegi väiksemad kui valguse lainepikkus. Või - absoluutsed kamuflaažist nähtamatuse katted, kõigi sõjaväelaste unistus. Uute andmete arvessevõtmiseks tehti teoorias suuri muudatusi. Edu võti oli resonantselementide - metaaatomite - järjestatud struktuuride kasutamine, mille suurus on palju väiksem kui kiirguse lainepikkus, millega nad suhtlevad. Metaaatomite korrastatud struktuur on kunstlik komposiit, mida nimetatakse metamaterjaliks.
Metamaterjalide praktiline rakendamine on tänapäevalgi tehnoloogiliselt keeruline, kuna resonantsosakeste suurus peab olema võrreldav elektromagnetkiirguse lainepikkusest väiksemaga. Optilise vahemiku jaoks (kus lainepikkus on nanomeetrid) on sellised tehnoloogiad edusammude esirinnas. Seetõttu pole üllatav, et metamaterjalide kontseptsiooni esimesed esindajad loodi suhteliselt pikemate elektromagnetlainete jaoks raadioulatusest (mille pikkus on tuttavam mm kuni m). Iga metamaterjali peamine omadus ja samal ajal ka puudus on selle koostisosade resonantsi iseloomu tagajärg. Metamaterjal võib avaldada oma imelisi omadusi ainult teatud sagedustel.
Piiratud sagedused.Seetõttu küsige näiteks järgmine kord, kui näete midagi metamaterjalidel põhinevat superheli segajat, mis sagedusalas see tegelikult segab.
Tüüpilised näited metamaterjalidest, mis võimaldavad interaktsiooni elektromagnetlainetega. Juhtstruktuurid pole midagi muud kui väikesed resonaatorid, LC-ahelad, mis moodustuvad juhtide ruumilisest asendist.
Metamaterjalide kontseptsiooni tekkimisest ja nende esimestest rakendustest on möödas veidi aega ning inimesed said aru, kuidas neid MRI-s kasutada. Metamaterjalide peamiseks puuduseks on see, et kitsas tööpiirkond ei ole probleem MRT puhul, kus kõik protsessid toimuvad peaaegu samal tuumamagnetresonantssagedusel, mis jääb raadioulatusse. Siin saate oma kätega metaaatomeid luua ja piltidelt kohe näha, mis toimub. Üks esimesi funktsioone, mida teadlased metamaterjalide abil MRI-s rakendasid, olid superläätsed ja endoskoobid.
Vasakul pool tähe a) all on kujutatud superlääts, mis koosneb kolmemõõtmelisest resonaatorite massiivist trükkplaatidel. Iga resonaator on lahtine metallrõngas koos joodetud kondensaatoriga, mis moodustab MRI sagedusele häälestatud LC-ahela. Allpool on näide selle metamaterjali struktuuri paigutamisest tomograafiaprotseduuri läbiva patsiendi jalgade vahele ja sellest tulenevalt saadud kujutised. Kui te pole varem põlganud nõuannet lugeda minu eelmist MRT-teemalist artiklit, siis teate juba, et patsiendi kehaosast pildi saamiseks on vaja koguda nõrku, kiiresti lagunevaid tuumasignaale, kasutades selleks lähedal asuvat antenn - mähis.
Metamaterjalist superobjektiiv võimaldab suurendada standardse mähise toimeulatust. Näiteks visualiseerige patsiendi mõlemat jalga korraga, mitte ainult ühte. Halb uudis on see, et parima efekti saavutamiseks tuleb superläätse asend valida teatud viisil ning superläätse enda valmistamine on üsna kulukas. Kui te ikka ei saa aru, miks seda objektiivi super-eesliiteks kutsutakse, siis hinnake fotolt selle suurust ja mõistke, et see töötab umbes viiemeetrise lainepikkusega!
Täht b) näitab endoskoobi konstruktsiooni. Põhimõtteliselt on MRI endoskoop paralleelsete juhtmete rida, mis toimib lainejuhina. See võimaldab ruumiliselt eraldada piirkonda, kust mähis võtab vastu signaali tuumadest ja mähist endast, märkimisväärse vahemaa võrra - kuni selleni, et vastuvõtuantenn võib asuda täielikult väljaspool tomograafi krüostaadist, kaugel pidevast magnetilisest valdkonnas. Vahekaardi b) alumistel piltidel on kujutised, mis on saadud spetsiaalse vedelikuga täidetud anuma - fantoomi jaoks. Nende erinevus seisneb selles, et "endoskoobiga" märgistatud kujutised saadi siis, kui mähis oli fantoomist korralikul kaugusel, kus ilma endoskoobita oleks tuumadest tulevaid signaale täiesti võimatu tuvastada.
Kui me räägime ühest paljutõotavamast metamaterjalide rakendusvaldkonnast MRI-s ja kõige lähemal selle praktilisele rakendamisele (millesse ma lõpuks kaasa sain) on juhtmevabade mähiste loomine. Tasub selgitada, et me ei räägi siin Bluetoothist ega muust traadita andmeedastustehnoloogiast. "Traadita" tähendab sel juhul kahe resonantsstruktuuri - transiiveri antenni ja metamaterjali - induktiivse või mahtuvusliku sidestuse olemasolu. Kontseptsioonis näeb see välja selline:
Vasakul on näidatud, kuidas MRI protseduur tavaliselt toimub: patsient lamab krüostaadi sees ühtlase staatilise magnetväljaga piirkonnas. Tomograafi tunnelisse on paigaldatud suur antenn, mida nimetatakse "linnupuuriks". Selle konfiguratsiooniga antenn võimaldab pöörata raadiosagedusliku magnetvälja vektorit vesiniku tuumade pretsessioonisagedusega (kliiniliste masinate puhul on see tavaliselt 40 kuni 120 MHz, sõltuvalt staatilise magnetvälja suurusest 1T kuni 3T, vastavalt), pannes need energiat neelama ja seejärel vastuseks energiat kiirgama. Südamikust tulev vastussignaal on väga nõrk ja suure antenni juhtideni jõudes paratamatult tuhmub. Sel põhjusel kasutab MRI signaalide vastuvõtmiseks tihedalt paiknevaid kohalikke mähiseid. Näiteks keskel olev pilt näitab tüüpilist põlve skaneerimise olukorda. Metamaterjalide abil on võimalik valmistada resonaator, mis ühendatakse induktiivselt linnupuuriga. Piisab, kui asetate sellise asja patsiendi soovitud kehapiirkonna lähedale ja sealt saadav signaal võetakse vastu mitte halvemini kui kohaliku mähisega! Kui kontseptsioon on edukalt ellu viidud, ei pea patsiendid enam juhtmetesse sassi minema ning MRT diagnostikaprotseduur muutub mugavamaks.
Täpselt sellist asja ma alguses ka üritasin luua, täites juhtmed veega ja proovisin skännida apelsini. Selle artikli esimesest pildist alates vette kastetud juhtmed pole midagi muud kui metaaatomid, millest igaüks esindab poollaine dipooli - üks kuulsamaid antennikujundusi, mis on tuttav igale raadioamatöörile.
Neid kastetakse vette mitte selleks, et nad ei süttiks MRT-s (kuigi ka selleks)), vaid selleks, et vee kõrge dielektrilisuse konstandi tõttu vähendada nende resonantsi pikkust täpselt ruuduga võrdse summa võrra. vee dielektrilise konstandi juur.
Seda kiipi on pikka aega kasutatud raadiovastuvõtjates, kerides traati ferriiditükile - nn. ferriit antenn. Ainult ferriidil on kõrge magnetiline läbilaskvus, mitte dielektriline, mis aga töötab samamoodi ja võimaldab antenni resonantsmõõtmeid vastavalt vähendada. Kahjuks ei saa te ferriiti MRT-sse panna, sest ... see on magnetiline. Vesi on odav ja kättesaadav alternatiiv.
On selge, et kõigi nende asjade arvutamiseks on vaja ehitada väga keerukaid matemaatilisi mudeleid, mis võtavad arvesse resonantselementide, keskkonnaparameetrite ja kiirgusallikate vahelisi seoseid... või võite kasutada edusammude vilju ja tarkvara numbrite jaoks. elektromagnetiline modelleerimine, millest isegi koolilaps kergesti aru saab (silmatorkavamad näited - CST, HFSS). Tarkvara võimaldab teil luua 3D-mudeleid resonaatoritest, antennidest, elektriskeemidest, lisada neile inimesi – jah, tegelikult kõike, mida soovite, küsimus on vaid teie kujutlusvõimes ja saadaolevas arvutusvõimsuses. Konstrueeritud mudelid on jaotatud võrgustikeks, mille sõlmedes on lahendatud tuntud Maxwelli võrrandid.
Siin on näiteks raadiosagedusliku magnetvälja simulatsioon eelnevalt mainitud linnupuuri antennis:
Kohe saab üsna selgeks, kuidas põld pöörleb. Vasakpoolne olukord on näidatud, kui antenni sees on kast vett, ja paremal - kui sama kast on resonantspikkusega juhtmetest valmistatud resonaatoril. Näete, kuidas juhtmed suurendavad oluliselt magnetvälja. Pärast CST valdamist ja sealse disaini optimeerimist tegin taaskord metamaterjali, mis tegelikult võimaldas signaali võimendada tavalises kliinilises 1.5T MRI tomograafis. See oli ikkagi kast (kuigi ilusam, pleksiklaasist), mis oli täidetud vee ja hulga juhtmetega. Seekord optimeeriti konstruktsiooni resonantstingimuste osas, nimelt: juhtmete pikkuse, asukoha ja veekoguse valik. Tomatiga juhtus järgmine:
Tomati esimene skaneerimine tehti suure antenniga. Tulemuseks oli lihtsalt vaevumärgatavate piirjoontega müra. Teisel korral asetasin puuviljad värskelt küpsetatud resonantsstruktuurile. Ma ei ehitanud värvilisi kaarte ega midagi sellist, kuna mõju on ilmne. Seega omast kogemusest, kuigi kulutasin palju aega, tõestasin, et kontseptsioon töötab.
On selge, mida sa mõtled – apelsinid, tomatid – see on kõik vale, kus on inimkatsed?
Nad tõesti olid :
Samal karbil lebab magnetresonantstomograafiat läbiva vabatahtliku käsi. Karbis olev vesi, kuna see sisaldab vesinikku, on samuti selgelt nähtav. Signaal võimendub resonaatoril lebava randme piirkonnas, samas kui kõik muud kehaosad on halvasti nähtavad. On selge, et sama efekti ja võib-olla isegi paremat on võimalik saavutada standardsete kliiniliste mähiste abil. Kuid juba see, et selliseid asju saab teha lihtsalt vee ja juhtmete ruumiliselt kombineerides, kombineerides neid õigel viisil, on hämmastav. Veelgi hämmastavam on see, et teadmisi selle kohta saab omandada näiliselt mitteseotud nähtuste, näiteks valguse murdumise uurimise kaudu.
Neile, kes pole veel väsinudHetkel on veekasti kujundust juba täiustatud. Nüüd on see lihtsalt lame trükkplaat, mis võimaldab teil lokaliseerida teie lähedal asuva välise suure antenni magnetvälja. Lisaks on selle tööala suurem kui eelmisel kujundusel:
Värvilised paelad näitavad magnetvälja tugevust konstruktsiooni kohal, kui seda ergastab väline elektromagnetlainete allikas. Lame struktuur on tüüpiline raadiotehnikas tuntud ülekandeliin, kuid seda võib pidada ka MRI metamaterjaliks. See "juhtmevaba mähis" suudab juba standardsete mähistega konkureerida genereeritud välja ühtluse osas skannitava objekti teatud sügavusel:
Animatsioon näitab MRI veekasti sees oleva signaali kihtide kaupa värvikaarti. Värv näitab vesiniku tuumade signaalide intensiivsust. Ülemises vasakus nurgas kasutatakse vastuvõtjana standardse tagumise skaneerimismähise segmenti. Alumine vasak nurk on siis, kui kast asetatakse trükkplaadi kujul olevale resonaatorile. All paremal – signaali võtab vastu suur tomograafi tunnelisse ehitatud antenn. Võrdlesin signaali ühtlust ristkülikuga piiritletud piirkonnas. Teatud kõrgusel toimib metamaterjal signaali ühtluse osas paremini kui mähis. Kliinilistel eesmärkidel ei pruugi see olla kuigi oluline saavutus, kuid kui rääkida teaduslikest MRI-seadmetest, kus rotte skaneeritakse, võib see aidata saavutada signaali suurenemist ja põnevate raadioimpulsside nõutava võimsuse vähenemist.
Artikli alguses "2 korda paranenud" kohta - muidugi on see järjekordne ajakirjanike vastutustundetu armastuse vili teadlaste vastu, kuid vale on ka väita, et tegemist on tühja uurimistööga, mida toetab huvi seda teemat teadusrühmades üle maailma. Üllataval kombel tehakse tööd ka siin Venemaal, kuigi minu puhtalt isikliku kogemuse põhjal on see pigem harv erand. Metamaterjalide kasutamisega MRT-s on endiselt palju lahendamata probleeme. Lisaks magnetväljade lokaliseerimisele hea pildi saamiseks ärge unustage elektrivälju, mis põhjustavad kudede kuumutamist, samuti raadiosagedusliku väljaenergia neeldumist uuritavate patsientide kudedes. Nende asjade jaoks peab kliinilises kasutuses olema spetsiaalne kontroll, mis läheb välja lokaliseerivate resonaatorite kasutamisel palju keerulisemaks. Praegu jäävad MRT metamaterjalid teadusuuringute raamidesse, kuid saadud tulemused on juba praegu väga huvitavad ja võib-olla tulevikus muutub MRT protseduur tänu neile paremaks, muutudes kiiremaks ja ohutumaks.
Allikas: www.habr.com