Uurime magnetresonantsitomograafi II: Metamaterjalid MRT-s

Kruvikeeraja lendas kõrva kõrvalt. Kõva heliga peatus see kriostaatil. Endamisi vandudes otsustasin võtta pausi. Poldi lahti keeramine 1,5 tesla magnetväljas terasest tööriistaga – see ei tundu kuigi mõistlik. Väli, nagu nähtamatu vaenlane, püüab kogu aeg tööriista käest välja rebida, orienteerida seda oma jõujoonte mööda ja suunata nii lähedale elektronidele, mis jooksevad suletud ringis ülijuhtivas materjalis. Siiski, kui tuleb võita rooste tekitatud ühendused, ei ole erilisi valikuvõimalusi. Istusin arvuti taha ja harjumusest sirvitasin uudisvoogu. 'Venemaa teadlased parandasid MRT-d kaks korda!' - tõi kahtlase pealkirjaga.

Umbes aasta tagasi uurisime magnetresonantsitomograafi ja mõistsime selle töö põhimõtet. Soovitan tungivalt enne selle artikli lugemist materjal meelde tuletada.

Erinevatel põhjustel, sealhulgas ajaloolistel, on Venemaal tänapäeval peaaegu puuduvad keerukate seadmete, näiteks kõrge magneetilise resonantsi tomograafide tootmine. Siiski, kui elate enam-vähem suures linnas, leiate hõlpsasti kliinikud, mis pakuvad selliseid teenuseid. Samuti on MRT-skannerite park sageli esindatud kasutatud seadmetega, mis on kunagi toodud USA-st ja Euroopast ning kui teil tuleb külastada MRT-kliinikut, ärge laske end petta seadme kaunist välist välimusest — see võib olla juba mitu aastat vana. Selle tulemusena hakkab selline tehnika tihti lagunema, ja ma olin pikka aega üks neist, kes taastab riknenud tomograafe, et patsiendid saaksid jätkuvalt diagnostikat teha ja omanikel oleks võimalus teenida kasumit.

Kuni ühel kaunil päeval, ohtlike meelelahutuste pausis tohutu suurte magnetväljade vahel, sattusin uudistevoos huvitavale kirjutisele: „Venemaa teadlased koostöös Hollandi kolleegidega töötlustehnoloogiat MRT täiustanud metamaterjalide abil. Ei pea olema üllatav, et fakt, et Venemaal tehakse teadusuuringuid seadmete kallal, mille tootmine pole kunagi ellu viidud, tundus mulle väga vaieldav. Otsustasin, et see on lihtsalt üks järjekordne rahade raiskamine, mida on segatud arusaamatute teaduslike terminitega nagu "nanotehnoloogiad", mis on kõigile juba tüütud. Otsing teabe leidmiseks kohalike teadlaste töö kohta MRT ja metamaterjalidega viis mind artiklini, mis sisaldas lihtsa eksperimendi kirjeldust, mida oleksin kergesti saanud korrata, kuna MRT seade on alati käepärast.

Pilt artikkel, mis on pühendatud MRT signaali tugevdamisele nn „metamaterjali” abil. Tüüpilises kliinilises 1,5 – Tesla seadmes laaditakse patsiendi asemel metamaterjal, mis on veeanum, mille sees on paralleelsed juhtmed kindla pikkusega. Juhtmete peal on uuritav objekt — kala (elutu). Paremal pool on MRT saadud pildid kalast, millele on peale kantud värvikaar, mis näitab vesiniku tuumade signaali intensiivsust. On näha, et kui kala lebab juhtmetel, on signaal palju parem kui ilma nendeta. Skaneerimisaeg mõlemas juhul on sama, mis tõestab skaneerimise efektiivsuse tõusu. Artiklis on ka hoolikalt toodud
valem

juhtmete pikkuse arvutamiseks sõltuvalt tomograafi tööfrektsioonist, mida ma kasutasin. Valmistasin oma metamaterjali kuvest ja suurest vaskjuhtmetest, kinnitades need plastikute abiga, mis olid printitud 3D printeriga:

Minu esimene metamaterjal. Kohe pärast valmistamist pandi see 1-Tesla tomograafi. Apelsin toimis skaneeritava objektina.

Siiski, lubatud signaali tugevdamise asemel sain ma hunniku artefakte, mis rikkusid pildi täielikult! Minu rahulolematus ei olnud piirideta!

Autorid vastasid mulle üsna kiiresti. Nad olid väga muljet avaldanud, et keegi üritab nende eksperimente korrata. Alguses üritasid nad pidevalt selgitada, kuidas metamaterialid tegelikult töötavad, kasutades termineid nagu "Fabri-Pero resonantsid", "omamood" ja igasuguseid raadiolainete valdkondi. Siis, kui nad ilmselt mõistsid, et ma ei saa absoluutselt aru, millest jutt käib, otsustasid nad kutset saata, et ma saaksin nende arendusi elusalt näha ja veenduda, et see tõepoolest toimib. Panin seljakotti oma lemmik jootmisraudi ja läksin Peterburi, riikliku teadusülikooli, info- ja optikatehnoloogia ülikooli (nagu selgus, õpetatakse seal mitte ainult programmeerijaid).


Mind oli soe vastuvõtt, ja ootamatult pakuti mulle tööd, kuna nad olid muljet avaldanud mu kaablitega küvetist ning vajasid inimest uute loomiseks. Vastutasuks lubasid nad detailselt selgitada kõike, mis mind huvitab, ning viia läbi radiofüüsika ja MRT kursuse, mis lõppes õnneliku juhuse tõttu just sel aastal. Minu teadmiste janu võitis, ja seejärel, aasta jooksul õppisin, tegin projekte ja töötasin, avastades järk-järgult üha uusi ja uusi asju magnetresonantsi ajaloost ning selle valdkonna kaasaegsest teadusest, millega jagan siin.

Metood, mis käsitleb MRT eeldatavat täiustamist ja mida uuritakse ülalnimetatud teadusartiklites, põhineb nn „metamaterjalidel“. Metamaterjalid, nagu paljud teised avastused, on oma olemuselt tulnud ootamatutest lahendustest, mis on saadud teoreetiliste uurimiste alusel. Nõukogude teadlane Viktor Veselago eeldas 1967. aastal, töötades teoreetilise mudeli kallal, negatiivse refraktsiooni koefitsiendiga materjalide olemasolu. Kuidas te juba aru saate, on see seotud optikaga, ja see koefitsient, öeldes lihtsustatult, näitab, kui palju muuda valgus oma suunda, läbides piiri erinevate keskkondade, näiteks õhu ja vee vahel. Sellest, et see tõesti nii juhtub, saab kergesti veenduda ise:

Lihtne katse laserpunktiga ja akvaariumiga, mis demonstreerib valgustuse murdumist.

Huvitav fakt, mis sellisest katsetamisest järeldub, on see, et kiirus ei saa murduda sama suunda, kust see jagunemispinna peale langes, sõltumata sellest, kui palju katsetaja proovib. Selliseid katseid on tehtud kõikide looduses esinevate ainete puhul, kuid kiirus murdub pidevalt ainult ühte suunda. Matemaatiliselt tähendab see, et murdumiskoefitsient, nagu ka selle koostisosad, dielektriline ja magnetiline läbitavus, on positiivsed, ning midagi muud pole kunagi täheldatud. Vähemalt seni, kuni V. Veselegu otsustas seda küsimust uurida ja näitas, et teoreetiliselt pole ühtki põhjust, miks murdumiskoefitsient ei võiks olla negatiivne.

Pilt Viki lehelt, mis näitab erinevust keskkondade vahel, millel on positiivne ja negatiivne murdumiskoefitsient. Nagu näeme, käitub valgus täiesti ebatavaliselt võrreldes meie igapäevase kogemusega.

V. Veselago püüdis pikka aega leida tõendeid negatiivse murdumisnäitajaga materjalide olemasolu kohta, kuid tema katsed ei olnud edukad ning tema töö unustati vääramatult. Alles järgmisel sajandil loodi kunstlikult komposiitstruktuurid, mis realiseerisid kirjeldatud omadusi, kuid mitte optilises, vaid madalama mikrolaine sagedusala raames. See oli pöördeline hetk, sest selliste materjalide olemasolu võimalus avas uusi perspektiive. Näiteks - superläätsed, mis suudavad suurendada isegi objekte, mis on väiksemad kui valguslainete pikkus. Või siis - absoluutseid peitevahendeid, mida kõik sõjaväelased unistavad. Teooriasse tehti tõsiseid parandusi, mis arvestasid uute andmetega. Edu võtmeelementideks osutusid järjestatud struktuurid resonantsielementidest - metaaatomid, mille suurus on oluliselt väiksem kiirguse lainepikkusest, millega nad interakteeruvad. Metaatomitest koosnev järjestatud struktuur on kunstlik komposiit, mida nimetatakse metamaterjaliks.

Metamaterjalide praktiline rakendamine on isegi täna tehnoloogiliselt keeruline, kuna resonantspartiiklite suurus peab olema võrreldav elektromagnetilise kiirguse lainepikkusega. Optilise spektri puhul (kus lainepikkus on nanomeetrites) on sellised tehnoloogiad arenemise tipus. Seetõttu pole üllatav, et esimesed metamaterjalide kontseptsiooni esindajad loodi suhteliselt pikemate elektromagnetlainete jaoks, näiteks raadiolaineid (mis on meie jaoks tuttavamas vahemikus mm kuni m). Igat tüüpi metamaterjali peamine omadus ja samas puudus tuleneb tema elementide resonantsusloomusest. Metamaterjalid võivad näidata oma imeline omadusi ainult teatud sagedustel.
Piiratud sagedustel.Seetõttu, kui järgmine kord näete midagi sellist nagu super-helisummutus metamaterjalide põhjal, küsige endalt, millisel sagedusvahemikus see tegelikult summutab.

Tüüpilised metamaaterjalide näited, mis võimaldavad suhelda elektromagnetlainetega. Juhtmete struktuurid on lihtsalt väikesed resonataatorid, LC-kontuurid, mis on kujundatud juhtmete ruumilise asendi järgi.

Oleme möödunud natuke aega metamaaterjalide kontseptsiooni ja nende esmakordsete rakenduste ilmumisest, kui inimesed hakkasid neid kasutama MRT-s. Metamaaterjalide peamine puudus — kitsas töövahemik — ei ole probleem MRT-le, kus kõik protsessid toimuvad praktiliselt ühel magnetresonantsi sagedusel, mis jääb raadioside vahemikku. Siin saate ise luua metaaatome ja kohe näha, mida pildid näitavad. Üks esimesi funktsioone, mida teadlased MRT-s metamaaterjalide abil realiseerisid, olid superlääts ja endoskoobid.

Vasaku poolel, tähise a) juures, on kujutatud superlääts, mis koosneb kolmemõõtmelisest resonatorite võrgu struktuurist trükkplaatidel. Iga resonator on avatud metallrõngas, mille külge on joodetud kondensaator, moodustades LC-ahela, mis on häälestatud MRT sagedusele. Allpool on näide antud metamaterjali struktuuri paigutamisest patsiendi jalgade vahele, kes läbib tomograafia protseduuri, ning vastavalt saadud piltidest. Kui te ei ole varem heitnud kõrvale nõu lugeda minu eelmist artiklit MRT-st, siis teate juba, et patsiendi kehapinna pildistamiseks on vaja koguda nõrku, kiiresti hääbuvaid tuumasiirde signaale, kasutades selleks lähedal asuvat antenni - mähist.

Metamaterjalist superlääts suurendab tavalise rulli tööulatus. Näiteks võimaldab see visualiseerida korraga mõlemaid jalgu patsiendil, mitte ainult ühte. Halvaks uudiseks on see, et superläätse asend peab olema täpselt paika pandud, et efekt oleks parim, ning superlääts ise on tootmises üsna kallis. Kui te ikka ei saa aru, miks seda läätse nimetatakse super- etteütlemisega, siis hinnake fotol selle mõõtmeid ja siis mõistke, et see töötab pika lainega, umbes viie meetri juures!

Kirja b) näitab endoskoobi konstruktsiooni. Tegelikult on MRT endoskoop paralleelsete juhtmete kogum, mis toimib lainejuhtmena. See võimaldab ruumiliselt eraldada ala, kust mähis signaali tuvastab, ja ise mähise arvestataval kaugusel - kuni nii kaugele, et vastuvõtja antenn võib asuda isegi tomograafi kriosüsteemi väljas, kaugel pidevast magnetväljast. Alumiste piltide vahekaardil b) on esitatud pildid, mis on saadud spetsiaalset vedelikku sisaldavast anumast - fantoomist. Erinevus nende vahel seisneb selles, et pildid, millel on silt "endoskoop", saadi, kui mähis oli fantoomist märkimisväärsel kaugusel, kus ilma endoskoobita poleks tuumadelt signaalide tuvastamine olnud võimalik.

Kui rääkida ühest kõige perspektiivikamast metamatiaalide rakenduse valdkonnast MRT-s, mis on kõige lähemal praktilisele elluviimisele (millesse ma lõpuks segatud olen) – siis on selleks juhtmevabad spiraalid. Tuleb selgitada, et siin ei räägita Bluetooth'ist ega millestki muust juhtmega andmeedastuse tehnoloogiast. "Juhtmevaba" tähistab sel juhul kahe resonantsstruktuuri – vastuvõtu ja edastamise antenni ning metamatiaali – induktiivset või mahtuvuslikku ühendust. Kontseptsioon näeb välja selline:

Vasakul on kujutatud, kuidas protseduur tavaliselt käib: patsient lamab kriostaatide sees homogeense staatilise magnetvälja tsoonis. Tomograafi tunnelis on paigaldatud suur antenn, mida nimetatakse „linnumajaks”. Selle kujundusega antenn võimaldab pöörata raadiolaine magnetvälja vektorit vesiniku tuumade pretsessioonifrekentsiga (klinilistes masinates on see tavaliselt vahemikus 40 kuni 120 MHz, sõltuvalt staatilise magnetvälja väärtusest vahemikus 1T kuni 3T), sundides neid energia neelama ja seejärel vastusignaalina kiirgama. Tuumade vastusignaal on väga nõrk ja enne, kui see jõuab suure antenni juhtmetesse, kaob see vältimatult. Sellepärast kasutatakse MRT-s signaalide vastuvõtmiseks lähedalt paigutatud kohalikke mähiseid. Kesk pildil on näidatud tüüpiline olukord põlve skaneerimisel. Metamaterjalide abil on võimalik luua resonantor, mis on induktiivselt ühendatud linnumajaga. Piisab, kui asetada selline seade patsiendi keha soovitud piirkonna lähedusse, ja sealt saadud signaalide kvaliteet ei ole halvem kui kohalikul mähisel! Kui kontseptsioon õnnestub, ei pea patsiendid enam kaablites segadusse minema ja MRT diagnostika protseduur muutub mugavamaks.

Just that kind of thing I was trying to create at first, submerging wires in water and attempting to scan an orange. The wires dipped in water from the very first image in this article are nothing but meta-atoms, each representing a half-wave dipole — one of the most well-known antenna designs familiar to every radio enthusiast.
They are submerged in water not just to prevent them from igniting in MRI (although that's part of it too), but to reduce their resonance length due to the high dielectric permeability of water, cutting it exactly by the square root of water's dielectric permeability.

This trick has been used for a long time in radio receivers by winding wire around a piece of ferrite — the so-called ferrite antenna. Only ferrite has high magnetic permeability, rather than dielectric, which still works, allowing the size of the antenna to be reduced accordingly. Unfortunately, you can't put ferrite in an MRI, as it is magnetic. Water is a cheap and accessible alternative.

Selge on, et nende asjade arvutamiseks tuleb koostada keerulisi matemaatilisi mudeleid, mis arvesse võtavad resonantsi elementide, keskkonna parameetrite ja kiirgusallikate omavahelist seost... või saab kasutada edusamme ja numerilise elektromagnetilise modelleerimise tarkvara, millega suudab toime tulla isegi koolipoiss (silmapaistvad näited — CST, HFSS). Tarkvara võimaldab luua 3D mudeleid resonaatoreist, antennidest, elektroonilistest skeemidest, lisada sinna inimesi – jah, põhimõtteliselt kõike, küsimus on vaid kujutlusvõimes ja saadaval olevates arvutivõimsustes. Koostatavad mudelid jagunevad võrkudeks, kus sõlmedes lahendatakse tuntud Maxwelli võrrandeid.
Näiteks raadiofrekventsilise magnetvälja modelleerimine varem mainitud antennitüüpi linnuhäkkides:

Selgelt nähtub, kuidas väli pöördub. Vasakul on näidatud olukord, kus antenni sees on kast vett, ja paremal — kui sama kast on juhtmete resonantspinnal. Näha on, kuidas magnetväli tänu juhtmetele oluliselt tugevneb. Pärast CST õppimist ja oma konstruktsiooni optimeerimist ootasin, kuni valmistasin uuesti metamatiaali, mis tõeliselt aitas signaali tugevdada tavalises kliinilises 1.5T MRT-seadmestikus. See oli endiselt kast (küll aga ilusam, akrüülplastist), täidetud veega ja juhtmete massiga. Seekord oli struktuur optimeeritud resonantsi tingimuste osas, nimelt: juhtmete pikkuse, nende asukohtade ning ka vee koguse valik. Nii palju on tomateid:

Esimene tomati skaneerimine tehti suurele antennile. Tulemuseks oli vaid müra, mille taustal olid vaevu aimatavad kontuurid. Teisel korral panin viljaliha värskelt valmistatud resonantsstruktuurile. Ma ei hakanud koostama värvikaarte ega midagi sarnast, kuna efekt on ilmne. Niimoodi, oma kogemuse põhjal, olen veendanud, et kontseptsioon töötab, ehkki kulutasin sellele palju aega.

Selge, millest te mõtlete — apelsinid, tomatid — see kõik ei ole, kus on siiski inimkatsetused?
Need tõesti viidud läbi:

Vabatahtliku käsi, mis läbib MRT, puhkab sama kasti peal. Tegelikult on vesi kastis, kuna see sisaldab vesinikku, samuti väga hästi nähtav. Signaali tugevdamine toimub randme piirkonnas, see asub resonatoril, samas kui kõik teised kehaosad on halvasti nähtavad. Loomulikult on sellist efekti, võib-olla isegi paremat, võimalik saavutada ka standardsete kliiniliste mähiste abil. Kuid juba see, et taolisi asju on võimalik teha, lihtsalt ruumiliselt kombineerides vett ja juhtmeid ning neid õigesti omavahel seostades, on üllatav. Veelgi hämmastavam on see, et selliseid teadmisi on võimalik saada, uurides näiliselt omavahel seotud nähtusi, nagu valguse murdumine.

Need, kes veel ei ole väsinudPraegu on vee kasti konstruktsiooni juba parendatud. Nüüd on see lihtsalt lame trükkplaat, mis võimaldab lokaliseerida välimise suure antenni magnetvälja enda ümber. Selle tööpiirkond on suurem kui eelneval konstruktsioonil:

Värvilised ribad näitavad magnetvälja pinget struktuuri kohal, kui see on aktiveeritud välistest elektromagnetiliste lainete allikatest. Lame struktuur on tüüpiline edastusliin, tuntud raadiotehnoloogias, kuid seda võib samal ajal käsitleda ka metamatereana MRT jaoks. See "juhtmevaba mähis" suudab juba konkureerida standardsete mähistega, luues homogeense välja teataval sügavusel skaneeritavas objektis:

Animatsioon näitab kihiti värvilist signaalikaarti veekarbis MRT-s. Värv näitab prootonite tuumade signaalide intensiivsust. Vasak ülanurk: vastuvõtjana kasutatakse tavapärase spinal scanning'i rulliku segmenti. Vasak alumine nurk: kui kast asub resonaatormooduli peal. Paremas alumises servas: signaali võtab vastu suur antenn, mis on paigaldatud tomograafi tunnelisse. Olen võrrelnud signaali ühtsust ristkülikuga joonistatud alal. Teatud kõrgusel töötab metamaterjal paremini kui rullik signaali ühtsuse osas. Kliinilistes ülesannetes ei pruugi see saavutamine olla eriti oluline, kuid MRT teaduslikes seadmetes, kus uuritakse roti skaneerimist, võib see aidata saavutada signaali suurenemist ja vähendada vajalikke ergutusraadioimpulsse.

Teema "kaks korda paranenud" artikli alguses on loomulikult taas üks ajakirjanike armastuse vili teadlaste vastu, kuid öelda, et need on tühjad uurimistööd, oleks vale, kuna see tõestatakse teaduslike rühmade huvi poolest kogu maailmas. Üllatav, kuid ka Venemaal tehakse tööd, kuigi minu isikliku kogemuse põhjal on see pigem haruldane erand. Palju lahendamata küsimusi puudutab met materiaalide kasutamist MRT-s. Lisaks magnetiliste väljade lokaliseerimisele, et saada head pilti, ei tohiks unustada ka elektrivälju, mis põhjustavad kudede soojenemist, samuti patsientide kudedes raadioväljaenergia neeldumist. Nende asjade, kliinilise kasutamise korral, peab olema eriline kontroll, mis muutub keerulisemaks lokaliseerivate resonantide väljade kasutamise korral. Seni jäävad met materiaalid MRT raamidesse teaduslikeks uurimisteks, kuid saadud tulemused on juba väga huvitavad ja võib-olla muutub MRT protseduur nende tõttu tulevikus paremaks, olles kiirem ja ohutum.

Allikas: habr.com