Uurime magnetresonantsi tomograafi II: Metamaterjalid MRT-s

Ringlasinaga kruvikeeraja lendas mööda mu kõrva. Kõva heli ja see peatus krüostaatide korpusel. Endamisi vantedes otsustasin, et on aeg paus teha. Poldi lahti keeramine 1.5 tesla tugevuses magnetväljas terasest tööriistaga on mitte just parim idee. Väli kui nähtamatu vastane üritab pidevalt tööriista minema rebida, suunata seda mööda oma jõujooni ja viia võimalikult lähedale elektronidele, mis jooksevad suletud ringis superjuhtivast materjalist. Kuid kui on hädavajalik võita roostetunud ühendusi aastatest, pole paremat valikut. Istusin arvuti taha ja harjumuspäraselt sirvisin uudisvoogu. "Venemaa teadlased parandasid MRT kahekordseks!" - seisis kahtlastes pealkirjades.

Umbes aasta tagasi, me lahkasime magnetresonantstomograafi ja saime aru selle töö olemusest. Soovitan tungivalt enne selle artikli lugemist värskendada oma mälu selle materjali osas.

Erinevatel põhjustel, sealhulgas ajaloolistel, on Venemaal tänaseks päeva peaaegu puudub tõeliselt keeruka varustuse tootmine, nagu kõrgepüreetilised magnetresonantstomograafid. Sellegipoolest, kui elate suuremas linnas, leiate hõlpsasti kliinikud, mis pakuvad selliseid teenuseid. Samas on MRT skannerite park sageli esindatud kasutatud seadmetega, mis toodi kunagi Ameerikast ja Euroopast, ja kui peaks teil kliniik, kus on MRT, külastama, ärge laske ennast petta seadme ilusast välimusest — see võib olla juba üle kümne aasta vana. Selle tulemusena juhtub, et selline seadmed lähevad katki, ja ma olin kaua üks nendest inimestest, kes viis rikki läinud tomograafe tagasi tööle, et patsiendid saaksid ikka veel diagnostikat teha ja omanikud kasumit teenida.

Kuni ühel kaunil päeval, pausi ajal millegi ohtlika meelelahutuse vahel hiiglaslikus magnetväljas, ei saanud ma uudisvoos silma peale huvitavale kirjale: "Venemaa teadlased koos Hollandi kolleegidega parandasid MRT tehnoloogiat. metamaterjalide abil.» Pole vaja öelda, et fakt, et Venemaal viiakse läbi uuringuid seadmete kohta, mille tootmine pole kunagi omandatud, tundus mulle väga vaieldav. Arvasin, et see on lihtsalt mingi uus rahastuse raiskamise projekt, millel on segased teaduslikud terminid, nagu juba igavaks muutunud «nanotehnoloogiad». Teavet kohalike teadlaste tööde kohta MRT ja metamaterjalidega otsides sattusin artiklile, mis sisaldas lihtsa eksperimendi kirjeldust, mida ma oleksin võinud kergesti korrata, kuna MRT seade on alati käepärast.

Pilt artikleid, mis käsitleb MRT signaali tugevdamist nn «metamaterjaliga». Tüüpilises kliinilises 1,5-Tesla seadmes laaditakse patsiendi asemel metamaterjal, mis on veekausi kujul, mille sees on paralleelne teatud pikkusega juhtmed. Juhtmete peal on uuritav objekt – kala (elutu). Paremal olevad pildid on MRT-kiirluse pilte kalast, millele on peale pandud värvikood, mis näitab vesiniktuumade signaali intensiivsust. Näha on, et kui kala on juhtmete peal, on signaal palju parem kui ilma. Skaneerimise aeg on mõlemas juhul sama, mis tõestab skaneerimise efektiivsuse suurenemist. Artiklis oli samuti hoolikalt esitatud
valem

juhtmete pikkuse arvutamiseks sõltuvalt tomograafi töö sagedusest, mida ma kasutasin. Valmistasin oma metamaterjali kuvetist ja roostevabade vasktraatide kogumist, varustades need 3D-printeriga trükitud plastikklambritega:

Minu esimene metamaterjal. Koheselt pärast valmistamist viidi see 1-Tesla tomograafi. Apelsin toimis skaneeritava objektina.

Kuid oodatud signaali tugevdamise asemel sain hunniku artefakte, mis rikkusid pildi! Minu rahulolematus ei tundunud meiega piirduvat! Pärast katseobjekti lõpetamist kirjutasin artikli autoritele kirja, mille sisu võib kokku võtta küsimusega «Miks…?».

Autorid vastasid mulle üsna kiiresti. Neil oli väga muljetavaldav, et keegi üritab nende katseid korrata. Alguses püüdsid nad mulle seletada, kuidas metamatериалid tõepoolest töötavad, kasutades termineid nagu "Fabry-Pero resonantsid", "oma moodid" ja igasugused raadiosagedusväljad mahus. Siis, nähes, et ma ei saa üldse aru, millest jutt käib, otsustasid nad kutsuda mind enda juurde külla, et saaksin näha nende arenguid elavas looduses ja veenduda, et see tõepoolest töötab. Ma panin oma lemmik jootekolbi seljakotti ja sõitsin Peterburi, riiklikku teadusülikooli infotehnoloogia, mehaanika ja optika alal (nagu selgus, õpetatakse seal mitte ainult programmeerijaid).


Kohale jõudnud, tervitasid mind sooja südamega, ja äkki pakkusid tööd, kuna nad olid muljet avaldanud minu kaablite ja vanni pärast ning neil oli vaja inimest, kes looks uusi. Vastutasuks lubasid nad põhjalikult seletada kõike, mis mind huvitab, ja läbida radiaalfüüsika ja MRT koolituskursuse, mis algas just sellel aastal, õnneliku juhuse tõttu. Minu teadmiste janunemine võitis, ja edaspidi, aasta jooksul õppisin, tegin projekte ja töötasin, avastades järk-järgult üha uusi ja uusi asju magnetresonantsi ajaloost ning tänapäeva teaduse seisukohast sellel alal, mida jagan ka siin.

MRT eeldatava täiustamise meetodi alus, mida uuritakse nimetatud teadusartiklites, põhineb nn "metamatetiaalidel". Metamaterialid, nagu paljusid muid avastusi, tuleb nende tekkimisel ootamatutele lahendustele, mis on saadud teoreetiliste uuringute põhjal. Nõukogude teadlane Viktor Veselago, töötades 1967. aastal teoreetilise mudeli kallal, eelistas negatiivse murdumisnäitajaga materjalide olemasolu. Nagu olete juba mõistnud, räägitakse siin optikast, ja selle näitaja suurus tähendab ligikaudu, kui palju valgus oma suunda muudab, läbides erinevate keskkondade piiri, näiteks õhu ja vee vahel. Et see tõepoolest nii juhtub, on lihtne ise veenduda:

Lihtne katse laseritootja ja akvaariumi abil, mis demonstreerib valguse murdumist.

Huvitatud fakt, mille saab sellisest eksperimentist välja tuua – kiirus ei saa murduda sama suunda, kust see tabas piiri, sõltumata sellest, kui palju katsetaja pingutab. Selliseid katseid on läbi viidud kõikide looduses esinevate ainetega, kuid kiirus murdus järjekindlalt ainult ühes suunas. Matemaatiliselt tähendab see, et murdumise koefitsient, nagu ka selle koostisosad, dielektriline ja magnetiline läbitavus, on positiivsed ning ei ole kunagi täheldatud midagi muud. Vähemalt seni, kuni V. Veselago ei otsustanud seda küsimust uurida ja ei näidanud, et teoreetiliselt pole mingit põhjust, miks murdumise koefitsient ei võiks olla negatiivne.

Pilt Vikist, mis näitab erinevust positiivse ja negatiivse murdumise koefitsiendiga keskkondade vahel. Nagu me näeme, käitub valgus täielikult ebatavaliselt, võrreldes meie igapäevaeluga.

V. Veselago püüdis pikka aega leida tõendeid negatiivse murdumise koefitsiendiga materjalide olemasolu kohta, kuid otsingud ei õnnestunud ja tema töö jäi õigustamatult unustusse. Alles järgmise sajandi alguses loodi kunstlikult komposiitstruktuure, mis realiseerisid kirjeldatud omadused, kuid mitte optilises, vaid madalamates mikrolainevahemike sagedustes. See oli murranguline hetk, kuna selliste materjalide olemasolu võimalus avas uusi perspektiive. Näiteks – superläätsed, superläätsed, mis suudavad suurendada objekte, mis on isegi väiksemad kui valguse lainepikkus. Või – absoluutne varjamiskatte- nähtamatud, kõigi sõjaväelaste unistus. Teooriasse tehti tõsiseid muudatusi, mis arvestasid uusi andmeid. Edu võtmekomponent oli resonantsiliste elementide - metaatomite - korrastatud struktuur, mille suurus on palju väiksem, kui kiirguse lainepikkus, millega nad suhtlevad. Korrastatud struktuur metaatomitest on kunstlik komposiit, mida nimetatakse metamaterjaliks.

Metamaterjalide praktiline rakendamine on isegi täna tehnoloogiliselt keeruline, kuna resonantsi osakeste suurus peab olema võrreldavalt väiksem kui elektromagnetilise kiirguse lainepikkus. Optilises vahemikus (kus lainepikkus on nanomeetrid) on sellised tehnoloogiad progressi piiril. Seetõttu ei ole üllatav, et esimesed metamaterjalide kontseptsiooni esindajad loodi võrreldavalt pikemate elektromagnetlainete jaoks raadiolainevahemikus (mis on tuttavamaa pikkusega mm-st m-ni). Iga metamaterjali põhiomadus ja samas puudus on tingitud selle elementide resonantsitüübidest. Metamaterjal võib oma imelisi omadusi avaldada ainult teatud sagedustel.
Piiratud sagedustel.Seega, näiteks kui näete jälle midagi sellist nagu superhelisummutus metamaterjalide põhjal, küsige, millises sagedusvahemikus see tõeliselt summutab.

Tüüpilised näited metamaterjalidest, mis võimaldavad suhelda elektromagnetlainetega. Juhtivainetest struktuurid - ei ole muud kui väiksed resonatorid, LC-ringid, mis moodustavad juhtivate elementide ruumilise positsiooni.

Veidi aega on möödunud metamatematerjalide kontseptsiooni ja nende esimese rakenduse ilmumisest, kui inimesed said aru, et neid saab kasutada MRT-s. Metamaterjalide peamine puudus, kitsas töövahemik, ei ole MRT-s probleem, kus kõik protsessid toimuvad praktiliselt ühel tuumade magnetresonantsi sagedusel, mis asub raadiolainevahemikus. Siin saate oma kätega luua metaatoome ja kohe näha, mis piltidel välja tuleb. Üks esimestest omadustest, mida teadlased MRT-s kasutades rakendasid, olid superläätsed ja endoskoobid.

Vasaku poolt tähise a) all on kujutatud superlääts, mis koosneb kolmemõõtmelisest resonaatormaterjali võrgustikust trükkplaatidel. Iga resonaatormaterjal on avatud metallring kondensaatoriga, moodustades LC-ahela, mis on häälestatud MRT sagedusele. All on näide, kuidas seda metamaaterjalistruktuuri paigutatakse patsiendi jalgade vahele, kes on MRT protseduuril, ja vastavalt saadud pildid. Kui te ei ole varem peljanud soovitust lugeda minu eelmist artiklit MRT-st, siis teate, et patsiendi keha piirkonna pildi saamiseks tuleb koguda nõrku, kiiresti kustuvaid tuumasiignaalide, kasutades läheduses asuvat antenni – mähist.

Metamaaterjalist superlääts võimaldab suurendada tavalise mähise toimeala. Näiteks visualiseerida patsiendi mõlemad jalad korraga, mitte ainult üht. Halvaks uudiseks on see, et superläätsi asend peab olema hoolikalt valitud parima efekti saavutamiseks ning superlääts ise on valmistamisel üsna kallis. Kui te ikka veel ei mõista, miks seda läätsi nimetatakse super- ette, siis hinnake tema suurust pildilt ja mõistke, et ta töötab ligi viie meetri lainepikkusega!

Tähise b) all on näidatud endoskoobi konstruktsioon. Sisuliselt on MRT endoskoop paralleelsete juhtmete massiiv, mis toimib lainejuhtina. See võimaldab ruumiliselt eraldada piirkonda, kust mähis domineerib signaali tuumadest, ja mähise enda valdavalt horisontaalses kauguses – isegi nii, et vastuvõtja antenn võib asuda täiesti väljaspool tomograafi kriosüsteemi, kaugel pidevast magnetväljast. Altpoolt esitatud piltidel, mis on tähistatud b), on kujutatud pilte, mis on saadud spetsiaalse vedelikuga täidetud anumast – fantoomist. Nende vahel on erinevus selles, et pildid, mille all on tekst „endoskoop“, saadi siis, kui mähis asus märkimisväärse kauguse kaugusel fantoomist, kus ilma endoskoobita ei oleks tuumade signaalide avastamine olnud võimalik.

Kui rääkida ühest kõige perspektiivikamast rakendusvaldkonnast metamaterjalide vallas MRT-s ja kõige lähemast praktilise rakenduse suunast (millele ma lõpuks sukeldusin), siis on see juhtmevabade mähiste loomine. Tuleb selgitada, et see ei tähenda Bluetoothi ega muid juhtmevabu andmeedastustehnoloogiaid. "Juhtmevaba" viitab selles kontekstis kahe resonantsstruktuuri – vastuvõtja-antenn ja metamaterjal – induktiivsele või mahtuvuslikule ühendusele. Kontseptsioon näeb välja nii:

Vasakul on näidatud, kuidas tavaliselt toimub MRT-protseduur: patsient lamab kriostaatide sees homogeense staatilise magnetvälja piirkonnas. Tomograafi tunnelis on paigaldatud suur antenn, mida nimetatakse "linnupuuriks". Sellega disainitud antenn võimaldab pöörata raadiogigahertsilise magnetvälja vektorit vesiniku tuumade pretsessioonisagedusega (kliinilistes seadmetes on see tavaliselt 40-120 MHz, sõltuvalt staatilise magnetvälja suurusest vahemikus 1T kuni 3T), sundides neid energiat neelama ja seejärel vastama kiirgama. Vastus signaal tuumadelt on väga nõrk ja enne, kui see jõuab suure antenni juhtmetesse, kaob see paratamatult. Selle põhjusel kasutatakse MRT-s signaalide vastuvõtmiseks lähedal asuvaid kohalikke mähiseid. Keskel pildil on näidatud tüüpiline skaneerimisseisund põlves. Metamaterjalide abil on võimalik luua resonantor, mis on induktiivselt seotud linnupuuriga. Piisab, kui asetada selline seade patsiendi keha soovitud piirkonda ja signaal sealt võetakse vastu sama hästi kui kohalik mähis! Kui kontseptsioon oleks edukalt rakendatav, ei peaks patsiendid enam juhtmetes segadusse minema ja MRT-diagnostika protseduur muutuks mugavamaks.

Just sellist seadet püüdsin ma alguses luua, kastesevades juhtmeid vette ja püüdes apelsini skaneerida. Vett läbivad juhtmed esimeselt pildilt mitte midagi muud kui metaatoomid, millest igaüks on poollaineline dipool – üks tuntumaid antennikonstruktsioone, millega iga raadiohuviline on tuttav.
Nadeldatakse neid vette mitte selleks, et nad MRT-s ei süttiks (kuigi ka selleks), vaid et, tänu vee kõrgele dielektrilisele läbilaskvusele, vähendada nende resonantsi pikkust täpselt nii palju, kui on vee dielektriliste omaduste ruutjuur.

Seda trikki on pikka aega kasutatud raadiovastuvõtjates, keerates traadi ferriidipala ümber – nn. ferriidantenn. Ainult ferriidil on kõrge magnetiline läbilaskvus, mitte dielektriline, mis aga töötab samamoodi ning võimaldab seega lühendada antenni resonantsi suurusi. MRT-s, kahjuks, ferriiti ei tõuka, kuna see on magnetiline. Vesi on odav ja kergesti kättesaadav alternatiiv.

Ilmselgelt on nende asjade arvutamiseks vaja ehitada keerulisi matemaatilisi mudeleid, mis arvestavad resonantsi elementide, keskkonna parameetrite ja kiirgusallikate vahelisi seoseid... või siis saab kasutada edusamme ja tarkvara numbriliseks elektromagnetiliseks modelleerimiseks, mida suudab mõista isegi koolipoiss (kõige silmatorkavamad näited – CST, HFSS). Tarkvara võimaldab luua 3D mudeleid resonátoridest, antennidest, elektriskeemidest, lisada sinna inimesi – jah, tegelikult kõike, küsimus on vaid kujutlusvõimes ja olemasolevates arvutusvõimetes. Ehitised jagatakse võrketeks, kus sõlmedes lahendatakse tuntud Maxwelli võrrandeid.
Siin on näiteks raadiotiheduse magnetvälja modelleerimine eelnevalt mainitud linditüüpi antennis:

Koheselt muutub üsna selgeks, kuidas väli pöörleb. Vasakul on olukord, kus antennis on kast vett, ja paremal – sama kast juhtmete resonantsi pikkusele. Näha on, kuidas magnetväli suureneb oluliselt tänu juhtmetele. Pärast CST omandamist ja oma disaini optimeerimist tegin ma veel kord metamaterjali, mis tõeliselt võimaldas signaali tugevdamist tavalises kliinilises 1.5T MRT tomograafis. See koosnes jätkuvalt kastist (küll ilusam, akrüülist), mis oli täidetud veega ja juhtmete massiga. Seekord oli struktuur optimeeritud resonantsitingimuste osas, nimelt: juhtmete pikkuse, nende asetuse ja vee koguse valimine. Siin on, kuidas tomat välja nägi:

Esimene tomati skaneerimine toimus suure antenniga. Tulemuseks oli vaid müra ning vaevu eristuvad kontuurid. Teisel korral asetasin vilja värskelt valmistatud resonantsstruktuurile. Ma ei hakanud looma värvilisi kaarte ega midagi sarnast, sest efekt on ilmselge. Sellega tõestasin oma kogemustega, kuigi kulutasin palju aega, et kontseptsioon toimib.

On selge, millest te mõtlete — apelsinid, tomatid — see kõik ei ole see, kus on inimkatsetused?
Need tõepoolest toimusid:

Vabatahtlik käsi, kes läbib MRT, on ikkagi samal karbil. Karbis on vesi, kuna see sisaldab vesinikku, samuti on see suurepäraselt nähtav. Signaali võimendamine toimub randme piirkonnas, mis on resonatiivis, samas kui kõik muud kehaosad on halvasti nähtavad. Loomulikult on sarnase efekti, võib-olla isegi parema, saavutamine võimalik ka tavaliste kliiniliste spiraalide kasutamisel. Kuid fakt, et selliseid asju saab teha, lihtsalt ruumiliselt kombineerides vett ja juhtmeid, neid õigesti ühendades, on hämmastav. Veelgi üllatavam on see, et teadmisi selle kohta saab omandada, uurides näiliselt seotud nähtusi, nagu valguse murdmine.

Neil, kes pole veel tüdinudPraeguseks on veega karbi konstruktsiooni juba parandatud. Nüüd on see lihtsalt lame trükkplaat, mis võimaldab lokaliseerida välise suure antenni magnetvälja enda ümber. Lisaks on selle tööpiirkond suurem kui eelneval konstruktsioonil:

Värvilised ribad näitavad magnetvälja intensiivsust struktuuri kohal, kui see on käivitatud välisest elektromagnetiliste lainete allikast. Lame struktuur esindab tüüpilist edastusliini, mis on tuntud raadiotehnika valdkonnas, kuid seda saab samal ajal käsitleda ka metamatiaalina MRT jaoks. See “juhtmeta spiraal” suudab juba konkureerida tavapäraste spiraalidega loodud välja ühtsuses teatud sügavusel skaneeritavas objektis:

Animatsioon näitab kihtide kaupa värvilist signaalikaarti veekaussis MRT-s. Värv näitab vesinikute tuumadelt saadud signaalide intensiivsust. Ülemises vasakus nurgas kasutatakse vastuvõtjana standardse spinaalskaneerimise rulli segmenti. Alumises vasakus nurgas, kui kast seisab trükkplaadist resonatori peal. Alumises paremas nurgas võtab signaali vastu suur antenn, mis on integreeritud tomograafi tunnelisse. Võrdlesin signaali ühtsust punkti, mis on joonistatud ristkülikuga. Teatud kõrgusel töötab metamaterjal paremini kui rull signaali ühtsuse osas. Kliiniliste ülesannete puhul ei pruugi see saavutamine olla väga oluline, kuid teadusuuringute MRT seadistustes, kus skaneeritakse rotti, võib see aidata saavutada signaali kasvu ja vähendada vajalike põhiandi raadiosageduslike impulsside energiat.

Alguses artiklis mainitud "kahekordne paranemine" on loomulikult teise ringi armastus ajakirjanike seas teadlaste suhtes, kuid samuti ei saa öelda, et need on tühised uuringud, mida kinnitab huvi selle teema vastu teadusgruppides üle kogu maailma. Üllatav, kuid tööd tehakse ka Venemaal, kuigi isikliku kogemuse põhjal on see pigem haruldane erand. MRT-s metamaterjalide kasutamisel on veel palju lahendamata probleeme. Peale magnetväljade lokaliseerimise hea pildi saamiseks ei tohiks unustada elektrilisi välju, mis põhjustavad kudede ülekuumenemist, samuti patsientide kehas olevate kudede raadiosagedusliku energia neeldumist. Nende asjade, kliinilisel kasutamisel, osas peab olema erilne kontroll, mis muutub oluliselt keerulisemaks, kui kasutatakse lokaliseerivaid resonatore. Seni jäävad metamaterjalid MRT-s teaduslike uuringute raamidesse, kuid saadud tulemused on juba väga huvitavad ja võib-olla tulevikus muudab MRT-protseduur nende tõttu paremasse suunda, muutudes kiiremaks ja ohutumaks.

Allikas: habr.com