Ruuvimeisseli vihelsi korvani ohi. Kovalla soittoäänellä hän jäätyi kryostaatin runkoon. Kiroten itseäni, päätin pitää tauon. Pulttien irrottaminen 1.5 Teslan magneettikentässä terästyökalulla ei ole hyvä idea. Kenttä, kuten näkymätön vihollinen, yrittää jatkuvasti kaapata instrumentin käsistä, suunnata sitä voimalinjojaan pitkin ja ohjata sitä mahdollisimman lähelle suprajohteesta suljetussa ympyrässä juoksevia elektroneja. Kuitenkin, jos sinun on todella voitettava happamoitetut yhdisteet vuosien takaa, ei ole paljon valinnanvaraa. Istuin tietokoneen ääreen ja selailin säännöllisesti uutissyötettä. "Venäläiset tiedemiehet ovat parantaneet MRI:tä 2 kertaa!" - lue epäilyttävä otsikko.
Noin vuosi sitten me ja ymmärsi työnsä olemuksen. Suosittelen vahvasti, että päivität muistisi kyseisestä materiaalista ennen tämän artikkelin lukemista.
Eri syistä, mukaan lukien historialliset, Venäjällä nykyään tällaisten monimutkaisten laitteiden, kuten korkean kentän magneettikuvausskannerien, tuotanto. Jos kuitenkin asut suuremmassa kaupungissa, voit helposti löytää tämän tyyppisiä palveluita tarjoavia klinikoita. Samaan aikaan MRI-skannereita edustavat usein käytetyt laitteet, jotka on kerran tuotu Yhdysvalloista ja Euroopasta, ja jos joudut yhtäkkiä käymään klinikalla magneettikuvauksella, älä anna laitteen kauniin ulkonäön hämätä - se saattaa hyvinkin olla toisella vuosikymmenellä. Tämän seurauksena tällaiset laitteet joskus hajoavat, ja olin pitkään yksi niistä ihmisistä, jotka palauttivat rikkinäiset tomografit huoltoon, jotta potilaat voisivat jatkaa diagnostiikkaa ja omistajat voivat tehdä voittoa.
Kunnes eräänä kauniina päivänä valtavien magneettikenttien vaarallisten viihteiden välisen tauon aikana törmäsin uutissyötteeseen mielenkiintoiseen tekstiin: "Venäläiset tiedemiehet yhdessä hollantilaisten kollegoiden kanssa käyttämällä metamateriaaleja." Sanomattakin on selvää, että se tosiasia, että Venäjä tekee tutkimusta laitteista, joiden tuotantoa ei ole koskaan hallittu, vaikutti minusta hyvin, hyvin kiistanalaiselta. Päätin, että tämä oli vain uusi apurahakierros, laimennettuna käsittämättömillä tieteellisillä muotisanoilla, kuten "nanoteknologialla", johon kaikki olivat jo kyllästyneet. Tiedonhaku kotimaisten tutkijoiden työstä MRI:n ja metamateriaalien kanssa johti artikkeliin, joka sisälsi kuvauksen yksinkertaisesta kokeesta, jonka voisin helposti toistaa, koska MRI-laite on aina käsillä.
Kuva kohteesta , joka on omistettu MRI-signaalin parantamiseen käyttämällä niin kutsuttua "metamateriaalia". Tyypillisessä kliinisessä 1.5 - lämpölaitteessa potilaan sijasta ladataan metamateriaalia vesialtaan muodossa, jonka sisällä sijaitsevat tietyn pituiset yhdensuuntaiset johdot. Johdoissa on tutkimuskohde - kala (eloton). Oikealla olevat kuvat ovat kalojen MRI-kuvia, joiden päälle on asetettu värikartta, joka osoittaa vetyytimien signaalin intensiteetin. Voidaan nähdä, että kun kala makaa johtojen päällä, signaali on paljon parempi kuin ilman niitä. Skannausaika on sama molemmissa tapauksissa, mikä osoittaa skannauksen tehokkuuden parantuneen. Artikkeli myös huolellisesti mukana
kaava
laskemaan johtojen pituuden käyttämäni tomografin toimintataajuudesta riippuen. Tein metamateriaalini kyvetistä ja joukosta kuparilankoja, jotka on varustettu 3D-painetuilla muovikiinnikkeillä:
Ensimmäinen metamateriaalini. Välittömästi tuotannon jälkeen se laitettiin 1 Teslan tomografiin. Oranssi toimi skannattavana kohteena.
Luvatun signaalinparannuksen sijaan sain kuitenkin joukon esineitä, jotka pilasivat kuvan täysin! Minun suuttumukseni ei tuntenut rajoja! Aiheen päätyttyä kirjoitin kirjeen artikkelin tekijöille, jonka merkitys voidaan pelkistää kysymykseen "Mitä ...?"
Kirjoittajat vastasivat minulle melko nopeasti. He olivat melko vaikuttuneita siitä, että joku yritti toistaa heidän kokeitaan. Aluksi he yrittivät pitkään selittää minulle, kuinka metamateriaalit todella toimivat, käyttämällä termejä "Fabry-Perot-resonanssit", "sisäiset tilat" ja kaikenlaisia radiotaajuuskenttiä äänenvoimakkuudessa. Sitten ilmeisesti tajuten, että en ymmärtänyt ollenkaan, mistä he puhuivat, he päättivät kutsua minut käymään heidän luonaan, jotta voisin katsoa heidän kehitystään livenä ja varmistaa, että se toimii edelleen. Heitin suosikkijuottimeni reppuun ja menin Pietariin Tietotekniikan, mekaniikan ja optiikan kansalliseen tutkimusyliopistoon (kuten kävi ilmi, siellä ei kouluteta vain ohjelmoijia).
Minut toivotettiin lämpimästi tervetulleeksi paikan päälle, ja yhtäkkiä he tarjosivat minulle työtä, koska he olivat vaikuttuneita ojani johdoista ja he tarvitsivat henkilöä luomaan uusia. Vastineeksi he lupasivat selittää yksityiskohtaisesti kaiken, mikä minua kiinnostaa, ja suorittaa radiofysiikan ja magneettikuvauksen koulutuskurssin, joka onnekas sattumalta alkoi juuri sinä vuonna. Tiedonhimoni voitti, ja sitten koko vuoden opiskelin, tein projekteja ja työskentelin oppien vähitellen yhä enemmän uutta magneettiresonanssin historiasta sekä nykyajan tieteen tilasta tällä alalla, mitä aion tehdä. jaa täällä.
MRI:n ehdotettu parannusmenetelmä, jota on tutkittu mainituissa tieteellisissä artikkeleissa, perustuu ns. "metamateriaaleihin". Metamateriaalit, kuten monet muutkin löydöt, ovat syntyneet teoreettisen tutkimuksen pohjalta saatujen odottamattomien ratkaisujen ansiosta. Neuvostoliiton tiedemies Viktor Veselago vuonna 1967 teoreettisen mallin parissa ehdotti negatiivisen taitekertoimen omaavien materiaalien olemassaoloa. Kuten jo ymmärrät, puhumme optiikasta, ja tämän kertoimen arvo tarkoittaa karkeasti sanottuna kuinka paljon valo muuttaa suuntaa kulkiessaan eri välineiden, esimerkiksi ilman ja veden, välisen rajan läpi. Voit helposti varmistaa itse, että näin todella tapahtuu:
Yksinkertainen koe laserosoittimella ja akvaariolla valon taittumisen osoittamiseksi.
Mielenkiintoinen fakta, joka voidaan oppia tällaisesta kokeesta, on se, että säde ei voi taittua samaan suuntaan, josta se putosi rajapinnalle, vaikka kokeilija kuinka kovasti yrittää. Tämä koe suoritettiin kaikilla luonnossa esiintyvillä aineilla, mutta säde taittui itsepintaisesti vain yhteen suuntaan. Matemaattisesti tämä tarkoittaa, että taitekerroin, samoin kuin sen ainesosat, dielektrinen ja magneettinen permeabiliteetti, ovat positiivisia, eikä sitä ole koskaan muuten havaittu. Ainakin siihen asti, kunnes V. Veselago päätti tutkia tätä asiaa ja osoitti, että teoriassa ei ole yhtä syytä, miksi taitekerroin ei voisi olla negatiivinen.
Kuva Wikistä, jossa näkyy ero positiivisen ja negatiivisen indeksimedian välillä. Kuten näemme, valo käyttäytyy täysin luonnotonta verrattuna jokapäiväiseen kokemukseemme.
V. Veselago yritti pitkään löytää todisteita negatiivisen taitekertoimen omaavien materiaalien olemassaolosta, mutta etsintä epäonnistui ja hänen työnsä unohdettiin ansaitsemattomasti. Vasta seuraavan vuosisadan alussa luotiin keinotekoisesti komposiittirakenteita, jotka toteutuivat kuvatut ominaisuudet, mutta eivät optisella, vaan alemmalla mikroaaltotaajuusalueella. Mikä oli käännekohta, koska tällaisten materiaalien olemassaolon mahdollisuus avasi uusia näkymiä. Esimerkiksi - luominen , joka pystyy suurentamaan jopa valon aallonpituutta pienemmät kohteet. Tai - absoluuttiset naamiointi näkymättömyyden peitteet, kaikkien sotilashenkilöiden unelma. Teoriaan tehtiin suuria muutoksia uusien tietojen huomioon ottamiseksi. Menestyksen avain oli resonoivien elementtien - metaatomien - järjestettyjen rakenteiden käyttö, joiden koko on paljon pienempi kuin sen säteilyn aallonpituus, jonka kanssa ne ovat vuorovaikutuksessa. Järjestetty meta-atomien rakenne on keinotekoinen komposiitti, jota kutsutaan metamateriaaliksi.
Metamateriaalien käytännön toteutus on nykyäänkin teknisesti monimutkaista, sillä resonanssihiukkasten koon on oltava verrattavissa sähkömagneettisen säteilyn aallonpituutta pienempään. Optisella alueella (jossa aallonpituus on nanometriä) tällaiset tekniikat ovat kehityksen eturintamassa. Siksi ei ole yllättävää, että metamateriaalikonseptin ensimmäiset edustajat luotiin suhteellisen pitkille radioalueen sähkömagneettisille aalloille (joilla on tutumpi pituus mm:stä m:iin). Minkä tahansa metamateriaalin pääominaisuus ja samalla haittapuoli on seuraus sen ainesosien resonoivasta luonteesta. Metamateriaali voi osoittaa ihmeellisiä ominaisuuksiaan vain tietyillä taajuuksilla.
Rajoitetut taajuudet.Siksi esimerkiksi seuraavan kerran, kun näet jotain metamateriaaleihin perustuvan superäänihäiriön kaltaista, kysy millä taajuusalueella se todella jumiutuu.
Tyypillisiä esimerkkejä metamateriaaleista, jotka mahdollistavat vuorovaikutuksen sähkömagneettisten aaltojen kanssa. Johdinrakenteet ovat vain pieniä resonaattoreita, LC-piirejä, jotka muodostuvat johtimien avaruudellisesta sijainnista.
Metamateriaalien käsitteen ja niiden ensimmäisten toteutusten ilmestymisestä on kulunut vähän aikaa, ja ihmiset keksivät, kuinka niitä voidaan käyttää magneettikuvauksessa. Metamateriaalien suurin haittapuoli on, että kapea toiminta-alue ei ole ongelma magneettikuvauksessa, jossa kaikki prosessit tapahtuvat lähes samalla ydinmagneettiresonanssitaajuudella, joka on radioalueella. Täällä voit luoda metaatomeja omin käsin ja nähdä heti mitä kuvissa tapahtuu. Yksi ensimmäisistä ominaisuuksista, joita tutkijat otettiin käyttöön MRI:ssä metamateriaaleja käyttämällä, olivat superlinssit ja endoskoopit.
Vasemmalla puolella kirjaimen a) alla on esitetty superlinssi, joka koostuu painetun piirilevyn kolmiulotteisesta resonaattoriryhmästä. Jokainen resonaattori on avoin metallirengas, jossa on juotettu kondensaattori, joka muodostaa MRI-taajuudelle viritetyn LC-piirin. Alla on esimerkki tämän metamateriaalirakenteen sijoittamisesta tomografiatoimenpiteessä olevan potilaan jalkojen väliin ja vastaavasti tuloksena olevista kuvista. Jos et ole aiemmin hylännyt neuvoa lukea aikaisempi magneettikuvausartikkeli, tiedät jo, että saadaksesi kuvan mistä tahansa potilaan kehon osasta on tarpeen kerätä heikkoja, nopeasti heikkeneviä ydinsignaaleja käyttämällä lähellä olevaa antenni - kela.
Metamateriaalista valmistettu superlinssi mahdollistaa normaalin kelan toiminta-alueen laajentamisen. Voit esimerkiksi visualisoida potilaan molemmat jalat kerralla yhden sijasta. Huono uutinen on, että superlinssin asento on valittava tietyllä tavalla parhaan vaikutuksen saavuttamiseksi, ja itse superlinssi on melko kallista valmistaa. Jos et vieläkään ymmärrä, miksi tätä objektiivia kutsutaan superetuliiteeksi, arvioi sen koko valokuvasta ja huomaa sitten, että se toimii noin viiden metrin aallonpituudella!
Kirjain b) esittää endoskoopin rakenteen. Pohjimmiltaan MRI-endoskooppi on joukko rinnakkaisia johtoja, jotka toimivat aaltoputkena. Sen avulla voit erottaa alueelta, josta kela vastaanottaa signaalin ytimistä ja itse kelasta huomattavalla etäisyydellä - siihen pisteeseen, että vastaanottoantenni voi sijaita kokonaan tomografin kryostaatin ulkopuolella, kaukana jatkuvasta magneettisesta ala. Välilehden b) alemmissa kuvissa on kuvat, jotka on saatu erityisestä nestetäytteisestä astiasta - haamusta. Niiden välinen ero on se, että "endoskooppiksi" merkityt kuvat saatiin, kun kela oli kohtuullisella etäisyydellä haamusta, jolloin ilman endoskooppia ytimistä tulevia signaaleja olisi täysin mahdotonta havaita.
Jos puhumme yhdestä lupaavimmasta metamateriaalien käyttöalueesta MRI:ssä ja lähimpänä sen käytännön toteutusta (johon lopulta osallistuin) on langattomien kelojen luominen. On syytä selventää, että emme puhu tässä Bluetoothista tai muusta langattomasta tiedonsiirtotekniikasta. "Langaton" tarkoittaa tässä tapauksessa kahden resonanssirakenteen - lähetin-vastaanotinantennin ja metamateriaalin - induktiivista tai kapasitiivista kytkentää. Konseptissa se näyttää tältä:
Vasemmalla näkyy, kuinka MRI-menettely yleensä tapahtuu: potilas makaa kryostaatin sisällä yhtenäisen staattisen magneettikentän alueella. Tomografitunneliin on asennettu suuri antenni, jota kutsutaan "lintuhäkiksi". Tämän kokoonpanon antennin avulla voit kiertää radiotaajuisen magneettikentän vektoria vetyytimien precessiotaajuudella (kliinisissä koneissa tämä on yleensä 40 - 120 MHz riippuen staattisen magneettikentän suuruudesta 1T - 3T, vastaavasti), jolloin ne absorboivat energiaa ja lähettävät sitten energiaa vasteena . Vastesignaali ytimistä on erittäin heikko ja kun se saavuttaa suuren antennin johtimet, se väistämättä haalistuu. Tästä syystä MRI käyttää lähekkäin olevia paikallisia keloja signaalien vastaanottamiseen. Esimerkiksi keskellä oleva kuva esittää tyypillistä polven skannaustilannetta. Metamateriaalien avulla on mahdollista valmistaa resonaattori, joka kytketään induktiivisesti lintuhäkkiin. Riittää, kun asetat sellaisen lähelle potilaan kehon haluttua aluetta ja signaali sieltä ei vastaanoteta huonommin kuin paikallisella kelalla! Jos konsepti toteutetaan onnistuneesti, potilaiden ei enää tarvitse sotkeutua johtoihin ja MRI-diagnostiikka on mukavampaa.
Juuri tällaista yritin luoda alussa täyttämällä johdot vedellä ja yrittämällä skannata appelsiinia. Tämän artikkelin ensimmäisestä kuvasta lähtien veteen upotetut johdot eivät ole muuta kuin metaatomeja, joista jokainen edustaa puoliaaltodipolia - yksi kuuluisimmista antennirakenteista, joka on tuttu jokaiselle radioamatöörille.
Niitä ei upoteta veteen, jotta ne eivät syttyisi tuleen magneettikuvauksessa (tosin myös tähän tarkoitukseen), vaan jotta veden korkean dielektrisyysvakion vuoksi niiden resonanssipituus pienenisi täsmälleen neliön verran. veden dielektrisyysvakion juuri.
Tätä sirua on käytetty pitkään radiovastaanottimissa, käämiten lanka ferriittipalalle - ns. ferriitti antenni. Vain ferriitillä on korkea magneettinen permeabiliteetti, ei dielektrinen, joka kuitenkin toimii samalla tavalla ja mahdollistaa antennin resonanssimittojen pienentämisen vastaavasti. Valitettavasti ferriittiä ei voi laittaa magneettikuvaukseen, koska... se on magneettinen. Vesi on halpa ja helposti saatavilla oleva vaihtoehto.
On selvää, että kaikkien näiden asioiden laskemiseksi sinun on rakennettava erittäin monimutkaisia matemaattisia malleja, jotka ottavat huomioon resonoivien elementtien, ympäristöparametrien ja säteilylähteiden väliset suhteet... tai voit hyödyntää edistyksen hedelmiä ja ohjelmistoja numeeriseen käyttöön. sähkömagneettinen mallinnus, jonka jopa koululainen voi helposti ymmärtää (silmittävimmät esimerkit - CST, HFSS). Ohjelmiston avulla voit luoda 3D-malleja resonaattoreista, antenneista, sähköpiireistä, lisätä niihin ihmisiä - kyllä, itse asiassa mitä tahansa haluat, ainoa kysymys on mielikuvituksesi ja käytettävissä oleva laskentateho. Rakennetut mallit on jaettu ruudukoiksi, joiden solmuissa ratkaistaan tunnetut Maxwell-yhtälöt.
Tässä on esimerkiksi simulaatio radiotaajuisesta magneettikentästä aiemmin mainitun lintuhäkkiantennin sisällä:
Heti käy selväksi, miten kenttä pyörii. Vasemmanpuoleinen tilanne näkyy, kun antennin sisällä on vesilaatikko ja oikealla - kun sama laatikko on resonanssipituisista johtimista tehdyssä resonaattorissa. Voit nähdä, kuinka johdot tehostavat merkittävästi magneettikenttää. CST:n hallitsemisen ja suunnitteluni optimoinnin jälkeen tein jälleen metamateriaalin, joka itse asiassa mahdollisti signaalin vahvistamisen tavallisessa kliinisessä 1.5T MRI-tomografissa. Se oli silti laatikko (vaikkakin kauniimpi, valmistettu pleksilasista), täynnä vettä ja joukko johtoja. Tällä kertaa rakennetta optimoitiin resonanssiolosuhteiden suhteen, nimittäin: johtojen pituuden, sijainnin ja veden määrän valinta. Näin tapahtui tomaatille:
Tomaatin ensimmäinen skannaus tehtiin suurella antennilla. Tuloksena oli vain melua, jossa oli tuskin näkyviä ääriviivoja. Toisella kerralla asetin hedelmät vastaleivotun resonanssirakenteen päälle. En rakentanut värillisiä karttoja tai mitään vastaavaa, koska vaikutus on ilmeinen. Näin ollen omasta kokemuksestani, vaikka vietin paljon aikaa, todistin, että konsepti toimii.
On selvää, mitä ajattelet - appelsiinit, tomaatit - kaikki on väärin, missä ovat ihmiskokeet?
He todella olivat :
MRI-tutkimuksessa olevan vapaaehtoisen käsi on samassa laatikossa. Laatikon varsinainen vesi, koska se sisältää vetyä, näkyy myös selvästi. Signaali vahvistuu resonaattorilla makaavan ranteen alueella, kun taas kaikki muut kehon osat ovat huonosti näkyvissä. On selvää, että sama vaikutus, ehkä jopa parempi, voidaan saavuttaa käyttämällä tavallisia kliinisiä keloja. Mutta se tosiasia, että voit tehdä sellaisia asioita yksinkertaisesti yhdistämällä tilallisesti vettä ja johtoja, yhdistämällä ne oikealla tavalla, on hämmästyttävää. Vielä hämmästyttävämpää on, että tietoa tästä voidaan saada tutkimalla näennäisesti toisiinsa liittymättömiä ilmiöitä, kuten valon taittumista.
Niille, jotka eivät ole vielä väsyneitäTällä hetkellä vesilaatikon muotoilua on jo paranneltu. Nyt se on vain litteä piirilevy, jonka avulla voit paikantaa lähelläsi olevan ulkoisen suuren antennin magneettikentän. Lisäksi sen työskentelyalue on suurempi kuin edellisessä mallissa:
Värilliset nauhat osoittavat magneettikentän voimakkuuden rakenteen yli, kun ulkoinen sähkömagneettisten aaltojen lähde kiihottaa. Tasainen rakenne on tyypillinen radiotekniikassa tunnettu siirtojohto, mutta sitä voidaan pitää myös magneettikuvauksen metamateriaalina. Tämä "langaton kela" voi jo kilpailla standardikelojen kanssa generoidun kentän tasaisuuden suhteen tietyllä syvyydellä skannatussa kohteessa:
Animaatio näyttää kerros kerrokselta värikartan signaalista vesilaatikon sisällä magneettikuvauksessa. Väri ilmaisee vetyytimistä tulevien signaalien voimakkuuden. Vasemmassa yläkulmassa vastaanottimena käytetään tavallisen takaskannauskelan segmenttiä. Vasen alakulma on, kun laatikko asetetaan resonaattorille painetun piirilevyn muodossa. Alhaalla oikealla - signaali vastaanotetaan suurella antennilla, joka on rakennettu tomografitunneliin. Vertailin signaalin tasaisuutta suorakulmion rajaamalla alueella. Tietyllä korkeudella metamateriaali toimii paremmin kuin kela signaalin tasaisuuden suhteen. Kliinisiin tarkoituksiin tämä ei ehkä ole kovin tärkeä saavutus, mutta kun on kyse tieteellisistä MRI-laitteistoista, joissa rotat skannataan, se voi auttaa lisäämään signaalia ja vähentämään jännittävien radiopulssien vaadittua tehoa.
Tietoja "parannettu 2 kertaa" artikkelin alussa - tietysti tämä on toinen hedelmä toimittajien onnettomasta rakkaudesta tutkijoita kohtaan, mutta on myös väärin sanoa, että tämä on tyhjää tutkimusta, jota tukee kiinnostus tätä aihetta tieteellisissä ryhmissä ympäri maailmaa. Yllättäen työtä tehdään myös täällä Venäjällä, vaikka puhtaasti henkilökohtaisen kokemukseni perusteella tämä on melko harvinainen poikkeus. Metamateriaalien käyttöön MRI:ssä liittyy edelleen monia ratkaisemattomia ongelmia. Sen lisäksi, että magneettikentät lokalisoidaan hyvän kuvan saamiseksi, älä unohda sähkökenttiä, jotka johtavat kudosten kuumenemiseen, sekä radiotaajuisen kentän energian imeytymistä tutkittavien potilaiden kudoksiin. Näitä asioita varten kliinisessä käytössä on oltava erityinen ohjaus, joka muuttuu paljon monimutkaisemmaksi käytettäessä kenttälokalisoivia resonaattoreita. Toistaiseksi magneettikuvauksen metamateriaalit ovat tieteellisen tutkimuksen piirissä, mutta saadut tulokset ovat jo nyt erittäin mielenkiintoisia ja ehkä tulevaisuudessa niiden ansiosta magneettikuvausprosessi muuttuu parempaan suuntaan, nopeammaksi ja turvallisemmaksi.
Lähde: will.com