Un tournevis siffla à mon oreille. Avec une forte sonnerie, elle se figea sur le corps du cryostat. Me maudissant, j'ai décidé de faire une pause. Dévisser des boulons dans un champ magnétique de 1.5 Tesla à l'aide d'un outil en acier n'est pas une bonne idée. Le champ, tel un ennemi invisible, tente constamment d'arracher l'instrument des mains, de l'orienter le long de ses lignes de force et de le diriger le plus près possible des électrons circulant en cercle fermé depuis le supraconducteur. Cependant, si vous avez vraiment besoin de vaincre les composés acidifiés d’il y a de nombreuses années, vous n’avez pas beaucoup de choix. Je m'asseyais devant l'ordinateur et parcourais habituellement le fil d'actualité. "Les scientifiques russes ont amélioré l'IRM de 2 fois!" - lisez le titre suspect.
Il y a environ un an, nous et compris l'essence de son travail. Je vous recommande fortement de rafraîchir votre mémoire sur ce matériel avant de lire cet article.
Pour diverses raisons, notamment historiques, en Russie aujourd'hui production d'équipements aussi complexes que les scanners d'imagerie par résonance magnétique à champ élevé. Cependant, si vous habitez dans une grande ville, vous pouvez facilement trouver des cliniques proposant ce type de service. Dans le même temps, le parc d'appareils IRM est souvent représenté par du matériel d'occasion, autrefois importé des États-Unis et d'Europe, et si vous devez soudainement vous rendre dans une clinique équipée d'un IRM, ne vous laissez pas tromper par la belle apparence de l'appareil - il se pourrait bien qu'il en soit à sa deuxième décennie. En conséquence, de tels équipements tombent parfois en panne, et pendant longtemps j'ai fait partie de ces personnes qui ont remis en service des tomographes cassés, afin que les patients puissent continuer à subir des diagnostics et que les propriétaires puissent réaliser des bénéfices.
Jusqu'au beau jour, lors d'une pause entre des divertissements dangereux avec d'énormes champs magnétiques, je suis tombé sur une inscription intéressante dans le fil d'actualité : « Des scientifiques russes avec des collègues néerlandais en utilisant des métamatériaux. Inutile de dire que le fait même que la Russie mène des recherches sur des équipements dont la production n'a jamais été maîtrisée m'a semblé très, très controversé. J’ai décidé qu’il ne s’agissait que d’une nouvelle série de subventions, diluée avec des mots scientifiques à la mode incompréhensibles comme « nanotechnologie » dont tout le monde en avait déjà assez. Une recherche d'informations sur le travail des scientifiques nationaux avec l'IRM et les métamatériaux m'a conduit à un article contenant une description d'une expérience simple que je pourrais facilement répéter, puisque l'appareil IRM est toujours à portée de main.
Photo de , dédié à l’amélioration du signal IRM à l’aide de ce que l’on appelle le « métamatériau ». Dans un appareil clinique 1.5 - Thermique typique, à la place du patient, un métamatériau est chargé, sous la forme d'un bassin d'eau, à l'intérieur duquel se trouvent des fils parallèles d'une certaine longueur. Sur les fils se trouve l'objet d'étude - un poisson (non vivant). Les images de droite sont des images IRM du poisson, avec une carte de couleurs superposée indiquant l'intensité du signal des noyaux d'hydrogène. On peut voir que lorsque le poisson repose sur les fils, le signal est bien meilleur que sans eux. Le temps de numérisation est le même dans les deux cas, ce qui prouve que l’efficacité de la numérisation est améliorée. L'article incluait également soigneusement
formule
pour calculer la longueur des fils en fonction de la fréquence de fonctionnement du tomographe que j'ai utilisé. J'ai fabriqué mon métamatériau à partir d'une cuvette et d'un ensemble de fils de cuivre, équipés d'attaches en plastique imprimées en 3D :
Mon premier métamatériau. Immédiatement après sa production, il a été intégré à un tomographe de 1 Tesla. L'orange faisait office d'objet à scanner.
Cependant, au lieu de l'amélioration du signal promise, j'ai reçu un tas d'artefacts qui ont complètement gâché l'image ! Mon indignation était sans limite ! Après avoir terminé le sujet, j'ai écrit une lettre aux auteurs de l'article, dont le sens peut se réduire à la question « Quoi… ?
Les auteurs m'ont répondu assez rapidement. Ils ont été très impressionnés que quelqu’un essaie de reproduire leurs expériences. Au début, ils ont longtemps essayé de m'expliquer le fonctionnement réel des métamatériaux, en utilisant les termes « résonances Fabry-Pérot », « modes intrinsèques », et toutes sortes de champs radiofréquences dans le volume. Puis, réalisant apparemment que je ne comprenais pas du tout de quoi ils parlaient, ils ont décidé de m’inviter à leur rendre visite afin que je puisse suivre en direct leurs développements et m’assurer que cela fonctionnait toujours. J'ai jeté mon fer à souder préféré dans mon sac à dos et je suis allé à Saint-Pétersbourg, à l'Université nationale de recherche sur les technologies de l'information, la mécanique et l'optique (il s'est avéré que non seulement les programmeurs y sont formés).
J'ai été chaleureusement accueilli sur place, et du coup, ils m'ont proposé un travail, car ils étaient impressionnés par mon fossé avec des fils et ils avaient besoin d'une personne pour en créer de nouveaux. En échange, ils m'ont promis de m'expliquer en détail tout ce qui m'intéresse et de suivre une formation en radiophysique et en IRM qui, par un heureux hasard, a débuté exactement cette année-là. Ma soif de connaissances l'a emporté, puis, tout au long de l'année, j'ai étudié, réalisé des projets et travaillé, apprenant progressivement de plus en plus de choses sur l'histoire de la résonance magnétique, ainsi que sur l'état de la science moderne dans ce domaine, que je vais partagez ici.
La méthode d'amélioration proposée de l'IRM, et étudiée dans les articles scientifiques mentionnés, est basée sur ce que l'on appelle les « métamatériaux ». Les métamatériaux, comme beaucoup d'autres découvertes, doivent leur apparition à des solutions inattendues obtenues sur la base de recherches théoriques. En 1967, le scientifique soviétique Viktor Veselago, travaillant sur un modèle théorique, a suggéré l'existence de matériaux ayant un indice de réfraction négatif. Comme vous l'avez déjà compris, nous parlons d'optique, et la valeur de ce coefficient, en gros, signifie la quantité de lumière qui changera de direction lorsqu'elle traversera la frontière entre différents milieux, par exemple l'air et l'eau. Vous pouvez facilement vérifier par vous-même que cela se produit réellement :
Une expérience simple utilisant un pointeur laser et un aquarium pour démontrer la réfraction de la lumière.
Un fait intéressant que l’on peut tirer d’une telle expérience est que le faisceau ne peut pas être réfracté dans la même direction à partir de laquelle il est tombé sur l’interface, quels que soient les efforts de l’expérimentateur. Cette expérience a été réalisée avec toutes les substances naturelles, mais le faisceau était obstinément réfracté dans une seule direction. Mathématiquement, cela signifie que l'indice de réfraction, ainsi que ses grandeurs constitutives, la perméabilité diélectrique et magnétique, sont positifs, et cela n'a jamais été observé autrement. Au moins jusqu'à ce que V. Veselago décide d'étudier cette question et montre qu'en théorie, il n'y a pas une seule raison pour laquelle l'indice de réfraction ne peut pas être négatif.
Image du wiki montrant la différence entre les médias à index positif et négatif. Comme nous le voyons, la lumière se comporte de manière totalement anormale par rapport à notre expérience quotidienne.
V. Veselago a longtemps tenté de trouver des preuves de l'existence de matériaux à indice de réfraction négatif, mais la recherche a échoué et son travail a été injustement oublié. Ce n'est qu'au début du siècle suivant que des structures composites ont été créées artificiellement et ont réalisé les propriétés décrites, mais pas dans le domaine optique, mais dans la gamme des fréquences micro-ondes inférieures. Ce fut un tournant puisque la possibilité même de l’existence de tels matériaux ouvrait de nouvelles perspectives. Par exemple - création , capable d'agrandir des objets encore plus petits que la longueur d'onde de la lumière. Ou - des revêtements d'invisibilité de camouflage absolu, le rêve de tout militaire. Des modifications majeures ont été apportées à la théorie pour prendre en compte de nouvelles données. La clé du succès a été l'utilisation de structures ordonnées d'éléments résonants - des métaatomes dont la taille est bien inférieure à la longueur d'onde du rayonnement avec lequel ils interagissent. Une structure ordonnée de métaatomes est un composite artificiel appelé métamatériau.
La mise en œuvre pratique des métamatériaux est encore aujourd'hui technologiquement complexe, car la taille des particules résonantes doit être inférieure à la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique. Pour le domaine optique (où la longueur d’onde est de l’ordre du nanomètre), ces technologies sont à la pointe du progrès. Il n’est donc pas surprenant que les premiers représentants du concept de métamatériaux aient été créés pour des ondes électromagnétiques relativement plus longues de la gamme radio (qui ont une longueur plus familière de mm à m). La principale caractéristique et en même temps l'inconvénient de tout métamatériau est une conséquence de la nature résonnante de ses éléments constitutifs. Le métamatériau ne peut montrer ses propriétés miraculeuses qu'à certaines fréquences.
Fréquences limitées.Par conséquent, par exemple, la prochaine fois que vous verrez quelque chose comme un super brouilleur sonore basé sur des métamatériaux, demandez-vous quelle gamme de fréquences il bloque réellement.
Exemples typiques de métamatériaux permettant une interaction avec les ondes électromagnétiques. Les structures conductrices ne sont rien de plus que de petits résonateurs, des circuits LC formés par la position spatiale des conducteurs.
Un peu de temps s'est écoulé depuis l'émergence du concept de métamatériaux et leurs premières implémentations, et les gens ont compris comment les utiliser en IRM. Le principal inconvénient des métamatériaux est que la plage de fonctionnement étroite ne pose pas de problème pour l'IRM, où tous les processus se déroulent presque à la même fréquence de résonance magnétique nucléaire, qui se situe dans la plage radio. Ici, vous pouvez créer des métaatomes de vos propres mains et voir immédiatement ce qui se passe sur les images. Les superlentilles et les endoscopes ont été l’une des premières fonctionnalités mises en œuvre par les chercheurs en IRM à l’aide de métamatériaux.
Sur le côté gauche, sous la lettre a), est représentée une superlentille, constituée d'un réseau tridimensionnel de résonateurs sur des circuits imprimés. Chaque résonateur est un anneau métallique ouvert avec un condensateur soudé, formant un circuit LC adapté à la fréquence IRM. Vous trouverez ci-dessous un exemple de placement de cette structure métamatérielle entre les jambes d'un patient subissant une procédure de tomographie et, par conséquent, les images résultantes. Si vous n'avez pas dédaigné le conseil de lire mon précédent article sur l'IRM, alors vous savez déjà que pour obtenir une image de n'importe quelle partie du corps d'un patient, il est nécessaire de collecter des signaux nucléaires faibles et à décomposition rapide à l'aide d'un capteur proche. antenne - une bobine.
La super lentille en métamatériau permet d'augmenter la portée d'action d'une bobine standard. Par exemple, visualisez les deux jambes du patient en même temps au lieu d’une seule. La mauvaise nouvelle est que la position du superlens doit être choisie d'une certaine manière pour obtenir le meilleur effet, et le superlens lui-même est assez coûteux à fabriquer. Si vous ne comprenez toujours pas pourquoi cet objectif est appelé super-préfixe, alors estimez sa taille à partir de la photo, et sachez qu'il fonctionne avec une longueur d'onde d'environ cinq mètres !
La lettre b) montre la conception de l'endoscope. Essentiellement, un endoscope IRM est un ensemble de fils parallèles qui agissent comme un guide d’ondes. Il permet de séparer spatialement la région à partir de laquelle la bobine reçoit le signal des noyaux et la bobine elle-même d'une distance considérable - au point que l'antenne de réception peut être située complètement à l'extérieur du cryostat du tomographe, loin du champ magnétique constant. champ. Les images inférieures de l'onglet b) montrent des images obtenues pour un récipient spécial rempli de liquide - un fantôme. La différence entre elles est que les images appelées « endoscope » ont été obtenues lorsque la bobine était à une distance décente du fantôme, alors que sans l'endoscope, les signaux provenant des noyaux seraient totalement impossibles à détecter.
Si nous parlons de l'un des domaines d'application les plus prometteurs des métamatériaux en IRM, et le plus proche de sa mise en œuvre pratique (dans laquelle je me suis finalement impliqué) est la création de bobines sans fil. Il convient de préciser que nous ne parlons pas ici de Bluetooth ou d’autres technologies de transfert de données sans fil. « Sans fil » dans ce cas signifie la présence d'un couplage inductif ou capacitif de deux structures résonantes - une antenne émettrice-réceptrice, ainsi qu'un métamatériau. Dans le concept, cela ressemble à ceci :
À gauche, on voit comment se déroule habituellement une procédure d’IRM : le patient se trouve à l’intérieur d’un cryostat dans une zone dechamp magnétique statique uniforme. Une grande antenne appelée « cage à oiseaux » est montée dans le tunnel du tomographe. Une antenne de cette configuration permet de faire tourner le vecteur du champ magnétique radiofréquence avec la fréquence de précession des noyaux d'hydrogène (pour les machines cliniques, elle est généralement de 40 à 120 MHz en fonction de l'ampleur du champ magnétique statique de 1T à 3T, respectivement), les amenant à absorber de l'énergie puis à émettre de l'énergie en réponse. Le signal de réponse des noyaux est très faible et au moment où il atteint les conducteurs d'une grande antenne, il s'estompera inévitablement. Pour cette raison, l’IRM utilise des bobines locales rapprochées pour recevoir les signaux. L’image au centre, par exemple, montre une situation typique de scanner du genou. En utilisant des métamatériaux, il est possible de réaliser un résonateur qui sera couplé inductivement à une cage à oiseaux. Il suffit de placer un tel objet à proximité de la zone souhaitée du corps du patient et le signal provenant de là ne sera pas pire qu'avec une bobine locale ! Si le concept est mis en œuvre avec succès, les patients n'auront plus à s'emmêler dans les fils et la procédure de diagnostic IRM deviendra plus confortable.
C'est exactement le genre de chose que j'ai essayé de créer au début, en remplissant les fils d'eau et en essayant de scanner une orange. Les fils immergés dans l'eau de la toute première image de cet article ne sont rien de plus que des métaatomes, dont chacun représente un dipôle demi-onde - l'un des modèles d'antenne les plus célèbres, familier à tous les radioamateurs.
Ils sont immergés dans l'eau non pas pour ne pas s'enflammer en IRM (bien que dans ce but aussi)), mais pour, en raison de la constante diélectrique élevée de l'eau, réduire leur longueur de résonance exactement d'une quantité égale au carré racine de la constante diélectrique de l’eau.
Cette puce a longtemps été utilisée dans les récepteurs radio, enroulant un fil sur un morceau de ferrite - ce qu'on appelle. antenne en ferrite. Seule la ferrite a une perméabilité magnétique élevée, et non diélectrique, ce qui fonctionne cependant de la même manière et permet de réduire d'autant les dimensions résonantes de l'antenne. Malheureusement, vous ne pouvez pas mettre de ferrite dans une IRM, car... c'est magnétique. L'eau est une alternative bon marché et accessible.
Il est clair que pour calculer toutes ces choses, il faut construire des modèles mathématiques complexes qui prennent en compte la relation entre les éléments résonants, les paramètres environnementaux et les sources de rayonnement... ou bien on peut profiter des fruits du progrès et des logiciels de calcul électromagnétique numérique. modélisation, que même un écolier peut facilement comprendre (les exemples les plus frappants - CST, HFSS). Le logiciel vous permet de créer des modèles 3D de résonateurs, d'antennes, de circuits électriques, d'y ajouter des personnes - oui, en fait, n'importe quoi, la seule question est votre imagination et la puissance de calcul disponible. Les modèles construits sont divisés en grilles, aux nœuds desquelles les équations de Maxwell bien connues sont résolues.
Voici, par exemple, une simulation du champ magnétique radiofréquence à l’intérieur de l’antenne cage à oiseaux mentionnée précédemment :
La manière dont le champ tourne devient immédiatement claire. La situation à gauche est illustrée lorsqu'il y a une boîte d'eau à l'intérieur de l'antenne, et à droite - lorsque la même boîte se trouve sur un résonateur constitué de fils de longueur résonnante. Vous pouvez voir comment le champ magnétique est considérablement amélioré par les fils. Après avoir maîtrisé le CST et optimisé ma conception, j'ai à nouveau fabriqué un métamatériau, qui permettait en fait d'amplifier le signal dans un tomographe IRM clinique 1.5T standard. C'était toujours une boîte (bien que plus belle, en plexiglas), remplie d'eau et d'un ensemble de fils. Cette fois, la structure a été optimisée au niveau des conditions de résonance, à savoir : le choix de la longueur des fils, de leur position et de la quantité d'eau. Voici ce qui s'est passé avec la tomate :
Le premier scan de la tomate a été réalisé avec une grande antenne. Le résultat n’était qu’un bruit aux contours à peine visibles. La deuxième fois, j'ai placé le fruit sur une structure de résonance fraîchement cuite. Je n'ai pas construit de cartes colorées ou quoi que ce soit du genre, car l'effet est évident. Ainsi, d'après ma propre expérience, même si j'y ai passé beaucoup de temps, j'ai prouvé que le concept fonctionnait.
Ce que vous pensez est clair : oranges, tomates, tout est faux, où sont les essais sur les humains ?
Ils l'étaient vraiment :
La main d'un volontaire subissant une IRM repose sur la même boîte. L’eau présente dans la boîte, puisqu’elle contient de l’hydrogène, est également clairement visible. Le signal est amplifié dans la zone du poignet posée sur le résonateur, tandis que toutes les autres parties du corps sont peu visibles. Il est clair que le même effet, et peut-être même meilleur, peut être obtenu en utilisant des antennes cliniques standards. Mais le fait même que l’on puisse réaliser de telles choses simplement en combinant spatialement l’eau et les fils, en les combinant de la bonne manière, est étonnant. Plus étonnant encore, des connaissances à ce sujet peuvent être acquises grâce à l’étude de phénomènes apparemment sans rapport, tels que la réfraction de la lumière.
Pour ceux qui ne sont pas encore fatiguésPour le moment, la conception de la boîte à eau a déjà été améliorée. Il ne s'agit désormais plus que d'un circuit imprimé plat qui vous permet de localiser le champ magnétique d'une grande antenne externe près de chez vous. De plus, sa zone de travail est plus grande que celle de la conception précédente :
Les rubans colorés indiquent l'intensité du champ magnétique sur la structure lorsqu'elle est excitée par une source externe d'ondes électromagnétiques. La structure plate est une ligne de transmission typique connue en ingénierie radio, mais peut également être considérée comme un métamatériau pour l'IRM. Cette « bobine sans fil » peut déjà rivaliser avec les bobines standards en termes d'uniformité du champ généré à une certaine profondeur dans l'objet scanné :
L'animation montre une carte couleur couche par couche du signal à l'intérieur d'une boîte d'eau dans une IRM. La couleur indique l'intensité des signaux provenant des noyaux d'hydrogène. Dans le coin supérieur gauche, un segment d'une bobine de balayage arrière standard est utilisé comme récepteur. Le coin inférieur gauche correspond au moment où le boîtier est placé sur un résonateur sous la forme d'un circuit imprimé. En bas à droite - le signal est reçu par une grande antenne intégrée au tunnel du tomographe. J'ai comparé l'uniformité du signal dans la zone délimitée par le rectangle. À une certaine altitude, le métamatériau est plus performant que la bobine en termes d’uniformité du signal. À des fins cliniques, ce n'est peut-être pas une réalisation très importante, mais lorsqu'il s'agit d'installations scientifiques d'IRM où des rats sont scannés, cela peut aider à obtenir une augmentation du signal et une diminution de la puissance requise des impulsions radio excitantes.
À propos de "amélioré 2 fois" au début de l'article - bien sûr, c'est un autre fruit de l'amour non partagé des journalistes pour les scientifiques, cependant, il est également faux de dire qu'il s'agit d'une recherche vide de sens, soutenue par l'intérêt pour ce sujet dans des groupes scientifiques du monde entier. Étonnamment, des travaux sont également menés ici en Russie, même si, d'après mon expérience purement personnelle, il s'agit d'une exception plutôt rare. Il existe encore de nombreux problèmes non résolus liés à l’utilisation de métamatériaux en IRM. En plus de localiser les champs magnétiques pour obtenir une bonne image, n'oubliez pas les champs électriques qui conduisent à l'échauffement des tissus, ainsi qu'à l'absorption de l'énergie du champ radiofréquence par les tissus des patients examinés. Pour ces choses, en utilisation clinique, il doit y avoir un contrôle spécial, ce qui devient beaucoup plus compliqué lors de l'utilisation de résonateurs à localisation de champ. Pour l’instant, les métamatériaux pour l’IRM restent dans le cadre de la recherche scientifique, mais les résultats obtenus sont déjà très intéressants et peut-être qu’à l’avenir, grâce à eux, la procédure d’IRM changera pour le mieux, devenant plus rapide et plus sûre.
Source: habr.com