Un tournevis siffla à côté de mon oreille. Avec un grand bruit, il se figea sur le boîtier du cryostat. En maugréant pour moi-même, je décidai de faire une pause. Dévisser des boulons dans un champ magnétique de 1,5 tesla, à l'aide d'un outil en acier — c'est une mauvaise idée. Le champ, tel un adversaire invisible, essaie constamment d'arracher l'outil de mes mains, de l'orienter le long de ses lignes de force et de le diriger au plus près des électrons qui circulent dans un circuit fermé de supraconducteur. Cependant, s'il est vraiment nécessaire de venir à bout des connexions rouillées depuis des années, il n'y a pas d'autre choix. Je me suis assis devant l'ordinateur et j'ai habituellement parcouru le fil d'actualités. "Des scientifiques russes ont amélioré l'IRM par deux fois !" — annonçait un titre suspect.
Il y a environ un an, nous et apprenions le fond de son fonctionnement. Je recommande vivement de rafraîchir vos souvenirs sur ce matériel avant de lire cet article.
Pour diverses raisons, y compris historiques, il n'y a aujourd'hui en Russie de fabrication d'équipements aussi complexes que les tomographes à résonance magnétique à haut champ. Néanmoins, si vous vivez dans une ville de taille moyenne ou grande, vous trouverez sans effort des cliniques offrant ce type de services. Par ailleurs, le parc d'appareils IRM se compose souvent d'équipements d'occasion, importés jadis des États-Unis et d'Europe, et si vous devez un jour visiter une clinique avec un IRM, ne vous laissez pas tromper par l'apparence extérieure séduisante de l'appareil — il peut bien avoir déjà une dizaine d'années. En conséquence, de tels équipements tombent parfois en panne, et j'ai longtemps été l'une de ces personnes qui remettaient les tomographes défectueux en état de marche, afin que les patients puissent continuer à passer des diagnostics et que les propriétaires puissent réaliser des bénéfices.
Un jour, alors que je profitais d'une pause entre des divertissements dangereux avec des champs magnétiques de grande ampleur, je tombai sur une inscription intéressante dans le fil d'actualités : "Des scientifiques russes en collaboration avec des collègues néerlandais avec des métamatériaux». Il va sans dire que le simple fait que la Russie mène des recherches sur des équipements dont la production n'a jamais été maîtrisée m'a semblé tout à fait discutable. J'ai pensé qu'il s'agissait tout simplement d'un autre détournement de subventions, agrémenté de termes scientifiques obscurs tels que les « nanotechnologies » que tout le monde a déjà en horreur. Ma recherche d'informations sur le travail des scientifiques nationaux avec l'IRM et les métamatériaux m'a conduit à un article contenant la description d'une expérience simple que j'aurais facilement pu reproduire, étant donné que l'appareil IRM est toujours à portée de main.
Image tirée de , consacrée à l'amélioration du signal IRM grâce à ce qu'on appelle un « métamatériau ». Dans un appareil clinique typique de 1,5 Tesla, au lieu d'un patient, un métamatériau sous forme de récipient d'eau est chargé, à l'intérieur duquel se trouvent des fils parallèles de longueur spécifique. Sur ces fils repose l'objet de l'étude — un poisson (non vivant). Les images sur la droite sont les 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 est posé sur les fils, le signal est bien meilleur que sans eux. Le temps de scan est le même dans les deux cas, ce qui prouve l'amélioration de l'efficacité du scan. L'article a également soigneusement fourni
une formule
pour le calcul de la longueur des fils en fonction de la fréquence de fonctionnement du tomographe, que j'ai utilisée. J'ai fabriqué mon métamatériau à partir d'une cuvette et d'un ensemble de fils de cuivre, les dotant de fixations en plastique que j'ai imprimées en 3D :
Mon premier métamatériau. Immédiatement après sa fabrication, il a été introduit dans le tomographe de 1 Tesla. Une orange a servi d'objet pour le scan.
Cependant, au lieu du gain de signal promis, j'ai obtenu une multitude d'artefacts qui gâchaient complètement l'image ! Mon indignation était sans limite ! Après avoir mangé le sujet à l'essai, j'ai écrit aux auteurs de l'article, dont le sens peut se résumer à la question « Qu'est-ce que … ? ».
Les auteurs m'ont répondu assez rapidement. Ils étaient très impressionnés que quelqu'un essaie de reproduire leurs expériences. D'abord, ils ont essayé de m'expliquer longtemps comment fonctionnent les métamatériaux, en utilisant des termes comme « résonances Fabry-Pérot », « modes propres » et divers champs radiofréquence. Puis, réalisant que je ne comprenais absolument pas de quoi il s'agissait, ils ont décidé de m'inviter chez eux pour que je puisse voir leurs développements en direct et m'assurer que cela fonctionnait réellement. J'ai pris mon fer à souder préféré dans mon sac à dos et je suis allé à Saint-Pétersbourg, à l'université nationale de recherche en technologies de l'information, mécanique et optique (il s'avère qu'ils forment non seulement des programmeurs là-bas).
Sur place, j'ai été chaleureusement accueilli et, soudainement, on m'a proposé un emploi, car ils étaient impressionnés par ma cuvette avec des fils et ils avaient besoin d'une personne pour en créer de nouvelles. En échange, ils promettaient de m'expliquer en détail tout ce qui m'intéressait et de suivre un cours sur la radio-physique et l'IRM, qui a démarré par un heureux hasard exactement cette année-là. Mon désir d'apprendre a pris le dessus et, par la suite, pendant un an, j'ai étudié, réalisé des projets et travaillé, découvrant peu à peu de nouvelles choses sur l'histoire de la résonance magnétique, ainsi que sur l'état de la science moderne dans ce domaine, ce dont je vais parler ici.
À la base de la méthode d'amélioration présumée de l'IRM, et étudiée dans les articles scientifiques mentionnés, se trouvent les soi-disant « métamatériaux ». Les métamatériaux, comme de nombreuses autres découvertes, doivent leur apparition à des solutions inattendues, issues d'explorations théoriques. Le scientifique soviétique, Viktor Veselago, en 1967, travaillant sur un modèle théorique, a proposé l'existence de matériaux avec un coefficient de réfraction négatif. Comme vous l'avez déjà deviné, il s'agit d'optique, et la valeur de ce coefficient, en gros, indique à quel point la lumière changera de direction en passant à travers la frontière entre différents milieux, comme l'air et l'eau. On peut facilement vérifier cela par soi-même :
Une expérience simple avec un pointeur laser et un aquarium, démontrant la réfraction de la lumière.
Un fait intéressant que l'on peut tirer de cette expérience est que le faisceau ne peut pas se réfracter du même côté d'où il est tombé sur la frontière de séparation, peu importe les efforts de l'expérimentateur. Cette expérience a été réalisée avec toutes les substances rencontrées dans la nature, mais le faisceau se réfractait obstinément dans une seule direction. Mathématiquement, cela signifie que le coefficient de réfraction, tout comme les grandeurs qui le composent, la perméabilité diélectrique et magnétique, sont positifs, et il n'a jamais été observé d'autre cas. Du moins, jusqu'à ce que V. Veselago décide d'étudier cette question, et montre qu'il n'y a théoriquement aucune raison pour que le coefficient de réfraction ne puisse pas être négatif.
Image de Wiki montrant la différence entre des milieux avec des coefficients de réfraction positifs et négatifs. Comme nous le voyons, la lumière se comporte de manière complètement non naturelle, par rapport à notre expérience quotidienne.
V. Veselago a longtemps essayé de trouver des preuves de l'existence de matériaux avec un coefficient de réfraction négatif, mais ses recherches n'ont pas abouti, et son travail a été injustement oublié. Ce n'est qu'au début du siècle suivant que des structures composites ont été artificiellement créées, réalisant les propriétés décrites, mais pas dans le domaine optique, plutôt dans une gamme de fréquences micro-ondes plus basse. Ce qui a marqué un tournant, car la possibilité même d'existence de tels matériaux ouvrait de nouvelles perspectives. Par exemple — la création , capables d'agrandir des objets même plus petits que la longueur d'onde de la lumière. Ou encore — des revêtements de camouflage invisibles absolus, le rêve de tous les militaires. Des corrections sérieuses ont été apportées à la théorie, prenant en compte de nouvelles données. La clé du succès s'est avérée être l'utilisation de structures ordonnées d'éléments résonnants — des méta-atoms, dont la taille est bien inférieure à la longueur d'onde du rayonnement avec lequel ils interagissent. La structure ordonnée de méta-atoms est un composite artificiel appelé métamatériau.
La mise en œuvre pratique des métamatériaux est encore technologiquement complexe aujourd'hui, car la taille des particules résonnantes doit être comparativement plus petite que la longueur d'onde de l'émission électromagnétique. Pour la gamme optique (où la longueur d'onde est mesurée en nanomètres), ces technologies se trouvent à la pointe des possibilités de 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 dans la gamme des radiofréquences (qui ont des longueurs d'onde plus familières allant du mm au m). La caractéristique principale et en même temps le défaut de tout métamatériau est le résultat de la nature résonante des éléments qui le composent. Un métamatériau ne peut manifester ses propriétés étonnantes qu'à certaines fréquences.
Fréquences limitées.Ainsi, par exemple, lorsque vous verrez une nouvelle fois quelque chose comme une super-antennes antibruit basée sur des métamatériaux, posez-vous la question : quelle gamme de fréquences elle perturbe réellement.
Exemples typiques de métamatériaux permettant d'interagir avec les ondes électromagnétiques. Les structures composées de conducteurs ne sont rien d'autre que de petits résonateurs, des circuits LC, formés par la position spatiale des conducteurs.
Il a fallu peu de temps depuis l'apparition du concept de métamatériaux et de leurs premières réalisations pour que les gens commencent à les utiliser en IRM. Le principal inconvénient des métamatériaux — la gamme de fonctionnement étroite — ne pose pas de problème pour l'IRM, où tous les processus se déroulent pratiquement à une seule fréquence de résonance magnétique des noyaux, qui se situe dans la gamme des radiofréquences. Ici, vous pouvez créer vous-même des méta-atomes et voir immédiatement ce que cela donne sur les images. Parmi les premières fonctionnalités que les chercheurs ont mises en œuvre en IRM en utilisant des métamatériaux figurent la superlentille et les endoscopes.
Sur la partie gauche sous la lettre a) se trouve une super-lentille, composée d'un réseau tridimensionnel de résonateurs sur des cartes imprimées. Chaque résonateur est un anneau métallique ouvert avec un condensateur soudé, formant un circuit LC réglé sur la fréquence IRM. Ci-dessous, un exemple de placement de cette structure en métamatériau entre les jambes d'un patient subissant une tomographie, avec les images obtenues par la suite. Si vous n'avez pas hésité à suivre mon conseil de lire mon précédent article sur l'IRM, vous savez déjà que pour obtenir une image d'une partie du corps du patient, il est nécessaire de recueillir de faibles signaux de noyaux rapidement atténués à l'aide d'une antenne proche – une bobine.
La super-lentille en métamatériau permet d'augmenter la zone d'action d'une bobine standard. Par exemple, elle peut visualiser les deux jambes du patient en même temps au lieu d'une seule. En revanche, la mauvaise nouvelle est que la position de la super-lentille doit être ajustée d'une certaine manière pour le meilleur effet, et que la super-lentille elle-même est assez coûteuse à fabriquer. Si vous n'avez toujours pas compris pourquoi cette lentille s'appelle 'super-', regardez sa taille sur la photo, puis réalisez qu'elle fonctionne avec une longueur d'onde d'environ cinq mètres !
Sous la lettre b) est démontrée la construction d'un endoscope. En fait, un endoscope pour IRM est une matrice de fils parallèles qui agit comme un guide d'onde. Il permet d'espacer la région à partir de laquelle la bobine reçoit le signal des noyaux et la bobine elle-même à une distance considérable – à tel point que l'antenne réceptrice peut être placée en dehors du cryostat du tomographe, loin du champ magnétique permanent. Sur les images en bas de l'onglet b), des clichés obtenus pour un récipient rempli de liquide – un fantôme – sont présentés. La différence entre eux est que les images étiquetées 'endoscope' ont été obtenues lorsque la bobine était à une distance considérable du fantôme, où sans endoscope, les signaux des noyaux n'auraient tout simplement pas pu être détectés.
En parlant de l'un des domaines d'application les plus prometteurs des métamatériaux en IRM, et celui qui est le plus proche de sa mise en œuvre pratique (dans lequel je me suis finalement engagé) – il s'agit de la création d'antennes sans fil. Il convient de préciser qu'il ne s'agit pas de Bluetooth ou d'une autre technologie de transmission de données sans fil. Par « sans fil », cela signifie la présence d'une connexion inductive ou capacitive entre deux structures résonnantes – une antenne émettrice et réceptrice, ainsi que le métamatériau. Dans cette conception, cela ressemble à ceci :
À gauche, on voit comment se déroule généralement la procédure d'IRM : le patient est allongé à l'intérieur du cryostat dans une zone de champ magnétique statique homogène. Dans le tunnel du tomographe, une grande antenne, appelée « cage d'oiseau », est installée. Une antenne de cette configuration permet de faire pivoter le vecteur du champ magnétique radiofréquence à la fréquence de précession des noyaux d'hydrogène (pour les machines cliniques, cela varie généralement de 40 à 120 MHz, en fonction de la force du champ magnétique statique allant de 1 T à 3 T, respectivement), les obligeant à absorber de l'énergie, puis à émettre en réponse. Le signal de réponse des noyaux est très faible et, lorsqu'il atteint les conducteurs de la grande antenne, il s'affaiblit inévitablement. Pour cette raison, en IRM, des bobines locales situées à proximité sont utilisées pour recevoir les signaux. Sur l'image au centre, par exemple, une situation typique de scanning du genou est montrée. Grâce aux métamatériaux, il est possible de réaliser un résonateur qui sera couplé inductivement à la cage d'oiseau. Il suffit de placer un tel dispositif près de la zone du corps du patient concernée, et le signal en sera reçu aussi bien qu'avec une bobine locale ! Si la mise en œuvre du concept réussit, les patients n'auront plus à se débattre avec des fils, et la procédure de diagnostic par IRM sera plus confortable.
C'est exactement ce genre de dispositif que j'ai essayé de créer au début, en immergeant des fils dans l'eau et en essayant de scanner une orange. Les fils plongés dans l'eau sur la première image de cet article ne sont rien d'autre que des méta-atomes, chacun représentant un dipôle demi-onde – l'une des constructions d'antenne les plus connues, familière à tout amateur de radio.
Ils les plongent dans l'eau non pas seulement pour éviter qu'ils ne s'enflamment dans une IRM (bien que cela soit également un objectif), mais pour réduire leur longueur d'onde de résonance grâce à la haute permittivité diélectrique de l'eau, et ce, d'un montant égal à la racine carrée de la permittivité diélectrique de l'eau.
Cette astuce est utilisée depuis longtemps dans les récepteurs radio, en enroulant un fil autour d'un morceau de ferrite — la soi-disant antenne ferrite. Cependant, le ferrite a une haute perméabilité magnétique et non diélectrique, ce qui fonctionne tout de même et permet de réduire les dimensions de résonance de l'antenne. Malheureusement, dans une IRM, vous ne pouvez pas insérer de ferrite, car c'est magnétique. L'eau est une alternative bon marché et accessible.
Il est évident que pour les calculs de toutes ces choses, il faut construire des modèles mathématiques complexes, tenant compte des interrelations entre les éléments de résonance, les paramètres du milieu et les sources de rayonnement... ou bien vous pouvez profiter des fruits du progrès et utiliser des logiciels de modélisation électromagnétique numérique, facilement abordables même pour un élève (de brillants exemples incluent CST, HFSS). Ces logiciels vous permettent de créer des modèles 3D de résonateurs, d'antennes, de circuits électriques, d'y ajouter des personnes - en gros, tout ce que vous voulez, la seule limite est votre imagination et les capacités de calcul disponibles. Les modèles construits sont décomposés en maillages, dans les nœuds desquels la résolution des équations de Maxwell est menée.
Voici, par exemple, la simulation d'un champ magnétique à radiofréquence à l'intérieur de l'antenne mentionnée plus tôt, de type cage d'oiseau :
On comprend assez rapidement comment le champ tourne. À gauche, la situation avec une boîte d'eau à l'intérieur de l'antenne, et à droite — la même boîte sur un résonateur composé de fils de longueur résonante. On voit comment le champ magnétique est considérablement amplifié grâce aux fils. Après avoir maîtrisé CST et optimisé ma structure là-bas, j'ai encore créé un métamatériau qui a réellement permis d'amplifier le signal dans un scanner IRM clinique standard de 1.5T. Cela consistait toujours en une boîte (en fait, plus jolie, en plexiglas), remplie d'eau et d'un ensemble de fils. Cette fois-ci, la structure a été optimisée en termes de conditions de résonance, à savoir : le choix de la longueur des fils, leur position, ainsi que la quantité d'eau. Voici ce que j'ai obtenu avec une tomate :
Le premier scan d'une tomate a été effectué sur une grande antenne. Au final, il n'y avait que du bruit avec des contours à peine visibles. La deuxième fois, j'ai placé le fruit sur une structure résonante fraîchement construite. Je n'ai pas créé de cartes colorées ou quoi que ce soit de similaire, car l'effet est clair. Ainsi, de mon expérience, même en ayant passé beaucoup de temps, j'ai prouvé que le concept fonctionne.
Vous pensez peut-être aux oranges, aux tomates — ce n'est pas ça, alors où sont les tests sur les humains ?
Ils ont effectivement été :
La main d'un volontaire, subissant une IRM, repose sur la même boîte. En fait, l'eau dans la boîte, contenant de l'hydrogène, est également parfaitement visible. Le renforcement du signal se produit dans la zone du poignet, posé sur le résonateur, alors que toutes les autres parties du corps sont mal visibles. Il est clair qu'un effet similaire, voire meilleur, peut être obtenu en utilisant des bobines cliniques standard. Mais le simple fait qu'il soit possible de faire des choses comme cela, en combinant spatialement de l'eau et des fils, en les associant correctement, est fascinant. Encore plus incroyable est le fait que ces connaissances peuvent être acquises grâce à l'étude de phénomènes apparemment sans lien, tels que la réfraction de la lumière.
Pour ceux qui ne sont pas encore fatiguésÀ ce jour, la conception de la boîte à eau a été améliorée. C'est maintenant simplement une carte de circuit imprimé plate, qui permet de localiser le champ magnétique de la grande antenne externe autour d'elle. De plus, sa zone de travail est plus grande que celle de la conception précédente :
Des bandes colorées montrent l'intensité du champ magnétique au-dessus de la structure lorsqu'elle est excitée par une source externe d'ondes électromagnétiques. La structure plate représente une ligne de transmission typique, connue en radioélectricité, mais peut également être considérée comme un métamatériau pour l'IRM. Cette « bobine sans fil » peut déjà rivaliser avec les bobines standard en termes d'homogénéité du champ créé à une certaine profondeur dans l'objet de scan :
L'animation montre couche par couche une carte colorée du signal à l'intérieur d'une boîte d'eau en IRM. La couleur indique l'intensité des signaux des noyaux d'hydrogène. En haut à gauche, un segment de bobine standard est utilisé comme récepteur pour scanner le dos. En bas à gauche, la boîte est posée sur un résonateur en forme de circuit imprimé. En bas à droite, un grand antenne intégrée dans le tunnel du tomographe reçoit le signal. J'ai comparé l'homogénéité du signal dans la zone délimitée par le rectangle. À une certaine hauteur, le métamatériau fonctionne mieux que la bobine en termes d'homogénéité du signal. Pour les tâches cliniques, cela peut ne pas être un accomplissement très important, mais en ce qui concerne les installations scientifiques d'IRM où l'on scanne des rats, cela peut aider à obtenir un gain de signal et à réduire la puissance nécessaire des impulsions radio d'excitation.
À propos de « amélioré de deux fois » au début de l'article — bien sûr, c'est une nouvelle illustration de l'amour non partagé des journalistes pour les scientifiques, cependant, il serait également incorrect de dire que ce sont des recherches vides, ce qui est renforcé par l'intérêt pour ce sujet dans les groupes scientifiques du monde entier. Étonnamment, des travaux sont également menés en Russie, bien que d'après mon expérience personnelle, cela soit plutôt une rare exception. Il reste encore de nombreux problèmes non résolus liés à l'utilisation des métamatériaux en IRM. En plus de la localisation des champs magnétiques pour obtenir une bonne image, il ne faut pas oublier les champs électriques qui provoquent le chauffage des tissus, ainsi que l'absorption par les tissus des patients subissant un examen de l'énergie du champ radiofréquence. Des contrôles particuliers doivent être exercés sur ces aspects lors de l'utilisation clinique, ce qui devient très compliqué avec l'utilisation de résonateurs qui localisent les champs. Pour l'instant, les métamatériaux en IRM demeurent dans le domaine de la recherche scientifique, mais les résultats obtenus sont déjà très intéressants et il est possible qu'à l'avenir, la procédure d'IRM en bénéficie, devenant plus rapide et plus sûre.
Source : habr.com
