In schroevendraaier fluite my foarby. Mei in hurd rinkeljend lûd befrear se op it kryostaatliif. Yn mysels flokkend besleat ik in skoft te nimmen. Bouten losdraaie yn in magnetysk fjild fan 1.5 Tesla mei in stielen ark is gjin goed idee. It fjild, as in ûnsichtbere fijân, besiket hieltyd it ynstrumint út 'e hannen te skuorjen, it lâns syn krêftlinen te oriïntearjen en it sa ticht mooglik te rjochtsjen by de elektroanen dy't yn in sletten sirkel fan 'e supergeleider rinne. As jo lykwols wirklik fersierde ferbiningen fan in protte jierren lyn moatte ferslaan, is d'r net folle kar. Ik siet by de kompjûter en rôle gewoanwei troch de nijsoanfier. "Russyske wittenskippers hawwe MRI 2 kear ferbettere!" - lês de fertochte kop.
In jier lyn hawwe wy en begriep de essinsje fan syn wurk. Ik riede sterk oan dat jo jo ûnthâld fan dat materiaal ferfarskje foardat jo dit artikel lêze.
Foar ferskate redenen, ynklusyf histoaryske, hjoed yn Ruslân produksje fan sokke komplekse apparatuer as hege-fjild magnetyske resonânsje imaging scanners. As jo lykwols yn in gruttere stêd wenje, kinne jo maklik kliniken fine dy't dit soarte tsjinst leverje. Tagelyk wurdt de float fan MRI-scanners faak fertsjintwurdige troch brûkte apparatuer, ienris ymportearre út 'e FS en Jeropa, en as jo ynienen in klinyk moatte besykje mei in MRI, lit jo dan net ferrifelje troch it prachtige uterlik fan it apparaat - it kin wol yn syn twadde desennia wêze. As gefolch, sokke apparatuer soms brekt del, en foar in lange tiid wie ik ien fan dy minsken dy't werom brutsen tomographs oan tsjinst, sadat pasjinten koenen trochgean te ûndergean diagnostyk, en de eigners koenen meitsje in winst.
Oant ik op in moaie dei, yn in skoft tusken gefaarlike ferdivedaasje mei enoarme magnetyske fjilden, in nijsgjirrige ynskripsje yn 'e nijsfeed tsjinkaam: "Russyske wittenskippers tegearre mei Nederlânske kollega's metamaterialen brûke." Unmooglik om te sizzen, it feit dat Ruslân ûndersiik docht nei apparatuer, wêrfan de produksje noch noait behearske is, like my heul, heul kontroversjeel. Ik besleat dat dit gewoan in oare ronde fan subsydzjes wie, ferwettere mei ûnbegryplike wittenskiplike buzzwords lykas de "nanotechnology" wêrmei elkenien al nocht hie. In syktocht nei ynformaasje oer it ûnderwerp fan it wurk fan húshâldlike wittenskippers mei MRI en metamaterialen late my nei in artikel mei in beskriuwing fan in ienfâldich eksperimint dat ik maklik werhelje koe, om't de MRI-masine altyd by de hân is.
Foto fan , wijd oan it ferbetterjen fan it MRI-sinjaal mei it saneamde "metamaterial". Yn in typysk klinyske 1.5 - Thermyske apparaat, ynstee fan 'e pasjint, wurdt metamateriaal laden, yn' e foarm fan in wetterbassin, wêryn't parallele triedden fan in bepaalde lingte sitte. Op de triedden leit it objekt fan stúdzje - in fisk (net-libjende). De foto's oan 'e rjochterkant binne MRI-ôfbyldings fan' e fisk, mei in kleurkaart boppe-op dy't de sinjaalintensiteit fan 'e wetterstofkearnen oanjout. It is te sjen dat as de fisk op 'e triedden leit, it sinjaal folle better is as sûnder harren. De skennentiid is yn beide gefallen itselde, wat bewiist dat skennen effisjinsje wurdt ferhege. It artikel ek foarsichtich opnommen
formule
om de lingte fan 'e triedden te berekkenjen ôfhinklik fan' e operaasjefrekwinsje fan 'e tomograaf, dy't ik brûkte. Ik makke myn metamateriaal fan in kuvette en in array fan koperen triedden, foarsjoen fan 3D printe plestik befestigingen:
Myn earste metamateriaal. Fuort nei produksje waard it yn in 1 Tesla tomograaf pleatst. De oranje fungearre as in objekt om te scannen.
Ynstee fan 'e taseine sinjaalferbettering krige ik lykwols in boskje artefakten dy't it byld folslein bedoarn! Myn argewaasje wist gjin grinzen! Nei it foltôgjen fan it ûnderwerp skreau ik in brief oan 'e auteurs fan it artikel, wêrfan de betsjutting kin wurde werombrocht ta de fraach "Wat ...?"
De skriuwers reagearren frij gau op my. Se wiene aardich ûnder de yndruk dat immen besocht har eksperiminten te replikearjen. Earst besochten se my in lange tiid út te lizzen hoe't metamaterialen eins wurkje, mei de termen "Fabry-Perot-resonânsjes", "yntrinsike modi", en allerhanne radiofrekwinsjefjilden yn 'e bondel. Doe't se blykber realisearre dat ik hielendal net begriep wêr't se it oer hienen, besleaten se my út te noegjen om har te besykjen, sadat ik har ûntjouwings live sjen koe en derfoar soargje dat it noch wurket. Ik smiet myn favorite soldeerbout yn myn rêchsek en gie nei Sint-Petersburch, nei de National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics (sa't it die bliken, wurde dêr net allinnich programmeurs oplaat).
Ik waard hertlik wolkom op it plak, en ynienen, se biede my in baan, as se wiene ûnder de yndruk fan myn sleat mei triedden en se nedich in persoan te meitsjen nije. Yn ruil dêrfoar hawwe se tasein alles wat my ynteressearret yn detail út te lizzen en in oplieding yn radiofysika en MRI te folgjen, dy't, troch in lokkich tafal, krekt dat jier begûn. Myn toarst nei kennis wûn, en doe, it hiele jier troch, ik studearre, dien projekten en wurke, stadichoan leare mear en mear nije dingen oer de skiednis fan magnetyske resonânsje, en ek de steat fan moderne wittenskip yn dit gebiet, dy't ik sil diel hjir.
De metoade fan foarstelde ferbettering fan MRI, en studearre yn 'e neamde wittenskiplike artikels, is basearre op' e saneamde "metamaterialen". Metamaterialen, lykas in protte oare ûntdekkingen, hawwe har ferskining te tankjen oan ûnferwachte oplossingen krigen op basis fan teoretysk ûndersyk. Sovjet wittenskipper, Viktor Veselago, yn 1967, wurke oan in teoretysk model, suggerearre it bestean fan materialen mei in negative brekingsyndeks. Sa't jo al begripe, hawwe wy it oer optyk, en de wearde fan dizze koeffizient, rûchwei, betsjut hoefolle ljocht syn rjochting sil feroarje as it troch de grins tusken ferskate media giet, bygelyks lucht en wetter. Jo kinne maklik sels ferifiearje dat dit echt bart:
In ienfâldich eksperimint mei in laserpointer en in akwarium om de brekking fan ljocht te demonstrearjen.
In nijsgjirrich feit dat kin wurde leard út sa'n eksperimint is dat de beam kin net brutsen wurde yn deselde rjochting fan wêr't it foel op de ynterface, nettsjinsteande hoe hurd de eksperimintator besiket. Dit eksperimint waard útfierd mei alle natuerlik foarkommende stoffen, mar de beam waard stiif yn ien rjochting brutsen. Wiskundich betsjut dit dat de brekingsyndeks, en ek syn konstituerende hoemannichten, dielektryske en magnetyske permeabiliteit, posityf binne, en it is noait oars waarnommen. Op syn minst oant V. Veselago besletten om te bestudearjen dizze kwestje en liet sjen dat teoretysk is der gjin inkele reden wêrom't de brekingsyndeks kin net wêze negatyf.
Ofbylding fan Wiki dat it ferskil sjen lit tusken positive en negative yndeksmedia. As wy sjogge, gedraacht it ljocht folslein ûnnatuerlik, yn ferliking mei ús deistige ûnderfining.
V. Veselago besocht in lange tiid bewiis te finen fan it bestean fan materialen mei in negative brekingsyndeks, mar it sykjen wie net slagge, en syn wurk waard ûnfertsjinne fergetten. It wie pas oan it begjin fan 'e folgjende ieu keunstmjittich makke gearstalde struktueren dy't realisearre de beskreaune eigenskippen, mar net yn it optyske, mar yn it legere magnetron frekwinsje berik. Wat in kearpunt wie, om't de mooglikheid fan it bestean fan sokke materialen nije perspektiven iepene. Bygelyks - skepping , by steat om objekten noch lytser te fergrutsjen as de golflingte fan ljocht. Of - absolute camouflage-ûnsichtberens, de dream fan alle militêr personiel. Grutte amendeminten waarden makke oan 'e teory om rekken te hâlden mei nije gegevens. De kaai ta súkses wie it brûken fan oardere struktueren fan resonânsjefel eleminten - metaatoms, de grutte fan dat is folle lytser as de golflingte fan de strieling dêr't se ynteraksje. In oardere struktuer fan meta-atomen is in keunstmjittige gearstalling neamd in metamateriaal.
De praktyske ymplemintaasje fan metamaterialen sels hjoed is technologysk kompleks, om't de grutte fan 'e resonante dieltsjes fergelykber wêze moat mei minder as de golflingte fan elektromagnetyske strieling. Foar it optyske berik (wêr't de golflingte nanometer is), binne sokke technologyen op 'e foargrûn fan foarútgong. Dêrom is it net ferrassend dat de earste fertsjintwurdigers fan it konsept fan metamaterialen waarden makke foar relatyf langere elektromagnetyske weagen út it radioberik (dy't in mear fertroude lingte fan mm oant m hawwe). It wichtichste skaaimerk en tagelyk it neidiel fan elk metamateriaal is in gefolch fan 'e resonânsjefel fan syn gearstallende eleminten. Metamateriaal kin har wûnderlike eigenskippen allinich by bepaalde frekwinsjes eksposearje.
Beheinde frekwinsjes.Dêrom, bygelyks, de folgjende kear as jo sjogge wat as in super-lûd jammer basearre op metamaterials, freegje hokker frekwinsje berik it eins jams.
Typyske foarbylden fan metamaterialen dy't ynteraksje mei elektromagnetyske weagen tastean. Conductor struktueren binne neat mear as lytse resonators, LC circuits foarme troch de romtlike posysje fan de diriginten.
In bytsje tiid is ferrûn sûnt it ûntstean fan it konsept fan metamaterialen en har earste ymplemintaasjes, en minsken fûnen út hoe't se se kinne brûke yn MRI. It wichtichste neidiel fan metamaterialen is dat it smelle wurkgebiet gjin probleem is foar MRI, dêr't alle prosessen op hast deselde kearnmagnetyske resonânsjefrekwinsje foarkomme, dy't yn it radioberik leit. Hjir kinne jo meta-atomen meitsje mei jo eigen hannen en fuortendaliks sjen wat der bart yn 'e foto's. Ien fan 'e earste funksjes dy't ûndersikers ymplementeare yn MRI mei metamaterialen wiene superlenzen en endoskopen.
Oan de linkerkant ûnder letter a) is in superlens te sjen, besteande út in trijediminsjonale array fan resonators op printe circuit boards. Eltse resonator is in iepen metalen ring mei in soldered capacitor, foarmje in LC circuit ôfstimd op de MRI frekwinsje. Hjirûnder is in foarbyld fan it pleatsen fan dizze metamateriale struktuer tusken de skonken fan in pasjint dy't in tomografyske proseduere ûndergiet en dêrtroch de resultearjende bylden. As jo it advys net earder hawwe ferachte om myn foarige artikel oer MRI te lêzen, dan witte jo al dat om in byld te krijen fan elk diel fan it lichem fan 'e pasjint, it nedich is om swakke, rap ferfallende kearnsinjalen te sammeljen mei in nau lizzende antenne - in coil.
De metamaterial super lens kinne jo it berik fan aksje fan in standert coil fergrutsje. Fisualisearje bygelyks beide skonken fan 'e pasjint tagelyk ynstee fan mar ien. It minne nijs is dat de posysje fan 'e superlens op in bepaalde manier keazen wurde moat foar it bêste effekt, en de superlens sels is frij djoer om te meitsjen. As jo noch net begripe wêrom't dizze lens in super-foarheaksel wurdt neamd, skatte dan de grutte fan 'e foto, en realisearje dan dat it wurket mei in golflingte fan sawat fiif meter!
Letter b) lit it ûntwerp fan 'e endoskoop sjen. Yn essinsje is in MRI-endoskoop in array fan parallelle draden dy't fungearret as in golfgeleider. It makket it mooglik om romtlik skieden de regio út dêr't de spoel ûntfangt it sinjaal fan de kearnen en de spoel sels troch in flinke ôfstân - oant it punt dat de ûntfangende antenne kin lizze folslein bûten de kryostaat fan 'e tomograaf, fier fan' e konstante magnetyske fjild. De ûnderste foto's fan ljepper b) litte ôfbyldings sjen dy't krigen binne foar in spesjale floeistoffolle skip - in fantom. It ferskil tusken harren is dat de bylden mei it label "endoskoop" waarden krigen doe't de spiraal op in fatsoenlike ôfstân fan it fantoom wie, wêr't sûnder de endoskoop de sinjalen fan 'e kearnen folslein ûnmooglik wiene te ûntdekken.
As wy prate oer ien fan 'e meast tasizzende gebieten fan tapassing fan metamaterialen yn MRI, en it tichtst by har praktyske ymplemintaasje (dêr't ik úteinlik belutsen bin) is it meitsjen fan draadloze spoelen. It is de muoite wurdich om te ferdúdlikjen dat wy hjir net prate oer Bluetooth of oare technology foar draadloze gegevensferfier. "Draadloos" yn dit gefal betsjut de oanwêzigens fan induktive of kapasityf keppeling fan twa resonânsjefel struktueren - in transceiver antenne, en ek in metamateriaal. Yn konsept sjocht it der sa út:
Links is te sjen hoe't in MRI-proseduere meastentiids plakfynt: de pasjint leit yn in kryostaat yn in gebiet fan in unifoarm statysk magnetysk fjild. In grutte antenne neamd in "birdcage" is monteard yn de tomograaf tunnel. In antenne fan dizze konfiguraasje lit jo de fektor fan it magnetyske fjild fan radiofrekwinsje rotearje mei de presesjefrekwinsje fan wetterstofkearnen (foar klinyske masines is dit normaal fan 40 oant 120 MHz ôfhinklik fan de grutte fan it statyske magnetyske fjild fan 1T oant 3T, respektivelik), wêrtroch't se enerzjy opnimme en dan enerzjy útjaan as antwurd. It antwurdsinjaal fan 'e kearnen is heul swak en tsjin' e tiid dat it de diriginten fan in grutte antenne berikt, sil it ûnûntkomber ferdwine. Om dizze reden brûkt MRI tichtby pleatste spoelen om sinjalen te ûntfangen. De foto yn it sintrum, bygelyks, lit in typyske knibbelscansituaasje sjen. Mei help fan metamaterialen is it mooglik om in resonator te meitsjen dy't induktyf keppele wurdt oan in fûgelkoai. It is genôch om sa'n ding tichtby it winske gebiet fan it lichem fan 'e pasjint te pleatsen en it sinjaal fan dêr sil net slimmer wurde ûntfongen as mei in lokale spoel! As it konsept mei súkses wurdt ymplementearre, hoege pasjinten net langer yn 'e triedden te reitsjen, en sil de MRI-diagnostyske proseduere nofliker wurde.
Dit is krekt it soarte ding dat ik yn it begjin besocht te meitsjen, troch de triedden te foljen mei wetter en besykje in oranje te scannen. De triedden ûnderdompele yn wetter fan 'e earste foto yn dit artikel binne neat mear as meta-atomen, elk fan dat stiet foar in heal-wave dipole - ien fan de meast ferneamde antenne-ûntwerpen, bekend foar elke radio amateur.
Se wurde ûnderdompele yn wetter net sadat se net fange fjoer yn MRI (hoewol't ek foar dit doel)), mar om, troch de hege dielectric konstante fan wetter, ferminderjen harren resonânsjefel lingte mei krekt in bedrach lyk oan it fjouwerkant woartel fan de dielektrike konstante fan wetter.
Dizze chip is al lang brûkt yn radio-ûntfangers, winding tried op in stik ferrite - de saneamde. ferritantenne. Allinnich ferrite hat in hege magnetyske permeabiliteit, en net in dielektrike, dy't lykwols op deselde manier wurket en lit de resonânsjediminsjes fan 'e antenne dienlik ferminderje. Spitigernôch kinne jo gjin ferrit yn in MRI sette, om't ... it is magnetysk. Wetter is in goedkeap en tagonklik alternatyf.
It is dúdlik dat om al dizze dingen te berekkenjen, moatte jo komplekse wiskundige modellen bouwe dy't rekken hâlde mei de relaasje tusken resonante eleminten, miljeuparameters en strielingsboarnen ... of jo kinne profitearje fan 'e fruchten fan foarútgong en software foar numerike elektromagnetyske modeling, dy't sels in skoalbern maklik kin begripe (de meast opfallende foarbylden - CST, HFSS). De software lit jo 3D-modellen meitsje fan resonators, antennes, elektryske circuits, minsken oan har tafoegje - ja, yn feite, alles, de ienige fraach is jo ferbylding en beskikbere kompjûterkrêft. De konstruearre modellen binne ferdield yn rasters, op 'e knopen wêrfan de bekende Maxwell-fergelikingen oplost wurde.
Hjir is bygelyks in simulaasje fan it radiofrekwinsje magnetysk fjild binnen de earder neamde fûgelkoaiantenne:
It wurdt fuortendaliks dúdlik hoe't it fjild draait. De situaasje oan de linkerkant wurdt toand as der in doaze fan wetter binnen de antenne, en oan de rjochterkant - as deselde doaze is op in resonator makke fan triedden fan resonânsjefel lingte. Jo kinne sjen hoe't it magnetysk fjild signifikant wurdt fersterke troch de draden. Nei it behearskjen fan CST en it optimalisearjen fan myn ûntwerp dêr, haw ik nochris in metamateriaal makke, dat it feitlik mooglik makke om it sinjaal te fersterkjen yn in standert klinyske 1.5T MRI tomograaf. It wie noch in doaze (hoewol moaier, makke fan plexiglas), fol mei wetter en in array fan triedden. Dizze kear waard de struktuer optimalisearre yn termen fan resonânsjefeling, nammentlik: seleksje fan 'e lingte fan' e triedden, har posysje en de hoemannichte wetter. Hjir is wat der bard is mei de tomaat:
De earste scan fan 'e tomaat waard útfierd mei in grutte antenne. It resultaat wie gewoan lûd mei amper sichtbere konturen. De twadde kear pleatste ik de frucht op in frisse bakte resonânsjestruktuer. Ik haw gjin kleurde kaarten boud of sa, om't it effekt dúdlik is. Sa, út eigen ûnderfining, hoewol't ik bestege in protte tiid, Ik bewiisd dat it konsept wurket.
It is dúdlik wat jo tinke - sinaasappels, tomaten - dat is allegear ferkeard, wêr binne de minsklike besikingen?
Se wiene echt :
De hân fan in frijwilliger dy't in MRI ûndergiet leit op deselde doaze. It eigentlike wetter yn 'e doaze, om't it wetterstof befettet, is ek dúdlik te sjen. It sinjaal wurdt fersterke yn it gebiet fan 'e pols lizzend op' e resonator, wylst alle oare dielen fan it lichem min sichtber binne. It is dúdlik dat itselde effekt, en miskien noch better, kin wurde berikt mei standert klinyske spullen. Mar it feit dat jo sokke dingen gewoan dwaan kinne troch romtlik wetter en draden te kombinearjen, se op 'e goede manier te kombinearjen, is geweldich. Noch wûnderliker is dat dêr kennis oer helle wurde kin troch de stúdzje fan skynber net-relatearre ferskynsels, lykas de brekking fan ljocht.
Foar dyjingen dy't noch net wurch binneOp dit stuit is it ûntwerp fan de wetterkast al ferbettere. No is it gewoan in plat printe circuit board wêrmei jo it magnetyske fjild fan in eksterne grutte antenne by jo kinne lokalisearje. Boppedat is it wurkgebiet grutter dan dat fan it foarige ûntwerp:
De kleurde linten jouwe de magnetyske fjildsterkte oer de struktuer oan as opwekke troch in eksterne boarne fan elektromagnetyske weagen. De platte struktuer is in typyske oerdracht line bekend yn radio engineering, mar kin ek wurde beskôge as in metamateriaal foar MRI. Dizze "wireless coil" kin al konkurrearje mei standert coils yn termen fan de uniformiteit fan it generearre fjild op in beskate djipte yn it skande objekt:
De animaasje toant in laach-foar-laach kleurkaart fan it sinjaal yn in doaze wetter yn in MRI. Kleur jout de yntinsiteit fan sinjalen fan wetterstofkearnen oan. Yn 'e boppeste linker hoeke wurdt in segmint fan in standert werom skennen coil brûkt as ûntfanger. De legere linker hoeke is as it fak wurdt pleatst op in resonator yn 'e foarm fan in printe circuit board. Rjochts ûnder - it sinjaal wurdt ûntfongen troch in grutte antenne boud yn 'e tomograaftunnel. Ik fergelike de sinjaaluniformiteit yn it gebiet sketst troch de rjochthoek. Op guon hichte docht it metamateriaal better dan de spoel yn termen fan sinjaaluniformiteit. Foar klinyske doelen kin dit net in heul wichtige prestaasje wêze, mar as it giet om wittenskiplike MRI-ynstallaasjes wêr't rotten wurde skansearre, kin it helpe om in ferheging fan sinjaal en in fermindering fan 'e fereaske krêft fan spannende radiopulsen te berikken.
Oer "ferbettere troch 2 kear" oan it begjin fan it artikel - fansels, dit is in oare frucht fan 'e ûnbeantwurde leafde fan sjoernalisten foar wittenskippers, lykwols is it ek ferkeard om te sizzen dat dit leech ûndersyk is, dat wurdt stipe troch ynteresse yn dit ûnderwerp yn wittenskiplike groepen om 'e wrâld. Ferrassend is dat hjir yn Ruslân ek wurk dien wurdt, al is dit op grûn fan myn suver persoanlike ûnderfining nochal in seldsume útsûndering. D'r binne noch in protte ûnoploste problemen ferbûn mei it brûken fan metamaterialen yn MRI. Neist it lokalisearjen fan magnetyske fjilden om in goed byld te krijen, ferjit net oer elektryske fjilden dy't liede ta weefselferwaarming, lykas ek de opname fan radiofrekwinsjefjildenerzjy troch de weefsels fan pasjinten dy't ûndersyk ûndergeane. Foar dizze dingen, yn klinysk gebrûk, moat d'r in spesjale kontrôle wêze, dy't folle yngewikkelder wurdt by it brûken fan fjildlokalisearjende resonators. Foar no bliuwe metamaterialen foar MRI binnen it berik fan wittenskiplik ûndersyk, mar de resultaten dy't krigen binne binne al heul ynteressant en miskien yn 'e takomst, troch har, sil de MRI-proseduere foar it better feroarje, flugger en feiliger wurde.
Boarne: www.habr.com