Odvijač mi je fijuknuo pokraj uha. Uz glasan zvuk zvona, ukočila se na tijelu kriostata. Psujući u sebi, odlučila sam uzeti pauzu. Odvrtanje vijaka u magnetskom polju od 1.5 Tesla čeličnim alatom nije dobra ideja. Polje, poput nevidljivog neprijatelja, neprestano nastoji preoteti instrument iz ruku, usmjeriti ga po svojim linijama sile i usmjeriti što bliže elektronima koji u zatvorenom krugu trče iz supravodiča. Međutim, ako stvarno trebate pobijediti zakiseljene spojeve od prije mnogo godina, nema puno izbora. Sjeo sam za računalo i po navici listao kroz feed vijesti. “Ruski znanstvenici su poboljšali MRI za 2 puta!” - glasio je sumnjivi naslov.
Prije otprilike godinu dana, mi i shvatio bit njegova rada. Toplo preporučujem da osvježite sjećanje na taj materijal prije čitanja ovog članka.
Iz raznih razloga, uključujući povijesne, u Rusiji danas proizvodnja tako složene opreme kao što su skeneri za magnetsku rezonanciju visokog polja. Međutim, ako živite u većem gradu, lako možete pronaći klinike koje pružaju ovu vrstu usluge. Istodobno, flota MRI skenera često je predstavljena rabljenom opremom, nekoć uvezenom iz SAD-a i Europe, a ako iznenada morate posjetiti kliniku s MRI-om, neka vas ne zavara prekrasan izgled uređaja - možda je u drugom desetljeću. Zbog toga se takva oprema ponekad pokvari, a ja sam dugo vremena bio jedan od onih koji su pokvarene tomografe vraćali u servis, kako bi pacijenti i dalje bili na dijagnostici, a vlasnici profitirali.
Sve dok jednog lijepog dana, u pauzi između opasnih zabava s ogromnim magnetskim poljima, nisam naišao na zanimljiv natpis u vijestima: “Ruski znanstvenici zajedno s nizozemskim kolegama koristeći metamaterijale." Nepotrebno je reći da mi se sama činjenica da Rusija provodi istraživanje opreme čija proizvodnja nikada nije ovladana činila vrlo, vrlo kontroverznom. Zaključio sam da je ovo samo još jedna runda stipendija, razvodnjena nerazumljivim znanstvenim poštapalicama poput "nanotehnologije" koje su svi već siti. Traženje informacija na temu rada domaćih znanstvenika s MRI i metamaterijalima dovelo me do članka koji sadrži opis jednostavnog eksperimenta koji sam bez problema mogao ponoviti, budući da je MRI uređaj uvijek pri ruci.
Slika iz , posvećen poboljšanju MRI signala pomoću takozvanog "metamaterijala". U tipičnom kliničkom 1.5 - Termalnom aparatu umjesto pacijenta unosi se metamaterijal u obliku bazena s vodom unutar kojeg se nalaze paralelne žice određene duljine. Na žicama leži predmet proučavanja - riba (neživa). Slike s desne strane su MRI slike ribe, s kartom u boji superponiranom koja pokazuje intenzitet signala jezgri vodika. Vidi se da kada riba leži na žicama signal je puno bolji nego bez njih. Vrijeme skeniranja je isto u oba slučaja, što dokazuje da je učinkovitost skeniranja poboljšana. Članak je također pažljivo uključen
formula
izračunati duljinu žica ovisno o radnoj frekvenciji tomografa, koji sam koristio. Napravio sam svoj metamaterijal od kivete i niza bakrenih žica, opremljenih 3D tiskanim plastičnim zatvaračima:
Moj prvi metamaterijal. Odmah nakon proizvodnje stavljen je u tomograf od 1 Tesla. Naranča se ponašala kao objekt koji se skenira.
Međutim, umjesto obećanog poboljšanja signala, dobio sam hrpu artefakata koji su potpuno pokvarili sliku! Moje ogorčenje nije imalo granica! Nakon što sam završio temu, napisao sam pismo autorima članka čije se značenje može svesti na pitanje “Što...?”
Autori su mi dosta brzo odgovorili. Bili su prilično impresionirani što netko pokušava ponoviti njihove eksperimente. Isprva su mi dugo pokušavali objasniti kako metamaterijali zapravo funkcioniraju, koristeći termine "Fabry-Perotove rezonancije", "intrinzične modove" i sve vrste radiofrekvencijskih polja u volumenu. Onda su me, očito shvativši da uopće ne razumijem o čemu pričaju, odlučili pozvati da ih posjetim kako bih uživo pogledao njihov razvoj i uvjerio se da još uvijek radi. Bacio sam svoje omiljeno lemilo u ruksak i otišao u St. Petersburg, na Nacionalno istraživačko sveučilište informacijskih tehnologija, mehanike i optike (kako se pokazalo, tamo se ne školuju samo programeri).
Bio sam srdačno dočekan na licu mjesta, a odjednom su mi ponudili posao, jer su bili impresionirani mojim jarkom sa žicama i trebala im je osoba za izradu novih. Zauzvrat su mi obećali detaljno objasniti sve što me zanima i pohađati tečaj radiofizike i magnetske rezonance, koji je stjecajem okolnosti započeo upravo te godine. Pobijedila je moja žeđ za znanjem, a zatim sam tijekom cijele godine učila, radila projekte i radila, postupno učeći sve više novih stvari o povijesti magnetske rezonancije, kao io stanju moderne znanosti na ovom području, koju ću podijelite ovdje.
Metoda predloženog poboljšanja MRI, a proučavana u spomenutim znanstvenim člancima, temelji se na tzv. “metamaterijalima”. Metamaterijali, kao i mnoga druga otkrića, svoju pojavu zahvaljuju neočekivanim rješenjima dobivenim na temelju teorijskih istraživanja. Sovjetski znanstvenik Viktor Veselago je 1967. godine, radeći na teoretskom modelu, sugerirao postojanje materijala s negativnim indeksom loma. Kao što već razumijete, govorimo o optici, a vrijednost ovog koeficijenta, grubo govoreći, znači koliko će svjetlost promijeniti svoj smjer kada prolazi kroz granicu između različitih medija, na primjer zraka i vode. Lako se sami možete uvjeriti da se to stvarno događa:
Jednostavan eksperiment pomoću laserskog pokazivača i akvarija za demonstraciju loma svjetlosti.
Zanimljiva činjenica koja se može naučiti iz takvog eksperimenta je da se zraka ne može prelomiti u istom smjeru u kojem je pala na međupovršinu, koliko god se eksperimentator trudio. Ovaj eksperiment je proveden sa svim prirodnim tvarima, ali se zraka tvrdoglavo lomila samo u jednom smjeru. Matematički to znači da su indeks loma, kao i njegove sastavne veličine, dielektrična i magnetska propusnost, pozitivni, i nikada nije primijećeno drugačije. Barem dok V. Veselago nije odlučio proučiti ovu problematiku i pokazao da teoretski ne postoji niti jedan razlog zašto indeks loma ne može biti negativan.
Slika s Wikija koja pokazuje razliku između medija s pozitivnim i negativnim indeksom. Kao što vidimo, svjetlo se ponaša potpuno neprirodno u odnosu na naše svakodnevno iskustvo.
V. Veselago je dugo pokušavao pronaći dokaze o postojanju materijala s negativnim indeksom loma, no potraga je bila neuspješna, a njegov je rad nezasluženo zaboravljen. Tek početkom sljedećeg stoljeća umjetno su stvorene kompozitne strukture koje su ostvarile opisana svojstva, ali ne u optičkom, već u nižem mikrovalnom frekvencijskom području. Što je bila prekretnica, jer je sama mogućnost postojanja takvih materijala otvorila nove perspektive. Na primjer – stvaranje , koji može povećati objekte čak i manje od valne duljine svjetlosti. Ili - apsolutne maskirne nevidljivosti, san svih vojnih osoba. U teoriju su napravljene velike izmjene kako bi se uzeli u obzir novi podaci. Ključ uspjeha bila je uporaba uređenih struktura rezonantnih elemenata - metaatoma, čija je veličina puno manja od valne duljine zračenja s kojim su u interakciji. Uređena struktura meta-atoma je umjetni kompozit koji se naziva metamaterijal.
Praktična implementacija metamaterijala i danas je tehnološki složena, budući da veličina rezonantnih čestica mora biti usporediva s manjom od valne duljine elektromagnetskog zračenja. Za optički raspon (gdje je valna duljina nanometar) takve tehnologije prednjače u napretku. Stoga ne čudi da su prvi predstavnici koncepta metamaterijala stvoreni za relativno duže elektromagnetske valove iz radijskog područja (koji imaju poznatiju duljinu od mm do m). Glavna značajka i ujedno nedostatak svakog metamaterijala je posljedica rezonantne prirode njegovih sastavnih elemenata. Metamaterijal može pokazivati svoja čudesna svojstva samo na određenim frekvencijama.
Ograničene frekvencije.Stoga, na primjer, sljedeći put kad vidite nešto poput ometača super-zvuka temeljenog na metamaterijalima, pitajte koji raspon frekvencija zapravo ometa.
Tipični primjeri metamaterijala koji omogućuju interakciju s elektromagnetskim valovima. Strukture vodiča nisu ništa više od malih rezonatora, LC krugova formiranih prostornim položajem vodiča.
Prošlo je malo vremena od pojave koncepta metamaterijala i njihovih prvih implementacija, a ljudi su shvatili kako ih koristiti u magnetskoj rezonanci. Glavni nedostatak metamaterijala je taj što uzak radni raspon nije problem za MRI, gdje se svi procesi odvijaju na gotovo istoj frekvenciji nuklearne magnetske rezonancije, koja se nalazi u radio području. Ovdje možete stvoriti meta-atome vlastitim rukama i odmah vidjeti što se događa na slikama. Jedna od prvih značajki koju su istraživači implementirali u MRI koristeći metamaterijale bile su superleće i endoskopi.
Na lijevoj strani pod slovom a) prikazana je superleća koja se sastoji od trodimenzionalnog niza rezonatora na tiskanim pločicama. Svaki rezonator je otvoreni metalni prsten sa zalemljenim kondenzatorom, koji tvori LC krug podešen na frekvenciju MRI. Ispod je primjer postavljanja ove metamaterijalne strukture između nogu pacijenta koji je podvrgnut tomografskom postupku i, sukladno tome, dobivene slike. Ako prije niste prezirali savjet da pročitate moj prethodni članak o magnetskoj rezonanci, onda već znate da je za dobivanje slike bilo kojeg dijela pacijentova tijela potrebno prikupiti slabe, brzo opadajuće nuklearne signale pomoću blisko smještenog antena - zavojnica.
Metamaterijalna super leća omogućuje vam povećanje dometa djelovanja standardne zavojnice. Na primjer, vizualizirajte obje noge pacijenta odjednom umjesto samo jedne. Loša vijest je da položaj superleće mora biti odabran na određeni način za najbolji učinak, a sama superleća je prilično skupa za proizvodnju. Ako vam još uvijek nije jasno zašto se ova leća zove super-prefiks, procijenite njegovu veličinu prema fotografiji, a zatim shvatite da radi s valnom duljinom od oko pet metara!
Slovo b) prikazuje dizajn endoskopa. U biti, MRI endoskop je niz paralelnih žica koje djeluju kao valovod. Omogućuje vam da prostorno odvojite područje iz kojeg zavojnica prima signal iz jezgri i samu zavojnicu na znatnoj udaljenosti - do te mjere da se prijemna antena može nalaziti potpuno izvan kriostata tomografa, daleko od konstantnog magnetskog polja. polje. Donje slike kartice b) prikazuju slike dobivene za posebnu posudu ispunjenu tekućinom - fantom. Razlika između njih je u tome što su slike s oznakom "endoskop" dobivene kada je zavojnica bila na pristojnoj udaljenosti od fantoma, gdje bi bez endoskopa signale iz jezgri bilo potpuno nemoguće detektirati.
Ako govorimo o jednom od najperspektivnijih područja primjene metamaterijala u MRI, a najbliže njegovoj praktičnoj implementaciji (u što sam se na kraju i uključio) je izrada bežičnih zavojnica. Vrijedno je pojasniti da ovdje ne govorimo o Bluetoothu ili drugoj tehnologiji bežičnog prijenosa podataka. "Bežično" u ovom slučaju znači prisutnost induktivne ili kapacitivne sprege dviju rezonantnih struktura - primopredajne antene, kao i metamaterijala. U konceptu to izgleda ovako:
Lijevo je prikazano kako se obično odvija MRI postupak: pacijent leži unutar kriostata u području ravnomjernog statičkog magnetskog polja. U tunelu tomografa postavljena je velika antena koja se naziva "kavez za ptice". Antena ove konfiguracije omogućuje vam rotiranje vektora radiofrekventnog magnetskog polja s frekvencijom precesije jezgri vodika (za kliničke strojeve to je obično od 40 do 120 MHz, ovisno o veličini statičkog magnetskog polja od 1T do 3T, respektivno), uzrokujući da apsorbiraju energiju i zatim emitiraju energiju kao odgovor. Signal odgovora iz jezgri je vrlo slab i do trenutka kada stigne do vodiča velike antene, neizbježno će izblijedjeti. Iz tog razloga, MRI koristi blisko razmaknute lokalne zavojnice za primanje signala. Slika u sredini, na primjer, prikazuje tipičnu situaciju skeniranja koljena. Pomoću metamaterijala moguće je napraviti rezonator koji će biti induktivno povezan s kavezom za ptice. Dovoljno je postaviti takvu stvar u blizini željenog područja pacijentova tijela i signal od tamo neće biti primljen ništa lošije nego s lokalnom zavojnicom! Ako se koncept uspješno implementira, pacijenti se više neće morati petljati u žice, a dijagnostički postupak MR postat će ugodniji.
Upravo sam takvu stvar pokušao stvoriti na početku, napunivši žice vodom i pokušavši skenirati naranču. Žice uronjene u vodu s prve slike u ovom članku nisu ništa više od meta-atoma, od kojih svaki predstavlja poluvalni dipol - jedan od najpoznatijih dizajna antena, poznat svakom radioamateru.
Uranjaju se u vodu ne zato da se ne bi zapalile u MRI (iako i za tu svrhu)), već da bi im se, zbog visoke dielektrične konstante vode, smanjila rezonantna duljina točno za iznos jednak kvadratu korijen dielektrične konstante vode.
Ovaj čip se dugo koristi u radio prijemnicima, namotavajući žicu na komad ferita - tzv. feritna antena. Samo ferit ima visoku magnetsku propusnost, a ne dielektrik, koji, međutim, radi na isti način i omogućuje odgovarajuće smanjenje rezonantnih dimenzija antene. Nažalost, ne možete staviti ferit u MRI, jer... magnetski je. Voda je jeftina i dostupna alternativa.
Jasno je da za izračunavanje svih ovih stvari trebate izgraditi složene matematičke modele koji uzimaju u obzir odnos između rezonantnih elemenata, parametara okoliša i izvora zračenja... ili možete iskoristiti plodove napretka i softvera za numeričku elektromagnetsku modeliranje, koje čak i školarac može lako razumjeti (najupečatljiviji primjeri - CST, HFSS). Softver vam omogućuje stvaranje 3D modela rezonatora, antena, električnih krugova, dodavanje ljudi u njih - da, zapravo, bilo što, jedino je pitanje vaše mašte i raspoložive računalne snage. Konstruirani modeli podijeljeni su u mreže u čijim se čvorovima rješavaju poznate Maxwellove jednadžbe.
Evo, na primjer, simulacije radiofrekvencijskog magnetskog polja unutar prethodno spomenute antene za ptičji kavez:
Odmah postaje sasvim jasno kako polje rotira. Lijevo je prikazana situacija kada se unutar antene nalazi kutija s vodom, a desno - kada je ista kutija na rezonatoru napravljenom od žica rezonantne duljine. Možete vidjeti kako je magnetsko polje značajno pojačano žicama. Nakon što sam svladao CST i tamo optimizirao svoj dizajn, ponovno sam napravio metamaterijal, koji je zapravo omogućio pojačanje signala u standardnom kliničkom 1.5T MRI tomografu. I dalje je to bila kutija (iako ljepša, od pleksiglasa), ispunjena vodom i nizom žica. Ovoga puta konstrukcija je optimizirana u pogledu rezonantnih uvjeta i to: odabira duljine žica, njihovog položaja i količine vode. Evo što se dogodilo s rajčicom:
Prvo skeniranje rajčice izvedeno je velikom antenom. Rezultat je bila samo buka s jedva vidljivim obrisima. Drugi put sam stavio voće na svježe pečenu rezonantnu strukturu. Nisam napravio karte u boji ili nešto slično, jer je učinak očit. Tako sam iz vlastitog iskustva, iako sam potrošio dosta vremena, dokazao da koncept funkcionira.
Jasno je što mislite - naranče, rajčice - sve je to pogrešno, gdje su ljudska ispitivanja?
Stvarno su bili :
Ruka volontera koji se podvrgava magnetskoj rezonanci leži na istoj kutiji. Prava voda u kutiji, budući da sadrži vodik, također je jasno vidljiva. Signal je pojačan u području zgloba koji leži na rezonatoru, dok su svi ostali dijelovi tijela slabo vidljivi. Jasno je da se isti učinak, a možda čak i bolji, može postići korištenjem standardnih kliničkih spirala. Ali sama činjenica da takve stvari možete napraviti jednostavnim prostornim spajanjem vode i žice, kombinirajući ih na pravi način, je nevjerojatna. Što je još nevjerojatnije, znanje o tome može se steći proučavanjem naizgled nepovezanih fenomena, kao što je lom svjetlosti.
Za one koji se još nisu umoriliTrenutno je dizajn vodene kutije već poboljšan. Sada je to samo ravna tiskana ploča koja vam omogućuje lokaliziranje magnetskog polja vanjske velike antene u vašoj blizini. Štoviše, njegovo radno područje veće je od prethodnog dizajna:
Obojene vrpce pokazuju snagu magnetskog polja nad strukturom kada je pobuđeno vanjskim izvorom elektromagnetskih valova. Ravna struktura je tipična prijenosna linija poznata u radiotehnici, ali se također može smatrati metamaterijalom za MRI. Ova “bežična zavojnica” već se može natjecati sa standardnim zavojnicama u smislu ujednačenosti generiranog polja na određenoj dubini u skeniranom objektu:
Animacija prikazuje mapu boja sloj po sloj signala unutar kutije s vodom u MRI. Boja označava intenzitet signala iz jezgri vodika. U gornjem lijevom kutu kao prijemnik se koristi segment standardne zavojnice za stražnje skeniranje. Donji lijevi kut je kada je kutija postavljena na rezonator u obliku tiskane pločice. Dolje desno - signal prima velika antena ugrađena u tunel tomografa. Usporedio sam ujednačenost signala u području označenom pravokutnikom. Na određenoj visini, metamaterijal radi bolje od zavojnice u smislu ujednačenosti signala. Za kliničke svrhe, ovo možda nije jako važno postignuće, ali kada je riječ o znanstvenim MRI instalacijama u kojima se skeniraju štakori, može pomoći u postizanju povećanja signala i smanjenja potrebne snage uzbudljivih radio pulseva.
O "poboljšan za 2 puta" na početku članka - naravno, ovo je još jedan plod neuzvraćene ljubavi novinara prema znanstvenicima, međutim, također je pogrešno reći da je to prazno istraživanje, što je podržano interesom za ovu temu u znanstvenim grupama diljem svijeta. Iznenađujuće, rad se provodi i ovdje u Rusiji, iako je to na temelju mog čisto osobnog iskustva prilično rijetka iznimka. Još uvijek postoje mnogi neriješeni problemi povezani s upotrebom metamaterijala u MRI. Osim lokaliziranja magnetskih polja za dobivanje dobre slike, ne zaboravite na električna polja koja dovode do zagrijavanja tkiva, kao i apsorpciju energije radiofrekvencijskog polja od strane tkiva pacijenata koji se pregledavaju. Za te stvari u kliničkoj uporabi mora postojati posebna kontrola, što postaje puno kompliciranije kod korištenja rezonatora s lokalizacijom polja. Metamaterijali za magnetsku rezonancu za sada ostaju u okviru znanstvenih istraživanja, no dobiveni rezultati već sada su vrlo zanimljivi i možda će se u budućnosti zahvaljujući njima postupak magnetske rezonancije promijeniti nabolje, postati brži i sigurniji.
Izvor: www.habr.com