Kroz uho je prošla odvijač. S jakim zvonom je zastala na kućištu kriostata. Proklinjajući u sebi, odlučio sam uzeti pauzu. Odvijati vijke u magnetskom polju od 1,5 tesla, pomoću čeličnog alata — nije baš najbolja ideja. Polje kao nevidljivi protivnik neprekidno pokušava izvući alat iz ruku, orijentirati ga duž svojih silovnih linija i usmjeriti što bliže elektronima koji se kreću po zatvorenoj petlji superprovodnika. Međutim, ako stvarno trebate pobijediti oksidirane spojeve starog datuma, nemate puno izbora. Sjeo sam za računalo i navikao se pregledavati vijesti. "Ruski znanstvenici poboljšali MRT za 2 puta!" — objavljivao je sumnjiv naslov.
Prije otprilike godinu dana, mi i proučavali suštinu njenog rada. Toplo preporučujem da prije čitanja ovog članka osvježite u pameti taj materijal.
Zbog raznih razloga, uključujući povijesne, u Rusiji danas proizvodnje tako složenih uređaja kao što su visokoenergetski magnetski rezonantni tomografi. Ipak, ako živite u više ili manje velikom gradu, lako ćete pronaći klinike koje pružaju ovakve usluge. Pri tom, park MRT skenerâ često je predstavljen korištenom opremom, nekad uvezem iz SAD-a i Europe, i, ako vas odvede u kliniku s MRT-om, nemojte se zavaravati lijepim vanjskim izgledom aparata — moglo bi biti staro i više od deset godina. Kao posljedica, takva oprema se pokvari, a ja sam dugo bio jedan od onih koji su vraćali pokvarene tomografe u funkciju, kako bi pacijenti mogli nastaviti s dijagnostikom, a vlasnici — dobiti profit.
Jednog divnog dana, u pauzi između opasnih igara s ogromnim magnetskim poljima, naišao sam na zanimljivu poruku u vijestima: "Ruski znanstvenici zajedno s nizozemskim kolegama korištenjem metamaterijala». Vrijedi li reći da je sam čin istraživanja koje se u Rusiji provodi o opremi čija proizvodnja nikada nije bila savladana, meni izgledao vrlo i vrlo sporan. Odlučio sam da je to samo još jedno od mnoštva iskorištavanja grantova, razblaženih nejasnim znanstvenim riječima poput već svima odvratnih "nanotehnologija". Pretraživanje informacija o temama rada domaćih znanstvenika s MRI-jem i metamaterijalima dovelo me do članka koji sadrži opis jednostavnog eksperimenta koji bih lako mogao ponoviti, s obzirom da je MRI uređaj uvijek pri ruci.
Slika iz , koja se bavi pojačavanjem MRI signala pomoću takozvanog "metamaterijala". U tipičnom kliničkom 1,5-teslovnom aparatu umjesto pacijenta učitava se metamaterijal u obliku posude s vodom, unutar koje su smještene paralelne žice određene duljine. Na žicama leži objekt istraživanja — riba (mrtva). Slike s desne strane su MRI snimke ribe, s nanesenom kolorimetrijskom kartom koja označava intenzitet signala od jezgri vodika. Vidljivo je da kada riba leži na žicama, signal je mnogo bolji nego bez njih. Vrijeme skeniranja u oba slučaja je isto, što dokazuje poboljšanu učinkovitost skeniranja. U članku je također pažljivo navedena
formula
za izračunavanje duljine žica ovisno o radnoj frekvenciji tomografa, koju sam i iskoristio. Izradio sam svoj metamaterijal od kaveza i skupa bakrenih žica, opskrbljujući ih plastičnim pričvršćenjima koja su otisnuta na 3D printeru:
Moj prvi metamaterijal. Odmah nakon izrade umetnut je u 1-teslovni tomograf. Naranča je služila kao objekt za skeniranje.
Međutim, umjesto obećanog pojačanja signala, dobio sam gomilu artefakata koji potpuno uništavaju sliku! Moje razočaranje nije imalo granica! Nakon što sam pojeo predmet, napisao sam pismo autorima članka, čija se suština može svesti na pitanje "Koji …?".
Autori su mi prilično brzo odgovorili. Bili su veoma impresionirani time što netko pokušava ponoviti njihove eksperimente. Isprva su mi dugo pokušavali objasniti kako zapravo rade metamaterijali, koristeći termine kao što su "Fabry-Pérot rezonancije", "vlastite mode" i razne radiofrekvencijske valne forme. Nakon što su očigledno skužili da jedva razumijem o čemu se radi, odlučili su me pozvati da ih posjetim kako bih uživo vidio njihove inovacije i uvjerio se da to zaista djeluje. Uzeo sam svoj omiljeni lemilicu i otišao u Sankt Peterburg, na Nacionalno istraživačko sveučilište informatičkih tehnologija, mehanike i optike (kako se ispostavilo, tamo ne obučavaju samo programere).
Na mjestu su me srdačno dočekali, a iznenada su mi ponudili posao, jer su bili impresionirani mojim kuvetom s žicama i trebala im je osoba za izradu novih. U zamjenu su obećali detaljno objasniti sve što me zanima i proći tečaj o radi fizičkoj i MRI, koji je započeo sretnih slučajem baš te godine. Moja želja za znanjem pobijedila je, i sljedećih godinu dana sam se školovao, radio projekte i stjecao nova saznanja o povijesti magnetske rezonancije te o stanju suvremene znanosti u toj oblasti, koja ću ovdje podijeliti.
Osnova metode unapređenja MRI, istraživane u navedenim znanstvenim člancima, su takozvani „metamaterijali“. Metamaterijali, kao i mnogi drugi otkrića, duguju svoje postojanje iznenađujućim rješenjima proizašlim iz teorijskih istraživanja. Sovjetski znanstvenik, Viktor Veselago, 1967. godine, radeći na teoretskom modelu, pretpostavio je postojanje materijala s negativnim koeficijentom loma. Kao što ste već shvatili, ovdje se radi o optici, a ta vrijednost koeficijenta, grubim rječnikom, označava koliko će se promijeniti smjer svjetlosti dok prolazi kroz granicu između različitih sredina, recimo, zraka i vode. U to da se to doista događa, može se lako uvjeriti i sam:
Jednostavan eksperiment s laserom i akvarijem koji demonstrira lom svjetlosti.
Zanimljiva činjenica koja se može izvući iz ovog eksperimenata je da zraka ne može prelamati se u istom smjeru iz kojeg je pala na granicu razdvajanja, bez obzira koliko se eksperimentator trudila. Takav eksperiment je proveden sa svim prirodnim tvarima, no zraka se tvrdoglavo prelamala samo u jedan smjer. Matematički, to znači da su koeficijent prelamanja, kao i njegove komponente, dielektrična i magnetska propusnost, pozitivni, i nikad nije zabilježen nijedan drugi slučaj. Bare mislim, sve do trenutka kada je V. Veselago odlučio istražiti ovo pitanje i pokazao da teoretski ne postoji nijedan razlog zašto koeficijent prelamanja ne bi mogao biti negativan.
Slika s Wikipedije koja prikazuje razliku između medija s pozitivnim i negativnim koeficijentima prelamanja. Kao što vidimo, svjetlost se ponaša potpuno nenormalno, u usporedbi s našim svakodnevnim iskustvom.
V. Veselago je dugo pokušavao pronaći dokaze o postojanju materijala s negativnim koeficijentom prelamanja, ali traženja nisu bila uspješna, a njegov rad je nepravedno zaboravljen. Jedino na početku sljedećeg stoljeća, umjetno su stvorene kompozitne strukture koje realiziraju opisane osobine, ali ne u optičkom, već u nižem mikrovalnom spektru frekvencija. To je predstavljalo prekretnicu, jer sama mogućnost postojanja takvih materijala otvarala je nove perspektive. Na primjer — stvaranje , sposobnih povećati objekte čak i manje od valne duljine svjetlosti. Ili — apsolutnih maskirnih prekrivača nevidljivki, san svih vojnih snaga. Unesene su ozbiljne izmjene u teoriju, uzimajući u obzir nove podatke. Ključ uspjeha bilo je korištenje urednih struktura od rezonantnih elemenata — meta-atoma, čija je veličina mnogo manja od valne duljine zračenja s kojim interagiraju. Uredna struktura od meta-atoma je umjetni kompozit nazvan metamaterijal.
Praktična implementacija metamatrijala i dalje je tehnološki komplikovana, jer veličina rezonantnih čestica mora biti poredivo manja od talasne dužine elektromagnetnog zračenja. Za optički opseg (gde je talasna dužina - nanometri) slične tehnologije su na samom vrhu mogućnosti napretka. Stoga, nije iznenađujuće što su prvi predstavnici koncepta metamatrijala stvoreni za relativno duže elektromagnetne talase iz radio opsega (koji imaju dužine od mm do m). Osnovna karakteristika, a ujedno i nedostatak bilo kog metamatrijala, je posledica rezonantne prirode njegovih sastavnih elemenata. Metamatrijal može pokazivati svoje čudesne osobine samo na određenim frekvencijama.
Ograničenim frekvencijama.Zato, na primer, kada ponovo vidite nešto poput super-uteživača zvuka na bazi metamatrijala, pitajte se koje frekvencije on zapravo utiče.
Tipični primeri metamatrijala koji omogućavaju interakciju sa elektromagnetnim talasima. Strukture od provodnika - ništa drugo do mali rezonatori, LC krugovi, formirani prostornim položajem provodnika.
Prošlo je malo vremena od pojavljivanja koncepta metamatrijala i njihovih prvih realizacija, kada su ljudi shvatili da ih mogu koristiti u MRI. Glavni nedostatak metamatrijala - uski radni opseg, nije problem za MRI, gde svi procesi zapravo odvijaju na jednoj frekvenciji magnetske rezonance jezgara, koja leži u radio opsegu. Ovde možete sami stvarati meta-atome i odmah videti šta će rezultati biti na slikama. Jedne od prvih prvih funkcionalnosti koje su istraživači realizovali u MRI koristeći metamatrijale bile su supersočiva i endoskopi.
Na lijevoj strani ispod slova a) prikazana je superleća koja se sastoji od trodimenzionalne rešetke rezonatora na tiskanim pločama. Svaki rezonator je otvoreni metalni prsten s pričvršćenim kondenzatorom, koji čini LC-kolo podešeno na MRT frekvenciju. Ispod je prikazan primjer postavljanja te strukture iz metamaterijala između nogu pacijenta koji prolazi kroz postupak tomografije i uslijedno dobivene slike. Ako prethodno niste odbacili savjet da pročitate moj prošli članak o MRT-u, već znate da za dobivanje slike određenog dijela tijela pacijenta treba prikupiti slabe, brzo nestajuće signale jezgara pomoću blizu smještene antene – zavojnice.
Superleća od metamaterijala omogućuje povećanje područja djelovanja standardne zavojnice. Na primjer, omogućuje vizualizaciju obje noge pacijenta odjednom umjesto jedne. Od loših vijesti — položaj superleće mora biti precizno odabran za najbolju manifestaciju efekta, a sama superleća je prilično skupa za izradu. Ako još niste shvatili zašto se ova leća naziva super-, pogledajte njene dimenzije na fotografiji, a zatim shvatite da radi s valnom duljinom od oko pet metara!
Pod slovom b) prikazana je konstrukcija endoskopa. U osnovi, endoskop za MRT je skup paralelnih vodiča koji služe kao valovod. Omogućuje prostorno razdvajanje područja iz kojeg zavojnica prima signal od jezgara i samu zavojnicu na značajnoj udaljenosti – sve do toga da prijemna antena može biti smještena izvan kriostata tomografa, daleko od stalnog magnetskog polja. Na donjim slikama s kartice b) predstavljene su fotografije dobivene za posebnu posudu ispunjenu tekućinom — fantom. Razlika među njima je u tome što su slike označene „endoskop“ dobivene kada je zavojnica bila na značajnoj udaljenosti od fantoma, gdje bez endoskopa signale od jezgara ne bi bilo moguće detektirati.
Ako govorimo o jednoj od najperspektivnijih područja primjene metamaterijala u MRI-u, koja je najbliža svojoj praktičnoj realizaciji (u koju sam na kraju ušao) – to je stvaranje bežičnih namotaja. Treba pojasniti da se ovdje ne govori o Bluetoothu ili nekoj drugoj bežičnoj tehnologiji prijenosa podataka. "Bežično" u ovom slučaju označava postojanje induktivne ili kapacitivne veze između dvije rezonantne strukture – prijemno-odgovarače antene i metastvari. U konceptu to izgleda ovako:
S lijeve strane prikazan je kako obično prolazi postupak MRI-a: pacijent leži unutar kriostata u zoni homogeno statičkog magnetskog polja. U tunelu tomografa postavljena je velika antena, nazvana "ptičja kavez". Antena takve konfiguracije omogućava okretanje vektora radiofrekventnog magnetskog polja s frekvencijom precesije jezgri vodika (za kliničke uređaje to je obično od 40 do 120 MHz, ovisno o jačini statičkog magnetskog polja od 1T do 3T). Prisiljava ih da apsorbiraju energiju, a zatim emitiraju kao odgovor. Odgovarajući signal iz jezgri je vrlo slab i dok stigne do vodova velike antene, neizbježno će oslabjeti. Zbog toga se u MRI-u za prijem signala koriste blizu smješteni lokalni namotaji. Na slici u centru, na primjer, prikazana je tipična situacija skeniranja koljena. Pomoću metamaterijala može se napraviti rezonator koji će biti induktivno povezan s ptičjom kavezom. Dovoljno je staviti takvu stvar pored potrebnog dijela tijela pacijenta i signal odatle će se primati jednako dobro kao i s lokalnim namotajem! U slučaju uspješne realizacije koncepta, pacijentima više neće trebati mučiti se s kablovima, a postupak MRI dijagnostike postat će udobniji.
Upravo takvu stvar sam pokušavao stvoriti na početku, potapajući žice u vodu i pokušavajući skenirati naranču. Žice uronjene u vodu s prve slike u ovom članku – nisu ništa drugo do metaatomi, od kojih je svaki poluvalni dipol – jedna od najpoznatijih konstrukcija antena, poznata svakom radioljubitelju.
Ufo rone u vodu ne zato da ne zagore u MRT-u (iako i za to), već da bi se zahvaljujući visokoj dielektričnoj propusnosti vode skratila njihova rezonantna duljina točno za veličinu koja odgovara kvadratnom korijenu dielektrične propusnosti vode.
Ova tehnika se već dugo koristi u radio prijemnicima, omotavajući žicu oko komada ferita – takozvana feritna antena. Samo što ferit ima visoku magnetsku propusnost, a ne dielektričnu, što, međutim, također funkcionira i omogućuje odgovarajuće skraćivanje rezonantnih dimenzija antene. U MRT-u, nažalost, ferit ne može ući jer su magnetni. Voda je jeftina i dostupna alternativa.
Zahvaljujući svemu ovome jasno je da je za izračunavanje svih tih stvari potrebno graditi složene matematičke modele koji uzimaju u obzir međusobnu povezanost između rezonantnih elemenata, svojstava okoliša i izvora zračenja... ili se može iskoristiti plodovi napretka i softver za numeričko elektromagnetsko modeliranje, s kojim bi se bez problema snašao i srednjoškolac (najbolji primjeri – CST, HFSS). Softver omogućuje izradu 3D modela rezonatora, antena, električnih krugova, dodavanje ljudi – zapravo, sve što poželite, pitanje je samo mašte i dostupnih računalnih resursa. Izgrađeni modeli se podijele na mreže, u čvorovima kojih se rješavaju poznate Maxwellove jednadžbe.
Evo, na primjer, modeliranje radiofrekvencijskog magnetskog polja unutar prethodno spomenute antene u obliku ptičje kaveznice:
Odmah postaje prilično vidljivo kako se polje okreće. S lijeve strane prikazana je situacija kada unutar antene stoji kutija s vodom, a s desne – kada je ista kutija na rezonatoru od žica rezonantne duljine. Vidljivo je kako se magnetsko polje značajno pojačava zahvaljujući žicama. Nakon savladavanja CST-a i optimizacije vlastite konstrukcije, još jednom sam izradio metamaterijal koji je već zaista omogućio pojačanje signala u standardnom kliničkom 1.5T MRT tomografu. On je i dalje predstavljao kutiju (iako ljepšu, od akrila), ispunjenu vodom i masivom žica. Ovoga puta, struktura je optimizirana s obzirom na rezonantne uvjete, a to uključuje: odabir duljina žica, njihova mjesta, kao i količinu vode. Evo što se dogodilo s rajčicom:
Prvo skeniranje rajčice obavljeno je s velikom antenom. Na kraju se samo čuo šum s jedva vidljivim obrisima. Drugi put sam stavio plod na svježu rezonantnu konstrukciju. Nisam se trudio raditi obojene karte, ili nešto slično, jer je učinak očit. Tako sam, na vlastitom iskustvu, iako potrošivši puno vremena, dokazao da koncept funkcionira.
Razumljivo je o čemu razmišljate - naranče, rajčice - to nije ono, gdje su pokusi na ljudima?
Oni su doista bili :
Ruka volontera, koja prolazi kroz MRI, leži na istoj kutiji. U stvari, voda u kutiji, koja sadrži vodik, također je izvrsno vidljiva. Pojačanje signala događa se u području zapešća koje leži na rezonatoru, dok su sve ostale dijelove tijela slabo vidljive. Naravno, isti učinak, a možda i bolji, može se postići korištenjem standardnih kliničkih zavojnica. No, sama činjenica da se ovakve stvari mogu raditi jednostavno prostornim kombiniranjem vode i žica, te pravilnim usklađivanjem, zadivljuje maštu. Čak je i zapanjujuće da se ova saznanja mogu steći istraživanjem naizgled nepovezanih pojava, poput lomljenja svjetlosti.
Za one koji se još nisu umoriliTrenutno je konstrukcija kutije s vodom već poboljšana. Sada je to jednostavno ravna tiskana ploča koja omogućuje lokalizaciju magnetskog polja velike vanjske antene oko sebe. Osim toga, njena radna zona je veća od prethodne konstrukcije:
Obojene trake pokazuju intenzitet magnetskog polja iznad strukture kada je uzbuđena vanjskim izvorom elektromagnetnih valova. Ravan struktura predstavlja tipičnu transmisijsku liniju, poznatu u radiotehnici, no istodobno se može smatrati i metamaterijalom za MRI. Ova „bežična zavojnica“ već može konkurirati standardnim zavojnicama po homogenosti stvorenog polja na određenoj dubini u objektu skeniranja:
Animacija prikazuje sloj po sloj šarenu kartu signala unutar kutije s vodom u MRI. Boja označava intenzitet signala od protona vodika. U gornjem lijevom kutu koristi se segment standardne zavojnice za skeniranje leđa kao prijemnik. Donji lijevi kut — kada je kutija postavljena na rezonator u obliku tiskane ploče. Desno dolje — veliki antena ugrađena u tunel tomografa prima signal. Usporedio sam homogenost signala u zoni obilježenoj pravokutnikom. Na određenoj visini, metamaterijal radi bolje od zavojnice u pogledu homogenosti signala. Za kliničke zadatke to možda nije posebno važno postignuće, ali kada su u pitanju znanstvene postavke MRI gdje se skeniraju štakori, to može pomoći da se postigne povećanje signala i smanjenje potrebne snage uzbudljivih radio impulsa.
O „poboljšali smo dva puta“ na početku članka — naravno, to je još jedan plod neuzvraćene ljubavi novinara prema znanstvenicima, međutim, reći da su to prazna istraživanja također bi bilo netočno, što potkrepljuje interes za ovu temu u znanstvenim grupama širom svijeta. Njezino je iznenađujuće, ali istraživanja se provode i kod nas u Rusiji, iako, prema mom ličnom iskustvu, to je rijetka iznimka. Postoji još mnogo neriješenih problema povezanih s primjenom metamaterijala u MRI. Osim lokalizacije magnetskih polja za dobivanje dobrih slika, ne smijemo zaboraviti na električna polja koja uzrokuju zagrijavanje tkiva, kao i na apsorpciju energije radiofrekvencijskog polja od strane tkiva pacijenata koji prolaze pretrage. O tim stvarima, prilikom kliničke upotrebe, trebao bi biti poseban nadzor, što se značajno komplikuje korištenjem rezonatora za lokalizaciju polja. Dok metamaterijali za MRI ostaju unutar okvira znanstvenih istraživanja, rezultati koje dobivamo su već vrlo zanimljivi i možda će se u budućnosti postupak MRI zahvaljujući njima poboljšati, postanući brži i sigurniji.
Izvor: habr.com
