A fülem mellett elsuhant egy csavarhúzó. Hangos csörrenés után megállt a kriosztát házán. Magamban káromkodva úgy döntöttem, hogy tartok egy szünetet. Csavarokat lazítani 1,5 teslás mágneses mezőben acél szerszámokkal — nem a legjobb ötlet. A mező, mint egy láthatatlan ellenfél, folyamatosan próbálja kirántani a szerszámot a kezemből, orientálni az erővonalai mentén, és minél közelebb vinni az elektronokhoz, amelyek egy zárt körben áramlanak a szupervezetőben. Azonban, ha nagyon szükséges legyőzni a régi, megoxidálódott kötéseket, nem igazán van más választás. Leültem a számítógép elé, és megszokott módon átnéztem a híreket. "Orosz tudósok kétszeresére javították az MRI-t!" — hirdette a gyanús cím.
Körülbelül egy évvel ezelőtt mi és megértettük működésének lényegét. Határozottan ajánlom, hogy olvasás előtt frissítsd fel ezt az anyagot az emlékeidben.
Különböző okokból, többek között történelmi okokból, Oroszországban ma ilyen bonyolult berendezések gyártása, mint a nagy mágneses rezonanciás tomográfok. Mindazonáltal, ha egy nagyobb városban élsz, könnyen találsz klinikákat, amelyek ilyen szolgáltatásokat nyújtanak. Ezen kívül az MRI szkennerek flottáját gyakran használt berendezések alkotják, amelyeket valaha az Egyesült Államokból és Európából hoztak be, és ha véletlenül el kell látogatnod egy MRI klinikára, ne hagyd magad megtéveszteni a készülék szép külső megjelenése által — lehet, hogy már több mint tíz éve működik. Ennek következtében ezek a berendezések néha meghibásodnak, és hosszú ideig része voltam azoknak az embereknek, akik a meghibásodott tomográfokat újra üzembe helyezték, hogy a betegek továbbra is kaphassanak diagnózist, és a tulajdonosok profitot termelhessenek.
Míg egy szép napon, egy veszélyes szórakozásokkal teli szünetben, nem botlottam egy érdekes feliratba a hírek között: "Az orosz tudósok holland kollégáikkal metamatériákkal”. Nem szükséges mondani, hogy az a tény, hogy Oroszországban olyan kutatásokat végeznek, amelyek olyan felszerelésekre vonatkoznak, amelyek gyártása soha nem valósult meg, számomra rendkívül kérdésesnek tűnik. Azt hittem, hogy ez csak egy újabb pénzlehúzás, tele érthetetlen tudományos szavakkal, mint a már mindenkinek unalmas „nanotechnológiák”. A hazai tudósok MRI-vel és metamatériákkal kapcsolatos munkájának információkeresése egy cikkhez vezetett, amely egy egyszerű kísérlet leírását tartalmazta, amelyet könnyen meg tudtam volna ismételni, tekintettel arra, hogy az MRI készülék mindig kéznél volt.
Kép a -ról, amely a MRI-jel erősítéséről szól a „metamatéria” nevű anyag segítségével. A tipikus 1,5 Tesla klinikai berendezés helyett, a beteg helyére metamatériát helyeznek, amely egy vízzel teli medencéből áll, benne párhuzamos vezetékekkel, amelyek meghatározott hosszúságúak. A vezetékeken az a kutatási objektum fekszik — egy (nem élő) hal. A jobb oldali képek az MRI során a halról készült felvételeket mutatják, rajtuk egy színkép, amely a hidrogén atomok jelének intenzitását jelzi. Látható, hogy amikor a hal a vezetékeken fekszik, a jel sokkal jobb, mint nélküle. A szkennelés időtartama mindkét esetben azonos, ami bizonyítja a szkennelés hatékonyságának növekedését. A cikkben gondosan meg volt adva
a fórmula
a vezetékek hosszának kiszámítására a tomográf munkafrekvenciájától függően, amelyet én is felhasználtam. Az én metamatériám egy kémcsőből és rézvezetékekből készült, műanyag rögzítőkkel, amelyeket 3D nyomtatón készítettem:
Az első metamatériám. Közvetlenül a gyártás után bedugtam az 1 Tesla tomográfba. A narancs szolgált a szkennelési objektumként.
De a várt jelzősítés helyett tucatnyi artefaktumot kaptam, amelyek teljesen elrontották a képet! Az elégedetlenségem határtalan volt! Az alany elfogyasztása után írtam egy levelet a cikk szerzőinek, amelynek a lényege a kérdés volt: „Micsoda…?”
A szerzők viszonylag hamar válaszoltak nekem. Nagyon lenyűgözte őket, hogy valaki megpróbálja megismételni a kísérleteiket. Először hosszasan próbálták megmagyarázni, hogyan működnek a metamateriálok, használva a „Fresnel-rezonanciák”, „saját módusok” és különféle rádiófrekvenciás mezők kifejezéseket. Aztán, valószínűleg észrevéve, hogy egyáltalán nem értem, miről van szó, úgy döntöttek, hogy meghívnak magukhoz, hogy személyesen megnézhessem a fejlesztéseiket és megbizonyosodjak arról, hogy valóban működik. Bedobtam a hátizsákomba a kedvenc forrasztópáka és útnak indultam Szentpétervárra, a Nemzeti Kutatóegyetemre az Információs Technológiák, Mechanika és Optika területén (ahogy kiderült, nemcsak programozókat képeznek ott).
A helyszínen szívélyesen fogadtak, és hirtelen munkát ajánlottak, mivel lenyűgözte őket a vezetékes csövem, és szükségük volt egy emberre, aki újakat készít. Cserébe megígérték, hogy részletesen elmagyarázzák mindent, ami érdekel, és elvégezhetem a rádiófizikai és MRI tanfolyamot, amely éppen abban az évben indult, örömteli véletlen folytán. Tudásvágyam győzött, és ezután egy éven keresztül tanultam, projekteket készítettem és dolgoztam, fokozatosan egyre újabb és újabb dolgokat tudva meg a mágneses rezonancia történetéről, valamint a modern tudomány állapotáról ezen a területen, amit itt meg is osztok.
A javasolt MRI-fejlesztési módszer alapja, amely a fent említett tudományos cikkekben szerepel, a úgynevezett „metamateriálok”. A metamateriálok, akárcsak sok más felfedezés, váratlan megoldásoknak köszönhetően keletkeztek, amelyek elméleti kutatások alapján születtek. A szovjet tudós, Viktor Veszelago 1967-ben, egy elméleti modell kidolgozása során feltételezte a negatív törésmutatóval rendelkező anyagok létezését. Amint már kitalálták, az optikáról van szó, és ez a törésmutató, durván fogalmazva, azt jelenti, hogy mennyire változtatja meg az irányát a fény, amikor átmegy különböző közeg határán, például levegőből vízbe. Ezt könnyen meg lehet látni a gyakorlatban is:
Egy egyszerű kísérlet lézerpointerrel és akváriummal, amely a fénytörést demonstrálja.
Érdekes tény, amelyet egy ilyen kísérletből lehet levonni, hogy a fény nem tud ugyanabba az irányba hajlani, ahonnan a határra érkezett, bármennyire is próbálkozik a kísérletvezető. Ilyen kísérletet végeztek a természetben előforduló összes anyaggal, azonban a fény makacsul csak egy irányba hajlott. Matematikailag ez azt jelenti, hogy a törésmutató, akárcsak a rá vonatkozó mennyiségek, a dielektromos és mágneses permeabilitás pozitívak, és soha nem figyeltek meg másféle értéket. Legalábbis addig, amíg V. Veszelago úgy nem döntött, hogy tanulmányozza ezt a kérdést, és megmutatta, hogy elméletileg nincs egyetlen oka sem annak, hogy a törésmutató negatív ne lehessen.
Ez a Wikiből származó kép bemutatja a különbséget a pozitív és negatív törésmutatóval rendelkező közeg között. Amint látjuk, a fény viselkedése teljesen természetellenes, a megszokott tapasztalatainkhoz képest.
V. Veszelago hosszú ideig próbálta bizonyítékokat találni a negatív törésmutatóval rendelkező anyagok létezésére, azonban a kutatások nem hoztak sikert, és munkáját méltatlanul elfelejtették. Csak a következő század elején hoztak létre mesterségesen olyan kompozit struktúrákat, amelyek a leírt tulajdonságokat valósítják meg, de nem optikai, hanem alacsonyabb mikrohullámú frekvenciasávban. Ez volt a fordulópont, mivel a létezésük lehetősége új perspektívákat nyitott. Például — a , amelyek képesek akár a fény hullámhosszánál kisebb objektumok nagyítására is. Vagy — abszolút álcázó bevonatok, amelyeket minden katona álmodik. Komoly módosításokat végeztek a teórián, figyelembe véve az új adatokat. A siker kulcsa a rezonáns elemekből álló rendezett struktúrák — metaatomok — használatában rejlett, amelyek mérete sokkal kisebb, mint az általuk kölcsönhatásba lépő sugárzás hullámhossza. A metaatomokból álló rendezett struktúra egy mesterséges kompozit, amit metamateriálnak neveznek.
A metaanyagok gyakorlati megvalósítása még ma is technikailag bonyolult, mivel a rezonáló részecskék méretének összehasonlíthatónak kell lennie az elektromágneses sugárzás hullámhosszával. Az optikai tartományban (ahol a hullámhossz nanométeres) az ilyen technológiák a fejlődés határvonalán állnak. Ezért nem meglepő, hogy a metaanyagok koncepciójának első képviselőit viszonylag hosszabb elektromágneses hullámokra hozták létre, mint a rádióhullámok (amelyek ismertebb hosszúságúak, mm-től m-ig terjedően). A metaanyagok alapvető jellemzője, egyben hátránya is — az őket alkotó elemek rezonáns természetének következménye. A metaanyagok csodálatos tulajdonságai csak meghatározott frekvenciákon mutatkoznak meg.
Korlátozott frekvenciák.Tehát például amikor újra lát egy olyan szuper-hangzavarót, ami metaanyagok alapján működik, kérdezze meg, hogy valójában mely frekvenciatartományt nyomja el.
Tipikus példák a metaanyagokra, amelyek lehetővé teszik az elektromágneses hullámokkal való kölcsönhatást. Az vezetőkből készült struktúrák valójában kis rezonátorok, LC-körök, amelyeket a vezetők térbeli elhelyezkedése határoz meg.
Csak nemrégiben, hogy a metaanyagok koncepciója és első megvalósításai megjelentek, az emberek rájöttek, hogy használhatják őket az MRI-ben. A metaanyagok alapvető hátránya — a keskeny működési tartomány — nem jelent problémát az MRI számára, ahol minden folyamat gyakorlatilag egyetlen magresonancia frekvenciáján zajlik, amely a rádióhullámok tartományában található. Itt saját kezűleg készíthet metaatomokat, és azonnal láthatja, mi történik a képeken. Az egyik első újdonság, amelyet a kutatók megvalósítottak az MRI-ben a metaanyagok felhasználásával, a szuperlencse és az endoszkópok voltak.
A bal oldalon az a) betű alatt egy szuperlencse látható, amely háromdimenziós rezonátorhálóból áll nyomtatott áramkörökön. Minden rezonátor egy nyitott fémgyűrű, amelyhez kondenzátor van forrasztva, így LC-kör keletkezik, amely a MRI frekvenciájára van hangolva. Az alábbiakban látható a metamatériából készült szerkezet elhelyezése a beteg lábai között, aki tomográfiai eljáráson esik át, valamint a kapott képek. Ha korábban nem haboztál elolvasni az előző cikkemet az MRI-ről, már tudod, hogy a beteg testének egy adott részének a képe előállításához gyenge, gyorsan elhalványuló nukleáris jeleket kell gyűjteni, közeli antennák – tekercsek – segítségével.
A metamatériából készült szuperlencse lehetővé teszi a standard tekercs hatósugarának növelését. Például a beteg mindkét lábának egyidejű vizualizálását egyetlen képben. A rossz hírek viszont, hogy a szuperlencse helyzetét megfelelően kell beállítani a legjobb hatás érdekében, és magának a szuperlencsének az előállítása meglehetősen drága. Ha még nem értetted, miért hívják ezt a lencsét szupernek, nézd meg a fényképen látható méreteit, majd realizáld, hogy körülbelül öt méteres hullámhosszal működik!
A b) betű alatt az endoszkóp felépítése látható. Az MRI endoszkóp lényegében párhuzamos vezetékek tömbje, amely hullámvezetékként funkcionál. Lehetővé teszi a terület térbeli elkülönítését, ahonnan a tekercs jelét kapja, és magát a tekercset, egészen egy meglehetősen távolságra – akár az érzékelő antenna is elhelyezkedhet a tomográf kriosztátusán kívül, távol a statikus mágneses mezőtől. Az alsó képeken a b) betű alatt speciális folyadékkal töltött tartály – fantom – által kapott felvételek láthatók. A különbség abban rejlik, hogy az „endoszkóp” felirattal ellátott képeket akkor készítették, amikor a tekercs lényegesen távolabb volt a fantomtól, ahol az endoszkóp nélkül a nukleáris jelek teljesen észlelhetetlenek lettek volna.
Ha arról beszélünk, hogy a metamatériák legígéretesebb alkalmazási területei közé tartozik az MRI, amely a legközelebb áll a gyakorlati megvalósításhoz (amelyben végül részt vettem) – ez a vezeték nélküli tekercsek létrehozása. Érdemes tisztázni, hogy itt nem Bluetooth-ra vagy más vezeték nélküli adatátviteli technológiára gondolunk. A "vezeték nélküli" ebben az esetben két rezonáns struktúra – egy adó-vevő antennával és egy metamatériával való induktív vagy kapacitív kapcsolatot jelent. A koncepció így néz ki:
Balra látható, ahogyan általában zajlik az MRI eljárás: a páciens fekve helyezkedik el a kriosztatban az homogén statikus mágneses mező zónájában. A tomográf alagútjában egy nagy antennát szereltek be, amelyet "madárkalitka" néven neveznek. Az ilyen konfigurációval rendelkező antenna lehetővé teszi a rádiófrekvenciás mágneses mező vektorának forgatását a hidrogénatomok precessziós frekvenciájával (a klinikai gépek esetében ez általában 40-120 MHz között mozog a statikus mágneses mező 1T és 3T közötti nagyságától függően), ami miatt az energiát elnyelik, majd válaszként kisugározzák. A magok által kibocsátott válaszkész jel rendkívül gyenge, és mire eljut a nagy antenna vezetőihez, elkerülhetetlenül gyengülni fog. Ezért az MRI során a jelek vételére közeli lokális tekercseket használnak. A középső képen például látható, hogy a térd vizsgálata tipikus helyzete. Metamatériumok segítségével rezonátort lehet létrehozni, amely induktív kapcsolatban áll a madárkalitkával. Elég egy ilyen dolgot a páciens testéhez szükséges terület közelébe helyezni, és a jel onnan nem lesz gyengébb, mint a lokális tekercs! Ha a koncepció megvalósítása sikeres lesz, a pácienseknek többet nem kell zavarosan bogozniuk a vezetékeket, és az MRI diagnosztikai eljárás kényelmesebbé válik.
Pontosan egy ilyen dolgot próbáltam létrehozni az elején, amikor a vezetékeket vízbe merítettem és megpróbáltam narancsot letapogatni. A vízbe merített vezetékek az első képen – nem mások, mint a metaatomok, amelyek mindegyike félhullámú dipólként működik – az antennák egyik legismertebb konstrukciója, amely minden rádióamatőr számára ismerős.
A vizet nem azért merítik alá, hogy ne gyulladjanak meg az MRI-ben (bár ez is egy szempont), hanem hogy a víz magas dielektromos permeabilitása révén csökkentse a rezonációs hosszúságukat, pontosan a víz dielektromos permeabilitásának négyzetgyökének megfelelően.
Ezt a trükköt már régóta alkalmazzák rádióvevőkben, huzalt tekerve egy ferrit darabra - a híres ferrit antenna. Csak a ferrit magas mágneses permeabilitással bír, nem dielektromossal, ami azonban hasonlóan működik, és lehetővé teszi a antenna rezonance méreteinek csökkentését. Az MRI-nél sajnos a ferritet nem lehet használni, mivel mágneses. A víz olcsó és elérhető alternatíva.
Nyilvánvaló, hogy minden ilyen dolog kiszámításához bonyolult matematikai modelleket kell építeni, figyelembe véve a rezonáló elemek, a közeg paraméterei és a sugárforrások közötti összefüggéseket... vagy pedig hasznosítani lehet a fejlődés gyümölcseit és a numerikus elektromágneses modellezés szoftvereit, amelyekkel még egy iskolás is könnyedén boldogul (kiemelt példák - CST, HFSS). A szoftver lehetővé teszi 3D modellek létrehozását rezonátorokból, antennákból, elektromos áramkörökből, emberek hozzáadását - lényegében bármi mást, a kérdés csupán a fantázia és a rendelkezésre álló számítási kapacitás. Az elkészült modellek hálózatokra bomlanak, ahol a Maxwell egyenletek ismert megoldásaikat keresik.
Például itt van a rádiófrekvenciás mágneses tér modellezése az előbb említett madárketrec típusú antennában:
Azonnal világossá válik, hogyan forog a tér. Bal oldalon látható a helyzet, amikor a vízzel töltött doboz az antennában van, míg jobbra - amikor ugyanaz a doboz a vezetékes rezonátor felett található. Látható, hogy a mágneses tér jelentősen megerősödik a vezetékeknek köszönhetően. A CST elsajátítása és a konstrukcióm optimalizálása után újra létrehoztam egy metamateriált, amely valóban lehetővé tette a jel erősítését egy standard klinikai 1.5T MRI tomográfban. Ez is egy dobozból állt (bár szebben, akrilból), vízzel és egy vezetékcsoporttal töltve. Ezúttal a struktúrát a rezonáló feltételek szempontjából optimalizálták, nevezetesen: a vezetékek hosszának, elhelyezkedésének és a víz mennyiségének meghatározása. Íme, mi lett a paradicsommá:
Az első tomátot egy nagy antennára történő szkennelés végezte. Végül csak zajt kaptam, alig kivehető körvonalakkal. Második alkalommal a gyümölcsöt egy frissen sütött rezonáns konstrukcióra helyeztem. Nem készítettem színes térképeket vagy hasonlót, mivel a hatás nyilvánvaló. Ezzel a tapasztalatommal, még ha rengeteg időt is pazaroltam, bebizonyítottam, hogy a koncepció működik.
Nyilvánvaló, hogy mire gondol – narancsok, paradicsomok – ez mind nem az, ahol az emberi kísérletek vannak?
Valóban megtörténtek :
Az önkéntes karja, amelyik az MRI-n fekszik, a régi dobozon fekszik. Valójában a dobozban lévő víz, mivel hidrogént tartalmaz, szintén jól látható. A jel erősítése a csukló területén történik, amely a rezonátor fölött fekszik, míg a test többi része rosszul látható. Nyilvánvaló, hogy ugyanazt a hatást, vagy akár jobbat is elérhetünk standard klinikai tekercsek használatával. De az a tény, hogy ilyen dolgokat lehet csinálni, egyszerűen azzal, hogy a vizet és a vezetéket térben kombináljuk és megfelelően összekapcsoljuk őket, lenyűgöző. Még hihetetlenebb, hogy a tudás ezenről úgy szerezhető, hogy látszólag összefüggéstelen jelenségeket, mint a fényről való törés, tanulmányozzuk.
Azok számára, akik még nem fáradtak elJelenleg a vízzel teli doboz konstrukcióját már továbbfejlesztették. Most már csak egy lapos nyomtatott áramkör, amely lehetővé teszi, hogy a nagy külső antenna mágneses terét a közelében lokalizáljuk. Ráadásul a munkaterülete nagyobb, mint a korábbi konstrukcióé:
A színes szalagok a mágneses tér intenzitását mutatják a szerkezet felett, amikor egy külső elektromágneses hullámforrástól aktiválják. A lapos szerkezet egy tipikus jelátviteli vonal, amely a rádiótechnikában ismert, azonban egyben MÁR-ként is tekinthető. Ez a „vezetéknélküli tekercs” már versenyképes lehet a standard tekercsekkel a létrehozott mező egyenletességében a vizsgált objektum egy bizonyos mélységén:
Az animáció rétegenként mutatja a vízben lévő doboz jelének színképét az MPT során. A szín a hidrogénmagok jeleinek intenzitását jelöli. A bal felső sarokban az érzékelőként egy standard tekercs szegmense szolgál a hátsó szkenneléshez. A bal alsó sarok - amikor a doboz egy nyomtatott áramkör formájú rezgőn áll. A jobb alsó sarokban egy nagy antenna veszi a jelet, amely be van építve a tomográf alagjába. Összehasonlítottam a jel homogénitását a téglalappal körülvett zónában. Egy bizonyos magasságban a metamateriálok jobban teljesítenek a jel homogénitása terén, mint a tekercsek. Klinikai feladatokhoz ez lehet, hogy nem jelentős eredmény, de amikor tudományos MPT installációkról van szó, ahol patkányokat szkennelnek, ez segíthet a jel növelésében és a szükséges gerjesztő rádióimpulzusok teljesítményének csökkentésében.
A cikk eleji „két és félszer javulást” természetesen a tudósok iránti újságírói szerelmes szüleménye, azonban azt sem lehet mondani, hogy ezek üres kutatások, amit a világ minden táján működő tudományos csoportok érdeklődése is alátámaszt. Meglepő, de itthon Oroszországban is folynak kutatások, bár a saját tapasztalatom alapján ez inkább ritka kivétel. Még sok megoldásra váró probléma van a metamateriálok MPT alkalmazásával kapcsolatban. A jó kép készítéséhez a mágneses mezők lokális kezelésén kívül nem szabad megfeledkezni az elektromos mezőkről sem, amelyek szövetek felmelegedéséhez vezetnek, valamint a betegek szöveteinek (akik vizsgálaton vesznek részt) rádiófrekvenciás mező által történő energiaelnyeléséről. Ezekkel a dolgokkal, klinikai használat során, külön ellenőrzés szükséges, amely jelentősen bonyolultabb, ha lokális mezőket alkalmazó rezgőket használnak. Jelenleg a metamateriálok MPT számára a tudományos kutatások keretein belül maradnak, de az elért eredmények már nagyon érdekesek, és lehet, hogy a jövőben az MPT eljárás köszönhetően javulni fog, gyorsabbá és biztonságosabbá válva.
Forrás: habr.com
