Egy csavarhúzó füttyentett el a fülem mellett. Hangos csengetéssel ráfagyott a kriosztát testére. Magamban káromkodva úgy döntöttem, tartok egy kis szünetet. A csavarok kicsavarása 1.5 tesla mágneses térben, egy acélszerszám segítségével, jó ötlet. A mező láthatatlan ellenségként folyamatosan igyekszik kiragadni a kezéből a szerszámot, az erővonalai mentén orientálni és a lehető legközelebb irányítani a szupravezetőből ördögi körben futó elektronokhoz. Ha azonban nagyon szükséges legyőzni a sok évvel ezelőtti savanyú vegyületeket, akkor nincs sok választás. Leültem a számítógéphez, és rendesen végiglapoztam a hírfolyamot. "Az orosz tudósok kétszer javították az MRI-t!" olvasd el a gyanús főcímet.
Körülbelül egy éve mi és megértette munkája lényegét. Erősen ajánlom, hogy mielőtt elolvasná ezt a cikket, frissítse fel az adott anyag emlékezetét.
Különféle okok miatt, beleértve a történelmi okokat is, Oroszországban ma olyan összetett berendezések gyártása, mint a nagymezős mágneses rezonancia tomográf. Ha azonban többé-kevésbé nagyvárosban él, könnyen találhat olyan klinikákat, amelyek ilyen jellegű szolgáltatást nyújtanak. Ugyanakkor az MRI szkennerek flottáját gyakran az USA-ból és Európából importált használt berendezések képviselik, és ha hirtelen egy MRI-klinikára kell mennie, ne tévesszen meg a készülék gyönyörű megjelenése - lehet, hogy hát a második évtizedben jár. Emiatt az ilyen berendezések időnként meghibásodnak, és sokáig azok közé tartoztam, akik az elromlott tomográfokat visszavitték szervizbe, hogy a betegek továbbra is diagnosztikát végezhessenek, a tulajdonosok pedig profitot termeljenek.
Egészen az egyik legszebb napon, a hatalmas mágneses mezőkkel teli, veszélyes szórakozás közötti szünetben egy érdekes feliratra bukkantam a hírfolyamban: „Orosz tudósok holland kollégákkal együtt metaanyagok segítségével. Mondanom sem kell, hogy nagyon-nagyon ellentmondásosnak tűnt számomra az a tény, hogy Oroszország kutatásokat végez olyan berendezésekkel kapcsolatban, amelyek gyártását soha nem sajátították el. Úgy döntöttem, hogy ez csak egy újabb támogatási ital, felhígítva olyan érthetetlen tudományos hívószavakkal, mint a „nanotechnológia”, amely már mindenkitől beteg. Az orosz tudósok MRI-vel és metaanyagokkal végzett munkájára vonatkozó információk keresése egy cikkhez vezetett, amely egy egyszerű kísérlet leírását tartalmazza, amelyet könnyen megismételhetnék, mivel az MRI-készülék mindig kéznél van.
Kép innen az MRI jel erősítésére szolgál az úgynevezett "metaanyag" segítségével. A páciens helyett egy metaanyagot töltenek be egy tipikus klinikai 1.5 - Tesla készülékbe, vízmedence formájában, amelyben bizonyos hosszúságú párhuzamos vezetékek vannak. A vezetékeken fekszik a vizsgálat tárgya - hal (nem élő). A jobb oldali képek egy halról készült MRI-felvételek, amelyeken a hidrogénatommagokból érkező jel intenzitását jelző színes térkép borítja. Látható, hogy amikor a hal a vezetékeken fekszik, sokkal jobb a jel, mint anélkül. A szkennelési idő mindkét esetben azonos, ami a szkennelés hatékonyságának növekedését bizonyítja. A cikk is gondosan idézett
képlet
hogy kiszámolja a vezetékek hosszát az általam használt szkenner működési frekvenciájától függően. A metaanyagomat egy cellából és egy sor rézhuzalból készítettem, 3D-s nyomtatott műanyag rögzítőkkel:
Az első metaanyagom. Közvetlenül a gyártás után egy 1-Tesla tomográfba helyezték. A narancs szkennelési tárgyként működött.
Viszont a beígért jelerősítés helyett kaptam egy rakás műtárgyat, ami teljesen elrontja a képet! A felháborodásom nem ismert határt! Miután befejeztem a témát, levelet írtam a cikk szerzőinek, amelynek jelentése a „Mi ...?” kérdésre redukálható.
A szerzők elég gyorsan válaszoltak nekem. Nagyon lenyűgözte őket, hogy valaki megpróbálta megismételni a kísérleteiket. Eleinte sokáig próbálták elmagyarázni nekem, hogyan is működnek a metaanyagok, a kötetben a „Fabry-Perot rezonanciák”, „sajátmódok” és mindenféle rádiófrekvenciás mező kifejezésekkel. Aztán nyilvánvalóan ráébredve, hogy egyáltalán nem értem, miről van szó, úgy döntöttek, meghívnak hozzájuk, hogy élőben is megnézhessem a fejleményeket, és megbizonyosodjak a működéséről. A kedvenc forrasztópákámat a hátizsákomba dobtam, és elmentem Szentpétervárra, a Nemzeti Információtechnológiai, Mechanikai és Optikai Kutatóegyetemre (mint kiderült, ott nem csak programozókat tanítanak).
Szeretettel fogadtak a helyszínen, és hirtelen állást kínáltak, mivel lenyűgözte őket a vezetékes cellám, és kellett egy ember, aki újakat hoz létre. Cserébe megígérték, hogy részletesen elmagyaráznak mindent, ami érdekel, és elvégzek egy sugárfizikai és MR tanfolyamot, ami még abban az évben szerencsés véletlenül indult. Győzött a tudásszomjam, majd az év során tanultam, projekteztem és dolgoztam, fokozatosan egyre több új dolgot tanulva a mágneses rezonancia történetéről, valamint a modern tudomány állásáról ezen a területen, amit meg is fogok tenni. oszd meg itt.
Az MRI javasolt fejlesztésének és az említett tudományos cikkekben vizsgált módszere az ún. "metaanyagokon" alapul. A metaanyagok, mint sok más felfedezés, az elméleti kutatások alapján kapott váratlan megoldásoknak köszönhetik megjelenésüket. A szovjet tudós, Victor Veselago 1967-ben, miközben egy elméleti modellen dolgozott, negatív törésmutatójú anyagok létezését javasolta. Amint már megértette, optikáról beszélünk, és ennek az együtthatónak az értéke durván szólva azt jelenti, hogy a fény mennyiben változtatja meg irányát, amikor áthalad a különböző közegek, például a levegő és a víz határán. Könnyen beláthatja, hogy ez valóban így van:
Egy egyszerű kísérlet egy lézermutatóval és egy akváriummal, amely a fénytörést mutatja.
Érdekes tény, amit egy ilyen kísérletből meg lehet tanulni, hogy a sugár nem törhető meg ugyanabba az irányba, ahonnan a határfelületre esett, bármennyire is próbálkozik a kísérletező. Egy ilyen kísérletet minden természetben előforduló anyaggal elvégeztek, de a nyaláb csak egy irányba tört meg makacsul. Matematikailag ez azt jelenti, hogy a törésmutató, valamint összetevői, a dielektromos és mágneses permeabilitás pozitív, és semmi mást nem figyeltek meg. Legalábbis addig, amíg V. Veselago úgy döntött, hogy tanulmányozza ezt a kérdést, és bebizonyította, hogy elméletileg nincs egyetlen oka annak, hogy a törésmutató nem lehet negatív.
Wiki kép, amely a pozitív és negatív törésmutatójú média közötti különbséget mutatja. Amint látjuk, a fény a mindennapi tapasztalatainkhoz képest teljesen természetellenesen viselkedik.
V. Veselago sokáig próbált bizonyítékot találni negatív törésmutatójú anyagok létezésére, de a keresés nem járt sikerrel, munkája méltatlanul feledésbe merült. Csak a következő évszázad elején hoztak létre mesterségesen a leírt tulajdonságokat megvalósító kompozit szerkezeteket, de nem az optikai, hanem az alsó mikrohullámú frekvencia tartományban. Ez fordulópont volt, hiszen már az ilyen anyagok létezésének lehetősége is új távlatokat nyitott meg. Például létrehozni , amely képes a fény hullámhosszánál is kisebb tárgyak nagyítására. Vagy - abszolút álcázó-láthatatlan bevonatok, az összes katonaság álma. Az új adatok figyelembevételével komoly módosításokat végeztek az elméleten. A siker kulcsa a rezonáns elemek - metaatomok - rendezett szerkezeteinek használata volt, amelyek mérete sokkal kisebb, mint annak a sugárzásnak a hullámhossza, amellyel kölcsönhatásba lépnek. A metaatomok rendezett szerkezete egy mesterséges kompozit, amelyet metaanyagnak neveznek.
A metaanyagok gyakorlati megvalósítása technológiailag ma is nehézkes, hiszen a rezonáns részecskék méretének kisebbnek kell lennie, mint az elektromágneses sugárzás hullámhossza. Az optikai tartományban (ahol a hullámhossz nanométer) az ilyen technológiák a fejlődés élvonalában állnak. Ezért nem meglepő, hogy a metaanyagok fogalmának első képviselőit a rádió hatótávolságából származó, viszonylag hosszabb elektromágneses hullámokra hozták létre (amelyek hosszúsága ismertebb mm-től m-ig). Minden metaanyag fő jellemzője és egyben hátránya az alkotóelemeinek rezonáns jellegéből adódik. Egy metaanyag csak bizonyos frekvenciákon képes megmutatni csodálatos tulajdonságait.
korlátozott frekvenciák.Ezért például, amikor ismét valami olyan szuperhangzavart lát, mint a metaanyagok alapján, kérdezze meg, melyik frekvenciatartományban akad el valójában.
Tipikus példák az elektromágneses hullámokkal való kölcsönhatást lehetővé tevő metaanyagokra. A vezetők szerkezetei nem mások, mint kis rezonátorok, LC áramkörök, amelyeket a vezetők térbeli helyzete alakít ki.
Kis idő telt el azóta, hogy megjelent a metaanyagok fogalma, és első megvalósításaik, hogyan sejtették az emberek az MRI-ben való felhasználásukat. A metaanyagok fő hátránya, hogy a szűk működési tartomány nem jelent problémát az MRI-nél, ahol minden folyamat közel azonos magmágneses rezonancia frekvencián megy végbe, ami a rádiótartományban található. Itt saját kezűleg létrehozhat metaatomokat, és azonnal láthatja, mi történik a képeken. Az egyik első olyan funkció, amelyet a kutatók a metaanyagokat használó MRI-ben megvalósítottak, a szuperlencse és az endoszkópok voltak.
A bal oldalon az a) betű alatt egy szuperlencse látható, amely nyomtatott áramköri lapokon rezonátorok háromdimenziós tömbjéből áll. Mindegyik rezonátor egy nyitott fémgyűrű, egy forrasztott kondenzátorral, amely az MRI frekvenciára hangolt LC áramkört alkot. Az alábbiakban egy példa látható arra, hogy ezt a szerkezetet metaanyagból a tomográfiás eljáráson átesett beteg lábai közé helyezzük, és ennek megfelelően a kép után kapjuk. Ha korábban nem vetette meg azt a tanácsot, hogy olvassa el legutóbbi cikkemet az MRI-ről, akkor már tudja, hogy ahhoz, hogy képet kapjon a páciens testéről, gyenge, gyorsan bomló nukleáris jeleket kell gyűjtenie egy szorosan elhelyezett antenna - tekercs.
A metaanyagból készült szuperlencse nagyobb lefedettségi területet tesz lehetővé a szabványos tekercsen. Például egyszerre jelenítse meg a páciens mindkét lábát egy helyett. A rossz hír az, hogy a szuperlencse pozícióját bizonyos módon meg kell választani a hatás legjobb megnyilvánulásához, és maga a szuperlencse előállítása meglehetősen költséges. Ha még mindig nem érti, miért hívják ezt az objektívet a szuper előtaggal, akkor becsülje meg a méretét a fénykép alapján, és vegye észre, hogy körülbelül öt méteres hullámhosszal működik!
A b) betű alatt az endoszkóp kialakítását mutatjuk be. Lényegében az MRI endoszkóp párhuzamos vezetékekből álló tömb, amely hullámvezetőként működik. Lehetővé teszi, hogy megfelelő távolságban elválasztja azt a régiót, ahonnan a tekercs jelet kap az atommagoktól és magától a tekercstől - egészen addig a pontig, hogy a vevőantenna teljesen a tomográf kriosztátján kívül, az állandótól távol helyezkedjen el. mágneses mező. A b) fül alsó képein egy speciális folyadékkal töltött edény - egy fantom - képei láthatók. A különbség köztük az, hogy az "endoszkóp" feliratú képeket akkor kaptuk, amikor a tekercs megfelelő távolságra volt a fantomtól, ahol endoszkóp nélkül a magokból érkező jeleket teljesen lehetetlen lenne észlelni.
Ha már a metaanyagok MRI-ben való alkalmazásának egyik legígéretesebb területéről beszélünk, és a gyakorlati megvalósításához legközelebb áll (amibe a végén belekeveredtem), a vezeték nélküli tekercsek létrehozása. Érdemes tisztázni, hogy itt egyáltalán nem a Bluetoothról vagy más vezeték nélküli adatátviteli technológiáról van szó. A "vezeték nélküli" ebben az esetben két rezonáns struktúra - egy adó-vevő antenna, valamint egy metaanyag - induktív vagy kapacitív csatolásának jelenlétét jelenti. Koncepcióban így néz ki:
A bal oldalon egy tipikus MRI-eljárás látható: a páciens a kriosztát belsejében fekszik egy egyenletes statikus mágneses tér zónájában. A szkenner alagútjába egy nagy antenna, az úgynevezett „madárkalitka” van felszerelve. Az ilyen konfigurációjú antenna lehetővé teszi a rádiófrekvenciás mágneses tér vektorának elforgatását a hidrogénatommagok precessziójának frekvenciájával (klinikai gépeknél ez általában 40 és 120 MHz között van, a statikus mágneses tér nagyságától függően 1T-től 3T-ig), így ezek energiát nyelnek el, majd válaszul kisugároznak. Az atommagokból érkező válaszjel nagyon gyenge, és amíg el nem éri egy nagy antenna vezetőit, elkerülhetetlenül elhalványul. Emiatt az MRI szorosan elhelyezett helyi tekercseket használ a jelek fogadására. A középső kép például egy tipikus térdvizsgálati helyzetet mutat. A metaanyagok felhasználásával rezonátort készíthet, amely induktív módon kapcsolódik egy madárketrechez. Elég, ha egy ilyet a páciens kívánt testrészéhez közel helyezünk el, és az onnan érkező jel nem lesz rosszabb, mint egy helyi tekercsnél! A koncepció sikeres megvalósítása esetén a betegeknek nem kell többé vezetékekbe gabalyodniuk, és kényelmesebbé válik az MRI diagnosztikai eljárás.
Pontosan ezt a fajta dolgot próbáltam létrehozni az elején, elárasztottam a vezetékeket vízzel, és megpróbáltam beolvasni egy narancsot. A cikk első képétől a vízbe merült vezetékek nem más, mint metaatomok, amelyek mindegyike félhullámú dipólus - az egyik leghíresebb antennakialakítás, amelyet minden rádióamatőr ismer.
Nem azért merítik vízbe, hogy MRI-nél ne gyulladjanak meg (bár erre is), hanem azért, hogy rezonanciahosszukat pontosan a víz dielektromos állandójának négyzetgyökével csökkentsék a víz nagy dielektromos állandója miatt. .
Ezt a chipet régóta használják a rádiókban, egy ferritdarab köré tekerve a vezetéket - az ún. ferrit antenna. Csak a ferritnek van nagy mágneses permeabilitása, és nem dielektromosnak, ami azonban ugyanúgy működik, és lehetővé teszi az antenna rezonanciaméreteinek megfelelő csökkentését. Sajnos ferritet nem lehet MRI-be tenni, mert ez mágneses. A víz olcsó és megfizethető alternatíva.
Nyilvánvaló, hogy mindezen dolgok kiszámításához a legbonyolultabb matematikai modelleket kell felépíteni, amelyek figyelembe veszik a rezonáns elemek, a környezeti paraméterek és a sugárforrások közötti kapcsolatot ... vagy használhatjuk a haladás és a szoftver gyümölcseit. numerikus elektromágneses modellezéshez, amelyet még egy iskolás fiú is könnyen megért (a legfényesebb példák - CST, HFSS). A szoftver lehetővé teszi rezonátorok, antennák, elektromos áramkörök 3D-s modelljének létrehozását, emberek hozzáadását - igen, valójában bármit, a kérdés csak a fantázia és a rendelkezésre álló számítási teljesítmény. A megszerkesztett modelleket rácsokra bontjuk, melyek csomópontjaiban az ismert Maxwell-egyenletek megoldása történik.
Itt van például az RF mágneses mező szimulációja a korábban említett madárkalitka-antennán belül:
Azonnal teljesen világossá válik, hogyan forog a mező. A bal oldalon az a helyzet látható, amikor az antenna belsejében egy doboz van vízzel, a jobb oldalon pedig, amikor ugyanaz a doboz rezonáns hosszúságú vezetékekből készült rezonátoron van. Látható, hogy a mágneses teret nagymértékben fokozzák a vezetékek. A CST elsajátítása és az ottani tervezés optimalizálása után ismét készítettem egy metaanyagot, amely valóban lehetővé tette a jel erősítését egy standard klinikai 1.5T MRI tomográfban. Még mindig egy doboz volt (bár szebb, plexiből), tele vízzel és egy sor vezetékkel. Ezúttal a rezonanciaviszonyok, nevezetesen a vezetékek hosszának, helyzetének, valamint a víz mennyiségének megválasztása szempontjából optimalizálták a szerkezetet. Íme, mi történt a paradicsommal:
A paradicsom első szkennelését egy nagy antennán végezték el. Az eredmény csak zaj volt, alig látható körvonalakkal. Másodszor egy frissen sült rezonáns szerkezetre helyeztem a magzatot. Nem készítettem színes térképeket, vagy ilyesmit, mert a hatás nyilvánvaló. Így tapasztalataim szerint, bár sok időt töltöttem, bebizonyítottam, hogy a koncepció működik.
Egyértelmű, hogy mire gondol - narancs, paradicsom - ez nem minden, hol vannak az embereken végzett tesztek?
Tényleg azok voltak :
Egy MRI-n átesett önkéntes keze ugyanazon a dobozon fekszik. Maga a víz is jól látható a dobozban, mivel hidrogént tartalmaz. A jel erősítése a csukló területén történik, a rezonátoron fekve, míg a test többi része rosszul látható. Nyilvánvaló, hogy ugyanazt a hatást, és talán jobbat is el lehet érni standard klinikai tekercsekkel. De maga a tény, hogy megtehet ilyen dolgokat, egyszerűen a víz és a vezetékek térbeli kombinálásával, megfelelő módon kombinálva, elképesztő. Még elképesztőbb, hogy az ezzel kapcsolatos ismereteket a látszólag egymással nem összefüggő jelenségek, például a fénytörés tanulmányozásával lehet megszerezni.
Azoknak, akik még nem fáradtak elJelenleg a vizesdoboz kialakítását már javították. Most már csak egy lapos nyomtatott áramköri lapról van szó, amely lehetővé teszi egy külső nagy antenna mágneses mezőjének lokalizálását a közelben. Ezenkívül a munkaterülete nagyobb, mint az előző kialakításé:
A színes szalagok a szerkezet feletti mágneses tér erősségét mutatják, ha külső elektromágneses hullámforrásból gerjesztik. A lapos szerkezet a rádiótechnikában ismert tipikus távvezeték, ugyanakkor az MRI meteorológiai anyagának is tekinthető. Ez a „vezeték nélküli tekercs” már versenyezhet a szabványos tekercsekkel a generált mező egyenletessége tekintetében a szkennelt objektum bizonyos mélységében:
Az animáció a jel rétegenkénti színtérképét mutatja az MRI vízdobozban. A szín a hidrogénatommagokból érkező jelek intenzitását jelzi. A bal felső sarokban egy szabványos tekercs szegmense a hátlap letapogatására szolgál vevőként. A bal alsó sarok az, amikor a doboz a rezonátoron van nyomtatott áramköri lap formájában. Jobbra lent - a jelet a tomográf alagútba épített nagy antenna veszi. Összehasonlítottam a jel egyenletességét a téglalap által bekerített területen. Bizonyos magasságban a metaanyag jobban teljesít, mint a tekercs a jel egyenletessége szempontjából. Klinikai szempontból ez nem túl fontos eredmény, de ha a tudományos MRI-létesítményekről van szó, ahol patkányokat szkennelnek, ez elősegítheti a jelerősítést és csökkentheti a serkentő rádióimpulzusok szükséges erejét.
Körülbelül „kétszer javítva” a cikk elején - természetesen ez az újságírók tudósok iránti viszonzatlan szeretetének egy újabb gyümölcse, de az is helytelen azt állítani, hogy ezek üres tanulmányok, amit megerősít az érdeklődés ezt a témát tudományos csoportokban világszerte. Meglepő módon itt, Oroszországban is folynak munkák, bár tisztán személyes tapasztalataim alapján ez meglehetősen ritka kivétel. Még mindig sok megoldatlan probléma van a metaanyagok MRI-ben történő használatával kapcsolatban. A jó kép elérése érdekében a mágneses mezők lokalizálása mellett ne feledkezzünk meg az elektromos mezőkről sem, amelyek a szövetek felmelegedéséhez vezetnek, valamint a rádiófrekvenciás mező energiájának vizsgálata alatt álló betegek szöveteinek felszívódását. Ezekhez a dolgokhoz a klinikai használatban szükség van egy speciális vezérlésre, ami a térlokalizációs rezonátorok használatakor nagyon bonyolult. Eddig az MRI metaanyagai a tudományos kutatás keretein belül maradtak, de a kapott eredmények már most nagyon érdekesek, és lehetséges, hogy a jövőben az MRI-eljárás nekik köszönhetően jobbra fog változni, gyorsabbá és biztonságosabbá válik.
Forrás: will.com