Obeng bersiul melewati telingaku. Dengan suara dering yang keras, dia membeku di badan cryostat. Sambil mengutuk diriku sendiri, aku memutuskan untuk istirahat. Melepas baut dalam medan magnet 1.5 Tesla menggunakan perkakas baja bukanlah ide yang baik. Medan, seperti musuh yang tidak terlihat, terus-menerus mencoba merebut instrumen dari tangan, mengarahkannya sepanjang garis gaya dan mengarahkannya sedekat mungkin ke elektron yang berjalan dalam lingkaran tertutup dari superkonduktor. Namun, jika Anda benar-benar ingin mengalahkan senyawa yang diasamkan sejak bertahun-tahun yang lalu, tidak ada banyak pilihan. Saya duduk di depan komputer dan biasa menelusuri feed berita. “Ilmuwan Rusia telah meningkatkan MRI sebanyak 2 kali lipat!” - baca judul yang mencurigakan.
Sekitar setahun yang lalu, kami dan memahami esensi karyanya. Saya sangat menyarankan Anda menyegarkan ingatan Anda tentang materi tersebut sebelum membaca artikel ini.
Karena berbagai alasan, termasuk alasan sejarah, di Rusia saat ini produksi peralatan kompleks seperti pemindai pencitraan resonansi magnetik medan tinggi. Namun, jika Anda tinggal di kota besar, Anda bisa dengan mudah menemukan klinik yang menyediakan layanan jenis ini. Pada saat yang sama, armada pemindai MRI sering kali diwakili oleh peralatan bekas yang pernah diimpor dari AS dan Eropa, dan jika Anda tiba-tiba harus mengunjungi klinik yang memiliki MRI, jangan terkecoh dengan tampilan cantik perangkat tersebut - mungkin saja ini sudah memasuki dekade kedua. Akibatnya, peralatan seperti itu terkadang rusak, dan untuk waktu yang lama saya adalah salah satu dari orang-orang yang mengembalikan tomografi yang rusak ke layanan, sehingga pasien dapat terus menjalani diagnosa, dan pemiliknya dapat memperoleh keuntungan.
Hingga suatu hari, saat jeda antara hiburan berbahaya dan medan magnet yang sangat besar, saya menemukan tulisan menarik di feed berita: “Ilmuwan Rusia bersama rekan-rekan Belanda menggunakan metamaterial." Tak perlu dikatakan lagi, fakta bahwa Rusia sedang melakukan penelitian terhadap peralatan, yang produksinya belum pernah dikuasai, bagi saya tampak sangat, sangat kontroversial. Saya memutuskan bahwa ini hanyalah putaran hibah lainnya, yang diencerkan dengan kata-kata ilmiah yang tidak dapat dipahami seperti “nanoteknologi” yang sudah membuat semua orang muak. Pencarian informasi tentang topik karya ilmuwan dalam negeri dengan MRI dan metamaterial membawa saya ke sebuah artikel yang berisi deskripsi eksperimen sederhana yang dapat saya ulangi dengan mudah, karena mesin MRI selalu tersedia.
Gambar dari , didedikasikan untuk meningkatkan sinyal MRI menggunakan apa yang disebut "metamaterial". Dalam peralatan klinis 1.5 - Termal yang khas, alih-alih pasien, metamaterial dimuat, dalam bentuk baskom berisi air, di dalamnya terdapat kabel paralel dengan panjang tertentu. Di kabel terletak objek penelitian - seekor ikan (tidak hidup). Gambar di sebelah kanan adalah gambar MRI ikan, dengan peta warna yang menunjukkan intensitas sinyal inti hidrogen. Terlihat bahwa ketika ikan berbaring di atas kabel, sinyalnya jauh lebih baik daripada tanpa kabel. Waktu pemindaian sama pada kedua kasus, yang membuktikan bahwa efisiensi pemindaian meningkat. Artikel itu juga disertakan dengan cermat
formula
untuk menghitung panjang kabel tergantung pada frekuensi operasi tomografi yang saya gunakan. Saya membuat metamaterial saya dari kuvet dan rangkaian kabel tembaga, dilengkapi dengan pengencang plastik cetak 3D:
Metamaterial pertamaku. Segera setelah produksi, itu dimasukkan ke dalam tomografi 1 Tesla. Jeruk bertindak sebagai objek yang akan dipindai.
Namun, alih-alih peningkatan sinyal yang dijanjikan, saya menerima banyak artefak yang benar-benar merusak gambar! Kemarahan saya tidak mengenal batas! Setelah menyelesaikan pokok bahasannya, saya menulis surat kepada penulis artikel tersebut, yang maknanya dapat direduksi menjadi pertanyaan “Apa…?”
Penulis merespons saya dengan cukup cepat. Mereka cukup terkesan karena ada seseorang yang mencoba meniru eksperimen mereka. Pada awalnya mereka mencoba lama untuk menjelaskan kepada saya bagaimana sebenarnya metamaterial bekerja, menggunakan istilah "resonansi Fabry-Perot", "mode intrinsik", dan segala macam bidang frekuensi radio dalam volume. Kemudian, karena menyadari bahwa saya sama sekali tidak mengerti apa yang mereka bicarakan, mereka memutuskan untuk mengundang saya mengunjungi mereka sehingga saya dapat melihat perkembangan mereka secara langsung dan memastikan bahwa hal tersebut masih berfungsi. Saya melemparkan besi solder favorit saya ke dalam ransel saya dan pergi ke St. Petersburg, ke Universitas Riset Nasional Teknologi Informasi, Mekanika dan Optik (ternyata, tidak hanya programmer yang dilatih di sana).
Saya disambut dengan hangat di lokasi, dan tiba-tiba, mereka menawari saya pekerjaan, karena mereka terkesan dengan parit saya yang berkabel dan mereka membutuhkan seseorang untuk membuat yang baru. Sebagai imbalannya, mereka berjanji untuk menjelaskan secara rinci segala sesuatu yang menarik minat saya dan mengikuti kursus pelatihan radiofisika dan MRI, yang, secara kebetulan, dimulai tepat pada tahun itu. Rasa haus saya akan pengetahuan menang, dan kemudian, sepanjang tahun, saya belajar, mengerjakan proyek, dan bekerja, secara bertahap mempelajari lebih banyak hal baru tentang sejarah resonansi magnetik, serta keadaan sains modern di bidang ini, yang akan saya lakukan. bagikan di sini.
Metode perbaikan MRI yang diusulkan, dan dipelajari dalam artikel ilmiah tersebut, didasarkan pada apa yang disebut “metamaterial”. Metamaterial, seperti banyak penemuan lainnya, muncul karena solusi tak terduga yang diperoleh berdasarkan penelitian teoretis. Ilmuwan Soviet, Viktor Veselago, pada tahun 1967, yang mengerjakan model teoretis, mengemukakan keberadaan bahan dengan indeks bias negatif. Seperti yang sudah Anda pahami, kita berbicara tentang optik, dan nilai koefisien ini, secara kasar, berarti berapa banyak cahaya yang akan berubah arahnya ketika melewati batas antara media yang berbeda, misalnya udara dan air. Anda dapat dengan mudah memverifikasi sendiri bahwa ini benar-benar terjadi:
Eksperimen sederhana menggunakan laser pointer dan akuarium untuk menunjukkan pembiasan cahaya.
Fakta menarik yang dapat dipelajari dari percobaan semacam ini adalah bahwa sinar tidak dapat dibiaskan ke arah yang sama dengan arah jatuhnya ke antarmuka, tidak peduli seberapa keras pelaku eksperimen mencoba. Eksperimen ini dilakukan dengan semua zat alami, namun sinarnya dibiaskan secara keras kepala hanya dalam satu arah. Secara matematis, ini berarti indeks bias, serta besaran penyusunnya, permeabilitas dielektrik dan magnet, adalah positif, dan tidak pernah diamati sebaliknya. Setidaknya sampai V. Veselago memutuskan untuk mempelajari masalah ini dan menunjukkan bahwa secara teoritis tidak ada satu alasan pun mengapa indeks bias tidak boleh negatif.
Gambar dari Wiki menunjukkan perbedaan antara media indeks positif dan negatif. Seperti yang kita lihat, cahaya berperilaku sangat tidak wajar, dibandingkan dengan pengalaman kita sehari-hari.
V. Veselago sudah lama mencoba menemukan bukti keberadaan bahan dengan indeks bias negatif, tetapi pencariannya tidak berhasil, dan karyanya tidak dapat dilupakan. Baru pada awal abad berikutnya struktur komposit diciptakan secara artifisial yang mewujudkan sifat-sifat yang dijelaskan, tetapi tidak dalam optik, tetapi dalam rentang frekuensi gelombang mikro yang lebih rendah. Ini merupakan titik balik, karena kemungkinan keberadaan material tersebut membuka prospek baru. Misalnya - penciptaan , mampu memperbesar objek bahkan lebih kecil dari panjang gelombang cahaya. Atau - penutup tembus pandang kamuflase mutlak, impian semua personel militer. Amandemen besar dilakukan pada teori untuk memperhitungkan data baru. Kunci keberhasilannya adalah penggunaan struktur teratur elemen resonansi - metaatom, yang ukurannya jauh lebih kecil daripada panjang gelombang radiasi yang berinteraksi dengannya. Struktur meta-atom yang teratur adalah komposit buatan yang disebut metamaterial.
Penerapan praktis metamaterial bahkan saat ini rumit secara teknologi, karena ukuran partikel resonansi harus sebanding dengan panjang gelombang radiasi elektromagnetik yang lebih kecil. Untuk jangkauan optik (yang panjang gelombangnya nanometer), teknologi tersebut berada di garis depan kemajuan. Oleh karena itu, tidak mengherankan jika perwakilan pertama dari konsep metamaterial diciptakan untuk gelombang elektromagnetik yang relatif lebih panjang dari jangkauan radio (yang memiliki panjang lebih familiar dari mm hingga m). Ciri utama dan sekaligus kelemahan metamaterial apa pun adalah konsekuensi dari sifat resonansi elemen penyusunnya. Metamaterial dapat menunjukkan sifat ajaibnya hanya pada frekuensi tertentu.
Frekuensi terbatas.Oleh karena itu, misalnya, lain kali Anda melihat sesuatu seperti pengacau suara super berdasarkan metamaterial, tanyakan rentang frekuensi apa yang sebenarnya macet.
Contoh khas metamaterial yang memungkinkan interaksi dengan gelombang elektromagnetik. Struktur konduktor tidak lebih dari resonator kecil, sirkuit LC yang dibentuk oleh posisi spasial konduktor.
Sedikit waktu telah berlalu sejak munculnya konsep metamaterial dan implementasi pertamanya, dan orang-orang menemukan cara menggunakannya dalam MRI. Kerugian utama dari metamaterial adalah rentang operasi yang sempit tidak menjadi masalah bagi MRI, di mana semua proses terjadi pada frekuensi resonansi magnetik nuklir yang hampir sama, yaitu terletak pada jangkauan radio. Di sini Anda dapat membuat meta-atom dengan tangan Anda sendiri dan langsung melihat apa yang terjadi pada gambar. Salah satu fitur pertama yang diterapkan peneliti dalam MRI menggunakan metamaterial adalah lensa super dan endoskopi.
Di sisi kiri di bawah huruf a) ditampilkan lensa super, terdiri dari susunan resonator tiga dimensi pada papan sirkuit tercetak. Setiap resonator adalah cincin logam terbuka dengan kapasitor yang disolder, membentuk sirkuit LC yang disetel ke frekuensi MRI. Di bawah ini adalah contoh penempatan struktur metamaterial di antara kaki pasien yang menjalani prosedur tomografi dan, dengan demikian, gambar yang dihasilkan. Jika sebelumnya Anda tidak meremehkan saran untuk membaca artikel saya sebelumnya tentang MRI, maka Anda sudah tahu bahwa untuk mendapatkan gambar bagian mana pun dari tubuh pasien, perlu mengumpulkan sinyal nuklir yang lemah dan cepat membusuk menggunakan jarak dekat. antena - kumparan.
Lensa super metamaterial memungkinkan Anda meningkatkan jangkauan aksi kumparan standar. Misalnya, visualisasikan kedua kaki pasien sekaligus, bukan hanya satu. Kabar buruknya adalah posisi lensa super harus dipilih dengan cara tertentu untuk mendapatkan efek terbaik, dan pembuatan lensa super itu sendiri cukup mahal. Jika Anda masih belum mengerti mengapa lensa ini disebut super-prefix, perkirakan ukurannya dari foto, dan sadari bahwa lensa ini bekerja pada panjang gelombang sekitar lima meter!
Huruf b) menunjukkan desain endoskopi. Pada dasarnya, endoskopi MRI adalah rangkaian kabel paralel yang bertindak sebagai pemandu gelombang. Hal ini memungkinkan Anda untuk memisahkan secara spasial wilayah dari mana kumparan menerima sinyal dari inti dan kumparan itu sendiri dengan jarak yang cukup jauh - sampai pada titik di mana antena penerima dapat ditempatkan sepenuhnya di luar cryostat tomografi, jauh dari medan magnet konstan. bidang. Gambar bawah pada tab b) menunjukkan gambar yang diperoleh untuk bejana berisi cairan khusus - hantu. Perbedaan di antara keduanya adalah bahwa gambar berlabel “endoskopi” diperoleh ketika kumparan berada pada jarak yang cukup dari hantu, di mana tanpa endoskopi, sinyal dari inti tidak mungkin dideteksi.
Jika kita berbicara tentang salah satu bidang penerapan metamaterial yang paling menjanjikan dalam MRI, dan yang paling dekat dengan implementasi praktisnya (yang akhirnya saya ikuti) adalah pembuatan kumparan nirkabel. Perlu diklarifikasi bahwa kita tidak berbicara tentang Bluetooth atau teknologi transfer data nirkabel lainnya di sini. "Nirkabel" dalam hal ini berarti adanya kopling induktif atau kapasitif dari dua struktur resonansi - antena transceiver, serta metamaterial. Secara konsep terlihat seperti ini:
Di sebelah kiri ditunjukkan bagaimana prosedur MRI biasanya dilakukan: pasien berbaring di dalam cryostat di area medan magnet statis yang seragam. Antena besar yang disebut “sangkar burung” dipasang di terowongan tomografi. Antena dengan konfigurasi ini memungkinkan Anda memutar vektor medan magnet frekuensi radio dengan frekuensi presesi inti hidrogen (untuk mesin klinis biasanya dari 40 hingga 120 MHz, tergantung pada besarnya medan magnet statis dari 1T hingga 3T, masing-masing), menyebabkan mereka menyerap energi dan kemudian memancarkan energi sebagai respons. Sinyal respons dari inti sangat lemah dan pada saat mencapai konduktor antena besar, sinyal tersebut pasti akan memudar. Untuk alasan ini, MRI menggunakan kumparan lokal yang berjarak dekat untuk menerima sinyal. Gambar di tengah, misalnya, menunjukkan situasi pemindaian lutut pada umumnya. Dengan menggunakan metamaterial, dimungkinkan untuk membuat resonator yang akan dipasangkan secara induktif ke sangkar burung. Cukup menempatkan benda seperti itu di dekat area tubuh pasien yang diinginkan dan sinyal dari sana akan diterima tidak lebih buruk dibandingkan dengan kumparan lokal! Jika konsep tersebut berhasil diterapkan, pasien tidak perlu lagi terjerat kabel, dan prosedur diagnostik MRI akan menjadi lebih nyaman.
Hal inilah yang saya coba buat di awal, dengan mengisi kabel dengan air dan mencoba memindai jeruk. Kabel yang direndam dalam air dari gambar pertama dalam artikel ini tidak lebih dari meta-atom, yang masing-masing mewakili dipol setengah gelombang - salah satu desain antena paling terkenal, yang akrab bagi setiap amatir radio.
Mereka direndam dalam air bukan agar tidak terbakar di MRI (walaupun untuk tujuan ini juga)), tetapi agar, karena konstanta dielektrik air yang tinggi, mengurangi panjang resonansinya dengan jumlah yang sama persis dengan kuadrat. akar konstanta dielektrik air.
Chip ini telah lama digunakan pada penerima radio, melilitkan kawat pada sepotong ferit - yang disebut. antena ferit. Hanya ferit yang memiliki permeabilitas magnetik tinggi, dan bukan dielektrik, yang, bagaimanapun, bekerja dengan cara yang sama dan memungkinkan dimensi resonansi antena dikurangi. Sayangnya, Anda tidak dapat memasukkan ferit ke dalam MRI, karena... itu bersifat magnetis. Air adalah alternatif yang murah dan mudah diakses.
Jelas bahwa untuk menghitung semua hal ini, Anda perlu membangun model matematika kompleks yang memperhitungkan hubungan antara elemen resonansi, parameter lingkungan, dan sumber radiasi... atau Anda dapat memanfaatkan hasil kemajuan dan perangkat lunak untuk elektromagnetik numerik pemodelan, yang bahkan dapat dengan mudah dipahami oleh anak sekolah (contoh paling mencolok adalah CST, HFSS). Perangkat lunak ini memungkinkan Anda membuat model 3D resonator, antena, sirkuit listrik, menambahkan orang ke dalamnya - ya, sebenarnya, apa saja, satu-satunya pertanyaan adalah imajinasi Anda dan daya komputasi yang tersedia. Model yang dibangun dibagi menjadi beberapa grid, di titik-titik dimana persamaan Maxwell yang terkenal diselesaikan.
Berikut contoh simulasi medan magnet frekuensi radio di dalam antena sangkar burung yang telah disebutkan sebelumnya:
Segera menjadi jelas bagaimana bidang itu berputar. Situasi di sebelah kiri ditunjukkan ketika ada sekotak air di dalam antena, dan di sebelah kanan - ketika kotak yang sama berada pada resonator yang terbuat dari kabel dengan panjang resonansi. Anda dapat melihat bagaimana medan magnet diperkuat secara signifikan oleh kabel. Setelah menguasai CST dan mengoptimalkan desain saya di sana, saya sekali lagi membuat metamaterial, yang memungkinkan untuk memperkuat sinyal dalam tomografi MRI klinis 1.5T standar. Itu masih sebuah kotak (meskipun lebih indah, terbuat dari kaca plexiglass), berisi air dan serangkaian kabel. Kali ini strukturnya dioptimalkan dari segi kondisi resonansi, yaitu: pemilihan panjang kabel, posisinya, dan jumlah air. Inilah yang terjadi dengan tomat:
Pemindaian pertama pada tomat dilakukan dengan antena besar. Hasilnya hanyalah kebisingan dengan garis-garis yang nyaris tak terlihat. Kedua kalinya saya meletakkan buah di atas struktur resonansi yang baru dipanggang. Saya tidak membuat peta berwarna atau semacamnya, karena efeknya jelas. Jadi, dari pengalaman saya sendiri, meski menghabiskan banyak waktu, saya membuktikan bahwa konsep tersebut berhasil.
Jelas apa yang Anda pikirkan - jeruk, tomat - semuanya salah, di mana uji coba pada manusia?
Memang benar :
Tangan seorang relawan yang menjalani MRI terletak di kotak yang sama. Air sebenarnya di dalam kotak, karena mengandung hidrogen, juga terlihat jelas. Sinyal diperkuat di area pergelangan tangan yang terletak di atas resonator, sementara seluruh bagian tubuh lainnya tidak terlihat jelas. Jelas bahwa efek yang sama, dan mungkin bahkan lebih baik, dapat dicapai dengan menggunakan kumparan klinis standar. Namun fakta bahwa Anda dapat melakukan hal-hal seperti itu hanya dengan menggabungkan air dan kabel secara spasial, menggabungkannya dengan cara yang benar, sungguh menakjubkan. Yang lebih menakjubkan lagi, pengetahuan tentang hal ini dapat diperoleh melalui studi terhadap fenomena yang tampaknya tidak berhubungan, seperti pembiasan cahaya.
Bagi yang belum lelahSaat ini desain kotak air sudah diperbaiki. Sekarang hanya papan sirkuit cetak datar yang memungkinkan Anda melokalisasi medan magnet antena besar eksternal di dekat Anda. Selain itu, area kerjanya lebih besar dari desain sebelumnya:
Pita berwarna menunjukkan kekuatan medan magnet pada struktur ketika dieksitasi oleh sumber gelombang elektromagnetik eksternal. Struktur datar adalah saluran transmisi khas yang dikenal dalam teknik radio, tetapi juga dapat dianggap sebagai metamaterial untuk MRI. “Kumparan nirkabel” ini sudah dapat bersaing dengan kumparan standar dalam hal keseragaman medan yang dihasilkan pada kedalaman tertentu pada objek yang dipindai:
Animasi tersebut menunjukkan peta warna lapis demi lapis dari sinyal di dalam kotak berisi air di MRI. Warna menunjukkan intensitas sinyal dari inti hidrogen. Di sudut kiri atas, segmen kumparan pemindai belakang standar digunakan sebagai penerima. Sudut kiri bawah adalah tempat kotak diletakkan di atas resonator berupa papan sirkuit tercetak. Kanan bawah - sinyal diterima oleh antena besar yang terpasang di terowongan tomografi. Saya membandingkan keseragaman sinyal di area yang digariskan oleh persegi panjang. Pada ketinggian tertentu, metamaterial berkinerja lebih baik daripada koil dalam hal keseragaman sinyal. Untuk tujuan klinis, hal ini mungkin bukan pencapaian yang sangat penting, namun jika menyangkut instalasi MRI ilmiah yang memindai tikus, hal ini dapat membantu mencapai peningkatan sinyal dan penurunan daya yang diperlukan untuk pulsa radio yang menarik.
Tentang “meningkat 2 kali lipat” di awal artikel - tentu saja, ini adalah buah lain dari cinta tak berbalas jurnalis terhadap ilmuwan, namun salah juga jika dikatakan bahwa ini adalah penelitian kosong yang didukung oleh minat terhadap ilmu pengetahuan. topik ini dalam kelompok ilmiah di seluruh dunia. Anehnya, pekerjaan juga sedang dilakukan di sini, di Rusia, meskipun berdasarkan pengalaman pribadi saya, hal ini merupakan pengecualian yang jarang terjadi. Masih banyak permasalahan yang belum terpecahkan terkait penggunaan metamaterial pada MRI. Selain melokalisasi medan magnet untuk memperoleh gambaran yang baik, jangan lupakan medan listrik yang menyebabkan pemanasan jaringan, serta penyerapan energi medan frekuensi radio oleh jaringan pasien yang menjalani pemeriksaan. Untuk hal-hal ini, dalam penggunaan klinis, harus ada kontrol khusus, yang menjadi lebih rumit jika menggunakan resonator pelokalisasi lapangan. Untuk saat ini metamaterial untuk MRI masih dalam ruang lingkup penelitian ilmiah, namun hasil yang diperoleh sudah sangat menarik dan mungkin kedepannya berkat mereka prosedur MRI akan berubah menjadi lebih baik, lebih cepat dan lebih aman.
Sumber: www.habr.com