Skrúfjárn flautaði framhjá eyranu mínu. Með háværu hringjandi hljóði fraus hún á cryostat líkamanum. Ég bölvaði sjálfum mér og ákvað að draga mig í hlé. Það er ekki góð hugmynd að skrúfa bolta úr segulsviði upp á 1.5 Tesla með stálverkfæri. Sviðið, eins og ósýnilegur óvinur, er stöðugt að reyna að rífa tækið úr höndum, stilla því eftir kraftlínum þess og beina því eins nálægt rafeindunum sem ganga í lokuðum hring frá ofurleiðaranum og mögulegt er. Hins vegar, ef þú þarft virkilega að vinna bug á sýrðum efnasamböndum frá mörgum árum síðan, þá er ekki mikið val. Ég settist við tölvuna og fletti að venju í gegnum fréttastrauminn. „Rússneskir vísindamenn hafa bætt segulómun um 2 sinnum! - lestu grunsamlega fyrirsögnina.
Fyrir um ári síðan, við og skildi kjarna verks hans. Ég mæli eindregið með því að þú endurnýjar minni þitt af því efni áður en þú lest þessa grein.
Af ýmsum ástæðum, þar á meðal sögulegum, í Rússlandi í dag framleiðsla á svo flóknum búnaði eins og hásviðs segulómun. Hins vegar, ef þú býrð í stærri borg, geturðu auðveldlega fundið heilsugæslustöðvar sem veita þessa tegund þjónustu. Á sama tíma er floti segulómskoðunar oft táknaður með notuðum búnaði, einu sinni fluttur inn frá Bandaríkjunum og Evrópu, og ef þú þarft skyndilega að heimsækja heilsugæslustöð með segulómun, ekki láta blekkjast af fallegu útliti tækisins - það gæti vel verið á öðrum áratug. Fyrir vikið bilar slíkur búnaður stundum og lengi vel var ég einn af þeim sem skiluðu biluðum snjallsímritum til þjónustu svo sjúklingar gætu haldið áfram að gangast undir greiningu og eigendur græða.
Þar til einn góðan veðurdag, í hléi á milli hættulegra skemmtana með gífurlegu segulsviði, rakst ég á áhugaverða áletrun í fréttastraumnum: „Rússneskir vísindamenn ásamt hollenskum samstarfsmönnum með því að nota metaefni." Það þarf varla að taka það fram að sú staðreynd að Rússar stunda rannsóknir á búnaði, sem aldrei hefur tekist að ná tökum á framleiðslu á, fannst mér mjög, mjög umdeilt. Ég ákvað að þetta væri bara enn ein styrkveitingin, útþynnt með óskiljanlegum vísindalegum orðum eins og „nanotækninni“ sem allir voru búnir að fá nóg af. Leit að upplýsingum um efni vinnu innlendra vísindamanna við segulómun og metaefni leiddi mig að grein sem innihélt lýsingu á einfaldri tilraun sem ég gæti auðveldlega endurtekið, þar sem segulómunarvélin er alltaf við höndina.
Mynd frá , tileinkað því að auka segulómunarmerkið með því að nota svokallað „metaefni“. Í dæmigerðum klínískum 1.5 - hitauppstreymi, í stað sjúklingsins, er metaefni hlaðið, í formi vatnsskáls, innan þess sem samhliða vír af ákveðinni lengd eru staðsettir. Á vírunum liggur hlutur rannsóknarinnar - fiskur (ekki lifandi). Myndirnar til hægri eru MRI myndir af fiskinum, með litakorti ofan á sem gefur til kynna merkistyrk vetniskjarna. Það sést að þegar fiskurinn liggur á vírunum er merki mun betra en án þeirra. Skannatíminn er sá sami í báðum tilfellum, sem sannar að skönnunarskilvirkni er bætt. Greinin fylgir líka vandlega
формула
að reikna út lengdina á vírunum eftir notkunartíðni tökuritans, sem ég notaði. Ég bjó til metaefnið mitt úr kúvettu og fjölda koparvíra og útvegaði þeim þrívíddarprentaðar plastfestingar:
Fyrsta metaefnið mitt. Strax eftir framleiðslu var hann settur í 1 Tesla sneiðritara. Appelsínan virkaði sem hlutur til að skanna.
Hins vegar, í stað lofaðrar merkjaaukningar, fékk ég fullt af gripum sem skemmdu myndina algjörlega! Reiði mín átti engin takmörk! Eftir að hafa lokið viðfangsefnið skrifaði ég höfundum greinarinnar bréf, merkingu þess má draga niður í spurninguna "Hvað ...?"
Höfundar svöruðu mér nokkuð fljótt. Þeir voru mjög hrifnir af því að einhver var að reyna að endurtaka tilraunir þeirra. Í fyrstu reyndu þeir í langan tíma að útskýra fyrir mér hvernig metaefni virka í raun og veru, með því að nota hugtökin „Fabry-Perot resonances“, „innri stillingar“ og alls kyns útvarpsbylgjur í hljóðstyrknum. Síðan, greinilega að átta sig á því að ég skildi alls ekki hvað þeir voru að tala um, ákváðu þeir að bjóða mér að heimsækja þá svo að ég gæti skoðað þróun þeirra í beinni útsendingu og gengið úr skugga um að það virki enn. Ég henti uppáhalds lóðajárninu mínu í bakpokann minn og fór til Sankti Pétursborgar, í National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics (eins og það kom í ljós, eru ekki aðeins forritarar þjálfaðir þar).
Það var tekið vel á móti mér á staðnum og allt í einu buðu þeir mér vinnu þar sem þeir voru hrifnir af skurðinum mínum með vírum og vantaði mann til að búa til nýja. Í staðinn lofuðu þeir að útskýra ítarlega allt sem ég hef áhuga á og taka námskeið í geislaeðlisfræði og segulómun, sem fyrir heppilega tilviljun hófst einmitt það ár. Þekkingarþorsti minn sigraði og síðan, allt árið, lærði ég, vann verkefni og vann, lærði smám saman fleiri og fleiri nýja hluti um sögu segulómunar, sem og stöðu nútímavísinda á þessu sviði, sem ég mun deila hér.
Aðferðin við fyrirhugaða úrbætur á segulómskoðun, og rannsökuð í nefndum vísindagreinum, byggir á svokölluðum „metaefnum“. Metaefni, eins og margar aðrar uppgötvanir, eiga útlit sitt að þakka óvæntum lausnum sem fengnar eru á grundvelli fræðilegra rannsókna. Sovéskur vísindamaður, Viktor Veselago, árið 1967, sem vann að fræðilegu líkani, lagði til að efni væru með neikvæðan brotstuðul. Eins og þú skilur nú þegar erum við að tala um ljósfræði og gildi þessa stuðuls þýðir í grófum dráttum hversu mikið ljós mun breyta stefnu sinni þegar það fer í gegnum mörkin milli mismunandi miðla, til dæmis lofts og vatns. Þú getur auðveldlega sannreynt sjálfur að þetta gerist í raun:
Einföld tilraun með leysibendil og fiskabúr til að sýna ljósbrot.
Athyglisverð staðreynd sem hægt er að læra af slíkri tilraun er að ekki er hægt að brjóta geislann í sömu átt þaðan sem hann féll á viðmótið, sama hversu mikið tilraunamaðurinn reynir. Þessi tilraun var gerð með öllum náttúrulegum efnum, en geislinn brotnaði þrjóskulega í aðeins eina átt. Stærðfræðilega þýðir þetta að brotstuðullinn, sem og stærðir í honum, raf- og segulgegndræpi, eru jákvæðar og hefur aldrei sést að öðru leyti. Að minnsta kosti þar til V. Veselago ákvað að rannsaka þetta mál og sýndi fram á að fræðilega séð er ekki ein ástæða fyrir því að brotstuðullinn geti ekki verið neikvæður.
Mynd frá Wiki sem sýnir muninn á jákvæðum og neikvæðum vísitölumiðlum. Eins og við sjáum hegðar ljósið sér algjörlega óeðlilega, miðað við hversdagslega reynslu okkar.
V. Veselago reyndi í langan tíma að finna vísbendingar um tilvist efna með neikvæðan brotstuðul, en leitin bar ekki árangur og verk hans gleymdist óverðskuldað. Það var fyrst í byrjun næstu aldar sem samsett mannvirki voru tilbúnar til sem gerðu sér grein fyrir þeim eiginleikum sem lýst er, en ekki á sjónrænu, heldur á lægra örbylgjutíðnisviði. Sem var tímamót þar sem möguleikinn á tilvist slíkra efna opnaði nýjar horfur. Til dæmis - sköpun , sem getur stækkað hluti sem eru enn minni en bylgjulengd ljóss. Eða - algjört felulitur ósýnileikahlífar, draumur allra hermanna. Miklar breytingar voru gerðar á kenningunni til að taka mið af nýjum gögnum. Lykillinn að velgengni var notkun á skipulögðum mannvirkjum resonant frumefna - metaatoms, stærð þeirra er miklu minni en bylgjulengd geislunar sem þeir hafa samskipti við. Röðuð uppbygging metatóma er tilbúið samsett efni sem kallast metaefni.
Hagnýt útfærsla á metamaterials enn í dag er tæknilega flókin, þar sem stærð ómunra agna verður að vera sambærileg við minni en bylgjulengd rafsegulgeislunar. Fyrir sjónsviðið (þar sem bylgjulengdin er nanómetrar) er slík tækni í fremstu röð framfara. Þess vegna kemur það ekki á óvart að fyrstu fulltrúar metamaterials hugtaksins voru búnir til fyrir tiltölulega lengri rafsegulbylgjur frá útvarpssviðinu (sem eru með kunnuglegri lengd frá mm til m). Megineinkenni og um leið ókostur hvers kyns efnis er afleiðing af endurómandi eðli þátta þess. Metaefni getur aðeins sýnt kraftaverkaeiginleika sína við ákveðnar tíðnir.
Takmarkað tíðni.Þess vegna, til dæmis, næst þegar þú sérð eitthvað eins og ofur-hljóð jammer byggt á metamaterials, spyrðu hvaða tíðnisvið það raunverulega truflar.
Dæmigert dæmi um metaefni sem leyfa víxlverkun við rafsegulbylgjur. Leiðaramannvirki eru ekkert annað en lítil resonators, LC hringrásir sem myndast af staðbundinni stöðu leiðaranna.
Lítill tími er liðinn frá tilkomu hugtaksins um metaefni og fyrstu útfærslur þeirra og fólk fann út hvernig ætti að nota þau í segulómun. Helsti ókosturinn við metamaterials er að þröngt rekstrarsvið er ekki vandamál fyrir segulómskoðun, þar sem öll ferli eiga sér stað á nánast sömu kjarnasegulómunartíðni, sem liggur á útvarpssviðinu. Hér getur þú búið til meta-atóm með eigin höndum og strax séð hvað gerist á myndunum. Einn af fyrstu eiginleikum sem vísindamenn innleiddu í segulómun með því að nota metamaterials voru ofurlinsur og endoscopes.
Vinstra megin undir bókstaf a) er ofurlinsa sýnd, sem samanstendur af þrívíddar fylki resonators á prentuðum hringrásum. Hver resonator er opinn málmhringur með lóðuðum þétti, sem myndar LC hringrás sem er stillt á MRI tíðnina. Hér að neðan er dæmi um að setja þessa metamaterial uppbyggingu á milli fóta sjúklings sem gangast undir sneiðmyndatöku og, í samræmi við það, myndirnar sem myndast. Ef þú hefur ekki áður gert lítið úr ráðleggingum um að lesa fyrri grein mína um segulómun, þá veistu nú þegar að til þess að fá mynd af einhverjum hluta líkama sjúklingsins er nauðsynlegt að safna veikum, hratt rotnandi kjarnorkumerkjum með því að nota náið staðsett loftnet - spólu.
Metamaterial ofurlinsan gerir þér kleift að auka virknisvið venjulegs spólu. Til dæmis, sjáðu fyrir þér báða fætur sjúklingsins í einu í stað annars. Slæmu fréttirnar eru þær að staðsetning ofurlinsunnar verður að vera valin á ákveðinn hátt til að ná sem bestum árangri og ofurlinsan sjálf er frekar dýr í framleiðslu. Ef þú skilur ekki enn hvers vegna þessi linsa er kölluð ofurforskeyti, mettu þá stærð hennar út frá myndinni og gerðu þér svo grein fyrir að hún virkar með um það bil fimm metra bylgjulengd!
Bókstafur b) sýnir hönnun spegilmyndarinnar. Í meginatriðum er segulómsjársjársjármynd samhliða vír sem virkar sem bylgjuleiðari. Það gerir þér kleift að aðskilja svæðið þaðan sem spólan tekur við merki frá kjarnanum og spólunni sjálfri um töluverða fjarlægð - að því marki að móttökuloftnetið getur verið staðsett alveg fyrir utan kryostat snjallritans, langt frá stöðugu segulmagninu. sviði. Neðri myndirnar á flipa b) sýna myndir sem fengnar eru fyrir sérstakt vökvafyllt ílát - draugur. Munurinn á þeim er sá að myndirnar merktar „endoscope“ voru fengnar þegar spólan var í þokkalegri fjarlægð frá fantominu, þar sem án spegilsins væri algjörlega ómögulegt að greina merki frá kjarnanum.
Ef við tölum um eitt efnilegasta notkunarsvið metaefnis í MRI, og það sem er næst hagnýtri framkvæmd þess (sem ég tók þátt í að lokum) er sköpun þráðlausra spóla. Það er rétt að taka það fram að hér er ekki verið að tala um Bluetooth eða aðra þráðlausa gagnaflutningstækni. „Þráðlaust“ þýðir í þessu tilfelli tilvist inductive eða rafrýmd tengingar tveggja resonant mannvirkja - senditæki loftnet, sem og metaefni. Í hugmyndafræði lítur það svona út:
Til vinstri er sýnt hvernig segulómskoðun fer venjulega fram: sjúklingurinn liggur inni í frystistilli á svæði með einsleitu kyrrstöðu segulsviði. Stórt loftnet sem kallast „fuglabúr“ er komið fyrir í tomograph göngunum. Loftnet með þessari uppsetningu gerir þér kleift að snúa vigri útvarpsbylgna segulsviðsins með forfallstíðni vetniskjarna (fyrir klínískar vélar er þetta venjulega frá 40 til 120 MHz, allt eftir stærð kyrrstöðu segulsviðsins frá 1T til 3T, í sömu röð), sem veldur því að þeir gleypa orku og gefa síðan frá sér orku sem svar. Svörunarmerkið frá kjarnanum er mjög veikt og þegar það nær til leiðara stórs loftnets mun það óhjákvæmilega dofna. Af þessum sökum notar MRI staðbundnar spólur í nánu fjarlægð til að taka á móti merki. Myndin í miðjunni sýnir til dæmis dæmigerða hnéskönnun. Með því að nota metamaterials er hægt að búa til resonator sem verður tengdur með inductively við fuglabúr. Það er nóg að setja slíkt nálægt viðkomandi svæði líkama sjúklingsins og merkið þaðan verður ekki tekið verra en með staðbundinni spólu! Ef hugmyndinni tekst að innleiða með góðum árangri þurfa sjúklingar ekki lengur að flækjast í vírum og segulómgreiningaraðferðin verður þægilegri.
Þetta er einmitt svona hlutur sem ég reyndi að búa til í upphafi, með því að fylla vírana af vatni og reyna að skanna appelsínu. Vírarnir sem eru sökktir í vatni frá fyrstu myndinni í þessari grein eru ekkert annað en metatóm, sem hvert um sig táknar hálfbylgju tvípól - ein frægasta loftnetshönnun, sem allir radíóamatörar þekkja.
Þeim er sökkt í vatni ekki til að kvikna í þeim í segulómun (þó líka í þessum tilgangi)), heldur til að, vegna hás rafstuðuls vatns, minnka ómunarlengd þeirra um nákvæmlega magn sem jafngildir ferningnum rót rafstuðuls vatns.
Þessi flís hefur lengi verið notaður í útvarpsmóttakara, vinda vír á stykki af ferrít - svokallaða. ferrít loftnet. Aðeins ferrít hefur mikla segulgegndræpi, en ekki rafgegndræpi, sem hins vegar virkar á sama hátt og gerir kleift að minnka ómunarstærð loftnetsins í samræmi við það. Því miður geturðu ekki sett ferrít í segulómun vegna þess að... það er segulmagnað. Vatn er ódýr og aðgengilegur valkostur.
Það er ljóst að til að reikna alla þessa hluti þarftu að byggja flókin stærðfræðileg líkön sem taka mið af tengslum milli resonant frumefna, umhverfisbreyta og geislunargjafa ... eða þú getur nýtt þér ávexti framfara og hugbúnaðar fyrir tölulega rafsegulfræði líkanagerð, sem jafnvel skólabarn getur auðveldlega skilið (mest sláandi dæmin - CST, HFSS). Hugbúnaðurinn gerir þér kleift að búa til þrívíddarlíkön af resonators, loftnetum, rafrásum, bæta fólki við þau - já, í raun, hvað sem er, eina spurningin er ímyndunaraflið og tiltækt tölvuafl. Smíðuðum líkönunum er skipt í rist, á hnútum sem hinar vel þekktu Maxwell jöfnur eru leystar.
Hér er til dæmis eftirlíking af segulsviði útvarpsbylgna inni í áðurnefndu fuglabúrloftneti:
Það kemur strax í ljós hvernig völlurinn snýst. Staðan til vinstri er sýnd þegar það er kassi af vatni inni í loftnetinu og hægra megin - þegar sami kassi er á resonator úr vírum af endurhljóðlengd. Þú getur séð hvernig segulsviðið er verulega aukið með vírunum. Eftir að hafa náð tökum á CST og fínstillt hönnunina mína þar gerði ég enn og aftur metamaterial, sem gerði það í raun mögulegt að magna merkið í venjulegum klínískum 1.5T segulómsjá. Þetta var samt kassi (þó fallegri, úr plexígleri), fylltur með vatni og fjölda víra. Að þessu sinni var uppbyggingin fínstillt með tilliti til ómunarskilyrða, nefnilega: val á lengd víranna, staðsetningu þeirra og vatnsmagn. Hér er það sem gerðist með tómatinn:
Fyrsta skönnun á tómötum var gerð með stóru loftneti. Útkoman var bara hávaði með varla sjáanlegar útlínur. Í seinna skiptið setti ég ávextina á nýbakaða resonance uppbyggingu. Ég smíðaði ekki lituð kort eða neitt slíkt, þar sem áhrifin eru augljós. Þannig af eigin reynslu, þó ég hafi eytt miklum tíma, sannaði ég að hugmyndin virkar.
Það er ljóst hvað þú ert að hugsa - appelsínur, tómatar - það er allt rangt, hvar eru mannraunirnar?
Þeir voru það í raun og veru :
Hönd sjálfboðaliða sem fer í segulómun liggur á sama kassanum. Raunverulegt vatn í kassanum, þar sem það inniheldur vetni, er einnig vel sýnilegt. Merkið er magnað á úlnliðssvæðinu sem liggur á resonatornum, á meðan allir aðrir hlutar líkamans eru illa sjáanlegir. Það er ljóst að hægt er að ná sömu áhrifum, og jafnvel enn betri, með því að nota venjulegar klínískar spólur. En sú staðreynd að hægt er að gera slíka hluti einfaldlega með því að sameina vatn og víra á rými, sameina þá á réttan hátt, er ótrúlegt. Enn ótrúlegra má afla þekkingar á þessu með því að rannsaka fyrirbæri sem virðast óskyld, eins og ljósbrot.
Fyrir þá sem eru ekki þreyttir ennþáÍ augnablikinu hefur hönnun vatnskassans þegar verið endurbætt. Nú er það bara flatt prentað hringrás sem gerir þér kleift að staðsetja segulsvið ytra stórs loftnets nálægt þér. Þar að auki er vinnusvæði þess stærra en í fyrri hönnun:
Lituðu tæturnar gefa til kynna segulsviðsstyrkinn yfir byggingunni þegar þeir eru spenntir af utanaðkomandi rafsegulbylgjum. Flatbyggingin er dæmigerð flutningslína sem þekkt er í útvarpsverkfræði, en getur einnig talist metaefni fyrir segulómskoðun. Þessi „þráðlausa spóla“ getur nú þegar keppt við staðlaða spólu hvað varðar einsleitni myndaðs sviðs á ákveðnu dýpi í skannaða hlutnum:
Hreyfimyndin sýnir lag-fyrir-lag litakort af merkinu inni í kassa af vatni í segulómun. Litur gefur til kynna styrkleika merkja frá vetniskjarna. Í efra vinstra horninu er hluti af venjulegu bakskannaspólu notaður sem móttakari. Neðra vinstra hornið er þegar kassinn er settur á resonator í formi prentaðs hringrásarborðs. Neðst til hægri - merkið er tekið á móti stóru loftneti sem er innbyggt í tomograph göngin. Ég bar saman merki einsleitni á svæðinu sem rétthyrningurinn útlínur. Í einhverri hæð skilar metaefnið betur en spólan hvað varðar einsleitni merkja. Í klínískum tilgangi er þetta kannski ekki mjög mikilvægt afrek, en þegar kemur að vísindalegum segulómskoðunarstöðvum þar sem rottur eru skannaðar getur það hjálpað til við að ná fram aukningu á merki og lækkun á nauðsynlegu afli spennandi útvarpspúlsa.
Um „bætt um 2 sinnum“ í upphafi greinarinnar - auðvitað er þetta enn einn ávöxtur ósvaraðrar ástar blaðamanna á vísindamönnum, hins vegar er líka rangt að segja að þetta séu tómar rannsóknir sem studdar eru af áhuga á þetta efni í vísindahópum um allan heim. Það kemur á óvart að hér er líka unnið að verkum hér í Rússlandi, þó miðað við persónulega reynslu mína sé þetta frekar sjaldgæf undantekning. Það eru enn mörg óleyst vandamál tengd notkun lýsiefna í segulómun. Auk þess að staðsetja segulsvið til að fá góða mynd, gleymdu ekki rafsviðum sem leiða til upphitunar vefja, sem og frásog útvarpsbylgna sviðsorku af vefjum sjúklinga sem eru í skoðun. Fyrir þessa hluti, í klínískri notkun, verður að vera til sérstakt eftirlit, sem verður mun flóknara þegar notaðir eru vettvangsstaðsetningarresonators. Enn sem komið er eru metaefni fyrir segulómskoðun enn innan sviðs vísindarannsókna, en niðurstöðurnar sem fást eru nú þegar mjög áhugaverðar og ef til vill í framtíðinni, þökk sé þeim, mun segulómunaraðferðin breytast til hins betra, verða hraðari og öruggari.
Heimild: www.habr.com