Una vite attraversò l'aria con un fischio. Con un forte clangore si fermò sul corpo del criostato. Immutato in me stesso, decisi di prendermi una pausa. Svitare i bulloni in un campo magnetico di 1,5 tesla usando uno strumento in acciaio è un'idea piuttosto rischiosa. Il campo, come un avversario invisibile, cerca costantemente di strappare lo strumento dalle mani, orientarlo lungo le sue linee di forza e avvicinarlo il più possibile agli elettroni che scorrono in un circuito chiuso di superconductor. Tuttavia, se è davvero necessario sconfiggere le giunzioni ossidate di anni fa, non c'è molta scelta. Mi sono seduto al computer e ho sfogliato abitualmente il feed delle notizie. "Gli scienziati russi hanno migliorato la risonanza magnetica di 2 volte!" diceva un titolo sospetto.
Circa un anno fa, noi e abbiamo afferrato la sostanza del suo funzionamento. Raccomando vivamente di rinfrescare la memoria riguardo a quel materiale prima di leggere questo articolo.
A causa di varie ragioni, tra cui storiche, in Russia al giorno d' oggi produzione di attrezzature così complesse come i tomografi a risonanza magnetica ad alto campo. Tuttavia, se vivi in una città piuttosto grande, non avrai difficoltà a trovare cliniche che offrono questo tipo di servizio. Inoltre, il parco dei scanner RM è spesso composto da attrezzature usate, importate in passato dagli Stati Uniti e dall'Europa, e se mai dovessi visitare una clinica con un tomografo a risonanza magnetica, non lasciarti ingannare dall'aspetto esteriore elegante dell'apparecchiatura—potrebbe avere già diversi anni. Di conseguenza, è possibile che tale attrezzatura si guasti, e io sono stato a lungo una di quelle persone che riportavano i tomografi difettosi in funzione, affinché i pazienti potessero continuare a ricevere diagnosi e i proprietari a guadagnare.
Fino a quando, un bel giorno, durante una pausa tra i pericolosi divertimenti con i campi magnetici di enorme grandezza, non mi sono imbattuto in un'interessante notizia nel feed: "Gli scienziati russi insieme ai loro colleghi olandesi con l'ausilio dei metamateriali». È superfluo dire che il semplice fatto che in Russia si conducano ricerche su attrezzature la cui produzione non è mai stata padroneggiata mi è sembrato piuttosto controverso. Ho pensato che fosse semplicemente un'altra occasione per sperperare fondi, mescolato a parole scientifiche incomprensibili come per le «nanotecnologie» che già avevano stancato tutti. La ricerca di informazioni sul lavoro degli scienziati locali con la risonanza magnetica e i metamateriali mi ha portato a un articolo che descriveva un semplice esperimento che avrei potuto ripetere facilmente, essendo un apparecchio di risonanza magnetica sempre a disposizione.
Immagine da , dedicata all'amplificazione del segnale di risonanza magnetica utilizzando il cosiddetto «metamateriale». In un tipico apparecchio clinico da 1,5 Tesla, al posto di un paziente viene caricato il metamateriale, che consiste in una vasca d'acqua all'interno della quale si trovano cavi paralleli di una certa lunghezza. Sui cavi giace l'oggetto di studio - un pesce (non vivo). Le immagini a destra sono quelle ottenute dalla risonanza magnetica del pesce, con una mappa colorata sovrapposta, che indica l'intensità del segnale proveniente dai nuclei di idrogeno. È evidente che quando il pesce giace sui cavi, il segnale è molto migliore rispetto a quando non ci sono. Il tempo di scansione in entrambi i casi è lo stesso, il che dimostra l'aumento dell'efficienza della scansione. Nell'articolo è stata anche fornita con cura
la formula
per il calcolo della lunghezza dei cavi in base alla frequenza di funzionamento del tomografo, che ho utilizzato. Ho realizzato il mio metamateriale con una cuvetta e un insieme di fili di rame, dotandoli di supporti in plastica stampati in 3D:
Il mio primo metamateriale. Subito dopo la sua realizzazione, è stato inserito nel tomografo da 1 Tesla. L'arancia fungeva da oggetto di scansione.
Tuttavia, anziché migliorare il segnale come promesso, ho ottenuto un sacco di artefatti che rovinavano completamente l'immagine! La mia indignazione era alle stelle! Dopo aver mangiato il soggetto, ho scritto una lettera agli autori dell'articolo, il cui senso si può riassumere nella domanda «Che diavolo...?.
Gli autori mi hanno risposto piuttosto presto. Erano molto colpiti dal fatto che qualcuno stesse cercando di ripetere i loro esperimenti. Inizialmente hanno cercato a lungo di spiegarmi come funzionano i metamateriali, usando termini come "risonanze di Fabry-Pérot", "modi propri" e vari campi radiofrequenza nel volume. Poi, probabilmente rendendosi conto che non capivo affatto di cosa stessero parlando, hanno deciso di invitarmi a casa loro, affinché potessi vedere i loro sviluppi dal vivo e convincermi che funzionasse davvero. Ho messo il mio saldatore preferito nello zaino e sono partito per San Pietroburgo, all'università nazionale di ricerca delle tecnologie informatiche, meccanica e ottica (come si è rivelato, lì non formano solo programmatori).
Una volta sul posto, mi hanno accolto calorosamente e, improvvisamente, mi hanno offerto lavoro, poiché erano colpiti dalla mia cuvetta con i cavi e avevano bisogno di una persona per crearne di nuove. In cambio, promettevano di spiegarmi in dettaglio tutto ciò che mi interessava e di seguire un corso di formazione in radiofisica e MRI, che, per una felice coincidenza, iniziava proprio in quell'anno. La mia sete di conoscenza ha avuto la meglio e, per un anno, ho studiato, realizzato progetti e lavorato, scoprendo sempre di più sulla storia della risonanza magnetica e sulla stato attuale della scienza in questo campo, che condividerò qui.
Alla base del metodo presunto miglioramento dell'MRI, e studiato negli articoli scientifici menzionati, ci sono i cosiddetti "metamateriali". I metamateriali, come molte altre scoperte, devono la loro esistenza a soluzioni inaspettate, ottenute sulla base di ricerche teoriche. Lo scienziato sovietico, Viktor Veselago, nel 1967, lavorando su un modello teorico, ipotizzò l'esistenza di materiali con un coefficiente di rifrazione negativo. Come avrete già capito, si tratta di ottica, e il valore di questo coefficiente, grossolanamente parlando, indica quanto cambierà direzione la luce attraversando il confine tra diversi media, come ad esempio l'aria e l'acqua. È facile verificare personalmente che questo è esattamente ciò che accade:
Un semplice esperimento con una penna laser e un acquario, che dimostra la rifrazione della luce.
Un fatto interessante che si può dedurre da un esperimento del genere è che un raggio non può deviare nella stessa direzione da cui è caduto al confine di separazione, per quanto ci provi l'esperimentatore. Tale esperimento è stato condotto con tutte le sostanze naturali, ma il raggio si è sempre deviato in una sola direzione. Matematicamente, questo significa che il coefficiente di rifrazione, come le grandezze che lo compongono, la permittività dielettrica e la permeabilità magnetica, sono positivi, e non è mai stata osservata l'opposta. Almeno, fino a quando V. Veselago non decise di studiare questa questione, dimostrando che teoricamente non esiste alcuna ragione per cui il coefficiente di rifrazione non possa essere negativo.
Un'immagine da Wikipedia che mostra la differenza tra mezzi con coefficienti di rifrazione positivi e negativi. Come possiamo vedere, la luce si comporta in modo completamente innaturale, rispetto alla nostra esperienza quotidiana.
V. Veselago ha a lungo cercato prove dell'esistenza di materiali con coefficienti di rifrazione negativi, ma le ricerche non hanno avuto successo, e il suo lavoro è stato ingiustamente dimenticato. Solo all'inizio del secolo successivo sono state create artificialmente strutture composite che realizzavano le proprietà descritte, ma non in campo ottico, bensì in una gamma di frequenze microonde inferiore. Questo ha segnato un punto di svolta, poiché la semplice possibilità dell'esistenza di tali materiali ha aperto nuove prospettive. Ad esempio, la creazione di , capaci di ingrandire oggetti anche più piccoli della lunghezza d'onda della luce. Oppure, rivestimenti invisibili assoluti, un sogno per tutte le forze armate. Sono state fatte importanti modifiche alla teoria, considerando i nuovi dati. La chiave del successo è risultata essere l'uso di strutture ordinate di elementi risonanti — metaatomi, le cui dimensioni sono molto inferiori alla lunghezza d'onda della radiazione con cui interagiscono. La struttura ordinata di metaatomi è un composito artificiale chiamato metamateriale.
L'implementazione pratica dei metamateriali è ancora oggi tecnologicamente complessa, poiché la dimensione delle particelle risonanti deve essere comparabilmente più piccola della lunghezza d'onda della radiazione elettromagnetica. Per la gamma ottica (dove la lunghezza d'onda è nei nanometri), tali tecnologie si trovano all'avanguardia delle possibilità di progresso. Non sorprende quindi che i primi esempi di metamateriali siano stati creati per onde elettromagnetiche relativamente più lunghe, nella gamma delle radiofrequenze (che hanno lunghezze a noi più familiari da mm a m). La caratteristica principale e allo stesso tempo il limite di qualsiasi metamateriale è la conseguenza della natura risonante degli elementi che lo compongono. Un metamateriale può manifestare le sue straordinarie proprietà solo a determinate frequenze.
Frequenze limitate.Quindi, per esempio, quando vedrete di nuovo qualcosa come un super-silenzioso basato su metamateriali, chiedetevi: quale gamma di frequenze riesce davvero a silenziare?
Esempi tipici di metamateriali che consentono di interagire con onde elettromagnetiche. Le strutture di conduttori non sono altro che piccoli risonatori, circuiti LC, formati dalla posizione spaziale dei conduttori.
È passato poco tempo dalla comparsa del concetto di metamateriali e dalle loro prime realizzazioni, e la gente ha già iniziato a usarli nella risonanza magnetica (MRI). Il principale svantaggio dei metamateriali — la gamma di lavoro ristretta — non è un problema per la MRI, dove tutti i processi avvengono praticamente a una sola frequenza di risonanza magnetica dei nuclei, che si trova nella gamma delle radiofrequenze. Qui potete creare meta-atomi con le vostre mani e vedere immediatamente cosa risulta nelle immagini. Tra le prime funzionalità che i ricercatori hanno realizzato nella MRI utilizzando metamateriali ci sono la super-lente e gli endoscopi.
Nella parte sinistra sotto la lettera a) è mostrata una superlente, composta da una rete tridimensionale di risonatori su circuiti stampati. Ogni risonatore è un anello metallico aperto con un condensatore saldamente collegato, formando un circuito LC sintonizzato sulla frequenza della risonanza magnetica. Qui di seguito è un esempio del posizionamento di questa struttura in metamateriale tra le gambe di un paziente che sta attraverso la tomografia e le immagini ricevute successivamente. Se non hai esitato a seguire il mio consiglio di leggere il mio precedente articolo sulla risonanza magnetica, saprai già che per ottenere un’immagine di una qualsiasi parte del corpo del paziente è necessario rilevare deboli segnali nucleari rapidamente decadenti tramite un’antenna posizionata nelle vicinanze - una bobina.
La superlente in metamateriale permette di ampliare l'area di azione di una bobina standard. Ad esempio, è possibile visualizzare entrambe le gambe del paziente contemporaneamente invece di una sola. Dalle cattive notizie — la posizione della superlente deve essere regolata in un certo modo per ottenere il miglior effetto, e la superlente stessa è piuttosto costosa da realizzare. Se non hai ancora capito perché questa lente si chiama super-, guarda le sue dimensioni nella foto e poi renditi conto che funziona con lunghezze d'onda di circa cinque metri!
Sotto la lettera b) è dimostrata la struttura dell'endoscopio. In sostanza, l'endoscopio per la risonanza magnetica è un insieme di fili paralleli, che funge da guida d'onda. Permette di dislocare spazialmente la regione da cui la bobina riceve il segnale nucleare e la bobina stessa a una distanza considerevole - tanto che l'antenna ricevente può essere posizionata al di fuori del criostato del tomografo, lontano dal campo magnetico permanente. Nelle immagini della sezione b), sono presentate foto ottenute per un contenitore riempito di liquido — un fantoma. La differenza tra di esse è che le immagini contrassegnate con “endoscopio” sono state ottenute quando la bobina si trovava a una distanza considerevole dal fantoma, dove senza endoscopio i segnali nucleari sarebbero stati completamente impossibili da rilevare.
Parlando di uno degli ambiti applicativi più promettenti dei metamateriali in risonanza magnetica nucleare (RMN), e quello più vicino alla sua realizzazione pratica (in cui sono stato coinvolto alla fine) – è la creazione di bobine wireless. È importante chiarire che qui non si parla di Bluetooth o di un'altra tecnologia wireless per la trasmissione dei dati. "Wireless" in questo caso indica la presenza di un collegamento induttivo o capacitivo tra due strutture risonanti – un'antenna trasmittente e ricevente, così come il metamateriale. In concetto appare così:
A sinistra è mostrata come avviene normalmente la procedura di RMN: il paziente è disteso all'interno di un criostato nella zona di un campo magnetico statico omogeneo. Nel tunnel del tomografo è montata una grande antenna, chiamata "gabbia di Faraday". Un'antenna di questa configurazione consente di ruotare il vettore del campo magnetico radiofrequenza con la frequenza di precessione dei nuclei di idrogeno (per le macchine cliniche questo è solitamente tra 40 e 120 MHz a seconda dell'intensità del campo magnetico statico da 1T a 3T rispettivamente), inducendo ad assorbire energia e poi emetterla in risposta. Il segnale di ritorno dai nuclei è molto debole e, prima di arrivare ai conduttori di una grande antenna, inevitabilmente si attenua. Per questa ragione, nella RMN si utilizzano bobine locali posizionate molto vicine per ricevere i segnali. Nella figura centrale, ad esempio, è mostrata una situazione tipica di scansione del ginocchio. Con i metamateriali è possibile realizzare un risonatore che sarà collegato induttivamente con la gabbia di Faraday. È sufficiente posizionare un tale dispositivo vicino alla parte del corpo del paziente interessata e il segnale verrà ricevuto non peggio che con una bobina locale! In caso di successo nella realizzazione del concetto, i pazienti non dovranno più districarsi tra i fili, e la procedura di diagnosi RMN diventerà più confortevole.
Proprio questo dispositivo ho cercato di creare all'inizio, immergendo i fili nell'acqua e cercando di scansionare un'arancia. I fili immersi in acqua della prima immagine di questo articolo non sono altro che meta-atomi, ognuno dei quali rappresenta un dipolo a mezza lunghezza d'onda – una delle configurazioni più conosciute delle antenne, familiare a chiunque sia appassionato di radio.
Li immergono nell'acqua non per evitare che prendano fuoco nella RMN (anche se serve a questo), ma per ridurre la loro lunghezza d'onda di risonanza grazie all'alta permeabilità dielettrica dell'acqua.
Questa tecnica è già da tempo utilizzata nei ricevitori radio, arrotolando un filo su un pezzo di ferrite — la cosiddetta antenna in ferrite. Solo che il ferrite ha un'alta permeabilità magnetica e non dielettrica, ma funziona comunque e permette di ridurre le dimensioni di risonanza dell'antenna. Sfortunatamente, non è possibile inserire il ferrite nella RMN, dato che è magnetico. L'acqua è un'alternativa economica e accessibile.
È ovvio che per i calcoli di tutte queste cose è necessario costruire modelli matematici complessi che considerano la relazione tra gli elementi di risonanza, i parametri dell'ambiente e le fonti di radiazione... oppure si può sfruttare i frutti del progresso e utilizzare software per la modellazione elettromagnetica numerica, con cui anche un studente delle scuole superiori può orientarsi senza difficoltà (eccellenti esempi — CST, HFSS). Il software consente di creare modelli 3D di risonatori, antenne, circuiti elettrici, aggiungere persone — sì, insomma, tutto ciò che si vuole, l'unica questione è la fantasia e le capacità computazionali disponibili. I modelli costruiti vengono suddivisi in griglie, nei cui nodi vengono risolte le famose equazioni di Maxwell.
Ecco, ad esempio, la simulazione del campo magnetico a radiofrequenza all'interno della cedola antenna tipo gabbia per uccelli menzionata in precedenza:
Diventa subito piuttosto chiaro come ruota il campo. A sinistra viene mostrata la situazione in cui all'interno dell'antenna c'è una scatola d'acqua, mentre a destra — quando la stessa scatola si trova su un risonatore di fili di lunghezza di risonanza. È evidente come il campo magnetico si intensifichi notevolmente grazie ai fili. Dopo aver padroneggiato CST e ottimizzato la mia costruzione, ho creato nuovamente un metamateriale che ha effettivamente consentito di amplificare il segnale nel tomografo RMN clinico standard da 1.5T. Era sempre una scatola (anche se più bella, di acrilico), riempita d'acqua e con un insieme di fili. Questa volta, la struttura è stata ottimizzata in base alle condizioni di risonanza, precisamente: scelta della lunghezza dei fili, delle loro posizioni, nonché della quantità d'acqua. Ecco cosa è venuto fuori con un pomodoro:
La prima scansione del pomodoro è stata eseguita su una grande antenna. Alla fine si sono ottenuti solo rumori con contorni appena visibili. La seconda volta ho posizionato il frutto su una struttura di risonanza appena sfornata. Non ho creato mappe colorate o qualcosa di simile, poiché l'effetto è evidente. Così, con la mia esperienza, anche se ho speso un sacco di tempo, ho dimostrato che il concetto funziona.
È chiaro a cosa stai pensando: arance, pomodori — non è questo il punto, dov'è la sperimentazione sugli esseri umani?
Sono stati davvero :
Il braccio di un volontario che sta passando la risonanza magnetica è appoggiato sulla solita scatola. D'altronde, l'acqua nella scatola, essendo composta da idrogeno, è anche ben visibile. L'amplificazione del segnale avviene nella zona del polso che poggia sul risonatore, mentre tutte le altre parti del corpo sono visibili male. È chiaro che si può ottenere lo stesso effetto, se non migliore, utilizzando le normali bobine cliniche. Ma il fatto che si possano realizzare cose simili, semplicemente combinando spazialmente acqua e cavi, accoppiandoli nel modo giusto, è mozzafiato. Ancora più sorprendente è che queste conoscenze possano derivare dall'analisi di fenomeni apparentemente non correlati, come la rifrazione della luce.
Per quelli che non si sono ancora stancatiAttualmente la struttura della scatola con acqua è già stata migliorata. Ora è semplicemente una scheda stampata piatta, che consente di localizzare il campo magnetico di una grande antenna esterna attorno a sé. Inoltre, la sua zona operativa è più ampia rispetto a quella della precedente struttura:
Le strisce colorate mostrano l'intensità del campo magnetico sopra la struttura quando è eccitata da una fonte esterna di onde elettromagnetiche. La struttura piatta rappresenta una tipica linea di trasmissione, nota nell'elettronica, ma può essere considerata anche un metamateriale per la risonanza magnetica. Questa "bobina senza fili" può già competere con le bobine standard per l'uniformità del campo creato a una certa profondità nell'oggetto di scansione:
L'animazione mostra strato dopo strato una mappa a colori del segnale all'interno di una scatola d'acqua in MRI. Il colore indica l'intensità dei segnali provenienti dai nuclei di idrogeno. Nell'angolo in alto a sinistra viene utilizzato un segmento di una bobina standard per la scansione della schiena come ricevitore. L'angolo in basso a sinistra mostra quando la scatola è posizionata su un risonatore a forma di scheda. A destra in basso - il segnale è ricevuto da una grande antenna integrata nel tunnel del tomografo. Ho confrontato l'omogeneità del segnale nella zona evidenziata da un rettangolo. Ad una certa altezza, il metamateriale funziona meglio della bobina in termini di omogeneità del segnale. Per le applicazioni cliniche, questo potrebbe non essere un traguardo particolarmente significativo, ma quando si tratta di impostazioni scientifiche di MRI, dove si esaminano i ratti, può aiutare a ottenere un incremento del segnale e una riduzione della potenza necessaria degli impulsi radioelettrici.
Riguardo al «miglioramento del 200%» all'inizio dell'articolo - naturalmente, è l'ennesimo frutto dell'amore non corrisposto tra giornalisti e scienziati, tuttavia non si può dire che si tratti di ricerche prive di significato, come dimostra l'interesse per questo argomento nei gruppi scientifici di tutto il mondo. È sorprendente, ma ci sono lavori in corso anche qui in Russia, anche se, sulla base della mia personale esperienza, ciò è piuttosto un'eccezione rara. Ci sono ancora molti problemi irrisolti legati all'uso dei metamateriali in MRI. Oltre alla localizzazione dei campi magnetici per ottenere un'immagine di qualità, non bisogna dimenticare i campi elettrici che portano al riscaldamento dei tessuti, così come l'assorbimento da parte dei tessuti dei pazienti in esame dell'energia del campo a radiofrequenza. Per queste questioni, nell'uso clinico, deve esserci un controllo speciale, che si complica notevolmente con l'uso di risonatori che localizzano i campi. Finché i metamateriali per MRI rimangono nel campo della ricerca scientifica, i risultati ottenuti sono già piuttosto interessanti e forse in futuro la procedura di MRI grazie a loro cambierà in meglio, diventando più rapida e sicura.
Fonte: habr.com
