Un cacciavite mi fischiò vicino all'orecchio. Con un forte suono squillante, si bloccò sul corpo del criostato. Imprecando me stesso, ho deciso di prendermi una pausa. Svitare i bulloni in un campo magnetico di 1.5 Tesla utilizzando uno strumento in acciaio non è una buona idea. Il campo, come un nemico invisibile, cerca costantemente di strappare lo strumento dalle mani, orientarlo lungo le sue linee di forza e dirigerlo il più vicino possibile agli elettroni che corrono in un cerchio chiuso dal superconduttore. Tuttavia, se è davvero necessario sconfiggere i composti acidificati di molti anni fa, non c’è molta scelta. Mi sono seduto al computer e di solito scorrevo il feed delle notizie. "Gli scienziati russi hanno migliorato la risonanza magnetica di 2 volte!" - leggi il titolo sospetto.
Circa un anno fa, noi e capì l'essenza del suo lavoro. Ti consiglio vivamente di rinfrescarti la memoria su quel materiale prima di leggere questo articolo.
Per vari motivi, anche storici, nella Russia di oggi produzione di apparecchiature complesse come gli scanner per risonanza magnetica ad alto campo. Tuttavia, se vivi in una città più grande, puoi facilmente trovare cliniche che forniscono questo tipo di servizio. Allo stesso tempo, il parco degli scanner MRI è spesso rappresentato da apparecchiature usate, una volta importate dagli Stati Uniti e dall'Europa, e se all'improvviso devi visitare una clinica con una risonanza magnetica, non lasciarti ingannare dal bell'aspetto del dispositivo - potrebbe benissimo essere nel suo secondo decennio. Di conseguenza, tali apparecchiature a volte si rompono e per molto tempo sono stata una di quelle persone che rimettevano in servizio i tomografi rotti in modo che i pazienti potessero continuare a sottoporsi alla diagnostica e i proprietari potessero realizzare un profitto.
Finché un bel giorno, durante una pausa tra intrattenimenti pericolosi con enormi campi magnetici, mi sono imbattuto in un'interessante iscrizione nel news feed: “Scienziati russi insieme a colleghi olandesi utilizzando metamateriali." Inutile dire che il fatto stesso che la Russia stia conducendo ricerche su attrezzature, la cui produzione non è mai stata padroneggiata, mi è sembrato molto, molto controverso. Ho deciso che si trattava solo di un altro giro di sovvenzioni, diluito con parole d’ordine scientifiche incomprensibili come “nanotecnologia” di cui tutti erano già stufi. Una ricerca di informazioni sul lavoro degli scienziati domestici con la risonanza magnetica e i metamateriali mi ha portato a un articolo contenente la descrizione di un semplice esperimento che potrei facilmente ripetere, poiché la macchina per la risonanza magnetica è sempre a portata di mano.
Immagine da , dedicato al potenziamento del segnale MRI utilizzando il cosiddetto “metamateriale”. In una tipica clinica 1.5 - Apparecchio termico, al posto del paziente viene caricato il metamateriale, sotto forma di una bacinella d'acqua, all'interno della quale si trovano fili paralleli di una certa lunghezza. Sui fili giace l'oggetto di studio: un pesce (non vivente). Le immagini a destra sono immagini MRI del pesce, con una mappa a colori sovrapposta che indica l'intensità del segnale dei nuclei di idrogeno. Si può vedere che quando il pesce giace sui fili, il segnale è molto migliore che senza di essi. Il tempo di scansione è lo stesso in entrambi i casi, il che dimostra che l'efficienza della scansione è migliorata. L'articolo è anche attentamente incluso
formula
per calcolare la lunghezza dei fili in base alla frequenza operativa del tomografo, che ho utilizzato. Ho realizzato il mio metamateriale da una cuvetta e una serie di fili di rame, dotati di elementi di fissaggio in plastica stampati in 3D:
Il mio primo metamateriale. Subito dopo la produzione è stato inserito in un tomografo da 1 Tesla. L'arancia fungeva da oggetto da scansionare.
Tuttavia, invece del miglioramento del segnale promesso, ho ricevuto una serie di artefatti che hanno rovinato completamente l'immagine! La mia indignazione non conosceva limiti! Dopo aver terminato l'argomento, ho scritto una lettera agli autori dell'articolo, il cui significato può essere ridotto alla domanda "Cosa ...?"
Gli autori mi hanno risposto abbastanza rapidamente. Erano piuttosto colpiti dal fatto che qualcuno stesse cercando di replicare i loro esperimenti. All’inizio hanno cercato a lungo di spiegarmi come funzionano effettivamente i metamateriali, usando i termini “risonanze di Fabry-Perot”, “modi intrinseci” e tutti i tipi di campi di radiofrequenza nel volume. Poi, evidentemente rendendosi conto che non capivo affatto di cosa stessero parlando, hanno deciso di invitarmi a far loro visita per poter vedere dal vivo i loro sviluppi e assicurarmi che funzioni ancora. Ho gettato il mio saldatore preferito nello zaino e sono andato a San Pietroburgo, all'Università nazionale di ricerca sulle tecnologie dell'informazione, sulla meccanica e sull'ottica (come si è scoperto, non solo i programmatori vengono formati lì).
Sono stato accolto calorosamente sul posto e all'improvviso mi hanno offerto un lavoro, perché erano rimasti colpiti dal mio fossato con i cavi e avevano bisogno di una persona che ne creasse di nuovi. In cambio mi hanno promesso di spiegarmi nel dettaglio tutto ciò che mi interessa e di seguire un corso di formazione in radiofisica e risonanza magnetica, che, per una fortunata coincidenza, è iniziato proprio quell'anno. La mia sete di conoscenza ha vinto e poi, durante tutto l'anno, ho studiato, realizzato progetti e lavorato, imparando gradualmente sempre più cose nuove sulla storia della risonanza magnetica, nonché sullo stato della scienza moderna in questo settore, di cui parlerò condividi qui.
Il metodo di miglioramento proposto della MRI, e studiato negli articoli scientifici citati, si basa sui cosiddetti “metamateriali”. I metamateriali, come molte altre scoperte, devono la loro comparsa a soluzioni inaspettate ottenute sulla base della ricerca teorica. Lo scienziato sovietico Viktor Veselago, nel 1967, lavorando su un modello teorico, suggerì l'esistenza di materiali con un indice di rifrazione negativo. Come già capisci, stiamo parlando di ottica e il valore di questo coefficiente, grosso modo, significa quanta luce cambierà direzione quando passa attraverso il confine tra diversi mezzi, ad esempio aria e acqua. Puoi facilmente verificare tu stesso che ciò accade realmente:
Un semplice esperimento che utilizza un puntatore laser e un acquario per dimostrare la rifrazione della luce.
Un fatto interessante che si può apprendere da un simile esperimento è che il raggio non può essere rifratto nella stessa direzione da cui è caduto sull'interfaccia, non importa quanto si sforzi lo sperimentatore. Questo esperimento è stato condotto con tutte le sostanze presenti in natura, ma il raggio è stato rifratto ostinatamente in una sola direzione. Matematicamente, ciò significa che l'indice di rifrazione, così come le sue quantità costituenti, la permeabilità dielettrica e magnetica, sono positivi e non è mai stato osservato diversamente. Almeno finché V. Veselago non ha deciso di studiare la questione e ha dimostrato che teoricamente non esiste un solo motivo per cui l'indice di rifrazione non possa essere negativo.
Immagine da Wiki che mostra la differenza tra media dell'indice positivo e negativo. Come vediamo, la luce si comporta in modo del tutto innaturale rispetto alla nostra esperienza quotidiana.
V. Veselago cercò a lungo di trovare prove dell'esistenza di materiali con un indice di rifrazione negativo, ma la ricerca non ebbe successo e il suo lavoro fu immeritatamente dimenticato. Fu solo all'inizio del secolo successivo che furono create artificialmente strutture composite che realizzavano le proprietà descritte, ma non nella gamma di frequenza ottica, ma nella gamma di frequenza inferiore delle microonde. Il che fu un punto di svolta, poiché la possibilità stessa dell'esistenza di tali materiali apriva nuove prospettive. Ad esempio: creazione , capace di ingrandire oggetti anche più piccoli della lunghezza d'onda della luce. Oppure: coperture per l'invisibilità mimetica assoluta, il sogno di tutto il personale militare. Sono state apportate importanti modifiche alla teoria per tenere conto dei nuovi dati. La chiave del successo è stata l'uso di strutture ordinate di elementi risonanti: metaatomi, la cui dimensione è molto più piccola della lunghezza d'onda della radiazione con cui interagiscono. Una 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 paragonabile a meno della lunghezza d'onda della radiazione elettromagnetica. Per la gamma ottica (dove la lunghezza d'onda è nanometrica), tali tecnologie sono in prima linea nel progresso. Pertanto non sorprende che i primi rappresentanti del concetto di metamateriale siano stati creati per onde elettromagnetiche relativamente più lunghe della gamma radio (che hanno una lunghezza più familiare da mm a m). La caratteristica principale e allo stesso tempo lo svantaggio di qualsiasi metamateriale è una conseguenza della natura risonante dei suoi elementi costitutivi. Il metamateriale può mostrare le sue proprietà miracolose solo a determinate frequenze.
Frequenze limitate.Pertanto, ad esempio, la prossima volta che vedi qualcosa come un super-jammer sonoro basato su metamateriali, chiediti quale gamma di frequenze effettivamente disturba.
Esempi tipici di metamateriali che consentono l'interazione con le onde elettromagnetiche. Le strutture conduttrici non sono altro che piccoli risonatori, circuiti LC formati dalla posizione spaziale dei conduttori.
È passato un po' di tempo dall'emergere del concetto di metamateriali e dalle loro prime implementazioni e le persone hanno capito come usarli nella risonanza magnetica. Lo svantaggio principale dei metamateriali è che il campo operativo ristretto non rappresenta un problema per la risonanza magnetica, dove tutti i processi avvengono quasi alla stessa frequenza di risonanza magnetica nucleare, che si trova nella portata radio. Qui puoi creare meta-atomi con le tue mani e vedere immediatamente cosa succede nelle immagini. Una delle prime caratteristiche che i ricercatori hanno implementato nella risonanza magnetica utilizzando metamateriali sono state le superlenti e gli endoscopi.
Sul lato sinistro sotto la lettera a) è mostrata una superlente, costituita da una matrice tridimensionale di risonatori su circuiti stampati. Ogni risonatore è un anello metallico aperto con un condensatore saldato, che forma un circuito LC sintonizzato sulla frequenza MRI. Di seguito è riportato un esempio di posizionamento di questa struttura metamateriale tra le gambe di un paziente sottoposto a procedura di tomografia e, di conseguenza, le immagini risultanti. Se non hai disdegnato in precedenza il consiglio di leggere il mio precedente articolo sulla risonanza magnetica, allora sai già che per ottenere un'immagine di qualsiasi parte del corpo del paziente, è necessario raccogliere segnali nucleari deboli e in rapido decadimento utilizzando uno strumento molto vicino antenna: una bobina.
La super lente metamateriale permette di aumentare il raggio d'azione di una bobina standard. Ad esempio, visualizza entrambe le gambe del paziente contemporaneamente anziché solo una. La cattiva notizia è che la posizione della superlente deve essere scelta in un certo modo per ottenere l'effetto migliore, e la superlente stessa è piuttosto costosa da produrre. Se ancora non capisci perché questo obiettivo è chiamato super-prefisso, valuta le sue dimensioni dalla foto e poi renditi conto che funziona con una lunghezza d'onda di circa cinque metri!
La lettera b) mostra il design dell'endoscopio. Essenzialmente, un endoscopio per risonanza magnetica è una serie di fili paralleli che funge da guida d'onda. Permette di separare spazialmente la regione da cui la bobina riceve il segnale dai nuclei e la bobina stessa di una distanza considerevole - al punto che l'antenna ricevente può essere posizionata completamente all'esterno del criostato del tomografo, lontano dalla costante magnetica campo. Le immagini inferiori della scheda b) mostrano le immagini ottenute per uno speciale recipiente pieno di liquido: un fantasma. La differenza tra loro è che le immagini etichettate come “endoscopio” sono state ottenute quando la bobina si trovava a una distanza decente dal fantasma, dove senza l’endoscopio i segnali provenienti dai nuclei sarebbero completamente impossibili da rilevare.
Se parliamo di una delle aree di applicazione dei metamateriali nella risonanza magnetica più promettenti, e la più vicina alla sua implementazione pratica (nella quale alla fine sono stato coinvolto) è la creazione di bobine wireless. Vale la pena chiarire che qui non stiamo parlando di Bluetooth o di altre tecnologie di trasferimento dati wireless. "Senza fili" in questo caso significa la presenza di un accoppiamento induttivo o capacitivo di due strutture risonanti: un'antenna ricetrasmittente e un metamateriale. Concettualmente assomiglia a questo:
A sinistra è mostrato come avviene solitamente una procedura di risonanza magnetica: il paziente giace all'interno di un criostato in un'area di campo magnetico statico uniforme. Una grande antenna chiamata “gabbia per uccelli” è montata nel tunnel del tomografo. Un'antenna di questa configurazione consente di ruotare il vettore del campo magnetico a radiofrequenza con la frequenza di precessione dei nuclei di idrogeno (per le macchine cliniche questo è solitamente da 40 a 120 MHz a seconda dell'entità del campo magnetico statico da 1T a 3T, rispettivamente), facendoli assorbire energia e quindi emetterla in risposta. Il segnale di risposta dai nuclei è molto debole e quando raggiunge i conduttori di una grande antenna, inevitabilmente svanirà. Per questo motivo, la risonanza magnetica utilizza bobine locali ravvicinate per ricevere i segnali. L'immagine al centro, ad esempio, mostra una tipica situazione di scansione del ginocchio. Utilizzando metamateriali è possibile realizzare un risonatore che verrà accoppiato induttivamente a una gabbia per uccelli. È sufficiente posizionare una cosa del genere vicino all'area desiderata del corpo del paziente e il segnale da lì non verrà ricevuto peggio che con una bobina locale! Se il concetto verrà implementato con successo, i pazienti non dovranno più rimanere aggrovigliati nei cavi e la procedura diagnostica MRI diventerà più confortevole.
Questo è esattamente il tipo di cosa che ho provato a creare all'inizio, riempiendo i fili con acqua e cercando di scansionare un'arancia. I fili immersi nell'acqua della primissima immagine di questo articolo non sono altro che metaatomi, ognuno dei quali rappresenta un dipolo a semionda, uno dei modelli di antenna più famosi, familiare a ogni radioamatore.
Sono immersi nell'acqua non per non prendere fuoco nella risonanza magnetica (anche se anche per questo scopo)), ma per ridurre, a causa dell'elevata costante dielettrica dell'acqua, la loro lunghezza di risonanza esattamente di una quantità pari al quadrato radice della costante dielettrica dell'acqua.
Questo chip è stato a lungo utilizzato nei ricevitori radio, avvolgendo il filo su un pezzo di ferrite, il cosiddetto. antenna in ferrite. Solo la ferrite ha un'elevata permeabilità magnetica, e non quella dielettrica, che però funziona allo stesso modo e permette di ridurre di conseguenza le dimensioni risonanti dell'antenna. Sfortunatamente, non è possibile inserire la ferrite in una risonanza magnetica, perché... è magnetico. L’acqua è un’alternativa economica e accessibile.
È chiaro che per calcolare tutte queste cose è necessario costruire modelli matematici complessi che tengano conto del rapporto tra elementi risonanti, parametri ambientali e sorgenti di radiazioni... oppure si può sfruttare i frutti del progresso e dei software per la elettromagnetica numerica modellazione, che anche uno scolaretto può facilmente comprendere (gli esempi più eclatanti: CST, HFSS). Il software ti consente di creare modelli 3D di risonatori, antenne, circuiti elettrici, aggiungere persone a loro - sì, in effetti, qualsiasi cosa, l'unica domanda è la tua immaginazione e la potenza di calcolo disponibile. I modelli costruiti sono suddivisi in griglie, ai cui nodi vengono risolte le note equazioni di Maxwell.
Ecco, ad esempio, una simulazione del campo magnetico a radiofrequenza all'interno dell'antenna a gabbia per uccelli precedentemente menzionata:
Diventa subito chiaro come ruota il campo. La situazione a sinistra viene mostrata quando c'è una scatola d'acqua all'interno dell'antenna, e a destra - quando la stessa scatola si trova su un risonatore costituito da fili di lunghezza risonante. Puoi vedere come il campo magnetico viene notevolmente potenziato dai fili. Dopo aver padroneggiato la CST e aver ottimizzato il mio progetto lì, ho realizzato ancora una volta un metamateriale, che ha effettivamente permesso di amplificare il segnale in un tomografo MRI clinico standard da 1.5 T. Era pur sempre una scatola (anche se più bella, fatta di plexiglass), piena d'acqua e una serie di fili. Questa volta la struttura è stata ottimizzata in termini di condizioni di risonanza, ovvero: selezione della lunghezza dei fili, della loro posizione e della quantità di acqua. Ecco cosa è successo con il pomodoro:
La prima scansione del pomodoro è stata eseguita con una grande antenna. Il risultato era solo rumore dai contorni appena visibili. La seconda volta ho posizionato la frutta su una struttura di risonanza appena sfornata. Non ho costruito mappe colorate o cose del genere, dato che l'effetto è evidente. Pertanto, per esperienza personale, anche se ho impiegato molto tempo, ho dimostrato che il concetto funziona.
È chiaro cosa stai pensando - arance, pomodori - è tutto sbagliato, dove sono le sperimentazioni sull'uomo?
Lo erano davvero :
Sulla stessa scatola giace la mano di un volontario sottoposto a risonanza magnetica. Anche l'acqua nella scatola, poiché contiene idrogeno, è chiaramente visibile. Il segnale viene amplificato nella zona del polso adagiata sul risonatore, mentre tutte le altre parti del corpo sono poco visibili. È chiaro che lo stesso effetto, e forse anche migliore, può essere ottenuto utilizzando bobine cliniche standard. Ma il fatto stesso che si possano fare cose del genere semplicemente combinando spazialmente acqua e fili, combinandoli nel modo giusto, è sorprendente. Ancora più sorprendente è che la conoscenza a riguardo può essere acquisita attraverso lo studio di fenomeni apparentemente non correlati, come la rifrazione della luce.
Per chi non è ancora stancoAl momento, il design della scatola dell'acqua è già stato migliorato. Ora è solo un circuito stampato piatto che ti consente di localizzare il campo magnetico di una grande antenna esterna vicino a te. Inoltre, la sua area di lavoro è più ampia di quella del modello precedente:
I nastri colorati indicano l'intensità del campo magnetico sulla struttura quando eccitata da una sorgente esterna di onde elettromagnetiche. La struttura piatta è una tipica linea di trasmissione conosciuta in radioingegneria, ma può essere considerata anche un metamateriale per la risonanza magnetica. Questa “bobina wireless” può già competere con le bobine standard in termini di uniformità del campo generato ad una certa profondità nell’oggetto scansionato:
L'animazione mostra una mappa a colori strato per strato del segnale all'interno di una scatola d'acqua in una risonanza magnetica. Il colore indica l'intensità dei segnali provenienti dai nuclei di idrogeno. Nell'angolo in alto a sinistra, un segmento di una bobina di scansione posteriore standard viene utilizzato come ricevitore. L'angolo in basso a sinistra è quando la scatola è posizionata su un risonatore sotto forma di circuito stampato. In basso a destra: il segnale viene ricevuto da una grande antenna incorporata nel tunnel del tomografo. Ho confrontato l'uniformità del segnale nell'area delineata dal rettangolo. Ad una certa altitudine, il metamateriale offre prestazioni migliori della bobina in termini di uniformità del segnale. Per scopi clinici, questo potrebbe non essere un risultato molto importante, ma quando si tratta di impianti di risonanza magnetica scientifica in cui vengono scansionati i ratti, può aiutare a ottenere un aumento del segnale e una diminuzione della potenza richiesta degli impulsi radio eccitanti.
A proposito di "migliorato di 2 volte" all'inizio dell'articolo - ovviamente, questo è un altro frutto dell'amore non corrisposto dei giornalisti per gli scienziati, tuttavia, è anche sbagliato affermare che si tratta di una ricerca vuota, supportata dall'interesse per questo argomento nei gruppi scientifici di tutto il mondo. Sorprendentemente, anche qui in Russia si lavora, anche se, in base alla mia esperienza puramente personale, questa è un'eccezione piuttosto rara. Ci sono ancora molti problemi irrisolti associati all’uso dei metamateriali nella risonanza magnetica. Oltre a localizzare i campi magnetici per ottenere una buona immagine, non dimenticare i campi elettrici che portano al riscaldamento dei tessuti, nonché l'assorbimento dell'energia del campo a radiofrequenza da parte dei tessuti dei pazienti sottoposti a esame. Per queste cose, nell'uso clinico, deve esserci un controllo apposito, che diventa molto più complicato quando si utilizzano risonatori localizzatori di campo. Per ora i metamateriali per la risonanza magnetica restano nell’ambito della ricerca scientifica, ma i risultati ottenuti sono già molto interessanti e forse in futuro, grazie ad essi, la procedura di risonanza magnetica cambierà in meglio, diventando più veloce e sicura.
Fonte: habr.com