Una giravite sibilò accanto all'orecchio. Con un forte clangore, si fermò sul corpo del criostato. Borbottando tra me, decisi di prendere una pausa. Svitare i bulloni in un campo magnetico di 1.5 tesla, con uno strumento di acciaio, non è esattamente l'idea migliore. 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 superconduttore. Tuttavia, se è davvero necessario vincere contro le giunzioni arrugginite di anni fa, non c'è molta scelta. Mi sono seduto al computer e, come al solito, ho sfogliato il feed delle notizie. 'I ricercatori russi hanno migliorato la RM del 200%' - annunciava un titolo sospetto.
Circa un anno fa, noi e abbiamo compreso il suo funzionamento. Consiglio vivamente di ripassare i materiali prima di leggere questo articolo.
Per vari motivi, inclusi quelli storici, in Russia al giorno d'oggi la produzione di apparecchiature complesse come i tomografi a risonanza magnetica ad alta campo. Tuttavia, se vivi in una città di medie o grandi dimensioni, troverai facilmente cliniche che offrono questo tipo di servizi. Spesso, il parco di scanner MRI è composto da attrezzature usate, importate in passato dagli Stati Uniti e dall'Europa e, se mai dovesse capitarti di visitare una clinica con un MRI, non lasciarti ingannare dall'aspetto esteriore dell'apparecchiatura — potrebbe avere tranquillamente più di dieci anni. Di conseguenza, tali attrezzature a volte si rompono, e per molto tempo sono stato una di quelle persone che riparavano i tomografi rotti affinché i pazienti potessero continuare a ricevere diagnosi e i proprietari a guadagnare.
Finché un giorno, durante una pausa tra divertimenti rischiosi con campi magnetici di grande intensità, non mi sono imbattuto in un'interessante notizia: «Gli scienziati russi insieme ai colleghi olandesi utilizzando metamateriali». È superfluo dire che il fatto stesso che in Russia siano in corso ricerche dedicate a apparecchiature di cui non è mai stata padroneggiata la produzione mi è sembrato piuttosto controverso. Ho pensato che fosse solo un ennesimo sforzo per ottenere fondi, mescolato con parole scientifiche poco comprensibili come le ormai famose "nanotecnologie". La ricerca di informazioni sul lavoro degli scienziati locali con l'RM e i metamateriali mi ha portato a un articolo che descrive un semplice esperimento che avrei potuto facilmente ripetere, dato che un apparecchio RM è sempre a portata di mano.
Immagine da , dedicata al potenziamento del segnale MRI tramite quello che viene chiamato «metamateriale». In un tipico apparecchio clinico da 1.5 Tesla, al posto del paziente si carica un metamateriale, rappresentato da un bacino d'acqua, all'interno del quale si trovano fili paralleli di lunghezza specifica. Sul filo giace l'oggetto di studio — un pesce (non vivo). Le immagini a destra rappresentano le scansioni MRI del pesce, con una mappa di colori sovrapposta che indica l'intensità del segnale dai nuclei di idrogeno. Si può notare che quando il pesce è posato sui fili, il segnale è decisamente migliore rispetto a quando non lo è. Il tempo di scansione è lo stesso in entrambi i casi, dimostrando un incremento dell'efficienza della scansione. Nell'articolo è stata anche gentilmente fornita
la formula
per calcolare la lunghezza dei fili in base alla frequenza di lavoro del tomografo, che ho poi utilizzato. Ho realizzato il mio metamateriale usando una cuvetta e un insieme di fili di rame, fissati con supporti in plastica stampati in 3D:
Il mio primo metamateriale. Appena assemblato, è stato inserito nel tomografo da 1 Tesla. L'arancia fungeva da oggetto da scansionare.
Tuttavia, invece della potenziamento del segnale promesso, ho ricevuto un sacco di artefatti che rovinano completamente l'immagine! La mia indignazione era alle stelle! Una volta finito il soggetto, ho scritto una lettera agli autori dell'articolo, il cui significato si riduceva alla domanda "Che diavolo...?".
Gli autori mi hanno risposto piuttosto rapidamente. Erano molto impressionati dal fatto che qualcuno stesse cercando di ripetere i loro esperimenti. Inizialmente hanno cercato a lungo di spiegarmi come funzionano effettivamente i metamateriali, utilizzando termini come "risonanze di Fabry-Pérot", "modi propri" e vari campi radiofrequenza. Poi, rendendosi conto che non capivo affatto di cosa si stesse parlando, hanno deciso di invitarmi da loro per vedere i loro sviluppi dal vivo e verificare che funzionassero davvero. Ho messo nel mio zaino il mio saldatore preferito e sono partito per San Pietroburgo, presso l'università nazionale di ricerca delle tecnologie informatiche, meccanica e ottica (come ho scoperto, lì non insegnano solo programmatori).
All'arrivo sono stato accolto calorosamente e, con sorpresa, mi è stata offerta una posizione di lavoro, poiché erano colpiti dalla mia cassetta degli attrezzi con i cavi e avevano bisogno di qualcuno per creare nuovi progetti. In cambio, mi hanno promesso di spiegarmi in dettaglio tutto ciò che mi interessava e di seguire un corso di formazione in fisica delle onde e MRI, che per coincidenza è iniziato proprio quell'anno. La mia sete di conoscenza ha prevalso e, nel corso dell'anno, ho studiato, realizzato progetti e lavorato, scoprendo sempre nuove cose riguardo alla storia della risonanza magnetica e allo stato attuale della scienza in questo campo, che condividerò qui.
Alla base del metodo di miglioramento previsto per la risonanza magnetica, esaminato negli articoli scientifici menzionati, ci sono i cosiddetti "metamateriali". I metamateriali, come molte altre scoperte, devono la loro esistenza a soluzioni inaspettate ottenute attraverso ricerche teoriche. Lo scienziato sovietico Viktor Veselago, nel 1967, lavorando a un modello teorico, ipotizzò l'esistenza di materiali con un coefficiente di rifrazione negativo. Come avrete già capito, si parla di ottica, e questo coefficiente indica, in termini semplici, quanto cambierà direzione la luce passando attraverso il confine tra diverse sostanze, ad esempio aria e acqua. È facile verificare personalmente che ciò accada realmente:
Un semplice esperimento con un puntatore laser e un acquario, che dimostra la rifrazione della luce.
Un fatto interessante che si può estrarre da un esperimento del genere è che un raggio non può piegarsi nella stessa direzione da cui è arrivato al confine di separazione, per quanto ci provi l'esperimentatore. Questo esperimento è stato condotto con tutte le sostanze presenti in natura, ma il raggio si piegava caparbiamente solo in una direzione. Matematicamente, ciò significa che il coefficiente di rifrazione, così come le sue componenti, la permittività dielettrica e la permeabilità magnetica, sono positivi, e non è mai stata osservata una situazione diversa. Almeno fino a quando V. Veselago non decise di studiare questa questione, dimostrando che teoricamente non esiste alcun motivo per cui il coefficiente di rifrazione non possa essere negativo.
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 un coefficiente di rifrazione negativo, ma le sue 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 realizzano le proprietà descritte, ma non nel campo ottico, bensì in una gamma di frequenze a microonde più basse. Questo ha segnato un punto di svolta, poiché la possibilità stessa dell'esistenza di tali materiali apriva nuove prospettive. Ad esempio — la creazione , capaci di ingrandire oggetti anche più piccoli della lunghezza d'onda della luce. Oppure — rivestimenti assoluti per il camuffamento, il sogno di tutti i militari. Sono state apportate modifiche significative alla teoria, tenendo conto dei nuovi dati. La chiave del successo si è rivelata essere l'uso di strutture ordinate composte da elementi risonanti — meta-atomi, le cui dimensioni sono molto inferiori alla lunghezza d'onda delle radiazioni con cui interagiscono. Una struttura ordinata di meta-atomi è un composito artificiale chiamato metamateriale.
L'implementazione pratica dei metamateriali è ancora oggi tecnicamente complessa, poiché la dimensione delle particelle risonanti deve essere comparativamente più piccola della lunghezza d'onda delle radiazioni elettromagnetiche. Per la gamma ottica (dove la lunghezza d'onda è in nanometri), tali tecnologie si trovano al limite delle possibilità del progresso. Pertanto, non sorprende che i primi esemplari del concetto di metamateriali siano stati creati per onde elettromagnetiche relativamente più lunghe, nel range delle onde radio (che hanno lunghezze più familiari da mm a m). La caratteristica principale e insieme il difetto di qualsiasi metamateriale è la conseguenza della natura risonante degli elementi che lo compongono. Un metamateriale può mostrare le sue proprietà straordinarie solo a determinate frequenze.
Frequenze limitate.Quindi, ad esempio, la prossima volta che vedrete qualcosa come un super-silenziatore di suono basato su metamateriali, chiedetevi quali sono le frequenze che realmente silenzia.
Esempi tipici di metamateriali che consentono di interagire con le onde elettromagnetiche. Le strutture degli conduttori non sono altro che piccoli risonatori, circuiti LC, formati dalla disposizione spaziale dei conduttori.
È passato poco tempo dalla comparsa del concetto di metamateriali e delle loro prime realizzazioni, quando le persone hanno iniziato a utilizzarli nella risonanza magnetica (RM). Il principale svantaggio dei metamateriali — la gamma di lavoro ristretta — non rappresenta un problema per la RM, dove tutti i processi avvengono praticamente a una sola frequenza di risonanza magnetica dei nuclei, che rientra nella gamma radio. Qui potete creare a mano dei meta-atomi e vedere immediatamente i risultati nelle immagini. Tra le prime caratteristiche che i ricercatori hanno implementato nella RM utilizzando metamateriali ci sono la superlente 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 saldato, formando un circuito LC sintonizzato sulla frequenza della risonanza magnetica. Di seguito è fornito un esempio di posizionamento di questa struttura in metamateriale tra le gambe di un paziente sottoposto a tomografia e le immagini risultanti. Se in precedenza hai seguito il consiglio di leggere il mio precedente articolo sulla risonanza magnetica, saprai già che per ottenere un'immagine di una zona del corpo del paziente è necessario raccogliere deboli segnali nucleari in rapida attenuazione tramite un'antenna posizionata nelle vicinanze, ovvero una bobina.
La superlente in metamateriale consente di ampliare l'area di copertura della bobina standard. Ad esempio, permette di visualizzare entrambe le gambe del paziente contemporaneamente anziché una sola. Le cattive notizie sono che la posizione della superlente deve essere regolata in un certo modo per ottenere il miglior effetto, e la produzione stessa della superlente è piuttosto costosa. Se non hai ancora capito perché questa lente si chiama super-, guarda le sue dimensioni in foto e poi considera che funziona con lunghezze d’onda di circa cinque metri!
Sotto la lettera b) viene mostrata la struttura dell'endoscopio. In sostanza, l'endoscopio per MRI è un insieme di fili paralleli, che funge da guida d'onda. Questo consente di separare spazialmente la regione da cui la bobina riceve il segnale dai nuclei e la bobina stessa a una distanza considerevole — fino al punto che l'antenna ricevente può trovarsi addirittura al di fuori del criostato dell'imaging, lontano dal campo magnetico costante. Nelle immagini inferiori della scheda b) sono presentate le immagini ottenute per un contenitore riempito di liquido — un fantoma. La differenza tra di loro è che le immagini contrassegnate come "endoscopio" sono state ottenute quando la bobina si trovava a una distanza considerevole dal fantoma, dove senza l'endoscopio i segnali dai nuclei non potrebbero essere rilevati affatto.
Parlando di uno degli ambiti più promettenti per l'applicazione dei metamateriali nella RM, e quello più vicino alla sua realizzazione pratica (in cui mi sono infine impegnato) – è la creazione di bobine wireless. Vale la pena chiarire che non si tratta di Bluetooth o di un'altra tecnologia wireless per la trasmissione di dati. "Wireless" in questo caso indica la presenza di un collegamento induttivo o capacitivo tra due strutture risonanti – l'antenna trasmittente e ricevente, così come il metamateriale. Nella concezione, appare in questo modo:
A sinistra viene mostrato come avviene normalmente la procedura di risonanza magnetica (RM): il paziente è sdraiato all'interno del criostato, nella zona di un campo magnetico statico uniforme. Nel tunnel del tomografo è montanta una grande antenna, chiamata "gabbia di Faraday". Questa configurazione dell'antenna consente di ruotare il vettore del campo magnetico a radiofrequenza alla frequenza di precessione dei nuclei di idrogeno (per le macchine cliniche, di solito da 40 a 120 MHz a seconda dell'intensità del campo magnetico statico, da 1T a 3T rispettivamente), costringendoli ad assorbire energia e poi a emettere un segnale in risposta. Il segnale di risposta dai nuclei è molto debole e, quando raggiunge i conduttori della grande antenna, è destinato a attenuarsi. Per questo motivo, nella RM si utilizzano bobine locali a prossimità per ricevere i segnali. Nell'immagine centrale, ad esempio, è mostrata una situazione tipica di scansione del ginocchio. Con i metamateriali è possibile realizzare un risonatore che sarà induttivamente accoppiato alla gabbia di Faraday. È sufficiente collocare questo dispositivo vicino all'area del corpo del paziente, e il segnale sarà ricevuto non peggio di una bobina locale! In caso di successo della realizzazione del concetto, i pazienti non dovranno più ingarbugliarsi tra i cavi, e la procedura di diagnostica RM diventerà più confortevole.
Questo è esattamente ciò che stavo cercando di creare all'inizio, immergendo i fili nell'acqua e cercando di scansionare un'arancia. I fili immersi nell'acqua dell'immagine iniziale di questo articolo non sono altro che metaatomi, ognuno dei quali rappresenta un dipolo semionda — una delle strutture più note delle antenne, conosciuta da ogni radioamatore.
Li immergono nell'acqua non solo per evitare che prendano fuoco nella Risonanza Magnetica (anche se serve anche a questo), ma per abbreviare la loro lunghezza di risonanza di un valore pari alla radice quadrata della costante dielettrica dell'acqua, grazie all'alta permeabilità dielettrica di quest'ultima.
Questa tecnica è già da tempo impiegata nei ricevitori radio, avvolgendo un filo attorno a un pezzo di ferrite — la cosiddetta antenna a ferrite. Solo che la ferrite ha una elevata permeabilità magnetica, non dielettrica, il che comunque funziona e consente di ridurre le dimensioni di risonanza dell'antenna. Sfortunatamente, in Risonanza Magnetica non si può infilare la ferrite, poiché è magnetica. L'acqua è un'alternativa economica e accessibile.
È evidente che per calcolare tutte queste cose sia necessario costruire complesse modelli matematici che tengano conto delle interazioni tra elementi risonanti, parametri ambientali e fonti di emissione… oppure si può approfittare dei frutti del progresso e utilizzare software di modellazione elettromagnetica numerica, accessibile anche a uno studente delle scuole superiori (esempi eccellenti sono CST e HFSS). Questo software permette di creare modelli 3D di risonatori, antenne, circuiti elettrici, e di aggiungere qualsiasi cosa, includendo anche persone – insomma, tutto ciò che vuoi; l'unico limite è la fantasia e la potenza di calcolo disponibile. I modelli creati vengono suddivisi in griglie, nei cui nodi si risolvono le equazioni di Maxwell.
Ecco, per esempio, la simulazione del campo magnetico a radiofrequenza all'interno della già menzionata antenna di tipo voliera:
È subito chiaro come si muove il campo. A sinistra è mostrata la situazione con una scatola d'acqua all'interno dell'antenna, e a destra — quando la stessa scatola è posizionata su un risonatore di fili di lunghezza risonante. Si può notare come il campo magnetico si intensifichi notevolmente grazie ai fili. Dopo aver imparato a usare CST e ottimizzato la mia progettazione, ho creato nuovamente un metamateriale che ha realmente permesso di amplificare il segnale in un tomografo RM da 1,5T standard. Anche questa volta si trattava di una scatola (in realtà più bella, in plexiglass), riempita d'acqua e con un insieme di fili. Questa volta, la struttura è stata ottimizzata in base alle condizioni di risonanza, in particolare: la scelta della lunghezza dei fili, la loro posizione e la quantità d'acqua. Ecco cosa è venuto fuori con il pomodoro:
La prima scansione del pomodoro è stata effettuata su una grande antenna. Alla fine, si è trattato solo di rumore con contorni appena visibili. La seconda volta ho posizionato il frutto su una struttura di risonanza appena sfornata. Non ho creato mappe colorate o simili, poiché l'effetto è evidente. In questo modo, dalla mia esperienza, anche se ho speso molto tempo, ho dimostrato che il concetto funziona.
Capisco cosa state pensando — arance, pomodori — non è questo, dove sono le prove sugli esseri umani?
In effetti, sono state :
La mano di un volontario che sta facendo una risonanza magnetica è posata sulla stessa scatola. Dopotutto, l'acqua nella scatola, contenendo idrogeno, è anch'essa ben visibile. L'amplificazione del segnale avviene nella zona del polso che poggia sul risonatore, mentre le altre parti del corpo sono visibili con difficoltà. È chiaro, quindi, che un effetto simile, se non migliore, si può ottenere anche utilizzando le tradizionali bobine cliniche. Ma il fatto stesso che sia possibile realizzare tali cose, semplicemente combinando spazialmente acqua e fili, combinandoli in modo opportuno, è davvero sorprendente. Ancora più sorprendente è che queste conoscenze possono essere acquisite grazie allo studio di fenomeni apparentemente non correlati, come la rifrazione della luce.
Per chi non è ancora stancoAttualmente la struttura della scatola con l'acqua è già stata migliorata. Ora si tratta semplicemente di un circuito stampato piatto, che consente di localizzare il campo magnetico di una grande antenna esterna nei suoi dintorni. Inoltre, il suo raggio d'azione è maggiore rispetto al precedente design:
Le strisce colorate mostrano l'intensità del campo magnetico sopra la struttura quando eccitata da una fonte esterna di onde elettromagnetiche. La struttura piatta rappresenta un tipico cavo di trasmissione, conosciuto in elettronica, ma può anche essere considerato come un metamateriale per la risonanza magnetica (RM). Questa 'bobina wireless' è già in grado di competere con le bobine standard per l'omogeneità del campo generato 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 RMN. Il colore indica l'intensità dei segnali provenienti dai nuclei di idrogeno. In alto a sinistra, un segmento della bobina standard per la scansione della schiena è utilizzato come ricevitore. In basso a sinistra, la scatola è posizionata su un risonatore a forma di scheda madre. In basso a destra, un'antenna di grandi dimensioni, integrata nel tunnel del tomografo, riceve il segnale. Ho confrontato l'omogeneità del segnale nell'area delimitata dal rettangolo. A una certa altezza, il metamateriale funziona meglio della bobina in termini di omogeneità del segnale. Per le applicazioni cliniche, potrebbe non rappresentare un grande miglioramento, ma quando si tratta di impianti scientifici per la RMN, dove si scansionano i ratti, questo può contribuire ad un aumento del segnale e a una riduzione della potenza necessaria degli impulsi radio di eccitazione.
Riguardo al "miglioramento del 200%" all'inizio dell'articolo — ovviamente, è l'ennesimo frutto dell'amore non corrisposto dei giornalisti per gli scienziati, ma è altrettanto errato affermare che si tratta di ricerche prive di valore, come dimostra l'interesse verso questo tema nei gruppi scientifici di tutto il mondo. È sorprendente, ma anche in Russia si stanno conducendo ricerche, anche se, secondo la mia personale esperienza, si tratta di un caso piuttosto raro. Ci sono ancora molte questioni irrisolte relative all'applicazione dei metamateriali nella Risonanza Magnetica (RM). Oltre alla localizzazione dei campi magnetici per ottenere una buona immagine, non bisogna dimenticare i campi elettrici, che possono causare il riscaldamento dei tessuti, così come l'assorbimento dell'energia del campo radiofrequenza da parte dei tessuti dei pazienti sottoposti ad esami. Queste problematiche devono essere monitorate attentamente nell'uso clinico, il che diventa molto complicato quando si utilizzano i resonatori che localizzano i campi. Attualmente, i metamateriali per la RM rimangono nell'ambito della ricerca scientifica, ma i risultati ottenuti sono già molto interessanti e, forse, in futuro la procedura di RM cambierà in meglio grazie a loro, diventando più veloce e sicura.
Fonte: habr.com
