פירוק תהודה מגנטית II: מטא-חומרים ב-MRI

מברג שרק מעבר לאוזני. בקול צלצול חזק היא קפאה על גוף הקרוסטט. קיללתי לעצמי, החלטתי לקחת הפסקה. שחרור ברגים בשדה מגנטי של 1.5 טסלה באמצעות כלי פלדה אינו רעיון טוב. השדה, כמו אויב בלתי נראה, מנסה כל הזמן לחטוף את המכשיר מהידיים, לכוון אותו לאורך קווי הכוח שלו ולכוון אותו קרוב ככל האפשר לאלקטרונים הרצים במעגל סגור מהמוליך. עם זאת, אם אתה באמת צריך להביס תרכובות חומציות מלפני שנים רבות, אין הרבה ברירה. התיישבתי ליד המחשב וגללתי בפיד החדשות. "מדענים רוסים שיפרו את ה-MRI פי 2!" - קרא את הכותרת החשודה.

לפני כשנה, אנחנו פירק את סורק ההדמיה בתהודה מגנטית והבין את מהות עבודתו. אני ממליץ לך בחום לרענן את זכרונך מהחומר הזה לפני קריאת מאמר זה.

מסיבות שונות, כולל היסטוריות, ברוסיה כיום כמעט אף פעם ייצור של ציוד מורכב כמו סורקי הדמיה בתהודה מגנטית בשדה גבוה. עם זאת, אם אתם גרים בעיר גדולה יותר, תוכלו למצוא בקלות מרפאות המספקות שירות מסוג זה. יחד עם זאת, צי סורקי ה-MRI מיוצג לרוב על ידי ציוד משומש, פעם שיובא מארה"ב ואירופה, ואם תצטרכו לפתע לבקר במרפאה עם MRI, אל תלכו שולל מהמראה היפה של המכשיר - זה בהחלט עשוי להיות בעשור השני. כתוצאה מכך, ציוד כזה מתקלקל לפעמים, ובמשך תקופה ארוכה הייתי מאלה שהחזירו טומוגרפים שבורים לשירות, כדי שהמטופלים יוכלו להמשיך לעבור אבחון, והבעלים יוכלו להרוויח.

עד שיום בהיר אחד, בהפסקה בין בילויים מסוכנים עם שדות מגנטיים עצומים, נתקלתי בכתובת מעניינת בפיד החדשות: "מדענים רוסים יחד עם עמיתים הולנדים טכנולוגיית MRI משופרת באמצעות מטא-חומרים." מיותר לציין שעצם העובדה שרוסיה עורכת מחקר על ציוד, שייצורו מעולם לא נשלט, נראתה לי מאוד מאוד שנויה במחלוקת. החלטתי שזה רק עוד סבב של מענקים, מדולל במילות באזז מדעיות לא מובנות כמו ה"ננוטכנולוגיה" שלכולם כבר נמאס ממנה. חיפוש אחר מידע על נושא עבודתם של מדעני בית עם MRI ומטא-חומרים הוביל אותי למאמר המכיל תיאור של ניסוי פשוט שאוכל לחזור עליו בקלות, מכיוון שמכשיר ה-MRI תמיד בהישג יד.

תמונה מ מאמרים, המוקדש לשיפור אות ה-MRI באמצעות מה שנקרא "מטה-חומר". במנגנון תרמי קליני טיפוסי, במקום המטופל, מטעינים מטא-חומר, בצורה של אגן מים, שבתוכו נמצאים חוטים מקבילים באורך מסוים. על החוטים מונח מושא המחקר - דג (לא חי). התמונות מימין הן תמונות MRI של הדגים, כאשר מפה צבעונית משולבת המציינת את עוצמת האות של גרעיני המימן. ניתן לראות שכאשר הדג שוכב על החוטים, האות הרבה יותר טוב מאשר בלעדיהם. זמן הסריקה זהה בשני המקרים, מה שמוכיח שיעילות הסריקה מוגברת. המאמר גם כלול בקפידה
הנוסחה

לחשב את אורך החוטים בהתאם לתדירות הפעולה של הטומוגרפיה, שבה השתמשתי. הכנתי את המטא-חומר שלי מקובטה וממערך של חוטי נחושת, מצוידים במחברי פלסטיק מודפסים בתלת מימד:

המטא-חומר הראשון שלי. מיד לאחר הייצור הוא הוכנס לטומוגרפיה 1 טסלה. התפוז פעל כאובייקט להיסריקה.

עם זאת, במקום שיפור האות שהובטח, קיבלתי חבורה של חפצים שקלקלו ​​לחלוטין את התמונה! הכעס שלי לא ידע גבול! לאחר סיום הנושא, כתבתי מכתב לכותבי המאמר, שמשמעותו ניתן לצמצם לשאלה "מה...?"

המחברים הגיבו לי די מהר. הם די התרשמו שמישהו ניסה לשחזר את הניסויים שלהם. בהתחלה הם ניסו הרבה זמן להסביר לי איך מטא-חומרים באמת עובדים, תוך שימוש במונחים "תהודה של Fabry-Perot", "מצבים פנימיים", וכל מיני שדות בתדר רדיו בווליום. ואז, כנראה שהבינו שאני לא מבין בכלל על מה הם מדברים, הם החליטו להזמין אותי לבקר אותם כדי שאוכל להסתכל על ההתפתחויות שלהם בשידור חי ולוודא שזה עדיין עובד. זרקתי את המלחם האהוב עליי לתרמיל ונסעתי לסנט פטרסבורג, לאוניברסיטת המחקר הלאומית לטכנולוגיות מידע, מכניקה ואופטיקה (כפי שהתברר, לא רק מתכנתים מאומנים שם).


התקבלתי בחום במקום, ופתאום הציעו לי עבודה, כי התרשמו מהתעלה שלי עם חוטים והם היו צריכים אדם שייצור חדשים. בתמורה, הם הבטיחו להסביר בפירוט את כל מה שמעניין אותי ולעבור קורס הכשרה ברדיופיזיקה ו-MRI, שבצירוף מקרים המזל התחיל בדיוק באותה שנה. הצימאון שלי לידע ניצח, ולאחר מכן, במהלך השנה, למדתי, עשיתי פרויקטים ועבדתי, למדתי בהדרגה עוד ועוד דברים חדשים על ההיסטוריה של התהודה המגנטית, כמו גם על מצב המדע המודרני בתחום זה, שאותם שתפו כאן.

שיטת השיפור המוצעת של MRI, ונלמדת במאמרים המדעיים שהוזכרו, מבוססת על מה שנקרא "מטה-חומרים". מטא-חומרים, כמו תגליות רבות אחרות, חייבים את הופעתם לפתרונות בלתי צפויים שהושגו על בסיס מחקר תיאורטי. המדען הסובייטי, ויקטור וסלגו, בשנת 1967, שעבד על מודל תיאורטי, הציע את קיומם של חומרים בעלי מקדם שבירה שלילי. כפי שכבר הבנתם, אנחנו מדברים על אופטיקה, והערך של המקדם הזה, באופן גס, אומר כמה האור ישנה את כיוונו במעבר דרך הגבול בין אמצעי תקשורת שונים, למשל אוויר ומים. אתה יכול בקלות לוודא בעצמך שזה באמת קורה:

ניסוי פשוט באמצעות מצביע לייזר ואקווריום כדי להדגים את שבירת האור.

עובדה מעניינת שניתן ללמוד מניסוי כזה היא שלא ניתן לשבור את האלומה באותו כיוון מהמקום בו היא נפלה על הממשק, לא משנה כמה הנסיין ינסה. ניסוי זה בוצע עם כל החומרים המופיעים באופן טבעי, אך הקרן נשברה בעקשנות רק לכיוון אחד. מבחינה מתמטית, זה אומר שמקדם השבירה, כמו גם הכמויות המרכיבות אותו, החדירות הדיאלקטרית והמגנטית, הם חיוביים, ומעולם לא נצפה אחרת. לפחות עד ש-V. Veselago החליט ללמוד את הנושא הזה והראה שתיאורטית אין סיבה אחת לכך שמקדם השבירה לא יכול להיות שלילי.

תמונה מ-Wiki המציגה את ההבדל בין מדיה לאינדקס חיובי ושלילי. כפי שאנו רואים, האור מתנהג בצורה לא טבעית לחלוטין, בהשוואה לחוויה היומיומית שלנו.

V. Veselago ניסה במשך זמן רב למצוא עדויות לקיומם של חומרים בעלי מקדם שבירה שלילי, אך החיפוש לא צלח, ועבודתו נשכחה ללא צדק. רק בתחילת המאה הבאה נוצרו באופן מלאכותי מבנים מרוכבים שהבינו את המאפיינים המתוארים, אך לא בטווח האופטי, אלא בטווח תדר המיקרוגל התחתון. מה שהיה נקודת מפנה, שכן עצם האפשרות לקיומם של חומרים כאלה פתחה אפשרויות חדשות. למשל – יצירה עדשת על, המסוגל להגדיל עצמים קטנים אפילו מאורך הגל של האור. או - כיסויי אי-נראות הסוואה מוחלטת, חלומם של כל אנשי הצבא. בוצעו תיקונים גדולים בתיאוריה כדי לקחת בחשבון נתונים חדשים. המפתח להצלחה היה השימוש במבנים מסודרים של יסודות תהודה - מטאאטומים, שגודלם קטן בהרבה מאורך הגל של הקרינה איתה הם מתקשרים. מבנה מסודר של מטא-אטומים הוא חומר מרוכב מלאכותי הנקרא מטא-חומר.

היישום המעשי של מטא-חומרים גם כיום הוא מורכב מבחינה טכנולוגית, שכן גודלם של חלקיקי התהודה חייב להיות דומה לפחות מאורך הגל של קרינה אלקטרומגנטית. עבור הטווח האופטי (כאשר אורך הגל הוא ננומטר), טכנולוגיות כאלה נמצאות בחזית ההתקדמות. לכן, אין זה מפתיע שהנציגים הראשונים של תפיסת המטא-חומרים נוצרו עבור גלים אלקטרומגנטיים ארוכים יותר יחסית מטווח הרדיו (אשר באורך מוכר יותר מ-mm עד m). המאפיין העיקרי ובו בזמן החיסרון של כל מטא-חומר הוא תוצאה של הטבע המהדהד של המרכיבים המרכיבים אותו. מטא-חומר יכול להפגין את תכונותיו המופלאות רק בתדרים מסוימים.
תדרים מוגבלים.לכן, למשל, בפעם הבאה שאתה רואה משהו כמו משבש סופר-סאונד המבוסס על מטא-חומרים, שאל באיזה טווח תדרים הוא בעצם תוקע.

דוגמאות אופייניות של מטא-חומרים המאפשרים אינטראקציה עם גלים אלקטרומגנטיים. מבני מוליכים הם לא יותר מאשר מהודים קטנים, מעגלי LC שנוצרו על ידי המיקום המרחבי של המוליכים.

זמן קצר חלף מאז הופעת המושג של מטא-חומרים והיישומים הראשונים שלהם, ואנשים הבינו כיצד להשתמש בהם ב-MRI. החיסרון העיקרי של מטא-חומרים הוא שטווח הפעולה הצר אינו מהווה בעיה עבור MRI, שבו כל התהליכים מתרחשים כמעט באותו תדר תהודה מגנטית גרעינית, הנמצאת בטווח הרדיו. כאן תוכלו ליצור מטא-אטומים במו ידיכם ולראות מיד מה קורה בתמונות. אחת התכונות הראשונות שהחוקרים יישמו ב-MRI באמצעות מטא-חומרים היו עדשות-על ואנדוסקופים.

בצד שמאל מתחת לאות א) מוצגת עדשת-על המורכבת ממערך תלת-ממדי של מהודים על גבי מעגלים מודפסים. כל מהוד הוא טבעת מתכת פתוחה עם קבל מולחם, היוצר מעגל LC המכוון לתדר ה-MRI. להלן דוגמה להצבת מבנה מטא-חומרי זה בין רגליו של מטופל העובר הליך טומוגרפיה ובהתאם, התמונות המתקבלות. אם לא בזלת בעבר את העצה לקרוא את המאמר הקודם שלי על MRI, אז אתה כבר יודע שכדי לקבל תמונה של כל חלק בגופו של המטופל, יש צורך לאסוף אותות גרעיניים חלשים ומתפוררים במהירות באמצעות מכשיר הממוקם קרוב אנטנה - סליל.

עדשת העל מטא-חומר מאפשרת לך להגדיל את טווח הפעולה של סליל סטנדרטי. לדוגמה, דמיינו את שתי רגליו של המטופל בבת אחת במקום רק אחת. החדשות הרעות הן שיש לבחור את המיקום של עדשת העל בצורה מסוימת לקבלת האפקט הטוב ביותר, ועדשת העל עצמה די יקרה לייצור. אם אתם עדיין לא מבינים מדוע העדשה הזו נקראת קידומת-על, אז העריכו את גודלה מהתמונה, ואז הבינו שהיא עובדת עם אורך גל של כחמישה מטרים!

האות ב) מציגה את עיצוב האנדוסקופ. בעיקרו של דבר, אנדוסקופ MRI הוא מערך של חוטים מקבילים הפועלים כמוווה גל. היא מאפשרת להפריד באופן מרחבי את האזור שממנו הסליל מקבל את האות מהגרעינים והסליל עצמו במרחק ניכר - עד כדי כך שניתן למקם את האנטנה הקולטת לגמרי מחוץ לקריוסטט של הטומוגרפיה, רחוק מהמגנטי הקבוע. שדה. התמונות התחתונות של לשונית ב) מציגות תמונות שהתקבלו עבור כלי מיוחד מלא נוזל - פנטום. ההבדל ביניהם הוא שהתמונות שכותרתו "אנדוסקופ" התקבלו כאשר הסליל נמצא במרחק הגון מהפנטום, שבו ללא האנדוסקופ יהיה בלתי אפשרי לחלוטין לזהות את האותות מהגרעינים.

אם אנחנו מדברים על אחד מתחומי היישום המבטיחים ביותר של מטא-חומרים ב-MRI, והקרוב ביותר ליישום המעשי שלו (שבסופו של דבר התערבתי בו) הוא יצירת סלילים אלחוטיים. כדאי להבהיר שלא מדובר כאן על בלוטות' או על טכנולוגיית העברת נתונים אלחוטית אחרת. "אלחוטי" במקרה זה פירושו נוכחות של צימוד אינדוקטיבי או קיבולי של שני מבנים תהודה - אנטנת מקלט משדר, כמו גם מטא-חומר. בקונספט זה נראה כך:

בצד שמאל מוצג כיצד מתרחש הליך MRI בדרך כלל: המטופל שוכב בתוך קריוסטט באזור של שדה מגנטי סטטי אחיד. אנטנה גדולה הנקראת "כלוב ציפורים" מותקנת במנהרת הטומוגרפיה. אנטנה בתצורה זו מאפשרת לך לסובב את הווקטור של השדה המגנטי בתדר הרדיו עם תדר הקדמה של גרעיני מימן (עבור מכונות קליניות זה בדרך כלל מ-40 עד 120 מגה-הרץ תלוי בגודל השדה המגנטי הסטטי מ-1T ל-3T, בהתאמה), מה שגורם להם לספוג אנרגיה ואז לפלוט אנרגיה בתגובה. אות התגובה מהליבות חלש מאוד ועד שהוא יגיע למוליכים של אנטנה גדולה, הוא בהכרח ידהה. מסיבה זו, MRI משתמש בסלילים מקומיים מרווחים כדי לקבל אותות. התמונה במרכז, למשל, מציגה מצב אופייני לסריקת ברכיים. באמצעות מטא-חומרים, ניתן ליצור תהודה אשר יהיה מחובר באופן אינדוקטיבי לכלוב ציפורים. זה מספיק למקם דבר כזה ליד האזור הרצוי בגוף המטופל והאות משם יתקבל לא יותר גרוע מאשר עם סליל מקומי! אם הרעיון ייושם בהצלחה, החולים לא יצטרכו עוד להסתבך בחוטים, והליך האבחון של ה-MRI יהפוך נוח יותר.

זה בדיוק מסוג הדברים שניסיתי ליצור בהתחלה, על ידי מילוי החוטים במים וניסיון לסרוק תפוז. החוטים הטבולים במים כבר מהתמונה הראשונה במאמר זה הם לא יותר ממטא-אטומים, שכל אחד מהם מייצג דיפול חצי גל - אחד מעיצובי האנטנות המפורסמים ביותר, המוכר לכל חובב רדיו.
הם טובלים במים לא כדי שלא יתלקחו ב-MRI (אם כי גם למטרה זו)), אלא כדי, בגלל הקבוע הדיאלקטרי הגבוה של המים, להפחית את אורך התהודה שלהם בדיוק בכמות השווה לריבוע. שורש הקבוע הדיאלקטרי של המים.

שבב זה כבר זמן רב בשימוש במקלטי רדיו, מתפתל חוט על פיסת פריט - מה שנקרא. אנטנת פריט. רק לפריט יש חדירות מגנטית גבוהה, ולא דיאלקטרית, שלמרות זאת פועלת באותה צורה ומאפשרת לצמצם את מימדי התהודה של האנטנה בהתאם. למרבה הצער, אתה לא יכול לשים פריט ב-MRI, כי... זה מגנטי. מים הם אלטרנטיבה זולה ונגישה.

ברור שכדי לחשב את כל הדברים האלה צריך לבנות מודלים מתמטיים מורכבים שלוקחים בחשבון את הקשר בין אלמנטים תהודה, פרמטרים סביבתיים ומקורות קרינה... או שאפשר לנצל את פירות הקידמה והתוכנה לאלקטרומגנטית נומרית דוגמנות, שאפילו תלמיד בית ספר יכול להבין בקלות (הדוגמאות הבולטות ביותר - CST, HFSS). התוכנה מאפשרת ליצור מודלים תלת מימדיים של מהודים, אנטנות, מעגלים חשמליים, להוסיף להם אנשים – כן, למעשה, כל דבר, השאלה היחידה היא הדמיון שלך וכוח המחשוב הזמין. המודלים הבנויים מחולקים לרשתות, שבצמתים שלהן נפתרות משוואות מקסוול הידועות.
הנה, למשל, הדמיה של השדה המגנטי בתדר הרדיו בתוך אנטנת כלוב הציפורים שהוזכרה קודם לכן:

מיד מתברר למדי איך השדה מסתובב. המצב משמאל מוצג כאשר יש קופסת מים בתוך האנטנה, ומימין - כאשר אותה קופסה נמצאת על תהודה העשוי מחוטים באורך תהודה. ניתן לראות כיצד השדה המגנטי מוגבר באופן משמעותי על ידי החוטים. לאחר שליטה ב-CST ואופטימיזציה של העיצוב שלי שם, שוב הכנתי מטא-חומר, שבעצם איפשר להגביר את האות בטומוגרפיה קלינית 1.5T MRI קלינית. זו עדיין הייתה קופסה (אם כי יפה יותר, עשויה פרספקס), מלאה במים ומערך של חוטים. הפעם, המבנה עבר אופטימיזציה מבחינת תנאי תהודה, כלומר: בחירת אורך החוטים, מיקומם וכמות המים. זה מה שקרה עם העגבנייה:

הסריקה הראשונה של העגבנייה בוצעה עם אנטנה גדולה. התוצאה הייתה רק רעש עם קווי מתאר בקושי גלויים. בפעם השנייה הנחתי את הפירות על מבנה תהודה טרי שנאפה. לא בניתי מפות צבעוניות או משהו כזה, כי ההשפעה ברורה. כך, מניסיוני, למרות שביליתי הרבה זמן, הוכחתי שהקונספט עובד.

ברור מה אתה חושב - תפוזים, עגבניות - זה הכל לא בסדר, איפה הניסויים האנושיים?
הם באמת היו מוּחזָק:

ידו של מתנדב שעובר בדיקת MRI מונחת על אותה קופסה. המים בפועל בקופסה, מכיוון שהם מכילים מימן, נראים גם הם בבירור. האות מוגבר באזור שורש כף היד השוכב על המהוד, בעוד שכל שאר חלקי הגוף נראים בצורה גרועה. ברור שניתן להשיג את אותו האפקט, ואולי אפילו טוב יותר, באמצעות סלילים קליניים סטנדרטיים. אבל עצם העובדה שאתה יכול לעשות דברים כאלה פשוט על ידי שילוב מרחבי של מים וחוטים, שילוב ביניהם בצורה הנכונה, היא מדהימה. למרבה הפלא, ידע על כך ניתן להשיג באמצעות מחקר של תופעות שלכאורה אינן קשורות, כמו שבירת האור.

למי שעדיין לא עייףכרגע, עיצוב ארגז המים כבר שופר. עכשיו זה רק לוח מעגל מודפס שטוח המאפשר לך למקם את השדה המגנטי של אנטנה חיצונית גדולה בקרבתך. יתר על כן, שטח העבודה שלו גדול מזה של העיצוב הקודם:

הסרטים הצבעוניים מציינים את עוצמת השדה המגנטי מעל המבנה כאשר הוא נרגש ממקור חיצוני של גלים אלקטרומגנטיים. המבנה השטוח הוא קו תמסורת טיפוסי הידוע בהנדסת רדיו, אך יכול להיחשב גם כמטא-חומר ל-MRI. "סליל אלחוטי" זה כבר יכול להתחרות עם סלילים סטנדרטיים במונחים של אחידות השדה שנוצר בעומק מסוים באובייקט הסרוק:

האנימציה מציגה מפת צבע שכבה אחר שכבה של האות בתוך קופסת מים ב-MRI. צבע מציין את עוצמת האותות מגרעיני מימן. בפינה השמאלית העליונה, קטע של סליל סריקה אחורי סטנדרטי משמש כמקלט. הפינה השמאלית התחתונה היא כאשר הקופסה מונחת על תהודה בצורת לוח מעגלים מודפס. ימין למטה - האות מתקבל על ידי אנטנה גדולה המובנית במנהרת הטומוגרפיה. השוויתי את אחידות האות באזור המתווה על ידי המלבן. בגובה מסוים, המטא-חומר מתפקד טוב יותר מהסליל מבחינת אחידות האות. למטרות קליניות, זה אולי לא הישג חשוב במיוחד, אבל כשמדובר במתקני MRI מדעיים שבהם חולדות נסרקות, זה יכול לעזור להשיג עלייה באות וירידה בעוצמה הנדרשת של פולסי רדיו מרגשים.

על "השתפר פי 2" בתחילת המאמר - כמובן, זהו פרי נוסף של אהבתם הנכזבת של עיתונאים למדענים, עם זאת, זה גם לא נכון לומר שמדובר במחקר ריק, שנתמך בעניין ב נושא זה בקבוצות מדעיות ברחבי העולם. למרבה ההפתעה, גם כאן ברוסיה מתבצעות עבודה, אם כי בהתבסס על ניסיוני האישי בלבד, מדובר בחריג נדיר למדי. יש עדיין הרבה בעיות בלתי פתורות הקשורות לשימוש במטא-חומרים ב-MRI. בנוסף ללוקליזציה של שדות מגנטיים כדי לקבל תמונה טובה, אל תשכח משדות חשמליים המובילים לחימום רקמות, כמו גם את ספיגת אנרגיית השדה בתדר הרדיו על ידי רקמות החולים העוברים בדיקה. לדברים האלה, בשימוש קליני, חייבת להיות בקרה מיוחדת, שהופכת הרבה יותר מסובכת כשמשתמשים בתהודה ממקמת שדה. לעת עתה, מטא-חומרים ל-MRI נשארים בגדר המחקר המדעי, אך התוצאות שהתקבלו כבר מעניינות מאוד ואולי בעתיד, בזכותם, הליך ה-MRI ישתנה לטובה, ויהפוך למהיר ובטוח יותר.

מקור: www.habr.com