MRI の解体 II: MRI におけるメタマテリアル

ドライバーが耳元で笛を吹いた。 大きな音を立てて、彼女はクライオスタットの本体の上で凍りついた。 自分に悪態をつきながら、休むことにした。 1.5 テスラの磁場中で鋼製工具を使用してボルトを外すというのは、まあまあのアイデアです。 目に見えない敵として、フィールドは常にツールを手から奪い、力の線に沿って方向を定め、超伝導体からの悪循環を走る電子にできるだけ近づけようとします。 ただし、何年も前の酸っぱい化合物を克服する必要がある場合、あまり選択肢はありません。 私はコンピューターの前に座り、習慣的にニュースフィードをスクロールしていました。 「ロシアの科学者はMRIを2倍改良しました！」 疑わしい見出しを読んでください。

約XNUMX年前、私たちは、 解体された磁気共鳴画像法 そして彼の作品の本質を理解した。 この記事を読む前に、その内容の記憶をリフレッシュすることを強くお勧めします。

歴史的な理由を含むさまざまな理由により、今日のロシアでは ほとんどなし 高磁場磁気共鳴断層撮影装置などの複雑な装置の製造。 ただし、多かれ少なかれ大都市に住んでいる場合は、この種のサービスを提供するクリニックを簡単に見つけることができます。 同時に、MRI スキャナーのフリートは、かつて米国やヨーロッパから輸入された中古の装置で代表されることがよくあります。突然 MRI クリニックを訪問する必要がある場合は、装置の美しい外観に騙されないでください。 XNUMX年目に入りますように。 その結果、そのような機器は時々故障することがあります。私は長い間、患者が引き続き診断を受けられるように、そして所有者が利益を得ることができるように、壊れた断層撮影装置をサービスに返却していた一人でした。

最高の日のある日、巨大な磁場を伴う危険なエンターテイメントの合間の休憩中に、私はニュースフィードで興味深い碑文を見つけた。「ロシアの科学者がオランダ人の同僚と共同」 先進的なMRI技術 メタマテリアルの助けを借りて。 言うまでもなく、ロシアがまだ製造がマスターされていない機器の研究を行っているという事実そのものが、私には非常に物議を醸すものに思えた。 私は、これはもう誰もがうんざりしている「ナノテクノロジー」のような理解できない科学的流行語で薄められた、ただの助成金のまた一杯にすぎないと判断しました。 MRI とメタマテリアルを使用したロシアの科学者の研究に関する情報を検索したところ、MRI 装置が常に手元にあるため、簡単に繰り返すことができる簡単な実験の説明を含む記事にたどり着きました。

からの写真 記事いわゆる「メタマテリアル」を使用した MRI 信号の増幅に特化しています。 患者の代わりに、メタマテリアルが水たまりの形で典型的な 1.5 テスラの臨床装置にロードされ、その中には一定の長さの平行なワイヤがあります。 電線の上には研究対象である魚（非生物）が横たわっています。 右側の写真は魚の MRI 画像であり、水素原子核からの信号の強度を示すカラー マップが重ねられています。 魚がワイヤーの上にある場合、信号はワイヤーがない場合よりもはるかに優れていることがわかります。 どちらの場合もスキャン時間は同じであり、スキャン効率が向上していることがわかります。 記事も丁寧に引用させていただきました
式

私が使用したスキャナーの動作周波数に応じてワイヤーの長さを計算します。 私はセルと銅線の配列からメタマテリアルを作成し、3D プリントされたプラスチック マウントを取り付けました。

初めてのメタマテリアル。 作製後すぐに、1テスラ断層撮影装置に入れられました。 オレンジはスキャンの対象として機能しました。

しかし、約束された信号増幅の代わりに、画像を完全に台無しにする大量のアーティファクトが得られました。 私の憤りは際限がありませんでした！ この主題を食べ終えた後、私は記事の著者に手紙を書きましたが、その意味は「何...?」という質問に要約できます。

著者たちはかなり迅速に私に返事をくれました。 彼らは、誰かが自分たちの実験を再現しようとしていたことに非常に感銘を受けました。 最初に、彼らは、「ファブリ・ペロー共鳴」、「固有モード」、そしてボリューム内のあらゆる種類の無線周波数フィールドという用語を使用して、メタマテリアルが依然としてどのように機能するかを私に長い間説明しようとしました。 その後、どうやら私がそれが何についてなのかまったく理解していないことに気づいたらしく、彼らは私を彼らの訪問に招待することに決めました。そうすれば、私は彼らの開発を生で見て、それがまだ機能するかどうかを確認することができました。 私はお気に入りのはんだごてをバックパックに放り込み、サンクトペテルブルクの国立情報技術・機械・光学研究大学に行きました（結局のところ、そこで教えられているのはプログラマーだけではありません）。


その場で私は温かく迎えられ、突然、彼らは私のワイヤー付きセルに感銘を受け、新しいセルを作成する人が必要だということで、仕事を提供してくれました。 その見返りに、彼らは私が興味を持っているすべてのことを詳細に説明し、幸運にもその年に始まった放射線物理学とMRIのコースを受講することを約束してくれました。 知識への渇望が勝り、その後、一年を通して勉強し、プロジェクトを実行し、働きながら、磁気共鳴の歴史やこの分野の現代科学の現状について、徐々に新しいことを学びました。ここで共有してください。

提案されている MRI の改善方法、および前述の科学論文で調査されている方法は、いわゆる「メタマテリアル」に基づいています。 他の多くの発見と同様、メタマテリアルは、理論的研究に基づいて得られた予期せぬ解決策によってその出現をもたらします。 ソ連の科学者ビクター・ヴェセラゴは、1967 年に理論モデルの開発中に、負の屈折率を持つ物質の存在を示唆しました。 すでにお分かりかと思いますが、ここでは光学の話をしていますが、この係数の値は、大まかに言うと、光が異なる媒体、たとえば空気と水の境界を通過するときに、どれだけ方向を変えるかを意味します。 これが実際に当てはまることは、自分の目で簡単にわかります。

レーザーポインターと水槽を使った光の屈折を示す簡単な実験です。

このような実験から学べる興味深い事実は、実験者がどんなに努力しても、ビームは界面に落ちた方向と同じ方向に屈折できないということです。 このような実験はすべて自然に存在する物質を使って行われましたが、ビームは頑固に一方向にのみ屈折しました。 数学的には、これは屈折率とその成分である誘電率と透磁率が正であり、他には何も観測されていないことを意味します。 少なくとも、V. Veselago がこの問題を研究することを決意し、理論的には屈折率が負になり得ない理由は XNUMX つもないことを示すまでは。

正の屈折率と負の屈折率を持つ媒体の違いを示す Wiki からの画像。 ご覧のとおり、光は私たちの日常の経験と比べて、まったく不自然に動作します。

V. ヴェセラゴは長い間、負の屈折率を持つ物質の存在の証拠を見つけようとしましたが、検索は成功せず、彼の研究は不当にも忘れ去られました。 次の世紀の初めになって初めて、記載された特性を実現する複合構造が人工的に作成されましたが、光学的ではなく、より低いマイクロ波周波数範囲で実現されました。 このような物質が存在する可能性そのものが新たな視点をもたらしたので、これは大きな転換点でした。 たとえば、 スーパーレンズ、光の波長よりも小さい物体を拡大することができます。 あるいは、絶対迷彩、目に見えないコーティング、全軍の夢。 新しいデータを考慮して理論に重大な修正が加えられました。 成功の鍵は、相互作用する放射線の波長よりもはるかに小さいサイズの共鳴要素であるメタ原子の規則的な構造を使用することでした。 メタ原子の規則的な構造は、メタマテリアルと呼ばれる人工複合体です。

共鳴粒子のサイズは電磁放射の波長未満に匹敵する必要があるため、メタマテリアルの実用化は今日でも技術的に困難です。 光学範囲（波長がナノメートル）では、このような技術は進歩の最前線にあります。 したがって、メタマテリアルの概念の最初の代表が、無線範囲からの比較的長い電磁波 (私たちにとってより馴染みのある mm から m までの長さ) のために作成されたことは驚くべきことではありません。 メタマテリアルの主な特徴であると同時に欠点は、その構成要素の共振特性の結果です。 メタマテリアルは、特定の周波数でのみその奇跡的な特性を発揮できます。
限られた周波数。したがって、たとえば、メタマテリアルに基づいた超音波ジャマーのようなものをもう一度見たときは、それが実際にどの周波数範囲を妨害するのかを尋ねてください。

電磁波との相互作用を可能にするメタマテリアルの典型的な例。 導体の構造は、導体の空間的位置によって形成される小さな共振器、つまり LC 回路にすぎません。

メタマテリアルの概念が登場し、その最初の実装が行われてから、人々が MRI でメタマテリアルをどのように使用するかを推測してから少し時間が経過しました。 メタマテリアルの主な欠点は、MRI では狭い動作範囲が問題にならないことです。MRI では、すべてのプロセスが、無線範囲にあるほぼ同じ核磁気共鳴周波数で発生します。 ここでは、自分の手でメタアトムを作成し、写真で何が起こるかをすぐに確認できます。 研究者がメタマテリアルを使用して MRI に実装した最初の機能の XNUMX つは、スーパーレンズと内視鏡でした。

左側の文字 a) の下には、プリント基板上の共振器の XNUMX 次元アレイで構成されるスーパーレンズが示されています。 各共振器は、MRI 周波数に同調した LC 回路を形成するはんだ付けされたコンデンサーを備えた開いた金属リングです。 以下は、断層撮影処置を受けている患者の脚の間にメタマテリアルからこの構造を配置し、したがって写真の後に取得された例です。 MRI に関する私の前回の記事を読むというアドバイスを以前から軽視しなかった方なら、患者の体のどの部分の画像を取得するためにも、狭い間隔で配置された放射線を使用して、弱く急速に減衰する核信号を収集する必要があることをすでにご存知でしょう。アンテナ - コイル。

メタマテリアル スーパーレンズにより、標準コイルのより広いカバーエリアが可能になります。 たとえば、患者の片足ではなく両足を一度に視覚化します。 悪いニュースは、効果を最大限に発揮するにはスーパーレンズの位置を特定の方法で選択する必要があり、スーパーレンズ自体の製造コストが非常に高いことです。 なぜこのレンズが接頭辞「スーパー」で呼ばれるのかまだ理解できない場合は、写真からそのサイズを推定し、約 XNUMX メートルの波長で動作することに気づきましょう。

文字 b) の下には内視鏡の設計が示されています。 本質的に、MRI 内視鏡は導波管として機能する平行なワイヤのアレイです。 これにより、コイルが核からの信号を受信する領域とコイル自体を適切な距離で空間的に分離することができます。受信アンテナが断層撮影装置のクライオスタットの完全に外側に配置され、一定の距離から遠く離れた場所に配置されるまでです。磁場。 タブ b) の下の写真は、液体で満たされた特別な容器、つまりファントムについて取得された画像を示しています。 それらの違いは、「内視鏡」とラベル付けされた画像は、コイルがファントムから適切な距離にあるときに取得されたものであり、内視鏡がなければ核からの信号を検出することは完全に不可能であることです。

MRI におけるメタマテリアルの応用で最も有望な分野の XNUMX つ、そしてその実用化に最も近い分野 (最終的には私も関与しました) について言えば、ワイヤレス コイルの作成です。 これは Bluetooth やその他のワイヤレス データ転送テクノロジに関するものではまったくないことを明確にしておきます。 この場合の「ワイヤレス」とは、トランシーバーアンテナとメタマテリアルという XNUMX つの共振構造の誘導結合または容量結合の存在を意味します。 概念としては次のようになります。

左側は典型的な MRI 手順を示しています。患者はクライオスタット内の均一な静磁場のゾーンに横たわっています。 「鳥かご」と呼ばれる大きなアンテナがスキャナーのトンネルに取り付けられています。 この構成のアンテナを使用すると、水素原子核の歳差運動の周波数に合わせて無線周波数磁場のベクトルを回転させることができます (臨床機械の場合、これは通常 40 ～ 120 MHz で、からの静磁場の大きさに応じて異なります)。それぞれ 1T から 3T)、エネルギーを吸収し、それに応じて放射します。 原子核からの応答信号は非常に弱く、大きなアンテナの導体に到達するまでは必ず減衰します。 このため、MRI は信号を受信するために密集したローカル コイルを使用します。 たとえば、中央の写真は、典型的な膝スキャンの状況を示しています。 メタマテリアルを使用すると、鳥かごに誘導結合する共振器を作成できます。 そのようなものを患者の体の希望する部分の近くに配置するだけで十分であり、そこからの信号はローカルコイルを使用する場合よりも悪くありません。 このコンセプトがうまく実装されれば、患者はワイヤーに絡まる必要がなくなり、MRI 診断手順がより快適になります。

これはまさに私が最初に作成しようとしていた種類のもので、ワイヤーに水を浸し、オレンジをスキャンしようとしていました。 この記事の最初の写真の水中に沈んだワイヤーはメタ原子にほかならず、そのそれぞれが半波長ダイポールであり、アマチュア無線家の誰もがよく知っている最も有名なアンテナ設計の XNUMX つです。
それらを水に浸すのは、MRIで発火しないようにするためではなく（これも同様ですが）、水の誘電率が高いため、共振長をまさに水の誘電率の平方根だけ短くするためです。 。

このチップはラジオで長い間使用されており、いわゆるフェライトの周りにワイヤーを巻き付けます。 フェライトアンテナ。 高い透磁率を持つのはフェライトだけであり、誘電体ではありませんが、同じように作用し、それに応じてアンテナの共振寸法を小さくすることができます。 残念ながら、フェライトは MRI に挿入できません。 それは磁気です。 水は安価で手頃な代替品です。

これらすべてを計算するには、共振要素、環境パラメータ、放射線源の関係を考慮した最も複雑な数学モデルを構築する必要があることは明らかです...あるいは、進歩の成果とソフトウェアを使用することもできます数値電磁モデリングでは、男子生徒でも簡単に理解できます (最も明るい例 - CST、HFSS)。 このソフトウェアを使用すると、共振器、アンテナ、電気回路の 3D モデルを作成し、そこに人を追加できます。はい、実際には何でも可能です。唯一の問題は空想と利用可能な計算能力です。 構築されたモデルはグリッドに分割され、そのノード内で既知のマクスウェル方程式の解が実行されます。
たとえば、ここにあるのは、前述の鳥かご型アンテナ内の RF 磁場のシミュレーションです。

フィールドがどのように回転するかがすぐに明らかになります。 アンテナ内に水の入ったボックスがある場合の状況を左側に示し、共振長のワイヤで作られた共振器上に同じボックスがある場合の状況を右側に示します。 磁場がワイヤーによってどのように大幅に強化されるかがわかります。 CST を習得し、そこで設計を最適化した後、標準的な臨床用 1.5T MRI 断層撮影装置で信号を増幅できるメタマテリアルを再度作成しました。 それはまだ箱であり（プレキシガラス製の方が美しいですが）、水と一連のワイヤーで満たされていました。 今回は、ワイヤーの長さ、位置、水の量などの共振条件の最適化を図りました。 トマトの場合は次のとおりです。

トマトの最初のスキャンは大型アンテナで実行されました。 結果は、輪郭がほとんど見えないノイズだけでした。 XNUMX回目は、焼きたての共鳴構造の上に胎児を置きました。 効果は明ら​​かなので、カラー マップなどは作成しませんでした。 したがって、私の経験では、多くの時間を費やしましたが、コンセプトが機能することを証明できました。

あなたが何を考えているかは明らかです - オレンジ、トマト - これがすべてではありません、人々に対する検査はどこにありますか？
彼らは本当にそうでした 実施された:

MRI 検査を受けるボランティアの手も同じ箱の上にあります。 ボックス内の水自体も水素が含まれているため、完全に目で見ることができます。 信号の増幅は共振器の上にある手首の領域で発生しますが、体の他の部分はほとんど見えません。 標準的な臨床コイルを使用しても同じ効果、あるいはそれ以上の効果が得られることは明らかです。 しかし、水とワイヤーを空間的に、適切に組み合わせるだけで、このようなことができるという事実自体が驚くべきことです。 さらに驚くべきことは、これに関する知識が、光の屈折など、一見無関係に見える現象の研究を通じて得られることです。

まだ疲れていない方へ現時点では、ウォーターボックスのデザインはすでに改良されています。 これは単なる平らなプリント基板であり、外部の大型アンテナの磁場を近くに位置特定することができます。 さらに、その作業領域は以前の設計よりも大きくなっています。

色付きのリボンは、外部の電磁波源から励起されたときの構造上の磁場の強さを示します。 平面構造は無線工学で知られる典型的な伝送線路ですが、同時にMRI用の隕石材料とも言えます。 この「ワイヤレス コイル」は、スキャン対象の特定の深さで生成される磁場の均一性の点で、すでに標準コイルと競合することができます。

このアニメーションは、MRI ウォーター ボックス内の信号のレイヤーごとのカラー マップを示しています。 色は水素原子核からの信号の強度を示します。 左上隅では、背中をスキャンするための標準コイルのセグメントが受信機として使用されています。 左下隅は、ボックスがプリント基板の形で共振器上にある場合です。 右下 - 信号は断層撮影トンネルに組み込まれた大型アンテナによって受信されます。 四角で囲った領域の信号の均一性を比較してみました。 高度によっては、メタマテリアルは信号の均一性の点でコイルよりも優れたパフォーマンスを発揮します。 臨床目的では、これはそれほど重要な成果ではないかもしれませんが、ラットをスキャンする科学的な MRI 施設に関しては、これは信号利得を達成し、興奮性無線パルスの必要な電力を削減するのに役立ちます。

記事の冒頭の「2倍の改善」について - もちろん、これもジャーナリストの科学者に対する報われない愛の成果ですが、これらが空虚な研究であり、それが科学者への関心によって強化されていると言うのも間違いです。このテーマは世界中の科学グループで議論されています。 驚くべきことに、ここロシアでも研究が進められているが、私の全く個人的な経験に基づくと、これはむしろ稀な例外である。 MRI でのメタマテリアルの使用に関連する未解決の問題はまだ多くあります。 良好な画像を取得するための磁場の位置特定に加えて、組織の加熱につながる電場や、高周波場のエネルギーの検査を受ける患者の組織の吸収を忘れないでください。 これらについて、臨床使用では特別な制御が必要ですが、場局在共振器を使用する場合には非常に複雑になります。 これまでのところ、MRI 用メタマテリアルは科学研究の枠内にとどまっていますが、得られた結果はすでに非常に興味深いものであり、将来的には MRI 手順がより速く、より安全になるなど、より良い方向に変化する可能性があります。

出所： habr.com