Құлағымнан бұрауыш ысқырып өтті. Қатты шырылдаған дыбыспен ол криостат корпусында қатып қалды. Өзімді-өзіме қарғап отырып, үзіліс жасауды жөн көрдім. 1.5 Tesla магнит өрісінде болттарды болат құралды пайдаланып бұрап алу жақсы идея емес. Өріс, көзге көрінбейтін жау сияқты, құралды қолдарынан жұлып алуға, оны күш сызықтары бойынша бағыттауға және оны асқын өткізгіштен тұйық шеңбер бойымен өтетін электрондарға мүмкіндігінше жақындатуға тырысады. Дегенмен, көп жылдар бұрынғы қышқылдандырылған қосылыстарды жеңу қажет болса, онда көп таңдау жоқ. Мен компьютерге отырдым және әдетте жаңалықтар таспасын айналдырдым. «Ресей ғалымдары МРТ-ны 2 есе жақсартты!» - күдікті тақырыпты оқыңыз.
Шамамен бір жыл бұрын біз және оның жұмысының мәнін түсінді. Осы мақаланы оқымас бұрын сол материал туралы жадыңызды жаңартуды ұсынамын.
Бүгінгі Ресейде әртүрлі себептермен, соның ішінде тарихи себептермен жоғары өрісті магнитті-резонанстық томографиялық сканерлер сияқты күрделі жабдықты өндіру. Дегенмен, егер сіз үлкенірек қалада тұрсаңыз, мұндай қызмет түрін ұсынатын емханаларды оңай таба аласыз. Сонымен қатар, МРТ сканерлерінің паркі жиі АҚШ пен Еуропадан әкелінген пайдаланылған жабдықпен ұсынылған және егер сіз кенеттен МРТ бар емханаға баруыңыз керек болса, құрылғының әдемі көрінісіне алданып қалмаңыз - оның екінші онжылдығында болуы мүмкін. Соның салдарынан мұндай аппаратура кейде істен шығып, науқастар диагностикадан өтіп, иелері пайда табуы үшін ұзақ уақыт бойы сынған томографтарды қызметке қайтарғандардың бірі болдым.
Бір тамаша күнге дейін, үлкен магнит өрісі бар қауіпті ойын-сауықтардың арасындағы үзіліс кезінде мен жаңалықтар лентасында қызықты жазуды кездестірдім: «Ресей ғалымдары голландиялық әріптестерімен бірге метаматериалдарды пайдалану». Айта кету керек, Ресейдің өндірісі бұрын-соңды игерілмеген жабдықтарға зерттеу жүргізіп жатқанының өзі маған өте даулы болып көрінді. Мен бұл «нанотехнология» сияқты түсініксіз ғылыми сөздермен сұйылтылған гранттардың кезекті айналымы деп шештім. Отандық ғалымдардың МРТ және метаматериалдармен жұмысы тақырыбы бойынша ақпаратты іздеу мені оңай қайталауға болатын қарапайым эксперименттің сипаттамасы бар мақалаға әкелді, өйткені МРТ аппараты әрқашан қол астында.
Суреттен , «метаматериал» деп аталатынды пайдаланып МРТ сигналын жақсартуға арналған. Әдеттегі клиникалық 1.5 - Термиялық аппаратта пациенттің орнына метаматериал су бассейні түрінде жүктеледі, оның ішінде белгілі бір ұзындықтағы параллель сымдар орналасқан. Сымдарда зерттеу объектісі - балық (тірі емес) жатыр. Оң жақтағы суреттер - сутегі ядроларының сигнал қарқындылығын көрсететін түсті картасы бар балықтың МРТ суреттері. Балық сымдарда жатқанда сигнал оларсыз қарағанда әлдеқайда жақсы екенін көруге болады. Сканерлеу уақыты екі жағдайда да бірдей, бұл сканерлеу тиімділігінің артқанын дәлелдейді. Мақала да мұқият енгізілген
формула
Мен пайдаланған томографтың жұмыс жиілігіне байланысты сымдардың ұзындығын есептеу. Мен өзімнің метаматериалды кюветкадан және 3D басып шығарылған пластик бекіткіштермен жабдықталған мыс сымдардан жасадым:
Менің алғашқы метаматериалым. Өндірілгеннен кейін ол бірден 1 Tesla томографына салынды. Апельсин сканерленетін нысан ретінде әрекет етті.
Дегенмен, уәде етілген сигналды жақсартудың орнына мен кескінді толығымен бұзатын көптеген артефактілерді алдым! Менің ашуымда шек болмады! Тақырыпты аяқтағаннан кейін мен мақала авторларына хат жаздым, оның мағынасын «Не ...?» Деген сұраққа дейін азайтуға болады.
Авторлар маған тез жауап берді. Олар біреудің эксперименттерін қайталауға тырысып жатқанына қатты таң қалды. Бастапқыда олар маған «Фабри-Перот резонанстары», «ішкі режимдер» терминдерін және көлемдегі радиожиілік өрістерінің барлық түрлерін қолдана отырып, метаматериалдардың қалай жұмыс істейтінін түсіндіруге ұзақ уақыт тырысты. Содан кейін, олардың не туралы айтып жатқанын мүлде түсінбегенімді түсінгендей, олар мен олардың оқиғаларын тікелей эфирде қарап, оның әлі де жұмыс істейтініне көз жеткізу үшін мені оларға қонаққа шақыруды ұйғарды. Сүйікті дәнекерлеуішімді рюкзакыма лақтырып, Санкт-Петербургке, Ақпараттық технологиялар, механика және оптика ұлттық зерттеу университетіне бардым (бұл жерде тек бағдарламашылар ғана дайындалмайды екен).
Мені орнында жылы қарсы алды, кенеттен олар маған жұмыс ұсынды, өйткені сымдары бар арығыма таңданды және жаңаларын жасайтын адам керек болды. Өз кезегінде олар мені қызықтыратын барлық нәрсені егжей-тегжейлі түсіндіріп беруге және бақытты кездейсоқтықпен дәл сол жылы басталған радиофизика мен МРТ бойынша оқу курсынан өтуге уәде берді. Менің білімге деген құштарлығым жеңді, содан кейін мен жыл бойы оқыдым, жобалар жасадым және жұмыс істедім, бірте-бірте магниттік резонанстың тарихы туралы, сондай-ақ осы саладағы заманауи ғылымның жағдайы туралы көбірек жаңа нәрселерді білдім. осында бөлісіңіз.
Жоғарыда аталған ғылыми мақалаларда зерттелген МРТ-ны жетілдірудің ұсынылатын әдісі «метаматериалдар» деп аталатындарға негізделген. Метаматериалдар, көптеген басқа жаңалықтар сияқты, теориялық зерттеулер негізінде алынған күтпеген шешімдерге байланысты. Кеңес ғалымы Виктор Веселаго 1967 жылы теориялық модельмен жұмыс істей отырып, теріс сыну көрсеткіші бар материалдардың болуын ұсынды. Сіз түсінгеніңіздей, біз оптика туралы айтып отырмыз және бұл коэффициенттің мәні, шамамен айтқанда, әртүрлі орталар, мысалы, ауа мен су арасындағы шекарадан өткен кезде оның бағытын қаншалықты өзгертетінін білдіреді. Сіз бұл шынымен болғанын өзіңіз оңай тексере аласыз:
Жарықтың сынуын көрсету үшін лазерлік көрсеткіш пен аквариумды қолданатын қарапайым тәжірибе.
Мұндай тәжірибеден білуге болатын қызықты факт, экспериментатор қанша тырысса да, сәуленің интерфейске түскен жерінен бір бағытта сынуы мүмкін емес. Бұл тәжірибе барлық табиғи заттармен жүргізілді, бірақ сәуле тек бір бағытта сынды. Математикалық тұрғыдан бұл сыну көрсеткішінің, сондай-ақ оны құрайтын шамалардың, диэлектрлік және магниттік өткізгіштіктің оң екенін білдіреді және ол ешқашан басқаша байқалмаған. Кем дегенде, В.Веселаго бұл мәселені зерттеуге шешім қабылдады және теориялық тұрғыдан сыну көрсеткішінің теріс болуы мүмкін емес бірде-бір себеп жоқ екенін көрсетті.
Оң және теріс индекс медиасының айырмашылығын көрсететін Wiki-ден алынған сурет. Көріп отырғанымыздай, жарық біздің күнделікті тәжірибемізбен салыстырғанда мүлдем табиғи емес әрекет етеді.
В.Веселаго ұзақ уақыт бойы теріс сыну көрсеткіші бар материалдардың бар екендігін дәлелдеуге тырысты, бірақ іздестіру сәтсіз аяқталды, ал оның жұмысы орынсыз ұмытылды. Тек келесі ғасырдың басында ғана оптикалық емес, төменгі микротолқынды жиілік диапазонында сипатталған қасиеттерді жүзеге асыратын композиттік құрылымдар жасанды түрде жасалды. Бұл бетбұрыс болды, өйткені мұндай материалдардың болуы жаңа перспективалар ашты. Мысалы - құру , жарықтың толқын ұзындығынан да кіші объектілерді үлкейтуге қабілетті. Немесе - абсолютті камуфляж көрінбейтін жабындар, барлық әскери қызметкерлердің арманы. Жаңа деректерді есепке алу үшін теорияға негізгі түзетулер енгізілді. Табыстың кілті резонанстық элементтердің реттелген құрылымдарын пайдалану болды - өлшемдері өзара әрекеттесетін сәулелену толқын ұзындығынан әлдеқайда аз болатын метаатомдар. Мета-атомдардың реттелген құрылымы метаматериал деп аталатын жасанды композиция болып табылады.
Метаматериалдарды іс жүзінде іске асыру бүгінгі күннің өзінде технологиялық тұрғыдан күрделі, өйткені резонанстық бөлшектердің мөлшері электромагниттік сәулеленудің толқын ұзындығынан азырақ болуы керек. Оптикалық диапазон үшін (толқын ұзындығы нанометрлер) мұндай технологиялар прогрестің алдыңғы қатарында. Сондықтан, метаматериалдар концепциясының алғашқы өкілдері радио диапазонынан салыстырмалы түрде ұзағырақ электромагниттік толқындар үшін (олардың ұзындығы мм-ден м-ге дейін таныс) жасалғаны таңқаларлық емес. Кез келген метаматериалдың негізгі ерекшелігі және сонымен бірге кемшілігі оның құрамдас элементтерінің резонансты табиғатының салдары болып табылады. Метаматериал өзінің ғажайып қасиеттерін белгілі бір жиілікте ғана көрсете алады.
Шектеулі жиіліктер.Сондықтан, мысалы, келесі жолы метаматериалдарға негізделген супер-дыбысты бөгегіш сияқты нәрсені көргенде, оның қандай жиілік диапазонында кептелетінін сұраңыз.
Электромагниттік толқындармен әрекеттесуге мүмкіндік беретін метаматериалдардың типтік мысалдары. Өткізгіш құрылымдар - бұл кішігірім резонаторлардан басқа ештеңе емес, өткізгіштердің кеңістіктік орналасуынан құрылған LC тізбектері.
Метаматериалдар тұжырымдамасы пайда болғаннан және олардың алғашқы іске асырылуынан аз уақыт өтті және адамдар оларды МРТ-да қалай пайдалану керектігін түсінді. Метаматериалдардың негізгі кемшілігі - тар жұмыс диапазоны МРТ үшін проблема емес, мұнда барлық процестер радио диапазонында жатқан бірдей дерлік ядролық магниттік резонанс жиілігінде жүреді. Мұнда сіз өз қолыңызбен мета-атомдарды жасай аласыз және суреттерде не болып жатқанын бірден көре аласыз. Зерттеушілер метаматериалдарды пайдалана отырып, МРТ-да енгізген алғашқы мүмкіндіктердің бірі суперлинзалар мен эндоскоптар болды.
Сол жақта а) әрпінің астында баспа платаларындағы резонаторлардың үш өлшемді массивінен тұратын суперлента көрсетілген. Әрбір резонатор МРТ жиілігіне бапталған LC тізбегін құрайтын дәнекерленген конденсаторы бар ашық металл сақина болып табылады. Төменде бұл метаматериалды құрылымды томографиялық процедурадан өтіп жатқан пациенттің аяқтары арасында және сәйкесінше алынған кескіндер арасында орналастырудың мысалы келтірілген. Егер сіз бұрын МРТ туралы менің алдыңғы мақаламды оқуға кеңес бермеген болсаңыз, науқастың денесінің кез келген бөлігінің суретін алу үшін жақын орналасқан құрылғыны пайдаланып әлсіз, тез ыдырайтын ядролық сигналдарды жинау керек екенін білесіз. антенна - катушка.
Метаматериалды супер линза стандартты катушканың әсер ету ауқымын арттыруға мүмкіндік береді. Мысалы, бір ғана емес, науқастың екі аяғын бірден елестетіңіз. Жаман жаңалық - ең жақсы әсер ету үшін суперленстің орналасуын белгілі бір жолмен таңдау керек, ал суперленстің өзін өндіру өте қымбат. Егер сіз бұл линзаның неліктен супер-префикс деп аталатынын әлі де түсінбесеңіз, фотосуреттен оның өлшемін бағалаңыз, содан кейін оның шамамен бес метр толқын ұзындығымен жұмыс істейтінін түсініңіз!
б) әрпі эндоскоптың конструкциясын көрсетеді. Негізінде, MRI эндоскоп - толқындық бағыттаушы ретінде әрекет ететін параллель сымдардың жиыны. Ол катушка ядролардан сигнал алатын аймақты және катушканың өзін айтарлықтай қашықтыққа кеңістікте бөлуге мүмкіндік береді - қабылдау антеннасы тұрақты магниттік магниттік әсерден алшақ, томографтың криостатының сыртында толығымен орналасуы мүмкін. өріс. b) қойындысының төменгі суреттерінде сұйықтық толтырылған арнайы ыдыс – фантом үшін алынған кескіндер көрсетілген. Олардың арасындағы айырмашылық мынада: «эндоскоп» деп белгіленген кескіндер катушка фантомнан лайықты қашықтықта болған кезде алынған, мұнда эндоскопсыз ядролардың сигналдарын анықтау мүлдем мүмкін емес еді.
Егер біз MRI-де метаматериалдарды қолданудың ең перспективалы бағыттарының бірі туралы айтатын болсақ, және оны практикалық іске асыруға ең жақын (мен ақырында араластым) сымсыз катушкаларды жасау болып табылады. Бұл жерде біз Bluetooth немесе басқа сымсыз деректерді беру технологиясы туралы айтпағанымызды түсінген жөн. «Сымсыз» бұл жағдайда екі резонанстық құрылымның индуктивті немесе сыйымдылық қосылысының болуын білдіреді - трансивер антеннасы, сондай-ақ метаматериал. Тұжырымдамада ол келесідей көрінеді:
Сол жақта әдетте МРТ процедурасы қалай орындалатыны көрсетілген: пациент біркелкі статикалық магнит өрісі аймағында криостат ішінде жатыр. Томограф туннельінде «құс торы» деп аталатын үлкен антенна орнатылған. Бұл конфигурацияның антеннасы радиожиілік магнит өрісінің векторын сутегі ядроларының прецессиялық жиілігімен айналдыруға мүмкіндік береді (клиникалық машиналар үшін бұл әдетте статикалық магнит өрісінің шамасына байланысты 40-тан 120 МГц-ке дейін 1T-ден 3T-ге дейін, тиісінше), олардың энергияны сіңіріп, содан кейін жауап ретінде энергия шығаруына себеп болады. Ядролардан келетін жауап сигналы өте әлсіз және ол үлкен антеннаның өткізгіштеріне жеткенде, ол сөзсіз өшеді. Осы себепті MRI сигналдарды қабылдау үшін жақын орналасқан жергілікті катушкаларды пайдаланады. Орталықтағы сурет, мысалы, тізе сканерлеудің әдеттегі жағдайын көрсетеді. Метаматериалдарды пайдалана отырып, құс торына индуктивті түрде қосылатын резонатор жасауға болады. Мұндай нәрсені пациенттің денесінің қалаған аймағына қою жеткілікті және ол жерден сигнал жергілікті катушкадан гөрі нашар қабылданады! Тұжырымдама сәтті жүзеге асатын болса, пациенттер сымдарға шатаспайды, ал МРТ диагностикалық процедурасы ыңғайлы болады.
Мен сымдарды суға толтырып, апельсинді сканерлеуге тырысқанда, дәл осылай жасауға тырыстым. Осы мақаланың бірінші суретінен суға батырылған сымдар мета-атомдардан басқа ештеңе емес, олардың әрқайсысы жарты толқынды дипольді білдіреді - әрбір радиоәуесқойға таныс ең танымал антенна конструкцияларының бірі.
Олар суға МРТ-да жанып кетпеу үшін емес (бұл мақсат үшін де) емес, судың жоғары диэлектрлік өткізгіштігіне байланысты олардың резонанстық ұзындығын квадратқа тең мөлшерде азайту үшін батырылады. судың диэлектрлік өтімділігінің түбірі.
Бұл чип бұрыннан радиоқабылдағыштарда қолданылған, ферриттің бір бөлігіне сымды орау - деп аталатын. ферритті антенна. Диэлектрик емес, тек ферриттің магниттік өткізгіштігі жоғары, бірақ ол бірдей жұмыс істейді және антеннаның резонанстық өлшемдерін сәйкесінше азайтуға мүмкіндік береді. Өкінішке орай, сіз ферритті МРТ-ға сала алмайсыз, себебі... ол магнитті. Су – арзан әрі қолжетімді балама.
Осының барлығын есептеу үшін резонанстық элементтер, қоршаған орта параметрлері және сәулелену көздері арасындағы қатынасты ескеретін күрделі математикалық модельдер құру керек екені анық... немесе прогрестің жемістері мен сандық электромагниттік бағдарламаларды пайдалануға болады. модельдеу, оны тіпті мектеп оқушысы да оңай түсінеді (ең жарқын мысалдар - CST, HFSS). Бағдарламалық қамтамасыз ету сізге резонаторлардың, антенналардың, электр тізбектерінің 3D үлгілерін жасауға, оларға адамдарды қосуға мүмкіндік береді - иә, шын мәнінде, кез келген нәрсе, жалғыз сұрақ - сіздің қиялыңыз және қол жетімді есептеу қуаты. Құрылған модельдер торларға бөлінеді, олардың түйіндерінде белгілі Максвелл теңдеулері шешіледі.
Мұнда, мысалы, бұрын айтылған құс торының антеннасының ішіндегі радиожиілік магнит өрісінің симуляциясы берілген:
Өрістің қалай айналатыны бірден анық болады. Сол жақтағы жағдай антеннаның ішінде су қорабы болған кезде, ал оң жақта - сол қорап резонанстық ұзындықтағы сымдардан жасалған резонаторда болғанда көрсетіледі. Магниттік өрістің сымдар арқылы айтарлықтай күшейтілгенін көруге болады. CST игергеннен кейін және сол жерде дизайнымды оңтайландырғаннан кейін мен тағы бір рет метаматериал жасадым, бұл шын мәнінде стандартты клиникалық 1.5Т МРТ томографында сигналды күшейтуге мүмкіндік берді. Бұл әлі де сумен және сымдар массивімен толтырылған қорап болды (бірақ әдемірек, плексигласстан жасалған). Бұл жолы құрылым резонанстық жағдайлар бойынша оңтайландырылды, атап айтқанда: сымдардың ұзындығын, олардың орналасуын және судың мөлшерін таңдау. Міне, қызанақпен не болды:
Томатты бірінші сканерлеу үлкен антеннамен орындалды. Нәтижесі әрең көрінетін контурлары бар шу болды. Екінші рет мен жемісті жаңа піскен резонансты құрылымға қойдым. Мен түрлі-түсті карталарды немесе соған ұқсас нәрселерді салған жоқпын, өйткені әсері айқын. Осылайша, өз тәжірибемнен көп уақыт жұмсасам да, тұжырымдаманың жұмыс істейтінін дәлелдедім.
Сіз не ойлайтыныңыз түсінікті - апельсин, қызанақ - бәрі дұрыс емес, адам сынақтары қайда?
Олар шынымен болды :
МРТ-дан өтіп жатқан еріктінің қолы сол қорапта жатыр. Құрамында сутегі болғандықтан қораптағы нақты су да анық көрінеді. Сигнал резонаторда жатқан білек аймағында күшейеді, ал дененің барлық басқа бөліктері нашар көрінеді. Дәл осындай әсерге, мүмкін одан да жақсырақ, стандартты клиникалық катушкалар арқылы қол жеткізуге болатыны анық. Бірақ мұндай нәрселерді су мен сымдарды кеңістікте біріктіру, оларды дұрыс біріктіру арқылы жасауға болатын фактінің өзі таң қалдырады. Одан да таңғаларлық, бұл туралы білімді жарықтың сынуы сияқты бір-бірімен байланыссыз болып көрінетін құбылыстарды зерттеу арқылы алуға болады.
Әлі шаршамағандар үшінҚазіргі уақытта су қорапшасының дизайны жетілдірілген. Енді бұл сізге жақын маңдағы сыртқы үлкен антеннаның магнит өрісін локализациялауға мүмкіндік беретін жалпақ баспа схемасы. Оның үстіне, оның жұмыс аймағы бұрынғы дизайннан үлкенірек:
Түрлі түсті таспалар электромагниттік толқындардың сыртқы көзімен қоздырылған кезде құрылымның үстіндегі магнит өрісінің күшін көрсетеді. Тегіс құрылым радиотехникада белгілі типтік тарату желісі болып табылады, бірақ оны МРТ үшін метаматериал ретінде де қарастыруға болады. Бұл «сымсыз катушкалар» сканерленген нысанда белгілі бір тереңдікте жасалған өрістің біркелкілігі бойынша стандартты катушкалармен бәсекелесе алады:
Анимация МРТ-да су қорабының ішіндегі сигналдың қабат-қабат түсті картасын көрсетеді. Түс сутегі ядроларынан келетін сигналдардың қарқындылығын көрсетеді. Жоғарғы сол жақ бұрышта стандартты артқы сканерлеу катушкасының сегменті қабылдағыш ретінде пайдаланылады. Төменгі сол жақ бұрыш - қорапты баспа тақшасы түріндегі резонаторға қойған кезде. Төменгі оң жақта – сигналды томограф туннеліне салынған үлкен антенна қабылдайды. Мен тіктөртбұрышпен белгіленген аймақтағы сигналдың біркелкілігін салыстырдым. Кейбір биіктікте метаматериал сигнал біркелкілігі бойынша катушкаға қарағанда жақсырақ жұмыс істейді. Клиникалық мақсаттар үшін бұл өте маңызды жетістік болмауы мүмкін, бірақ егеуқұйрықтар сканерленетін ғылыми МРТ қондырғыларына келетін болсақ, бұл сигналдың жоғарылауына және қызықты радиоимпульстердің қажетті қуатының төмендеуіне қол жеткізуге көмектеседі.
Мақаланың басындағы «2 есе жақсарды» туралы - әрине, бұл журналистердің ғалымдарға деген жауапсыз махаббатының тағы бір жемісі, дегенмен, бұл қызығушылықпен расталған бос зерттеулер деп айту да қате. бұл тақырып дүние жүзіндегі ғылыми топтарда. Бір қызығы, бұл жерде Ресейде де жұмыс жүргізілуде, дегенмен менің жеке тәжірибеме негізделген бұл өте сирек ерекшелік. МРТ-да метаматериалдарды қолданумен байланысты әлі де көптеген шешілмеген мәселелер бар. Жақсы суретті алу үшін магнит өрістерін локализациялаудан басқа, тіндердің қызуына әкелетін электр өрістері туралы, сондай-ақ тексеруден өтіп жатқан пациенттердің тіндерінің радиожиілік өрісінің энергиясын сіңіру туралы ұмытпаңыз. Бұл заттар үшін, клиникалық қолдануда, өрісті локализациялаушы резонаторларды пайдалану кезінде әлдеқайда күрделене түсетін арнайы бақылау болуы керек. Әзірге МРТ-ға арналған метаматериалдар ғылыми зерттеулер аясында қалады, бірақ алынған нәтижелер қазірдің өзінде өте қызықты және мүмкін болашақта олардың арқасында МРТ процедурасы жақсы жаққа өзгеріп, тезірек және қауіпсіз болады.
Ақпарат көзі: www.habr.com