자기공명영상 II 분해: MRI의 메타물질

드라이버가 내 귓가에 휘파람을 불었다. 요란한 벨소리와 함께 그녀는 저온 유지 장치 본체 위에서 얼어붙었다. 욕하면서 나는 잠시 쉬기로 결정했다. 1.5테슬라 자기장에서 강철 도구를 사용하여 볼트를 푸는 것은 좋은 생각이 아닙니다. 눈에 보이지 않는 적처럼 현장은 끊임없이 손에서 장비를 빼앗아 힘의 선을 따라 방향을 지정하고 초전도체의 닫힌 원에서 움직이는 전자에 최대한 가깝게 지시하려고합니다. 그러나 실제로 수년 전의 산성화 화합물을 제거해야 한다면 선택의 여지가 많지 않습니다. 나는 컴퓨터 앞에 앉아 습관적으로 뉴스피드를 스크롤했습니다. "러시아 과학자들이 MRI를 2배 향상시켰습니다!" - 의심스러운 헤드라인을 읽어보세요.

약 XNUMX년 전, 우리는 자기공명영상 스캐너를 분해했습니다 그의 작품의 본질을 이해했습니다. 이 기사를 읽기 전에 해당 자료에 대한 기억을 되새길 것을 강력히 권합니다.

오늘날 러시아에서는 역사적 이유를 포함한 다양한 이유로 실질적으로 고자기장 자기공명영상 스캐너와 같은 복잡한 장비 생산. 그러나 대도시에 거주하는 경우 이러한 유형의 서비스를 제공하는 진료소를 쉽게 찾을 수 있습니다. 동시에 MRI 스캐너 제품군은 한때 미국과 유럽에서 수입된 중고 장비로 대표되는 경우가 많으며 갑자기 MRI를 가지고 병원을 방문해야 하는 경우 장치의 아름다운 외관에 속지 마십시오. 아마도 두 번째 XNUMX년이 될 것입니다. 결과적으로 그러한 장비는 때때로 고장이 나고, 나는 환자가 계속 진단을 받고 소유자가 이익을 얻을 수 있도록 고장난 단층 촬영기를 서비스에 반환하는 사람들 중 한 명이었습니다.

화창한 어느 날, 엄청난 자기장이 있는 위험한 오락을 쉬는 동안 나는 뉴스피드에서 흥미로운 문구를 발견했습니다. “네덜란드 동료들과 함께 있는 러시아 과학자들 향상된 MRI 기술 메타물질을 사용합니다." 말할 필요도 없이, 러시아가 생산을 마스터한 적이 없는 장비에 대한 연구를 수행하고 있다는 사실은 나에게 매우 논란의 여지가 있는 것처럼 보였습니다. 나는 이것이 모두가 이미 질려버린 "나노기술"과 같은 이해할 수 없는 과학적 전문 용어로 희석된 또 다른 보조금이라고 결정했습니다. MRI 및 메타물질을 이용한 국내 과학자들의 작업 주제에 대한 정보를 검색한 결과 MRI 기계가 항상 가까이에 있기 때문에 쉽게 반복할 수 있는 간단한 실험에 대한 설명이 포함된 기사를 보게 되었습니다.

사진 출처: 조항, 소위 "메타물질"을 사용하여 MRI 신호를 향상시키는 데 전념합니다. 일반적인 임상 1.5 - 열 장치에서는 환자 대신 메타물질이 물통 형태로 로드되며 그 내부에는 특정 길이의 평행 와이어가 위치합니다. 전선에는 연구 대상인 물고기 (무생물)가 있습니다. 오른쪽 사진은 물고기의 MRI 이미지이며, 수소핵의 신호 강도를 나타내는 색상 지도가 겹쳐져 있습니다. 물고기가 전선 위에 놓여 있을 때 신호가 없는 것보다 신호가 훨씬 더 좋다는 것을 알 수 있습니다. 스캐닝 시간은 두 경우 모두 동일하며 이는 스캐닝 효율성이 향상되었음을 입증합니다. 기사도 세심하게 포함되어 있습니다
공식

내가 사용한 단층 촬영기의 작동 주파수에 따라 와이어의 길이를 계산합니다. 저는 큐벳과 3D 프린팅된 플라스틱 패스너가 장착된 구리선 배열로 메타물질을 만들었습니다.

나의 첫 번째 메타물질. 생산 직후 1테슬라 단층촬영기에 투입됐다. 오렌지는 스캔 대상으로 작용했습니다.

그러나 약속된 신호 강화 대신 이미지를 완전히 손상시키는 많은 아티팩트를 받았습니다! 나의 분노는 끝이 없었습니다! 주제를 마친 후 기사 작성자에게 편지를 썼는데 그 의미는 "무엇 ...?"이라는 질문으로 축소 될 수 있습니다.

저자들은 나에게 매우 빠르게 응답했습니다. 그들은 누군가 자신의 실험을 재현하려고 한다는 사실에 깊은 인상을 받았습니다. 처음에 그들은 "Fabry-Perot 공명", "고유 모드" 및 볼륨의 모든 종류의 무선 주파수 장이라는 용어를 사용하여 메타물질이 실제로 어떻게 작동하는지 설명하려고 오랫동안 노력했습니다. 그런 다음 그들은 내가 그들이 말하는 내용을 전혀 이해하지 못했다는 것을 깨닫고 나를 방문하여 그들의 발전 상황을 실시간으로보고 그것이 여전히 작동하는지 확인할 수 있도록 나를 초대하기로 결정했습니다. 나는 내가 가장 좋아하는 납땜 인두를 배낭에 던지고 상트 페테르부르크의 국립 정보 기술, 기계 및 광학 연구 대학으로갔습니다 (결과적으로 프로그래머뿐만 아니라 그곳에서 교육을 받았습니다).


저는 현장에서 따뜻한 환대를 받았고 갑자기 제게 일자리를 제안했습니다. 전선이 있는 제 도랑에 깊은 인상을 받았고 새로운 전선을 만들 사람이 필요했기 때문입니다. 그 대가로 그들은 내가 관심을 갖고 있는 모든 것을 자세히 설명하고 우연히도 정확히 그해에 시작된 방사선 물리학 및 MRI 교육 과정을 수강하겠다고 약속했습니다. 지식에 대한 갈증이 이겼고, 일년 내내 공부하고, 프로젝트를 수행하고, 일하면서 자기 공명 역사와 이 분야의 현대 과학 상태에 대해 점점 더 많은 새로운 것을 배웠습니다. 여기에서 공유하세요.

제안된 MRI 개선 방법과 언급된 과학 기사에서 연구된 방법은 소위 "메타물질"을 기반으로 합니다. 다른 많은 발견과 마찬가지로 메타물질도 이론적 연구를 바탕으로 얻은 예상치 못한 해결책에 힘입어 탄생했습니다. 1967년 소련 과학자 빅토르 베셀라고(Viktor Veselago)는 이론적 모델을 연구하면서 음의 굴절률을 가진 물질의 존재를 제안했습니다. 이미 이해하셨듯이, 우리는 광학에 대해 이야기하고 있으며, 대략적으로 말하면 이 계수의 값은 빛이 공기와 물과 같은 서로 다른 매체 사이의 경계를 통과할 때 방향이 얼마나 바뀌는지를 의미합니다. 실제로 이런 일이 발생하는지 직접 확인할 수 있습니다.

빛의 굴절을 입증하기 위해 레이저 포인터와 수족관을 사용한 간단한 실험입니다.

이러한 실험에서 배울 수 있는 흥미로운 사실은 실험자가 아무리 노력해도 빔이 경계면에 떨어진 곳에서 같은 방향으로 굴절될 수 없다는 것입니다. 이 실험은 자연적으로 발생하는 모든 물질을 대상으로 진행되었는데, 광선은 한 방향으로만 완고하게 굴절되었습니다. 수학적으로 이는 굴절률과 그 구성량, 유전율 및 투자율이 양수이며 다른 방식으로 관찰된 적이 없음을 의미합니다. 적어도 V. Veselago가 이 문제를 연구하기로 결정하고 이론적으로 굴절률이 음수가 될 수 없는 단일 이유가 없음을 보여주기 전까지는 말입니다.

양수 인덱스 미디어와 음수 인덱스 미디어의 차이를 보여주는 Wiki의 그림. 보시다시피, 빛은 일상적인 경험에 비해 완전히 부자연스럽게 행동합니다.

V. Veselago는 음의 굴절률을 가진 물질이 존재한다는 증거를 찾으려고 오랫동안 노력했지만 검색에 실패했으며 그의 작업은 당연히 잊혀졌습니다. 설명된 특성을 실현한 복합 구조가 인공적으로 생성된 것은 다음 세기 초에 불과했지만 광학적 특성이 아니라 더 낮은 마이크로파 주파수 범위에서 실현되었습니다. 그러한 물질의 존재 가능성이 새로운 전망을 열었기 때문에 이는 전환점이 되었습니다. 예를 들어 - 창조 슈퍼렌즈, 빛의 파장보다 더 작은 물체를 확대할 수 있습니다. 또는 - 모든 군인의 꿈인 절대 위장 투명 덮개. 새로운 데이터를 고려하기 위해 이론에 대한 주요 수정이 이루어졌습니다. 성공의 열쇠는 상호작용하는 방사선의 파장보다 크기가 훨씬 작은 공진 요소(메타원자)의 정렬된 구조를 사용하는 것이었습니다. 메타원자의 질서 있는 구조는 메타물질이라 불리는 인공적인 복합체이다.

오늘날에도 메타물질의 실제 구현은 기술적으로 복잡합니다. 왜냐하면 공명 입자의 크기가 전자기 방사선의 파장보다 작아야 하기 때문입니다. 광학 범위(파장이 나노미터인 경우)의 경우 이러한 기술이 진보의 최전선에 있습니다. 따라서 메타물질 개념의 첫 번째 대표자가 무선 범위(mm에서 m까지 더 친숙한 길이를 가짐)에서 상대적으로 더 긴 전자기파를 위해 만들어졌다는 것은 놀라운 일이 아닙니다. 모든 메타물질의 주요 특징이자 동시에 단점은 구성 요소의 공진 특성의 결과입니다. 메타물질은 특정 주파수에서만 기적적인 특성을 나타낼 수 있습니다.
제한된 주파수.따라서 예를 들어 다음에 메타물질을 기반으로 한 초음향 방해 장치와 같은 것을 보게 되면 실제로 방해하는 주파수 범위가 무엇인지 물어보세요.

전자기파와 상호작용할 수 있는 메타물질의 대표적인 예. 도체 구조는 도체의 공간적 위치에 의해 형성된 작은 공진기, 즉 LC 회로에 지나지 않습니다.

메타물질 개념이 등장하고 첫 번째 구현이 이루어진 후 약간의 시간이 지났고 사람들은 이를 MRI에 사용하는 방법을 알아냈습니다. 메타물질의 가장 큰 단점은 모든 프로세스가 무선 범위에 있는 거의 동일한 핵자기 공명 주파수에서 발생하는 MRI의 경우 좁은 작동 범위가 문제가 되지 않는다는 것입니다. 여기에서 자신의 손으로 메타 원자를 만들고 사진에서 무슨 일이 일어나는지 즉시 확인할 수 있습니다. 연구자들이 메타물질을 사용하여 MRI에 구현한 첫 번째 기능 중 하나는 슈퍼렌즈와 내시경이었습니다.

문자 a) 아래 왼쪽에는 인쇄 회로 기판의 XNUMX차원 공진기 배열로 구성된 슈퍼렌즈가 표시됩니다. 각 공진기는 납땜된 커패시터가 있는 개방형 금속 링으로, MRI 주파수에 맞춰 조정된 LC 회로를 형성합니다. 아래는 단층 촬영 절차를 받는 환자의 다리 사이에 이 메타물질 구조를 배치하고 이에 따른 결과 이미지를 보여주는 예입니다. 이전에 MRI에 대한 이전 기사를 읽으라는 조언을 경멸하지 않았다면 환자 신체의 어느 부분에 대한 이미지를 얻으려면 가까운 위치에 있는 신호를 사용하여 약하고 빠르게 부패하는 핵 신호를 수집해야 한다는 것을 이미 알고 계실 것입니다. 안테나 - 코일.

메타물질 슈퍼 렌즈를 사용하면 표준 코일의 동작 범위를 늘릴 수 있습니다. 예를 들어, 환자의 다리 하나만 시각화하는 대신 두 다리를 동시에 시각화합니다. 나쁜 소식은 최상의 효과를 얻으려면 슈퍼렌즈의 위치를 ​​특정 방식으로 선택해야 하며, 슈퍼렌즈 자체의 제조 비용이 상당히 비싸다는 것입니다. 이 렌즈가 왜 슈퍼 프리픽스라고 불리는지 여전히 이해하지 못한다면 사진에서 크기를 추정하고 약 XNUMX미터의 파장에서 작동한다는 것을 깨달으십시오!

문자 b)는 내시경의 디자인을 보여줍니다. 기본적으로 MRI 내시경은 도파관 역할을 하는 평행 전선 배열입니다. 이를 통해 코일이 핵으로부터 신호를 수신하는 영역과 코일 자체를 상당한 거리만큼 공간적으로 분리할 수 있습니다. 즉, 수신 안테나가 일정한 자기장에서 멀리 떨어진 단층 촬영기의 저온 유지 장치 외부에 완전히 위치할 수 있다는 점입니다. 필드. 탭 b)의 아래쪽 그림은 특수 액체로 채워진 용기인 팬텀에 대해 얻은 이미지를 보여줍니다. 이들 사이의 차이점은 코일이 팬텀으로부터 적절한 거리에 있을 때 "내시경"이라고 표시된 이미지를 얻었으며, 내시경이 없으면 핵의 신호를 감지하는 것이 완전히 불가능하다는 것입니다.

MRI에서 메타물질을 적용하는 가장 유망한 분야 중 하나이자 실제 구현에 가장 가까운 분야(제가 결국 참여하게 된 분야)에 대해 이야기한다면 무선 코일을 만드는 것입니다. 여기서는 Bluetooth나 기타 무선 데이터 전송 기술에 대해 이야기하는 것이 아니라는 점을 분명히 할 필요가 있습니다. 이 경우 "무선"은 두 개의 공진 구조, 즉 트랜시버 안테나와 메타물질의 유도성 또는 용량성 결합이 있음을 의미합니다. 개념적으로는 다음과 같습니다.

왼쪽에는 MRI 절차가 일반적으로 어떻게 진행되는지 보여줍니다. 환자는 균일한 정자기장 영역의 저온 유지 장치 내부에 있습니다. 단층촬영 터널에는 '새장'이라고 불리는 대형 안테나가 장착되어 있습니다. 이 구성의 안테나를 사용하면 수소 핵의 세차 주파수로 무선 주파수 자기장의 벡터를 회전할 수 있습니다(임상 기계의 경우 이는 40T에서 120T까지의 정자기장의 크기에 따라 일반적으로 1~3MHz입니다. 각각) 에너지를 흡수한 다음 이에 반응하여 에너지를 방출하게 됩니다. 코어의 응답 신호는 매우 약하며 대형 안테나의 도체에 도달할 때쯤에는 필연적으로 약해집니다. 이러한 이유로 MRI는 신호를 수신하기 위해 밀접하게 배치된 로컬 코일을 사용합니다. 예를 들어 중앙의 그림은 일반적인 무릎 스캔 상황을 보여줍니다. 메타물질을 사용하면 새장에 유도적으로 결합되는 공진기를 만드는 것이 가능합니다. 환자 신체의 원하는 부위 근처에 그러한 것을 배치하는 것으로 충분하며 거기에서 나오는 신호는 로컬 코일을 사용하는 것보다 나쁘지 않게 수신됩니다! 개념이 성공적으로 구현되면 환자는 더 이상 전선에 얽힐 필요가 없고 MRI 진단 과정도 더욱 편안해질 것이다.

이것은 제가 처음에 전선에 물을 채우고 오렌지를 스캔하여 만들려고 했던 것과 정확히 같습니다. 이 기사의 첫 번째 그림에서 물에 잠긴 전선은 메타 원자에 지나지 않으며, 각각은 모든 라디오 아마추어에게 친숙한 가장 유명한 안테나 디자인 중 하나인 반파장 쌍극자를 나타냅니다.
MRI에서 불이 붙지 않도록 물에 담그는 것이 아니라 (이 목적으로도)) 물의 유전 상수가 높기 때문에 공진 길이를 정확히 제곱과 같은 양으로 줄이기 위해 물의 유전 상수의 근원.

이 칩은 오랫동안 무선 수신기, 소위 페라이트 조각에 와이어를 감는 데 사용되었습니다. 페라이트 안테나. 페라이트만이 높은 투자율을 갖고 유전체는 그렇지 않습니다. 그러나 동일한 방식으로 작동하며 이에 따라 안테나의 공진 크기를 줄일 수 있습니다. 불행하게도 MRI에는 페라이트를 넣을 수 없습니다. 왜냐하면... 그것은 자기적이다. 물은 저렴하고 접근 가능한 대안입니다.

이 모든 것을 계산하려면 공진 요소, 환경 매개변수 및 방사선 소스 간의 관계를 고려하는 복잡한 수학적 모델을 구축해야 합니다... 또는 수치 전자기학에 대한 진보의 성과와 소프트웨어를 활용할 수 있습니다. 초등학생도 쉽게 이해할 수 있는 모델링(가장 눈에 띄는 예 - CST, HFSS). 이 소프트웨어를 사용하면 공진기, 안테나, 전기 회로의 3D 모델을 만들고 여기에 사람을 추가할 수 있습니다. 예, 사실 무엇이든 유일한 질문은 상상력과 사용 가능한 컴퓨팅 능력입니다. 구성된 모델은 잘 알려진 Maxwell 방정식이 해결되는 노드에서 그리드로 나누어집니다.
예를 들어, 앞서 언급한 새장 안테나 내부의 무선 주파수 자기장의 시뮬레이션은 다음과 같습니다.

필드가 어떻게 회전하는지 즉시 명확해집니다. 왼쪽의 상황은 안테나 내부에 물 상자가 있을 때 표시되고 오른쪽에는 동일한 상자가 공진 길이의 전선으로 만들어진 공진기에 있을 때 표시됩니다. 전선에 의해 자기장이 어떻게 크게 향상되는지 확인할 수 있습니다. CST를 마스터하고 거기에서 내 설계를 최적화한 후 다시 한 번 메타물질을 만들었고, 이를 통해 실제로 표준 임상 1.5T MRI 단층촬영에서 신호를 증폭하는 것이 가능해졌습니다. 그것은 여전히 ​​물과 일련의 전선으로 가득 찬 상자였습니다 (더 아름답지만 플렉시 유리로 만들어졌습니다). 이번에는 공진 조건, 즉 와이어 길이, 위치 및 물의 양 선택 측면에서 구조가 최적화되었습니다. 토마토에 일어난 일은 다음과 같습니다.

토마토의 첫 번째 스캔은 대형 안테나를 사용하여 수행되었습니다. 결과는 윤곽선이 거의 보이지 않는 노이즈뿐이었습니다. 두 번째로 갓 구운 공명 구조 위에 과일을 올려 놓았습니다. 나는 그 효과가 명백하기 때문에 컬러 지도나 그와 유사한 것을 만들지 않았습니다. 그래서 많은 시간을 투자했지만 내 경험을 통해 그 개념이 효과가 있음을 증명했습니다.

오렌지, 토마토 등 당신이 생각하는 것이 분명합니다. 모두 잘못된 것입니다. 인간의 시련은 어디에 있습니까?
그들은 정말로 그랬다 수행 한:

MRI를 받는 자원봉사자의 손도 같은 상자 위에 놓여 있다. 상자 안의 실제 물은 수소를 함유하고 있기 때문에 선명하게 보입니다. 신호는 공진기에 놓인 손목 부분에서 증폭되는 반면 신체의 다른 모든 부분은 잘 보이지 않습니다. 표준 임상 코일을 사용하여 동일한 효과, 어쩌면 더 나은 효과를 얻을 수 있다는 것은 분명합니다. 그러나 단순히 물과 전선을 공간적으로 결합하고 올바른 방식으로 결합함으로써 이러한 일을 할 수 있다는 사실은 놀랍습니다. 더욱 놀랍게도 이에 대한 지식은 빛의 굴절과 같이 겉보기에 관련이 없어 보이는 현상에 대한 연구를 통해 얻을 수 있습니다.

아직 피곤하지 않은 분들을 위해현재 워터박스 디자인은 이미 개선됐다. 이제는 가까운 외부 대형 안테나의 자기장을 국지화할 수 있는 평평한 인쇄 회로 기판일 뿐입니다. 또한 작업 영역이 이전 디자인보다 더 큽니다.

컬러 리본은 외부 전자기파 소스에 의해 여기될 때 구조에 대한 자기장의 강도를 나타냅니다. 평면 구조는 무선 공학에서 알려진 일반적인 전송선이지만 MRI의 메타물질로도 간주될 수 있습니다. 이 "무선 코일"은 스캔된 물체의 특정 깊이에서 생성된 필드의 균일성 측면에서 이미 표준 코일과 경쟁할 수 있습니다.

애니메이션은 MRI의 물 상자 내부 신호에 대한 레이어별 컬러 맵을 보여줍니다. 색상은 수소 핵의 신호 강도를 나타냅니다. 왼쪽 상단 모서리에는 표준 백 스캐닝 코일의 세그먼트가 수신기로 사용됩니다. 왼쪽 하단 모서리는 상자가 인쇄 회로 기판 형태의 공진기에 배치되었을 때입니다. 오른쪽 하단 - 신호는 단층촬영 터널에 내장된 대형 안테나로 수신됩니다. 직사각형으로 표시된 영역의 신호 균일성을 비교했습니다. 일부 고도에서는 신호 균일성 측면에서 메타물질이 코일보다 더 나은 성능을 발휘합니다. 임상 목적의 경우 이는 매우 중요한 성과가 아닐 수 있지만 쥐를 스캔하는 과학적 MRI 설치의 경우 신호를 증가시키고 여기 무선 펄스에 필요한 전력을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.

기사 시작 부분의 "2 배 개선"에 대해 - 물론 이것은 과학자들에 대한 언론인의 짝사랑의 또 다른 결실이지만 이것이 공허한 연구라고 말하는 것도 잘못된 것입니다. 전 세계 과학 그룹에서 이 주제를 다루고 있습니다. 놀랍게도 여기 러시아에서도 작업이 진행되고 있지만 순전히 개인적인 경험에 따르면 이것은 다소 드문 예외입니다. MRI에서 메타물질의 사용과 관련하여 아직 해결되지 않은 문제가 많이 있습니다. 좋은 영상을 얻기 위해 자기장을 국지화하는 것 외에도, 조직 가열로 이어지는 전기장과 검사 중인 환자의 조직에 의한 고주파장 에너지 흡수를 잊지 마십시오. 이를 위해서는 임상 사용 시 특별한 제어가 있어야 하며, 현장 위치 파악 공진기를 사용할 때 훨씬 더 복잡해집니다. 현재로서는 MRI용 메타물질이 과학 연구 범위 내에 있지만 얻은 결과는 이미 매우 흥미롭고 아마도 미래에는 그 덕분에 MRI 절차가 더 빠르고 안전해지며 더 나은 방향으로 변화할 것입니다.

출처 : habr.com