Pro ausį švilpė atsuktuvas. Garsiai skambant ji sustingo ant kriostato korpuso. Keikdamas save nusprendžiau padaryti pertrauką. Atsukti varžtus 1.5 teslos magnetiniame lauke naudojant plieninį įrankį nėra gera idėja. Laukas, kaip nematomas priešas, nuolat bando išplėšti instrumentą iš rankų, nukreipti jį pagal savo jėgos linijas ir nukreipti kuo arčiau elektronų, bėgančių uždaru ratu iš superlaidininko. Tačiau jei tikrai reikia nugalėti prieš daugelį metų parūgštintus junginius, pasirinkimo nėra daug. Sėdėjau prie kompiuterio ir nuolat naršiau naujienų srautą. „Rusijos mokslininkai MRT pagerino 2 kartus! - perskaitykite įtartiną antraštę.
Maždaug prieš metus mes и постигали суть его работы. Настоятельно рекомендую перед прочтением данной статьи, освежить в памяти тот материал.
Dėl įvairių priežasčių, įskaitant istorines, šiandieninėje Rusijoje tokios sudėtingos įrangos kaip didelio lauko magnetinio rezonanso skenerių gamyba. Tačiau jei gyvenate didesniame mieste, nesunkiai rasite tokio tipo paslaugas teikiančias klinikas. Tuo pačiu metu magnetinio rezonanso skenerių parką dažnai atstoja naudota įranga, kažkada importuota iš JAV ir Europos, o jei staiga tektų apsilankyti klinikoje su MRT, neapsigaukite gražios įrenginio išvaizdos – tai gali būti antrasis dešimtmetis. Dėl to tokia aparatūra kartais sugenda, ilgą laiką buvau iš tų, kurie sugedusius tomografus grąžindavo į servisą, kad pacientai galėtų toliau daryti diagnostiką, o savininkai pasipelnyti.
Kol vieną gražią dieną per pertrauką tarp pavojingų pramogų su didžiuliais magnetiniais laukais naujienų kanale aptikau įdomų užrašą: „Rusijos mokslininkai kartu su olandų kolegomis. naudojant metamedžiagas“. Savaime suprantama, pats faktas, kad Rusija atlieka įrangos, kurios gamyba niekada nebuvo įsisavinta, tyrimus, man atrodė labai labai prieštaringai. Nusprendžiau, kad tai tik dar vienas dotacijų ciklas, praskiestas tokiais nesuprantamais moksliniais žodžiais kaip „nanotechnologija“, nuo kurios visi jau atsibodo. Ieškant informacijos apie vietinių mokslininkų darbą su MRT ir metamedžiagomis, aš atvedė į straipsnį, kuriame aprašomas paprastas eksperimentas, kurį galėčiau lengvai pakartoti, nes MRT aparatas visada yra po ranka.
Nuotrauka iš , skirtas MRT signalui sustiprinti naudojant vadinamąją „metamedžiagą“. Į tipišką klinikinį 1.5 - terminį aparatą vietoj paciento įkeliama metamedžiaga vandens baseino pavidalu, kurio viduje yra tam tikro ilgio lygiagrečiai laidai. Ant laidų guli tyrimo objektas – žuvis (negyva). Paveikslėliai dešinėje yra žuvų MRT vaizdai su spalvotu žemėlapiu, rodančiu vandenilio branduolių signalo intensyvumą. Matosi, kad žuvims gulint ant laidų signalas daug geresnis nei be jų. Nuskaitymo laikas abiem atvejais yra vienodas, o tai įrodo, kad nuskaitymo efektyvumas pagerėjo. Straipsnis taip pat kruopščiai įtrauktas
formulė
skaičiuoti laidų ilgį priklausomai nuo tomografo, kurį naudojau, veikimo dažnio. Savo metamedžiagą sukūriau iš kiuvetės ir varinių laidų masyvo su 3D spausdintomis plastikinėmis tvirtinimo detalėmis:
Mano pirmoji metamedžiaga. Iš karto po pagaminimo jis buvo įdėtas į 1 Tesla tomografą. Oranžinė veikė kaip nuskaitomas objektas.
Tačiau vietoj žadėto signalo pagerinimo gavau krūvą artefaktų, kurie visiškai sugadino vaizdą! Mano pasipiktinimas neturėjo ribų! Baigęs temą, parašiau laišką straipsnio autoriams, kurio prasmę galima susiaurinti iki klausimo "Kas ...?"
Autoriai man atsakė gana greitai. Jie buvo labai sužavėti, kad kažkas bandė pakartoti jų eksperimentus. Iš pradžių jie ilgai bandė man paaiškinti, kaip iš tikrųjų veikia metamedžiagos, vartodami terminus „Fabry-Perot rezonansai“, „vidiniai režimai“ ir visokius radijo dažnio laukus tome. Tada, matyt, supratę, kad aš visiškai nesuprantu, apie ką jie kalba, nusprendė pakviesti mane aplankyti, kad galėčiau gyvai pažiūrėti į jų raidą ir įsitikinti, kad tai vis dar veikia. Įsimečiau į kuprinę savo mėgstamą lituoklį ir išvažiavau į Sankt Peterburgą, į Nacionalinį informacinių technologijų, mechanikos ir optikos tyrimų universitetą (kaip paaiškėjo, ten ruošiami ne tik programuotojai).
Svetainėje buvau šiltai sutiktas ir netikėtai man pasiūlė darbą, nes sužavėjo mano griovys su laidais ir reikėjo žmogaus, kuris sukurtų naujus. Už tai pažadėjo išsamiai paaiškinti viską, kas mane domina, ir išklausyti radiofizikos bei MRT mokymo kursą, kuris per laimingą atsitiktinumą prasidėjo būtent tais metais. Žinių troškulys nugalėjo, o paskui ištisus metus studijavau, dariau projektus ir dirbau, pamažu sužinau vis daugiau naujų dalykų apie magnetinio rezonanso istoriją, taip pat apie šiuolaikinio mokslo būklę šioje srityje. pasidalinti čia.
Siūlomas MRT tobulinimo metodas, nagrinėtas minėtuose moksliniuose straipsniuose, yra pagrįstas vadinamosiomis „metamedžiagomis“. Metamedžiagos, kaip ir daugelis kitų atradimų, atsirado dėl netikėtų sprendimų, gautų remiantis teoriniais tyrimais. Sovietų mokslininkas Viktoras Veselago 1967 m., dirbdamas su teoriniu modeliu, pasiūlė, kad egzistuoja medžiagos su neigiamu lūžio rodikliu. Kaip jau supratote, mes kalbame apie optiką, o šio koeficiento reikšmė, grubiai tariant, reiškia, kiek šviesa pakeis savo kryptį, kai praeis per ribą tarp skirtingų terpių, pavyzdžiui, oro ir vandens. Galite nesunkiai patys įsitikinti, kad tai tikrai vyksta:
Paprastas eksperimentas naudojant lazerinį žymeklį ir akvariumą, siekiant parodyti šviesos lūžį.
Įdomus faktas, kurį galima išmokti iš tokio eksperimento, yra tai, kad spindulio negalima lūžti ta pačia kryptimi, iš kurios jis nukrito į sąsają, kad ir kaip eksperimentuotojas stengtųsi. Šis eksperimentas buvo atliktas su visomis natūraliai susidarančiomis medžiagomis, tačiau spindulys buvo atkakliai lūžęs tik viena kryptimi. Matematiškai tai reiškia, kad lūžio rodiklis, taip pat jį sudarantys dydžiai, dielektrinis ir magnetinis pralaidumas, yra teigiami, ir niekada nebuvo pastebėta kitaip. Bent jau tol, kol V. Veselago nusprendė panagrinėti šį klausimą ir neparodė, kad teoriškai nėra vienos priežasties, kodėl lūžio rodiklis negali būti neigiamas.
Paveikslėlis iš Wiki, rodantis skirtumą tarp teigiamų ir neigiamų indeksų laikmenų. Kaip matome, šviesa elgiasi visiškai nenatūraliai, palyginti su mūsų kasdiene patirtimi.
V. Veselago ilgai bandė rasti įrodymų, kad egzistuoja medžiagos su neigiamu lūžio rodikliu, tačiau paieškos buvo nesėkmingos, o jo darbas buvo nepelnytai užmirštas. Tik kito šimtmečio pradžioje buvo dirbtinai sukurtos kompozicinės struktūros, kurios realizavo aprašytas savybes, bet ne optiniame, o žemesniame mikrobangų dažnių diapazone. Tai buvo lūžis, nes pati tokių medžiagų egzistavimo galimybė atvėrė naujas perspektyvas. Pavyzdžiui – kūryba , galintis padidinti objektus, mažesnius už šviesos bangos ilgį. Arba – absoliučiai kamufliažinės nematomos dangos, visų kariškių svajonė. Siekiant atsižvelgti į naujus duomenis, teorijoje buvo padaryti esminiai pakeitimai. Raktas į sėkmę buvo sutvarkytų rezonansinių elementų struktūrų – metaatomų, kurių dydis yra daug mažesnis nei spinduliuotės, su kuria jie sąveikauja, bangos ilgis – naudojimas. Sutvarkyta metaatomų struktūra yra dirbtinis kompozitas, vadinamas metamedžiaga.
Praktinis metamedžiagų įgyvendinimas net ir šiandien yra technologiškai sudėtingas, nes rezonansinių dalelių dydis turi būti panašus į mažesnį nei elektromagnetinės spinduliuotės bangos ilgį. Optiniame diapazone (kur bangos ilgis yra nanometrai) tokios technologijos yra pažangos priešakyje. Todėl nenuostabu, kad pirmieji metamedžiagų koncepcijos atstovai buvo sukurti santykinai ilgesnėms elektromagnetinėms bangoms iš radijo diapazono (kurių ilgis yra nuo mm iki m). Pagrindinė bet kurios metamedžiagos savybė ir kartu trūkumas yra ją sudarančių elementų rezonansinio pobūdžio pasekmė. Metamedžiaga gali parodyti savo stebuklingas savybes tik tam tikrais dažniais.
Riboti dažniai.Todėl, pavyzdžiui, kai kitą kartą pamatysite kažką panašaus į supergarso trukdiklį, pagrįstą metamedžiagomis, paklauskite, kokiame dažnių diapazone jis iš tikrųjų užstringa.
Tipiški metamedžiagų, leidžiančių sąveikauti su elektromagnetinėmis bangomis, pavyzdžiai. Laidininkų struktūros yra ne kas kita, kaip maži rezonatoriai, LC grandinės, suformuotos dėl erdvinės laidininkų padėties.
Praėjo šiek tiek laiko nuo metamedžiagų koncepcijos atsiradimo ir pirmųjų jų įgyvendinimo, ir žmonės suprato, kaip jas panaudoti MRT. Pagrindinis metamedžiagų trūkumas yra tas, kad siauras veikimo diapazonas nėra problema MRT, kai visi procesai vyksta beveik tuo pačiu branduolinio magnetinio rezonanso dažniu, kuris yra radijo diapazone. Čia galite savo rankomis sukurti metaatomus ir iš karto pamatyti, kas vyksta nuotraukose. Viena iš pirmųjų savybių, kurią mokslininkai įdiegė MRT naudodami metamedžiagas, buvo superlęšiai ir endoskopai.
Kairėje pusėje po raide a) pavaizduotas superlęšis, susidedantis iš trimačio spausdintinių plokščių rezonatorių matricos. Kiekvienas rezonatorius yra atviras metalinis žiedas su lituotu kondensatoriumi, sudarantis LC grandinę, suderintą su MRT dažniu. Žemiau pateikiamas šios metamedžiagos struktūros pastatymo tarp paciento, kuriam atliekama tomografijos procedūra, kojų ir atitinkamai gaunamų vaizdų pavyzdys. Jei anksčiau neatmetėte patarimo perskaityti mano ankstesnį straipsnį apie MRT, tuomet jau žinote, kad norint gauti bet kurios paciento kūno dalies vaizdą, reikia rinkti silpnus, greitai nykstančius branduolio signalus, naudojant arti esančią antena - ritė.
Metamaterijos super objektyvas leidžia padidinti standartinės ritės veikimo diapazoną. Pavyzdžiui, vizualizuokite abi paciento kojas vienu metu, o ne vieną. Bloga žinia ta, kad superlęšio padėtis turi būti parinkta tam tikru būdu, kad būtų pasiektas geriausias efektas, o paties superlęšio gamyba yra gana brangi. Jei vis dar nesuprantate, kodėl šis objektyvas vadinamas superprefiksu, įvertinkite jo dydį iš nuotraukos ir supraskite, kad jis veikia maždaug penkių metrų bangos ilgiu!
Raidė b) rodo endoskopo dizainą. Iš esmės MRT endoskopas yra lygiagrečių laidų rinkinys, kuris veikia kaip bangolaidis. Tai leidžia erdviškai atskirti regioną, iš kurio ritė gauna signalą iš branduolių ir pačios ritės, dideliu atstumu - iki taško, kad priėmimo antena gali būti visiškai už tomografo kriostato, toli nuo nuolatinio magnetinio. lauke. Apatiniuose b) skirtuko paveikslėliuose rodomi vaizdai, gauti specialiam skysčiu užpildytam indui – fantomui. Skirtumas tarp jų yra tas, kad vaizdai, pažymėti „endoskopu“, buvo gauti, kai ritė buvo tinkamu atstumu nuo fantomo, kur be endoskopo signalų iš branduolių būtų visiškai neįmanoma aptikti.
Jei kalbėsime apie vieną perspektyviausių metamedžiagų panaudojimo MRT srityje, o arčiausiai jos praktinio įgyvendinimo (į kurią galiausiai įsitraukiau) – belaidžių ritinių kūrimas. Verta patikslinti, kad čia nekalbame apie Bluetooth ar kitą belaidžio duomenų perdavimo technologiją. „Belaidis“ šiuo atveju reiškia dviejų rezonansinių struktūrų - siųstuvo-imtuvo antenos, taip pat metamedžiagos - indukcinį arba talpinį sujungimą. Pagal koncepciją tai atrodo taip:
Kairėje parodyta, kaip paprastai vyksta MRT procedūra: pacientas guli kriostate vienodo statinio magnetinio lauko srityje. Tomografo tunelyje sumontuota didelė antena, vadinama „paukščių narve“. Šios konfigūracijos antena leidžia pasukti radijo dažnio magnetinio lauko vektorių su vandenilio branduolių precesijos dažniu (klinikinėms mašinoms tai paprastai yra nuo 40 iki 120 MHz, priklausomai nuo statinio magnetinio lauko dydžio nuo 1T iki 3T, atitinkamai), todėl jie sugeria energiją ir tada išskiria energiją reaguodami . Atsako signalas iš šerdies yra labai silpnas ir, pasiekęs didelės antenos laidininkus, neišvengiamai išnyks. Dėl šios priežasties MRT signalams priimti naudoja glaudžiai išdėstytas vietines rites. Pavyzdžiui, centre esantis paveikslėlis rodo tipišką kelio nuskaitymo situaciją. Naudojant metamedžiagas, galima pagaminti rezonatorių, kuris bus indukciniu būdu prijungtas prie paukščio narvelio. Pakanka pastatyti tokį daiktą šalia norimos paciento kūno vietos ir signalas iš ten bus priimtas ne blogiau nei naudojant vietinę ritę! Jei koncepcija bus sėkmingai įgyvendinta, pacientams nebereikės raizgyti laidų, o MRT diagnostikos procedūra taps patogesnė.
Būtent tokį dalyką iš pradžių bandžiau sukurti, užpildydamas laidus vandeniu ir bandydamas nuskenuoti apelsiną. Laidai, panardinti į vandenį nuo pat pirmos šio straipsnio nuotraukos, yra ne kas kita, kaip metaatomai, kurių kiekvienas yra pusės bangos dipolis – vienas garsiausių antenų konstrukcijų, pažįstamas kiekvienam radijo mėgėjui.
Jie panardinami į vandenį ne tam, kad neužsidegtų atliekant MRT (nors ir šiam tikslui)), o tam, kad dėl didelės vandens dielektrinės konstantos sumažėtų jų rezonansinis ilgis tiksliai tiek, kiek kvadratas. vandens dielektrinės konstantos šaknis.
Šis lustas nuo seno buvo naudojamas radijo imtuvuose, vyniojant laidą ant ferito gabalo – vadinamojo. ferito antena. Tik feritas turi didelį magnetinį laidumą, o ne dielektrinį, kuris vis dėlto veikia taip pat ir leidžia atitinkamai sumažinti antenos rezonansinius matmenis. Deja, jūs negalite įdėti ferito į MRT, nes... tai magnetinis. Vanduo yra pigi ir prieinama alternatyva.
Akivaizdu, kad norint apskaičiuoti visus šiuos dalykus, reikia sukurti sudėtingus matematinius modelius, kuriuose būtų atsižvelgta į rezonansinių elementų, aplinkos parametrų ir spinduliuotės šaltinių ryšį... arba galite pasinaudoti pažangos vaisiais ir skaitmeninės elektromagnetinės įrangos programine įranga. modeliavimas, kurį net moksleivis gali lengvai suprasti (ryškiausi pavyzdžiai - CST, HFSS). Programinė įranga leidžia kurti 3D rezonatorių, antenų, elektros grandinių modelius, pridėti prie jų žmones – taip, tiesą sakant, bet ką, klausimas tik jūsų vaizduotė ir turima skaičiavimo galia. Sukonstruoti modeliai suskirstyti į tinklelius, kurių mazguose sprendžiamos gerai žinomos Maksvelo lygtys.
Pavyzdžiui, čia yra radijo dažnio magnetinio lauko modeliavimas anksčiau minėtoje paukščių narvelio antenoje:
Iš karto tampa visiškai aišku, kaip sukasi laukas. Kairėje rodoma situacija, kai antenos viduje yra dėžutė su vandeniu, o dešinėje - kai ta pati dėžutė yra ant rezonatoriaus, pagaminto iš rezonansinio ilgio laidų. Galite pamatyti, kaip laidai žymiai sustiprina magnetinį lauką. Įvaldęs CST ir optimizavęs savo dizainą, dar kartą sukūriau metamedžiagą, kuri iš tikrųjų leido sustiprinti signalą standartiniame klinikiniame 1.5T MRT tomografe. Tai vis dar buvo dėžutė (nors ir gražesnė, pagaminta iš organinio stiklo), pripildyta vandens ir daugybės laidų. Šį kartą konstrukcija buvo optimizuota atsižvelgiant į rezonansines sąlygas, būtent: laidų ilgio, jų padėties ir vandens kiekio parinkimą. Štai kas atsitiko su pomidoru:
Pirmasis pomidoro skenavimas buvo atliktas su didele antena. Rezultatas buvo tik triukšmas su vos matomais kontūrais. Antrą kartą vaisius padėjau ant ką tik iškeptos rezonansinės struktūros. Aš nekūriau spalvotų žemėlapių ar panašių dalykų, nes poveikis akivaizdus. Taigi iš savo patirties, nors ir praleidau daug laiko, įrodžiau, kad koncepcija veikia.
Aišku, ką tu galvoji – apelsinai, pomidorai – viskas negerai, kur dar žmonių išbandymai?
Jie tikrai buvo :
Ant tos pačios dėžutės guli savanorio, kuriam atliekamas MRT, ranka. Taip pat aiškiai matomas tikrasis vanduo dėžutėje, nes jame yra vandenilio. Signalas sustiprinamas riešo, gulinčio ant rezonatoriaus, srityje, o visos kitos kūno dalys yra prastai matomos. Akivaizdu, kad tą patį, o gal net geresnį efektą galima pasiekti naudojant standartines klinikines spirales. Tačiau pats faktas, kad tokius dalykus galima padaryti tiesiog erdviškai sujungus vandenį ir laidus, derinant juos teisingai, yra nuostabus. Dar nuostabiau, kad žinių apie tai galima įgyti tiriant iš pažiūros nesusijusius reiškinius, tokius kaip šviesos lūžimas.
Tiems, kurie dar nepavargęŠiuo metu vandens dėžės dizainas jau patobulintas. Dabar tai tik plokščia spausdintinė plokštė, leidžianti nustatyti šalia jūsų esančios didelės išorinės antenos magnetinį lauką. Be to, jo darbo plotas yra didesnis nei ankstesnio dizaino:
Spalvotos juostelės rodo magnetinio lauko stiprumą konstrukcijoje, kai ją sužadina išorinis elektromagnetinių bangų šaltinis. Plokščia konstrukcija yra tipiška radijo inžinerijoje žinoma perdavimo linija, tačiau ji taip pat gali būti laikoma MRT metamedžiaga. Ši „belaidė ritė“ jau gali konkuruoti su standartinėmis ritėmis generuojamo lauko vienodumu tam tikrame skenuojamo objekto gylyje:
Animacija rodo sluoksnį po sluoksnio spalvotą signalo žemėlapį vandens dėžutėje MRT. Spalva rodo signalų iš vandenilio branduolių intensyvumą. Viršutiniame kairiajame kampe kaip imtuvas naudojamas standartinės nugaros nuskaitymo ritės segmentas. Apatinis kairysis kampas yra tada, kai dėžutė dedama ant rezonatoriaus spausdintinės plokštės pavidalu. Dešinėje apačioje – signalą priima didelė antena, įmontuota tomografo tunelyje. Aš palyginau signalo vienodumą stačiakampio apibrėžtoje srityje. Tam tikrame aukštyje metamedžiaga veikia geriau nei ritė, kalbant apie signalo vienodumą. Klinikiniais tikslais tai gal ir nėra labai svarbus pasiekimas, tačiau kalbant apie mokslinius MRT įrenginius, kuriuose skenuojamos žiurkės, tai gali padėti pasiekti signalo padidėjimą ir reikiamos jaudinančių radijo impulsų galios sumažėjimą.
Apie „patobulinta 2 kartus“ straipsnio pradžioje - žinoma, tai dar vienas nelaimingos žurnalistų meilės mokslininkams vaisius, tačiau taip pat klaidinga teigti, kad tai tuščias tyrimas, kurį palaiko susidomėjimas šią temą mokslo grupėse visame pasaulyje. Keista, bet čia, Rusijoje, taip pat dirbama, nors, remiantis grynai asmenine patirtimi, tai gana reta išimtis. Vis dar yra daug neišspręstų problemų, susijusių su metamedžiagų naudojimu MRT. Be magnetinių laukų lokalizavimo, kad gautumėte gerą vaizdą, nepamirškite apie elektrinius laukus, dėl kurių šildomi audiniai, taip pat apie radijo dažnio lauko energijos absorbciją tiriamų pacientų audiniuose. Klinikiniam naudojimui šiems dalykams turi būti specialus valdymas, kuris, naudojant lauką lokalizuojančius rezonatorius, tampa daug sudėtingesnis. Kol kas MRT metamedžiagos lieka mokslinių tyrimų ribose, tačiau gauti rezultatai jau dabar labai įdomūs ir galbūt ateityje jų dėka MRT procedūra pasikeis į gerąją pusę, taps greitesnė ir saugesnė.
Šaltinis: www.habr.com