Еден шрафцигер исвирка покрај моето уво. Со силен звук на ѕвонење таа се замрзна на телото на криостатот. Пцуејќи во себе, решив да се одморам. Одвртувањето на завртките во магнетно поле од 1.5 Тесла со помош на челичен алат не е добра идеја. Полето, како невидлив непријател, постојано се обидува да го грабне инструментот од рацете, да го ориентира по линиите на сила и да го насочи што е можно поблиску до електроните што трчаат во затворен круг од суперпроводникот. Меѓутоа, ако навистина треба да ги победите закиселените соединенија од пред многу години, нема многу избор. Седнав до компјутерот и вообичаено се прелистував низ вестите. „Руските научници ја подобрија МНР за 2 пати! - гласеше сомнителниот наслов.
Пред околу една година, ние и ја сфати суштината на неговата работа. Силно препорачувам да ја освежите меморијата на тој материјал пред да ја прочитате оваа статија.
Од различни причини, вклучително и историски, денес во Русија производство на таква комплексна опрема како скенери со магнетна резонанца со високо поле. Меѓутоа, ако живеете во поголем град, лесно можете да најдете клиники кои обезбедуваат ваков тип на услуга. Во исто време, флотата на скенери за магнетна резонанца често е претставена со користена опрема, еднаш увезена од САД и Европа, а ако одеднаш треба да посетите клиника со магнетна резонанца, немојте да бидете измамени од прекрасниот изглед на уредот - можеби е во втората деценија. Како резултат на тоа, таквата опрема понекогаш се расипува и долго време бев еден од оние луѓе кои ги враќаа скршените томографи на сервис, за пациентите да продолжат да се подложуваат на дијагностика, а сопствениците да заработат.
Сè додека еден убав ден, на пауза помеѓу опасните забави со огромни магнетни полиња, наидов на интересен натпис во вестите: „Руски научници заедно со холандските колеги користејќи метаматеријали“. Непотребно е да се каже дека самиот факт дека Русија спроведува истражување за опрема, чие производство никогаш не е совладано, ми се чинеше многу, многу контроверзно. Решив дека ова е само уште една рунда грантови, разредена со неразбирливи научни зборови како „нанотехнологијата“ од која на сите веќе им беше преку глава. Пребарувањето информации за темата на работата на домашните научници со МНР и метаматеријали ме доведе до статија која содржи опис на едноставен експеримент што лесно би можел да го повторам, бидејќи машината за МРИ е секогаш при рака.
Слика од , посветен на подобрување на сигналот за МРИ со помош на таканаречениот „метаматеријал“. Во типичен клинички 1.5 - термички апарат, наместо пациентот, се вчитува метаматеријал, во форма на слив со вода, во чиј внатрешен дел се наоѓаат паралелни жици со одредена должина. На жиците лежи предметот на проучување - риба (нежива). Сликите на десната страна се снимки на рибата со МРИ, со надредена карта во боја што го покажува интензитетот на сигналот на јадрата на водородот. Се гледа дека кога рибата лежи на жиците, сигналот е многу подобар отколку без нив. Времето на скенирање е исто и во двата случаи, што докажува дека ефикасноста на скенирањето е зголемена. Написот исто така внимателно беше вклучен
формула
да ја пресметам должината на жиците во зависност од работната фреквенција на томографот што го користев. Го направив мојот метаматеријал од кивет и низа бакарни жици, опремени со 3D печатени пластични прицврстувачи:
Мојот прв метаматеријал. Веднаш по производството беше ставен во томограф 1 Тесла. Портокалот делуваше како предмет што треба да се скенира.
Сепак, наместо ветеното подобрување на сигналот, добив еден куп артефакти кои целосно ја расипаа сликата! Мојата огорченост немаше граници! Откако ја завршив темата, напишав писмо до авторите на статијата, чие значење може да се сведе на прашањето „Што ...?“
Авторите ми одговорија прилично брзо. Тие беа прилично импресионирани што некој се обидува да ги повтори нивните експерименти. Отпрвин тие долго време се обидуваа да ми објаснат како всушност функционираат метаматеријалите, користејќи ги термините „Резонанца на Фабри-Перот“, „внатрешни режими“ и секакви полиња за радиофреквенција во јачината на звукот. Потоа, очигледно сфаќајќи дека воопшто не разбирам за што зборуваат, решија да ме поканат да ги посетам за да можам да ги погледнам нивните случувања во живо и да се уверам дека сè уште функционира. Ја фрлив мојата омилена рачка за лемење во ранецот и отидов во Санкт Петербург, на Националниот истражувачки универзитет за информатички технологии, механика и оптика (како што се испостави, таму не се обучуваат само програмери).
Бев срдечно пречекан на лице место, и одеднаш ми понудија работа, бидејќи беа импресионирани од мојот ров со жици и им требаше човек да создаде нови. За возврат ми ветија дека детално ќе објаснат се што ме интересира и дека ќе поминам обука по радиофизика и магнетна резонанца, која по среќна случајност започна токму таа година. Мојата жед за знаење победи, а потоа, во текот на целата година студирав, правев проекти и работев, постепено учејќи се повеќе и повеќе нови работи за историјата на магнетната резонанца, како и за состојбата на модерната наука во оваа област, што ќе споделете овде.
Методот на предложено подобрување на МНР, а проучен во споменатите научни статии, се заснова на таканаречените „метаматеријали“. Метаматеријалите, како и многу други откритија, го должат својот изглед на неочекувани решенија добиени врз основа на теоретски истражувања. Советскиот научник Виктор Веселаго во 1967 година, работејќи на теоретски модел, предложи постоење на материјали со негативен индекс на рефракција. Како што веќе разбравте, зборуваме за оптика, а вредноста на овој коефициент, грубо кажано, значи колку светлината ќе ја промени својата насока кога ќе помине низ границата помеѓу различни медиуми, на пример воздух и вода. Лесно можете сами да потврдите дека ова навистина се случува:
Едноставен експеримент со помош на ласерски покажувач и аквариум за да се демонстрира прекршувањето на светлината.
Интересен факт што може да се научи од таков експеримент е дека зракот не може да се прекрши во иста насока од каде што паднал на интерфејсот, без разлика колку напорно се обидува експериментаторот. Овој експеримент беше спроведен со сите природни супстанции, но зракот тврдоглаво се прекршуваше само во една насока. Математички, тоа значи дека индексот на прекршување, како и неговите составни количества, диелектричната и магнетната пропустливост, се позитивни и никогаш не било забележано поинаку. Барем додека В. Веселаго не одлучи да го проучи ова прашање и покажа дека теоретски не постои ниту една причина зошто индексот на рефракција не може да биде негативен.
Слика од Вики која ја покажува разликата помеѓу медиумот со позитивен и негативен индекс. Како што гледаме, светлината се однесува целосно неприродно, во споредба со нашето секојдневно искуство.
В. Веселаго долго време се обидувал да најде докази за постоење на материјали со негативен индекс на рефракција, но потрагата била неуспешна, а неговата работа била незаслужено заборавена. Само на почетокот на следниот век вештачки беа создадени композитни структури кои ги реализираа опишаните својства, но не во оптичкиот, туку во долниот опсег на микробранова фреквенција. Што беше пресвртница, бидејќи самата можност за постоење на такви материјали отвори нови перспективи. На пример - создавање , способен да зголемува објекти дури и помали од брановата должина на светлината. Или - апсолутни камуфлажни невидливи покривки, сон на целиот воен персонал. Беа направени големи измени во теоријата за да се земат предвид новите податоци. Клучот за успехот беше употребата на подредени структури на резонантни елементи - метаатоми, чија големина е многу помала од брановата должина на зрачењето со кое тие комуницираат. Подредена структура на мета-атомите е вештачки композит наречен метаматеријал.
Практичната имплементација на метаматеријалите и денес е технолошки сложена, бидејќи големината на резонантните честички мора да се спореди со помала од брановата должина на електромагнетното зрачење. За оптичкиот опсег (каде што брановата должина е нанометри), таквите технологии се во првите редови на напредокот. Затоа, не е изненадувачки што првите претставници на концептот на метаматеријали беа создадени за релативно подолги електромагнетни бранови од опсегот на радио (кои имаат попозната должина од mm до m). Главната карактеристика и во исто време недостаток на секој метаматеријал е последица на резонантната природа на неговите составни елементи. Метаматеријалот може да ги покаже своите чудесни својства само на одредени фреквенции.
Ограничени фреквенции.Затоа, на пример, следниот пат кога ќе видите нешто како заглавувач на супер-звук базиран на метаматеријали, прашајте кој опсег на фреквенција всушност го заглавува.
Типични примери на метаматеријали кои овозможуваат интеракција со електромагнетни бранови. Структурите на проводниците не се ништо повеќе од мали резонатори, LC кола формирани од просторната положба на проводниците.
Помина малку време од појавата на концептот на метаматеријали и нивните први имплементации, а луѓето сфатија како да ги користат во МНР. Главниот недостаток на метаматеријалите е тоа што тесниот работен опсег не е проблем за МНР, каде што сите процеси се случуваат на речиси иста фреквенција на нуклеарна магнетна резонанца, која се наоѓа во опсегот на радио. Овде можете да креирате мета-атоми со свои раце и веднаш да видите што се случува на сликите. Една од првите карактеристики што истражувачите ја имплементираа во МНР користејќи метаматеријали беа суперлеќи и ендоскопи.
На левата страна под буквата а) е прикажана суперлеќа која се состои од тридимензионална низа резонатори на печатени табли. Секој резонатор е отворен метален прстен со залемен кондензатор, формирајќи LC коло подесено на фреквенцијата на МРИ. Подолу е пример за поставување на оваа метаматеријална структура помеѓу нозете на пациент кој е подложен на процедура за томографија и, соодветно, добиените слики. Ако претходно не сте го презирале советот да го прочитате мојот претходен напис за МНР, тогаш веќе знаете дека за да се добие слика на кој било дел од телото на пациентот, неопходно е да се соберат слаби, брзо распаѓачки нуклеарни сигнали користејќи блиску лоциран антена - калем.
Метаматеријалниот супер објектив ви овозможува да го зголемите опсегот на дејство на стандардна намотка. На пример, визуелизирајте ги двете нозе на пациентот одеднаш наместо само едната. Лошата вест е дека позицијата на суперлеќата мора да биде избрана на одреден начин за најдобар ефект, а самата суперлеќа е прилично скапа за производство. Ако сè уште не разбирате зошто оваа леќа се нарекува супер-префикс, тогаш проценете ја нејзината големина од фотографијата, а потоа сфатете дека работи со бранова должина од околу пет метри!
Буквата б) го прикажува дизајнот на ендоскопот. Во суштина, ендоскопот со МРИ е низа од паралелни жици што делува како брановоди. Ви овозможува просторно да го одделите регионот од кој серпентина го прима сигналот од јадрата и самата серпентина на значително растојание - до тој степен што приемната антена може да се наоѓа целосно надвор од криостатот на томографот, далеку од постојаната магнетна Поле. Долните слики од јазичето б) покажуваат слики добиени за специјален сад исполнет со течност - фантом. Разликата меѓу нив е во тоа што сликите означени како „ендоскоп“ се добиени кога серпентина била на пристојно растојание од фантомката, каде што без ендоскопот сигналите од јадрата би било сосема невозможно да се детектираат.
Ако зборуваме за една од најперспективните области на примена на метаматеријали во МНР, а најблиску до нејзината практична имплементација (во која на крајот се вклучив) е создавањето на безжични калеми. Вреди да се разјасни дека овде не зборуваме за Bluetooth или друга технологија за безжичен пренос на податоци. „Безжична“ во овој случај значи присуство на индуктивно или капацитивно спојување на две резонантни структури - антена на трансивер, како и метаматеријал. Во концептот изгледа вака:
Лево е прикажано како обично се одвива процедурата за МРИ: пациентот лежи во криостат во област на еднообразно статичко магнетно поле. Во тунелот за томограф е поставена голема антена наречена „кафез за птици“. Антена од оваа конфигурација ви овозможува да го ротирате векторот на радиофреквентното магнетно поле со прецесија на фреквенцијата на водородни јадра (за клинички машини ова е обично од 40 до 120 MHz во зависност од големината на статичкото магнетно поле од 1T до 3T, соодветно), предизвикувајќи ги да апсорбираат енергија и потоа да испуштаат енергија како одговор. Сигналот за одговор од јадрата е многу слаб и додека да стигне до проводниците на голема антена, неизбежно ќе избледи. Поради оваа причина, МНР користи тесно распоредени локални намотки за да прима сигнали. Сликата во центарот, на пример, покажува типична ситуација со скенирање на коленото. Со користење на метаматеријали, можно е да се направи резонатор кој индуктивно ќе се спои со кафез за птици. Доволно е да се постави такво нешто во близина на саканата област на телото на пациентот и сигналот од таму нема да биде примен полошо отколку со локална намотка! Доколку концептот успешно се имплементира, пациентите повеќе нема да мора да се заплеткуваат во жици, а дијагностичката процедура со МРИ ќе стане поудобна.
Токму вакво нешто се обидов да создадам на почетокот, со полнење на жиците со вода и обид да скенирам портокал. Жиците потопени во вода уште од првата слика во оваа статија не се ништо повеќе од мета-атоми, од кои секој претставува дипол со полубранови - еден од најпознатите дизајни на антени, познат на секој радио аматер.
Тие се потопуваат во вода не за да не се запалат при магнетна резонанца (иако и за оваа намена)), туку со цел, поради високата диелектрична константа на водата, да се намали нивната резонантна должина за точно еднаква на квадратот коренот на диелектричната константа на водата.
Овој чип долго време се користи во радио приемници, ликвидација на жица на парче ферит - т.н. феритна антена. Само феритот има висока магнетна пропустливост, а не диелектричната, која, сепак, функционира на ист начин и овозможува соодветно намалување на резонантните димензии на антената. За жал, не можете да ставите ферит во магнетна резонанца, бидејќи ... тоа е магнетно. Водата е евтина и достапна алтернатива.
Јасно е дека за да ги пресметате сите овие работи, треба да изградите сложени математички модели кои ќе ја земат предвид врската помеѓу резонантните елементи, параметрите на животната средина и изворите на зрачење... или можете да ги искористите плодовите на напредокот и софтверот за нумерички електромагнетни моделирање, кое дури и ученик може лесно да го разбере (највпечатливи примери - CST, HFSS). Софтверот ви овозможува да креирате 3D модели на резонатори, антени, електрични кола, да додавате луѓе на нив - да, всушност, сè, единственото прашање е вашата имагинација и достапната компјутерска моќ. Конструираните модели се поделени на мрежи, на чии јазли се решаваат добро познатите Максвел равенки.
Еве, на пример, симулација на радиофреквентното магнетно поле во претходно споменатата антена за птичји кафез:
Веднаш станува сосема јасно како полето ротира. Ситуацијата лево е прикажана кога има кутија со вода внатре во антената, а десно - кога истата кутија е на резонатор направен од жици со резонантна должина. Можете да видите како магнетното поле е значително зголемено со жиците. Откако го совладав CST и го оптимизирав мојот дизајн таму, уште еднаш направив метаматеријал, што всушност овозможи да се засили сигналот во стандарден клинички 1.5T MRI томограф. Сè уште беше кутија (иако поубава, направена од плексиглас), исполнета со вода и низа жици. Овој пат, структурата беше оптимизирана во однос на резонантните услови, имено: избор на должината на жиците, нивната положба и количината на вода. Еве што се случи со доматот:
Првото скенирање на доматот беше направено со голема антена. Резултатот беше само бучава со едвај видливи контури. Вториот пат го ставив овошјето на свежо печена резонантна структура. Не направив мапи во боја или нешто слично, бидејќи ефектот е очигледен. Така, од сопствено искуство, иако потрошив многу време, докажав дека концептот функционира.
Јасно е што мислите - портокали, домати - сето тоа не е во ред, каде се човечките испитувања?
Тие навистина беа :
Раката на волонтер кој е подложен на магнетна резонанца лежи на истата кутија. Вистинската вода во кутијата, бидејќи содржи водород, исто така е јасно видлива. Сигналот се засилува во пределот на зглобот што лежи на резонаторот, додека сите други делови од телото се слабо видливи. Јасно е дека истиот ефект, а можеби и подобар, може да се постигне со користење на стандардни клинички намотки. Но, самиот факт дека можете да правите такви работи едноставно со просторно комбинирање на вода и жици, комбинирајќи ги на вистински начин, е неверојатен. Уште позачудувачки, знаењето за ова може да се стекне преку проучување на навидум неповрзани феномени, како што е прекршувањето на светлината.
За оние кои се уште не се уморниВо моментов, дизајнот на кутијата за вода е веќе подобрен. Сега тоа е само рамно печатено коло кое ви овозможува да го локализирате магнетното поле на надворешната голема антена во ваша близина. Покрај тоа, неговата работна површина е поголема од онаа на претходниот дизајн:
Обоените ленти ја покажуваат јачината на магнетното поле над структурата кога се возбудени од надворешен извор на електромагнетни бранови. Рамната структура е типична далновод позната во радио инженерството, но може да се смета и како метаматеријал за МРИ. Овој „безжичен калем“ веќе може да се натпреварува со стандардните намотки во однос на униформноста на генерираното поле на одредена длабочина во скенираниот објект:
Анимацијата прикажува карта во боја слој-по-слој на сигналот во кутија со вода во МРИ. Бојата го означува интензитетот на сигналите од водородните јадра. Во горниот лев агол, сегмент од стандардна намотка за скенирање назад се користи како приемник. Долниот лев агол е кога кутијата е поставена на резонатор во форма на печатено коло. Долу десно - сигналот го прима голема антена вградена во тунелот за томограф. Ја споредив униформноста на сигналот во областа наведена со правоаголникот. На одредена надморска височина, метаматеријалот функционира подобро од серпентина во однос на униформноста на сигналот. За клинички цели, ова можеби не е многу важно достигнување, но кога станува збор за научни инсталации за МРИ каде се скенираат стаорци, може да помогне да се постигне зголемување на сигналот и намалување на потребната моќност на возбудливите радио пулсирања.
За „подобрено за 2 пати“ на почетокот на статијата - се разбира, ова е уште еден плод на невозвратената љубов на новинарите кон научниците, меѓутоа, исто така е погрешно да се каже дека ова е празно истражување, кое е поткрепено со интерес за оваа тема во научните групи ширум светот. Изненадувачки, работата се врши и овде во Русија, иако врз основа на моето чисто лично искуство, ова е прилично редок исклучок. Сè уште има многу нерешени проблеми поврзани со употребата на метаматеријали во МНР. Покрај локализирањето на магнетните полиња за да се добие добра слика, не заборавајте за електричните полиња што доведуваат до загревање на ткивото, како и апсорпцијата на енергијата на радиофреквентното поле од ткивата на пациентите кои се подложени на испитување. За овие работи, во клиничка употреба, мора да има посебна контрола, која станува многу посложена кога се користат резонатори за локализирање на теренот. Засега, метаматеријалите за МНР остануваат во опсегот на научното истражување, но добиените резултати се веќе многу интересни и можеби во иднина, благодарение на нив, процедурата за магнетна резонанца ќе се промени на подобро, станувајќи побрза и побезбедна.
Извор: www.habr.com