Een schroevendraaier suiste langs mijn oor. Met een doffe klap stopte hij op de behuizing van de cryostaat. Zachtjes vloekte ik en besloot een pauze te nemen. Het losdraaien van schroeven in een magnetisch veld van 1,5 tesla met een stalen gereedschap is geen geweldig idee. Het veld, als een onzichtbare tegenstander, probeert constant het gereedschap uit mijn handen te trekken, het langs zijn krachtlijnen te oriƫnteren en zo dicht mogelijk bij de elektronen te brengen die in een gesloten circuit van supergeleider lopen. Maar als het echt nodig is om verroeste verbindingen van jaren geleden te overwinnen, heb je weinig keuze. Ik ging achter de computer zitten en bladerde vertrouwd door het nieuws. "Russische wetenschappers hebben MRI's verdubbeld!" was de verdachte kop.
Ongeveer een jaar geleden hebben we ontmanteld en de essentie van zijn werking bestudeerd. Ik raad ten zeerste aan om voordat je dit artikel leest, dat materiaal op te frissen.
Om verschillende redenen, waaronder historische, is er momenteel in Rusland productie van zulke complexe apparatuur als hoogwaardige magnetische resonantietomografen. Toch, als je in een redelijk grote stad woont, zal je zonder moeite klinieken vinden die deze diensten aanbieden. Daarbij is het park van MRI-scanners vaak samengesteld uit tweedehands apparatuur die ooit uit de VS en Europa is geĆÆmporteerd, en als je toevallig een kliniek met MRI moet bezoeken, laat je dan niet misleiden door het mooie uiterlijk van het apparaat ā het kan gemakkelijk al een tweede levensperiode ingaan. Als gevolg hiervan kan die apparatuur soms kapot gaan, en ik was lange tijd een van die mensen die kapotte tomografen weer aan de praat hielp, zodat patiĆ«nten verder diagnoses konden ondergaan en eigenaars winst konden maken.
Totdat ik op een van die prachtige dagen, tijdens een pauze tussen gevaarlijke avonturen met enorme magnetische velden, een interessante mededeling in het nieuws tegenkwam: "Russische wetenschappers hebben samen met Nederlandse collega's met behulp van metamaterialen." Het hoeft geen betoog dat het feit dat in Rusland onderzoek wordt gedaan naar apparatuur waarvan de productie nog niet is beheerst, me zeer en zeer twijfelachtig leek. Ik besloot dat dit gewoon een nieuwe manier was om subsidies te verkwisten, doorspekt met onbegrijpelijke wetenschappelijke termen zoals de inmiddels alomtegenwoordige "nanotechnologieƫn". Een zoektocht naar informatie over het werk van binnenlandse wetenschappers met MRI en metamaterialen leidde me naar een artikel dat een eenvoudig experiment beschrijft dat ik gemakkelijk zou kunnen herhalen, gelukkig is er altijd een MRI-apparaat in de buurt.
Afbeelding uit , gewijd aan het versterken van het MRI-signaal met behulp van het zogenaamde "metamateriaal". In een typische klinische 1,5-Tesla-apparaat wordt in plaats van een patiƫnt het metamateriaal geladen, in de vorm van een bassin met water, waarin parallelle draden van bepaalde lengte zijn geplaatst. Op de draden ligt het onderzoeksobject - een vis (dood). De afbeeldingen aan de rechterkant zijn de verkregen MRI-beelden van de vis, met een overlay van een kleurenkaart die de intensiteit van het signaal van waterstofkernen aangeeft. Het is duidelijk dat wanneer de vis op de draden ligt, het signaal veel beter is dan zonder. De scanperiode in beide gevallen is hetzelfde, wat de verhoogde efficiƫntie van de scanning bewijst. In het artikel werd ook zorgvuldige
formule
gegeven voor het berekenen van de lengte van de draden afhankelijk van de werkfrequentie van de tomograaf, die ik heb gebruikt. Ik heb mijn metamateriaal gemaakt van een cuvet en een aantal koperen draden, voorzien van plastic bevestigingen, geprint op een 3D-printer:
Mijn eerste metamateriaal. Onmiddellijk na de productie werd het in de 1-Tesla-tomograaf gestopt. Een sinaasappel diende als het object voor scanning.
Echter, in plaats van de beloofde signaalversterking kreeg ik een hoop artefacten die het beeld volledig verpestten! Mijn verontwaardiging kende geen grenzen! Nadat ik het onderzoeksobject had opgegeten, schreef ik een brief aan de auteurs van het artikel, waarvan de essentie kan worden samengevat in de vraag "Hoezo...?.
De auteurs reageerden vrij snel op mijn verzoek. Ze waren behoorlijk onder de indruk dat iemand hun experimenten probeerde te herhalen. Eerst probeerden ze me lang uit te leggen hoe metamaterialen werken, met termen als 'Fabry-Perot resonanties', 'eigen modi', en allerlei radiofrequentievelden in volume. Toen ze echter begrepen dat ik er helemaal niets van begreep, besloten ze me uit te nodigen om hun ontwikkelingen in het echt te bekijken en te zien dat het daadwerkelijk werkt. Ik stopte mijn favoriete soldeerbout in mijn rugzak en ging naar Sint-Petersburg, naar de Nationale Onderzoeksuniversiteit voor Informatie Technologie, Mechanica en Optica (zoals bleek, leiden ze daar niet alleen programmeurs op).
Bij aankomst werden ik vriendelijk ontvangen, en onverwacht boden ze me een baan aan, omdat ze onder de indruk waren van mijn cuvet met draden en ze iemand nodig hadden om nieuwe te maken. In ruil daarvoor beloofden ze me alles wat me interesseerde in detail uit te leggen en een cursus radiophysica en MRI te volgen, die toevallig dat jaar begon. Mijn honger naar kennis overwon, en het jaar daarop leerde ik, werkte ik aan projecten en ontdekte ik steeds weer nieuwe dingen over de geschiedenis van de magnetische resonantie, evenals de staat van de moderne wetenschap op dit gebied, wat ik hier zal delen.
De basis van de beoogde verbetering van MRI, en onderzocht in de genoemde wetenschappelijke artikelen, ligt in de zogeheten 'metamaterialen'. Metamaterialen, net als vele andere ontdekkingen, zijn ontstaan door onverwachte oplossingen, verkregen op basis van theoretische studies. De Sovjetwetenschapper Viktor Veselago stelde in 1967, tijdens het werken aan een theoretisch model, het bestaan voor van materialen met een negatieve brekingsindex. Zoals je al begreep, heeft dit betrekking op optica, en de waarde van deze index betekent ruwweg hoe het licht van richting verandert wanneer het de grens tussen verschillende media, zoals lucht en water, passeert. Dat dit inderdaad gebeurt, kan je gemakkelijk zelf verifiƫren:
Een eenvoudig experiment met een laserpointer en een aquarium, dat de breking van licht demonstreert.
Een interessant feit dat kan worden afgeleid uit een dergelijk experiment is dat een straal niet kan buigen in dezelfde richting als waar hij de grens tussen de media is binnengevallen, hoezeer de experimentator ook zijn best doet. Dit experiment is uitgevoerd met alle stoffen die in de natuur voorkomen, maar de straal bleef vasthouden aan het buigen in Ć©Ć©n richting. Wiskundig betekent dit dat de brekingsindex, evenals de waarden waaruit deze bestaat, de elektrische en magnetische permeabiliteit, positief zijn en er nooit iets anders is waargenomen. Tenminste, totdat V. Veselago besloot deze kwestie te bestuderen en aantoonde dat er theoretisch geen enkele reden is waarom de brekingsindex negatief zou kunnen zijn.
Een afbeelding van Wikipedia die het verschil toont tussen media met een positieve en negatieve brekingsindex. Zoals we zien, gedraagt het licht zich volkomen onnatuurlijk in vergelijking met onze alledaagse ervaring.
V. Veselago heeft lange tijd geprobeerd bewijs te vinden voor het bestaan van materialen met een negatieve brekingsindex, maar zijn zoektocht was niet succesvol, en zijn werk werd onterecht vergeten. Pas aan het begin van de volgende eeuw werden kunstmatig samengestelde structuren gemaakt die de beschreven eigenschappen realiseerden, maar niet in optische frequenties, maar in een lager microgolffrequentiegebied. Dit was een keerpunt, omdat de mogelijkheid van het bestaan van dergelijke materialen nieuwe perspectieven opende. Bijvoorbeeld ā het creĆ«ren van , die in staat zijn om objecten te vergroten die zelfs kleiner zijn dan de golflengte van licht. Of absolute camouflagedekken ā onzichtbaarheid, de droom van alle legers. Er werden serieuze aanpassingen in de theorie aangebracht, rekening houdend met nieuwe gegevens. De sleutel tot succes bleek het gebruik van geordende structuren van resonante elementen ā meta-atomen, waarvan de grootte veel kleiner is dan de golflengte van de straling waarmee ze interageren. De geordende structuur van meta-atomen is een kunstmatig composiet, dat metamaateriaal wordt genoemd.
De praktische implementatie van metamaterialen is zelfs vandaag de dag technologisch complex, omdat de grootte van de resonantie-deeltjes vergelijkbaar moet zijn met de golflengte van elektromagnetische straling. Voor het optische gebied (waar de golflengte nanometers is) bevinden dergelijke technologieƫn zich aan de grenzen van de vooruitgang. Daarom is het niet verwonderlijk dat de eerste vertegenwoordigers van het metamateriaalconcept zijn gemaakt voor relatief langere elektromagnetische golven uit het radiobereik (die ons meer vertrouwde lengtes van mm tot m hebben). De belangrijkste eigenschap en tegelijkertijd het nadeel van elk metamateriaal is het gevolg van de resonantie-natuur van de elementen waaruit het bestaat. Een metamateriaal kan zijn wonderlijke eigenschappen alleen op bepaalde frequenties vertonen.
Beperkte frequenties.Vraag daarom, wanneer je weer eens iets ziet zoals een super-geluiddempers op basis van metamaterialen, welke frequentiebereik het daadwerkelijk dempt.
Typische voorbeelden van metamaterialen die interactie mogelijk maken met elektromagnetische golven. Structuren van geleiders zijn niets anders dan kleine resonatoren, LC-circuits, gevormd door de ruimtelijke positie van de geleiders.
Er is weinig tijd verstreken sinds de verschijning van het concept van metamaterialen en hun eerste implementaties, voordat mensen het idee kregen om ze te gebruiken in MRI. Het belangrijkste nadeel van metamaterialen ā het smalle werkgebied ā vormt geen probleem voor MRI, waar alle processen zich practically op Ć©Ć©n frequentie van magnetische resonantie van kernen in het radiobereik afspelen. Hier kun je zelf meta-atomen maken en direct zien wat er op de afbeeldingen gebeurt. Een van de eerste functies die onderzoekers implementeerden in MRI met metamaterialen waren superlenzen en endoscopen.
Aan de linkerkant onder punt a) wordt de superlens weergegeven, bestaande uit een driedimensionaal rooster van resonatoren op printplaten. Elke resonator is een open metalen ring met een soldeercondensator, die een LC-circuit vormt, afgestemd op de MR- frequentie. Hieronder staat een voorbeeld van de plaatsing van deze structuur van metamateriaal tussen de benen van een patiĆ«nt die een tomografieprocedure ondergaat, en de daarmee verkregen beelden. Als u eerder mijn eerdere artikel over MR niet heeft gemist, weet u al dat het verzamelen van zwakke, snel vervagende signalen van nucleĆÆden vereist dat een dicht bij elkaar gelegde antenne ā spoel ā wordt gebruikt om een afbeelding van een bepaalde lichaamszone van de patiĆ«nt te verkrijgen.
De superlens van metamateriaal maakt het mogelijk om het actieradius van de standaardspoel te vergroten. Bijvoorbeeld om beide benen van een patiƫnt tegelijk te visualiseren in plaats van slechts ƩƩn. Het slechte nieuws is dat de positie van de superlens op een bepaalde manier moet worden gekozen voor de beste effectiviteit, en de superlens zelf is vrij duur om te maken. Als u nog steeds niet begrijpt waarom deze lens een super- voorvoegsel heeft, kijk dan naar de foto voor zijn afmetingen, en realiseer u vervolgens dat hij werkt met een golflengte van ongeveer vijf meter!
Onder punt b) wordt de constructie van de endoscoop gedemonstreerd. In wezen is de endoscoop voor MR een array van parallelle draden die fungeert als golfgeleider. Dit maakt het mogelijk om het gebied waaruit de spoel het signaal van de nucleĆÆden ontvangt, en de spoel zelf op een aanzienlijke afstand van elkaar te plaatsen ā tot het punt dat de ontvangstantenne zelfs buiten de cryostaat van de tomograaf kan worden geplaatst, ver weg van het permanente magnetische veld. In de onderste afbeeldingen van tabblad b) zijn de opnamen weergegeven die zijn verkregen voor een speciaal met vloeistof gevulde container ā phantom. Het verschil tussen deze afbeeldingen is dat de beelden die zijn gemarkeerd met 'endoscoop' zijn verkregen toen de spoel op een aanzienlijke afstand van de phantom was, waar zonder de endoscoop de signalen van nucleĆÆden absoluut niet konden worden gedetecteerd.
Als we het hebben over een van de meest veelbelovende toepassingsgebieden van metamaterialen in MRI, en het dichtst bij de praktische implementatie (waar ik uiteindelijk bij betrokken raakte) ā dan gaat het om het creĆ«ren van draadloze spoelen. Het is belangrijk op te merken dat het hier absoluut niet gaat om Bluetooth of een andere draadloze dataserveringstechnologie. "Draadloos" betekent in dit geval het bestaan van een inductieve of capacitieve verbinding tussen twee resonantiestructuren ā een zenderontvangstantenne en het metamateriaal. Conceptueel ziet het er als volgt uit:
Links is te zien hoe de MRI-procedure normaal gesproken verloopt: de patiƫnt ligt in de cryostaat binnen een gebied van homogeen statisch magnetisch veld. In de tunnel van de tomograaf is een grote antenne gemonteerd, die een "vogelpunt" wordt genoemd. Een antenne van deze configuratie maakt het mogelijk om de vector van het radiofrequente magnetische veld te roteren met de frequentie van de precessie van waterstofkernen (voor klinische machines ligt dit doorgaans tussen de 40 en 120 MHz, afhankelijk van de sterkte van het statische magnetische veld van 1T tot 3T), waardoor ze energie absorberen en vervolgens terugstraalden. Het terugsignaal van de kernen is erg zwak en terwijl het naar de geleiders van de grote antenne reist, zal het onvermijdelijk verzwakken. Om deze reden worden er in MRI dicht bij elkaar geplaatste lokale spoelen gebruikt om signalen op te vangen. Op de afbeelding in het midden is bijvoorbeeld een typische situatie voor het scannen van de knie afgebeeld. Met behulp van metamaterialen kan een resonator worden gemaakt die inductief is gekoppeld aan de vogelpunt. Het is voldoende om zo'n ding naast het gewenste lichaamsdeel van de patiƫnt te plaatsen en het signaal van daar zal net zo goed worden ontvangen als met een lokale spoel! In het geval van een succesvolle implementatie van het concept, hoeven patiƫnten zich niet meer in draden te verwarren, en wordt de MRI-diagnoseprocedure comfortabeler.
Dit is precies zo'n ding dat ik in het begin probeerde te creĆ«ren, door draden in water te dompelen en te proberen een sinaasappel te scannen. De draden, ondergedompeld in water uit de allereerste afbeelding in dit artikel, zijn niets anders dan meta-atomen, waarvan elk een halfgolf dipool vertegenwoordigt ā een van de meest bekende antenneconstructies, die elke radioamateur bekend is.
Ze worden niet ondergedompeld in het water zodat ze niet in brand vliegen in de MRI (hoewel dat ook een reden is), maar om door de hoge diƫlektrische permeabiliteit van water hun resonantielengte exact te verkorten met een waarde die gelijk is aan de vierkantswortel van de diƫlektrische permeabiliteit van water.
Deze techniek wordt al geruime tijd toegepast in radio-ontvangers, door draad om een stuk ferriet te wikkelen - de zogenaamde ferrietantenne. Alleen heeft ferriet een hoge magnetische permeabiliteit en geen diƫlektrische, wat echter ook werkt en de resonantie-afmetingen van de antenne kan verkorten. Helaas kan ferriet niet in de MRI worden geplaatst omdat het magnetisch is. Water is een goedkope en toegankelijke alternatieve oplossing.
Het is vanzelfsprekend dat, voor het berekenen van al deze zaken, er complexe wiskundige modellen moeten worden gebouwd die de relatie tussen resonantie-elementen, omgevingsparameters en stralingsbronnen in rekening brengen... of men kan de vruchten van de vooruitgang en software voor numerieke elektromagnetische modellering gebruiken, waarmee zelfs een scholier zonder moeite kan omgaan (voorbeelden hiervan zijn CST, HFSS). Deze software maakt het mogelijk om 3D-modellen van resonatoren, antennes, elektrische circuits te maken, mensen toe te voegen ā kortom, alles wat je maar kunt bedenken, het hangt alleen af van de verbeeldingskracht en beschikbare rekencapaciteiten. De gebouwde modellen worden in netwerken verdeeld, waarin de bekende Maxwell-vergelijkingen worden opgelost.
Hier bijvoorbeeld de simulatie van het radiofrequente magnetische veld binnen de eerder genoemde vogelkooi-antenne:
Het wordt onmiddellijk vrij duidelijk hoe het veld draait. Links is de situatie weergegeven waarin er een doos met water binnen de antenne is, en rechts ā wanneer dezelfde doos zich bevindt op een resonator van draden met resonantielengte. Het is zichtbaar hoe het magnetische veld aanzienlijk wordt versterkt door de draden. Na het beheersen van CST en het optimaliseren van mijn constructie, heb ik nogmaals een metamateriaal gemaakt dat het signaal in een standaard klinische 1.5T MRI-scanner daadwerkelijk heeft versterkt. Het bleef ook een doos (hoewel mooier, van plexiglas), gevuld met water en een massa draden. Dit keer was de structuur geoptimaliseerd op basis van resonantievoorwaarden, namelijk: het selecteren van de draadlengtes, hun posities en de hoeveelheid water. Dit is wat er met de tomaat is gebeurd:
Het eerste scannen van de tomaat werd uitgevoerd met een grote antenne. Uiteindelijk kreeg ik alleen geluid met vaag zichtbare contouren. De tweede keer plaatste ik de vrucht op een versgebakken resonant constructie. Ik besloot geen kleurenkaarten of iets dergelijks te maken, aangezien het effect duidelijk is. Zo heb ik, hoewel ik veel tijd heb verspild, met mijn ervaring aangetoond dat het concept werkt.
Ik weet wat je denkt - sinaasappels, tomaten - dat is allemaal niet waar, waar zijn de proeven op mensen?
Ze zijn er echt geweest :
De hand van de vrijwilliger die een MRI ondergaat ligt op dezelfde doos. Eigenlijk is het water in de doos ook goed zichtbaar omdat het waterstof bevat. De signaalversterking vindt plaats in het gedeelte van de pols dat op de resonator ligt, terwijl alle andere delen van het lichaam slecht zichtbaar zijn. Het is duidelijk dat hetzelfde effect, of misschien zelfs beter, ook kan worden bereikt met standaard klinische spoelen. Maar het feit dat je dergelijke dingen kunt doen door simpelweg water en draden op een bepaalde manier te combineren, is verbluffend. Nog verbazingwekkender is dat deze kennis kan worden verkregen door het bestuderen van schijnbaar ongerelateerde fenomenen, zoals lichtbreking.
Voor degenen die nog niet moe zijnOp dit moment is het ontwerp van de doos met water al verbeterd. Het is nu gewoon een platte printplaat die het mogelijk maakt om het magnetische veld van de externe grote antenne rondom te lokaliseren. Bovendien is het werkgebied groter dan dat van de vorige constructie:
Kleurige linten tonen de sterkte van het magnetische veld boven de structuur tijdens excitatie door een externe bron van elektromagnetische golven. De platte structuur vormt een typische transmissielijn die bekend is in de radiotechniek, maar kan tegelijkertijd ook worden beschouwd als een metamateriaal voor MRI. Deze "draadloze spoel" kan al concurreren met standaard spoelen qua homogeniteit van het gegenereerde veld op een bepaalde diepte in het scanobject:
De animatie toont laag voor laag een kleurenkaart van het signaal binnen een doos met water in de MRI. De kleur geeft de intensiteit van de signalen van waterstofkernen aan. In de linkerbovenhoek wordt een segment van een standaardspoel voor het scannen van de rug als ontvanger gebruikt. De linkerbenedenhoek toont de doos op een resonator in de vorm van een printplaat. Onderin rechts ontvangt een grote antenne, ingebouwd in de tunnel van de tomograaf, het signaal. Ik vergeleek de homogeniteit van het signaal in het gemarkeerde gebied. Op een bepaalde hoogte presteert het metamateriaal beter dan de spoel wat betreft de homogeniteit van het signaal. Voor klinische taken is dit misschien geen belangrijke prestatie, maar als het gaat om wetenschappelijke MRI-opstellingen waar ratten worden gescand, kan dit helpen om een toename van het signaal te bereiken en de benodigde kracht van de opwekkende radiofrequenties te verminderen.
De opmerking "verbeterd met 2 keer" aan het begin van het artikel is uiteraard een vrucht van de onverdeelde liefde van journalisten voor wetenschappers. Het is echter ook niet juist om te zeggen dat dit lege onderzoeken zijn, iets wat wordt bevestigd door de belangstelling voor dit onderwerp in wetenschappelijke groepen over de hele wereld. Het is verrassend, maar er wordt ook bij ons in Rusland gewerkt, hoewel, op basis van mijn eigen ervaring, dit eerder een zeldzame uitzondering is. Er zijn nog veel onopgeloste problemen met betrekking tot het gebruik van metamaterialen in MRI. Naast het lokaliseren van magnetische velden voor het verkrijgen van goede beelden, moeten we de elektrische velden niet vergeten die leiden tot het opwarmen van weefsels, evenals de absorptie van energie uit het radiofrequentieveld door patiƫnten die onderzoek ondergaan. Voor deze zaken moet bij klinisch gebruik speciale controle zijn, wat sterk bemoeilijkt wordt door het gebruik van resonatoren die de velden lokaliseren. Tot nu toe blijven metamaterialen voor MRI binnen het kader van wetenschappelijk onderzoek, maar de resultaten zijn al behoorlijk interessant en mogelijk zal de MRI-procedure in de toekomst dankzij hen verbeteren, sneller en veiliger worden.
Bron: habr.com
