Een schroevendraaier floot langs mijn oor. Met een luid rinkelend geluid bleef ze op het cryostaatlichaam staan. Ik vloekte tegen mezelf en besloot een pauze te nemen. Bouten losdraaien in een magnetisch veld van 1.5 Tesla met stalen gereedschap is geen goed idee. Het veld probeert, als een onzichtbare vijand, voortdurend het instrument uit de handen te rukken, het langs zijn krachtlijnen te oriënteren en het zo dicht mogelijk bij de elektronen te richten die in een gesloten cirkel vanuit de supergeleider lopen. Als je echter de verzuurde verbindingen van vele jaren geleden echt moet verslaan, is er niet veel keuze. Ik ging achter de computer zitten en scrollde gewoonlijk door de nieuwsfeed. “Russische wetenschappers hebben MRI met 2 keer verbeterd!” - lees de verdachte kop.
Ongeveer een jaar geleden hebben wij en begreep de essentie van zijn werk. Ik raad u ten zeerste aan uw geheugen over dat materiaal op te frissen voordat u dit artikel leest.
Om verschillende redenen, waaronder historische, in het huidige Rusland productie van complexe apparatuur zoals scanners voor magnetische resonantiebeeldvorming met hoog veld. Als u echter in een grotere stad woont, kunt u gemakkelijk klinieken vinden die dit soort diensten verlenen. Tegelijkertijd wordt de vloot van MRI-scanners vaak vertegenwoordigd door gebruikte apparatuur, ooit geïmporteerd uit de VS en Europa, en als je plotseling een kliniek met een MRI moet bezoeken, laat je dan niet misleiden door het mooie uiterlijk van het apparaat - het zou wel eens in zijn tweede decennium kunnen zijn. Als gevolg hiervan gaat dergelijke apparatuur soms kapot, en lange tijd was ik een van die mensen die kapotte tomografen weer in gebruik nam, zodat patiënten diagnostiek konden blijven ondergaan en de eigenaren winst konden maken.
Tot ik op een mooie dag, tijdens een pauze tussen gevaarlijk amusement met enorme magnetische velden, een interessante inscriptie in de nieuwsfeed tegenkwam: “Russische wetenschappers samen met Nederlandse collega’s metamaterialen gebruiken." Het is onnodig om te zeggen dat juist het feit dat Rusland onderzoek doet naar apparatuur waarvan de productie nooit onder de knie is geweest, mij zeer, zeer controversieel leek. Ik besloot dat dit gewoon weer een subsidieronde was, verwaterd met onbegrijpelijke wetenschappelijke modewoorden als de ‘nanotechnologie’ waar iedereen al genoeg van had. Een zoektocht naar informatie over het onderwerp van het werk van binnenlandse wetenschappers met MRI en metamaterialen leidde me naar een artikel met een beschrijving van een eenvoudig experiment dat ik gemakkelijk kon herhalen, aangezien de MRI-machine altijd bij de hand is.
Foto van , gewijd aan het verbeteren van het MRI-signaal met behulp van het zogenaamde “metamateriaal”. In een typisch klinisch 1.5 - Thermisch apparaat wordt in plaats van de patiënt metamateriaal geladen, in de vorm van een waterbassin, waarin parallelle draden van een bepaalde lengte zich bevinden. Op de draden ligt het studieobject: een vis (niet-levend). De afbeeldingen aan de rechterkant zijn MRI-afbeeldingen van de vis, met een kleurenkaart erop die de signaalintensiteit van de waterstofkernen aangeeft. Het is te zien dat wanneer de vis op de draden ligt, het signaal veel beter is dan zonder. De scantijd is in beide gevallen hetzelfde, wat bewijst dat de scanefficiëntie wordt verhoogd. Het artikel is ook zorgvuldig opgenomen
formule
om de lengte van de draden te berekenen, afhankelijk van de werkfrequentie van de tomograaf, die ik gebruikte. Ik heb mijn metamateriaal gemaakt van een cuvette en een reeks koperdraden, uitgerust met 3D-geprinte plastic bevestigingsmiddelen:
Mijn eerste metamateriaal. Direct na productie werd hij in een 1 Tesla-tomograaf geplaatst. De sinaasappel fungeerde als een te scannen object.
In plaats van de beloofde signaalverbetering ontving ik echter een aantal artefacten die het beeld volledig verpestten! Mijn verontwaardiging kende geen grenzen! Nadat ik het onderwerp had afgerond, schreef ik een brief aan de auteurs van het artikel, waarvan de betekenis kan worden herleid tot de vraag "Wat ...?"
De auteurs reageerden vrij snel op mij. Ze waren behoorlijk onder de indruk dat iemand hun experimenten probeerde te repliceren. In eerste instantie probeerden ze mij lange tijd uit te leggen hoe metamaterialen eigenlijk werken, met behulp van de termen ‘Fabry-Perot-resonanties’, ‘intrinsieke modi’ en allerlei soorten radiofrequentievelden in het volume. Toen ze blijkbaar beseften dat ik helemaal niet begreep waar ze het over hadden, besloten ze mij uit te nodigen om hen te bezoeken, zodat ik hun ontwikkelingen live kon bekijken en er zeker van kon zijn dat het nog steeds werkt. Ik gooide mijn favoriete soldeerbout in mijn rugzak en ging naar St. Petersburg, naar de National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics (het bleek dat daar niet alleen programmeurs worden opgeleid).
Ik werd ter plaatse hartelijk verwelkomd en plotseling boden ze me een baan aan, omdat ze onder de indruk waren van mijn sloot met draden en ze iemand nodig hadden om nieuwe te maken. In ruil daarvoor beloofden ze alles wat mij interesseert in detail uit te leggen en een opleiding radiofysica en MRI te volgen, die, door een gelukkig toeval, precies dat jaar begon. Mijn honger naar kennis won en het hele jaar door studeerde, deed ik projecten en werkte ik, waarbij ik geleidelijk steeds meer nieuwe dingen leerde over de geschiedenis van magnetische resonantie, evenals de stand van de moderne wetenschap op dit gebied. deel hier.
De methode voor voorgestelde verbetering van MRI, en bestudeerd in de genoemde wetenschappelijke artikelen, is gebaseerd op de zogenaamde “metamaterialen”. Metamaterialen danken, net als veel andere ontdekkingen, hun ontstaan aan onverwachte oplossingen die zijn verkregen op basis van theoretisch onderzoek. De Sovjetwetenschapper Viktor Veselago suggereerde in 1967, terwijl hij aan een theoretisch model werkte, het bestaan van materialen met een negatieve brekingsindex. Zoals je al begrijpt, hebben we het over optica, en de waarde van deze coëfficiënt betekent grofweg hoeveel licht van richting zal veranderen wanneer het de grens tussen verschillende media passeert, bijvoorbeeld lucht en water. U kunt eenvoudig zelf verifiëren dat dit echt gebeurt:
Een eenvoudig experiment met een laserpointer en een aquarium om de breking van licht aan te tonen.
Een interessant feit dat uit een dergelijk experiment kan worden geleerd, is dat de straal niet in dezelfde richting kan worden gebroken als waarin deze op het grensvlak viel, hoe hard de onderzoeker ook zijn best doet. Dit experiment werd uitgevoerd met alle in de natuur voorkomende stoffen, maar de straal werd hardnekkig in slechts één richting gebroken. Wiskundig gezien betekent dit dat de brekingsindex, evenals de samenstellende grootheden, de diëlektrische en magnetische permeabiliteit, positief zijn, en dat is nog nooit anders waargenomen. In ieder geval totdat V. Veselago besloot dit probleem te bestuderen en aantoonde dat er theoretisch geen enkele reden is waarom de brekingsindex niet negatief kan zijn.
Afbeelding van Wiki die het verschil laat zien tussen positieve en negatieve indexmedia. Zoals we zien gedraagt het licht zich volkomen onnatuurlijk in vergelijking met onze dagelijkse ervaring.
V. Veselago probeerde lange tijd bewijs te vinden voor het bestaan van materialen met een negatieve brekingsindex, maar de zoektocht was niet succesvol en zijn werk werd ten onrechte vergeten. Pas aan het begin van de volgende eeuw werden op kunstmatige wijze composietstructuren gecreëerd die de beschreven eigenschappen verwezenlijkten, maar niet in het optische, maar in het lagere microgolffrequentiebereik. Dat was een keerpunt, omdat alleen al de mogelijkheid van het bestaan van dergelijke materialen nieuwe perspectieven opende. Bijvoorbeeld - creatie , in staat objecten te vergroten die zelfs kleiner zijn dan de golflengte van licht. Of - absolute camouflage-onzichtbaarheidsbedekkingen, de droom van alle militairen. Er zijn belangrijke wijzigingen in de theorie aangebracht om rekening te houden met nieuwe gegevens. De sleutel tot succes was het gebruik van geordende structuren van resonante elementen - metaatomen, waarvan de grootte veel kleiner is dan de golflengte van de straling waarmee ze interageren. Een geordende structuur van meta-atomen is een kunstmatig composiet dat een metamateriaal wordt genoemd.
De praktische implementatie van metamaterialen is zelfs vandaag de dag technologisch complex, omdat de grootte van de resonante deeltjes vergelijkbaar moet zijn met minder dan de golflengte van elektromagnetische straling. Voor het optische bereik (waar de golflengte nanometers is) lopen dergelijke technologieën voorop in de vooruitgang. Daarom is het niet verrassend dat de eerste vertegenwoordigers van het metamaterialenconcept zijn gemaakt voor relatief langere elektromagnetische golven uit het radiobereik (die een bekendere lengte hebben van mm tot m). Het belangrijkste kenmerk en tegelijkertijd het nadeel van elk metamateriaal is een gevolg van de resonante aard van de samenstellende elementen. Metamateriaal kan zijn wonderbaarlijke eigenschappen alleen bij bepaalde frequenties vertonen.
Beperkte frequenties.Vraag daarom de volgende keer dat je bijvoorbeeld zoiets als een supergeluidstoorzender op basis van metamaterialen ziet, welk frequentiebereik deze daadwerkelijk blokkeert.
Typische voorbeelden van metamaterialen die interactie met elektromagnetische golven mogelijk maken. Geleiderstructuren zijn niets meer dan kleine resonatoren, LC-circuits gevormd door de ruimtelijke positie van de geleiders.
Er is enige tijd verstreken sinds de opkomst van het concept van metamaterialen en hun eerste implementaties, en mensen ontdekten hoe ze ze in MRI konden gebruiken. Het grootste nadeel van metamaterialen is dat het smalle werkbereik geen probleem is voor MRI, waarbij alle processen plaatsvinden op vrijwel dezelfde kernmagnetische resonantiefrequentie, die in het radiobereik ligt. Hier kunt u met uw eigen handen meta-atomen maken en meteen zien wat er op de afbeeldingen gebeurt. Een van de eerste kenmerken die onderzoekers in MRI implementeerden met behulp van metamaterialen waren superlenzen en endoscopen.
Aan de linkerkant onder letter a) is een superlens weergegeven, bestaande uit een driedimensionale reeks resonatoren op printplaten. Elke resonator is een open metalen ring met een gesoldeerde condensator, die een LC-circuit vormt dat is afgestemd op de MRI-frequentie. Hieronder ziet u een voorbeeld van het plaatsen van deze metamateriaalstructuur tussen de benen van een patiënt die een tomografieprocedure ondergaat, en dienovereenkomstig de resulterende beelden. Als u het advies om mijn vorige artikel over MRI te lezen niet eerder in de wind hebt geslagen, dan weet u al dat om een beeld te krijgen van welk deel van het lichaam van de patiënt dan ook, het noodzakelijk is om zwakke, snel afnemende nucleaire signalen te verzamelen met behulp van een dichtbij gelegen antenne - een spoel.
Met de superlens van metamateriaal kunt u het actiebereik van een standaardspoel vergroten. Visualiseer bijvoorbeeld beide benen van de patiënt tegelijk in plaats van slechts één. Het slechte nieuws is dat de positie van de superlens op een bepaalde manier moet worden gekozen voor het beste effect, en dat de productie van de superlens zelf vrij duur is. Als je nog steeds niet begrijpt waarom deze lens een supervoorvoegsel wordt genoemd, schat dan de grootte ervan op basis van de foto en realiseer je dan dat hij werkt met een golflengte van ongeveer vijf meter!
Letter b) toont het ontwerp van de endoscoop. In wezen is een MRI-endoscoop een reeks parallelle draden die als golfgeleider fungeren. Hiermee kunt u het gebied van waaruit de spoel het signaal van de kernen ontvangt, ruimtelijk scheiden van de spoel zelf over een aanzienlijke afstand - tot het punt dat de ontvangstantenne volledig buiten de cryostaat van de tomograaf kan worden geplaatst, ver van de constante magnetische velden. veld. De onderste afbeeldingen van tabblad b) tonen afbeeldingen die zijn verkregen voor een speciaal met vloeistof gevuld vat: een fantoom. Het verschil tussen beide is dat de beelden met het label ‘endoscoop’ werden verkregen toen de spoel zich op een behoorlijke afstand van het fantoom bevond, terwijl zonder de endoscoop de signalen van de kernen volkomen onmogelijk zouden zijn om te detecteren.
Als we het hebben over een van de meest veelbelovende toepassingsgebieden van metamaterialen in MRI, en het dichtst bij de praktische implementatie ervan (waar ik uiteindelijk bij betrokken raakte), is het creëren van draadloze spoelen. Het is de moeite waard om te verduidelijken dat we het hier niet hebben over Bluetooth of andere draadloze gegevensoverdrachtstechnologie. "Draadloos" betekent in dit geval de aanwezigheid van inductieve of capacitieve koppeling van twee resonante structuren: een zendontvangerantenne en een metamateriaal. In concept ziet het er als volgt uit:
Links is te zien hoe een MRI-procedure doorgaans plaatsvindt: de patiënt ligt in een cryostaat in een gebied met een uniform statisch magnetisch veld. In de tomograaftunnel is een grote antenne, een zogenaamde ‘vogelkooi’, gemonteerd. Met een antenne met deze configuratie kunt u de vector van het radiofrequente magnetische veld roteren met de precessiefrequentie van waterstofkernen (voor klinische machines is dit meestal van 40 tot 120 MHz, afhankelijk van de grootte van het statische magnetische veld van 1T tot 3T, respectievelijk), waardoor ze energie absorberen en als reactie daarop energie uitzenden. Het responssignaal van de kernen is erg zwak en tegen de tijd dat het de geleiders van een grote antenne bereikt, zal het onvermijdelijk vervagen. Om deze reden gebruikt MRI dicht bij elkaar gelegen lokale spoelen om signalen te ontvangen. De afbeelding in het midden toont bijvoorbeeld een typische kniescansituatie. Met behulp van metamaterialen is het mogelijk een resonator te maken die inductief aan een vogelkooi wordt gekoppeld. Het volstaat om zoiets in de buurt van het gewenste deel van het lichaam van de patiënt te plaatsen en het signaal van daaruit zal niet slechter worden ontvangen dan met een lokale spoel! Als het concept succesvol wordt geïmplementeerd, hoeven patiënten niet langer verstrikt te raken in draden en wordt de MRI-diagnostiek comfortabeler.
Dit is precies het soort ding dat ik in het begin probeerde te creëren, door de draden met water te vullen en een sinaasappel te scannen. De draden die vanaf de allereerste foto in dit artikel in water zijn ondergedompeld, zijn niets meer dan meta-atomen, die elk een halvegolfdipool vertegenwoordigen - een van de beroemdste antenneontwerpen, bekend bij elke radioamateur.
Ze worden niet in water ondergedompeld zodat ze bij MRI geen vlam vatten (hoewel ook voor dit doel)), maar om, vanwege de hoge diëlektrische constante van water, hun resonantielengte te verkleinen met precies een hoeveelheid gelijk aan het kwadraat wortel van de diëlektrische constante van water.
Deze chip wordt al lang gebruikt in radio-ontvangers, waarbij draad op een stuk ferriet wordt gewikkeld - de zogenaamde. ferriet antenne. Alleen ferriet heeft een hoge magnetische permeabiliteit, en niet een diëlektrische permeabiliteit, die echter op dezelfde manier werkt en ervoor zorgt dat de resonantieafmetingen van de antenne dienovereenkomstig worden verkleind. Helaas kun je ferriet niet in een MRI stoppen, omdat... het is magnetisch. Water is een goedkoop en toegankelijk alternatief.
Het is duidelijk dat je, om al deze dingen te berekenen, complexe wiskundige modellen moet bouwen die rekening houden met de relatie tussen resonante elementen, omgevingsparameters en stralingsbronnen... of je kunt profiteren van de vruchten van de vooruitgang en software voor numerieke elektromagnetische straling. modellering, die zelfs een schoolkind gemakkelijk kan begrijpen (de meest opvallende voorbeelden - CST, HFSS). Met de software kun je 3D-modellen maken van resonatoren, antennes, elektrische circuits, er mensen aan toevoegen - ja, eigenlijk alles, de enige vraag is je verbeeldingskracht en beschikbare rekenkracht. De geconstrueerde modellen zijn onderverdeeld in rasters, op de knooppunten waarvan de bekende Maxwell-vergelijkingen zijn opgelost.
Hier is bijvoorbeeld een simulatie van het radiofrequente magnetische veld in de eerder genoemde vogelkooiantenne:
Het wordt meteen duidelijk hoe het veld draait. De situatie aan de linkerkant wordt weergegeven als er een doos met water in de antenne zit, en aan de rechterkant - wanneer dezelfde doos zich op een resonator bevindt die is gemaakt van draden met een resonante lengte. Je kunt zien hoe het magnetische veld aanzienlijk wordt versterkt door de draden. Nadat ik CST onder de knie had en mijn ontwerp daar had geoptimaliseerd, heb ik opnieuw een metamateriaal gemaakt, waardoor het daadwerkelijk mogelijk werd om het signaal te versterken in een standaard klinische 1.5T MRI-tomograaf. Het was nog steeds een doos (hoewel mooier, gemaakt van plexiglas), gevuld met water en een hele reeks draden. Deze keer werd de structuur geoptimaliseerd in termen van resonante omstandigheden, namelijk: selectie van de lengte van de draden, hun positie en de hoeveelheid water. Dit is wat er met de tomaat gebeurde:
De eerste scan van de tomaat is gemaakt met een grote antenne. Het resultaat was slechts ruis met nauwelijks zichtbare contouren. De tweede keer plaatste ik het fruit op een versgebakken resonantiestructuur. Ik heb geen gekleurde kaarten of iets dergelijks gemaakt, omdat het effect duidelijk is. Dus, uit eigen ervaring, hoewel ik er veel tijd aan heb besteed, heb ik bewezen dat het concept werkt.
Het is duidelijk wat je denkt – sinaasappels, tomaten – dat is helemaal verkeerd, waar zijn de menselijke beproevingen?
Dat waren ze echt :
Op dezelfde doos ligt de hand van een vrijwilliger die een MRI ondergaat. Het daadwerkelijke water in de bak is, omdat het waterstof bevat, ook duidelijk zichtbaar. Het signaal wordt versterkt in het gebied van de pols dat op de resonator ligt, terwijl alle andere delen van het lichaam slecht zichtbaar zijn. Het is duidelijk dat hetzelfde effect, en misschien zelfs beter, kan worden bereikt met standaard klinische spoelen. Maar juist het feit dat je zulke dingen kunt doen door simpelweg water en draden ruimtelijk te combineren en ze op de juiste manier te combineren, is verbazingwekkend. Nog verbazingwekkender is dat kennis hierover kan worden verkregen door de studie van ogenschijnlijk niet-gerelateerde verschijnselen, zoals de breking van licht.
Voor wie nog niet moe isOp dit moment is het ontwerp van de waterbox al verbeterd. Nu is het gewoon een platte printplaat waarmee je het magnetische veld van een externe grote antenne bij jou in de buurt kunt lokaliseren. Bovendien is het werkgebied groter dan dat van het vorige ontwerp:
De gekleurde linten geven de magnetische veldsterkte over de structuur aan wanneer deze wordt geëxciteerd door een externe bron van elektromagnetische golven. De platte structuur is een typische transmissielijn die bekend is in de radiotechniek, maar kan ook worden beschouwd als een metamateriaal voor MRI. Deze “draadloze spoel” kan al concurreren met standaardspoelen wat betreft de uniformiteit van het gegenereerde veld op een bepaalde diepte in het gescande object:
De animatie toont een laag-voor-laag kleurenkaart van het signaal in een doos met water in een MRI. Kleur geeft de intensiteit aan van signalen van waterstofkernen. In de linkerbovenhoek wordt een segment van een standaard achterwaartse scanspoel gebruikt als ontvanger. De linker benedenhoek is wanneer de doos op een resonator in de vorm van een printplaat wordt geplaatst. Rechtsonder - het signaal wordt ontvangen door een grote antenne die in de tomograaftunnel is ingebouwd. Ik heb de signaaluniformiteit vergeleken in het gebied dat wordt aangegeven door de rechthoek. Op bepaalde hoogte presteert het metamateriaal beter dan de spoel in termen van signaaluniformiteit. Voor klinische doeleinden is dit misschien geen erg belangrijke prestatie, maar als het gaat om wetenschappelijke MRI-installaties waar ratten worden gescand, kan het helpen een signaalverhoging en een afname van het vereiste vermogen van opwindende radiopulsen te bereiken.
Over “twee keer verbeterd” aan het begin van het artikel - dit is natuurlijk weer een vrucht van de onbeantwoorde liefde van journalisten voor wetenschappers, maar het is ook verkeerd om te zeggen dat dit leeg onderzoek is, dat wordt ondersteund door interesse in dit onderwerp in wetenschappelijke groepen over de hele wereld. Verrassend genoeg wordt hier in Rusland ook gewerkt, hoewel dit op basis van mijn puur persoonlijke ervaring eerder een zeldzame uitzondering is. Er zijn nog steeds veel onopgeloste problemen die verband houden met het gebruik van metamaterialen bij MRI. Naast het lokaliseren van magnetische velden om een goed beeld te krijgen, mag u ook de elektrische velden niet vergeten die tot weefselverwarming leiden, evenals de absorptie van radiofrequente veldenergie door de weefsels van patiënten die onderzoek ondergaan. Voor deze dingen moet er bij klinisch gebruik een speciale controle zijn, die veel gecompliceerder wordt bij gebruik van veldlokaliserende resonatoren. Voorlopig blijven metamaterialen voor MRI binnen de reikwijdte van wetenschappelijk onderzoek, maar de verkregen resultaten zijn al zeer interessant en misschien zal dankzij hen de MRI-procedure in de toekomst ten goede veranderen en sneller en veiliger worden.
Bron: www.habr.com