En skrutrekker plystret forbi øret mitt. Med en høy ringing frøs hun fast på kroppen av kryostaten. Banning for meg selv bestemte jeg meg for å ta en pause. Å skru ut bolter i et magnetfelt på 1.5 tesla, ved hjelp av et stålverktøy, er en ujevne idé. Feltet, som en usynlig fiende, prøver hele tiden å rive verktøyet fra hendene, orientere det langs sine kraftlinjer og rette det så nært som mulig til elektronene som løper i en ond sirkel fra superlederen. Men hvis det er veldig nødvendig å beseire sure forbindelser for mange år siden, er det ikke mye valg. Jeg satte meg ved datamaskinen og skrollet til vanlig gjennom nyhetsstrømmen. "Russiske forskere har forbedret MR med 2 ganger!" les den mistenkelige overskriften.
For omtrent et år siden, vi og forsto essensen av arbeidet hans. Jeg anbefaler på det sterkeste at før du leser denne artikkelen, oppdaterer du minnet om det materialet.
Av ulike grunner, inkludert historiske, i Russland i dag produksjon av så komplekst utstyr som høyfelts magnetiske resonans tomografer. Men hvis du bor i en mer eller mindre stor by, kan du enkelt finne klinikker som tilbyr denne typen tjenester. Samtidig er flåten av MR-skannere ofte representert av brukt utstyr, en gang importert fra USA og Europa, og hvis du plutselig må besøke en MR-klinikk, ikke la deg lure av det vakre utseendet til enheten - det kan vel være i sitt andre tiår. Som et resultat går slikt utstyr noen ganger i stykker, og i lang tid var jeg en av dem som returnerte ødelagte tomografer til tjeneste, slik at pasientene kunne fortsette å gjennomgå diagnostikk, og eierne kunne tjene penger.
Inntil en av de fineste dagene, under en pause mellom farlig underholdning med enorme magnetfelt, kom jeg over en interessant inskripsjon i nyhetsstrømmen: «Russiske forskere sammen med nederlandske kolleger ved hjelp av metamaterialer. Det er unødvendig å si at selve det faktum at Russland forsker på utstyr, som aldri har blitt mestret i produksjonen, virket for meg veldig, veldig kontroversielt. Jeg bestemte meg for at det bare var nok en sluk av stipender, fortynnet med uforståelige vitenskapelige buzzwords som "nanoteknologi" som allerede er syk av alle. Søket etter informasjon om arbeidet til russiske forskere med MR og metamaterialer førte meg til en artikkel som inneholder en beskrivelse av et enkelt eksperiment som jeg lett kunne gjenta, siden MR-maskinen alltid er tilgjengelig.
Bilde fra dedikert til forsterkning av MR-signalet ved hjelp av det såkalte "metamaterialet". I stedet for en pasient, blir et metamateriale lastet inn i et typisk klinisk 1.5 - Tesla-apparat, i form av et basseng med vann, hvor det er parallelle ledninger av en viss lengde. På ledningene ligger studieobjektet - fisk (ikke-levende). Bildene til høyre er MR-bilder av en fisk, dekket med et fargekart som indikerer intensiteten til signalet fra hydrogenkjernene. Man kan se at når fisken ligger på ledningene er signalet mye bedre enn uten dem. Skannetiden i begge tilfeller er den samme, noe som beviser økningen i skanneeffektivitet. Artikkelen er også nøye sitert
formel
å beregne lengden på ledningene avhengig av driftsfrekvensen til skanneren, som jeg brukte. Jeg laget metamaterialet mitt av en celle og en rekke kobbertråder, utstyrt med 3D-trykte plastfester:
Mitt første metamateriale. Umiddelbart etter fabrikasjon ble den satt inn i en 1-Tesla tomograf. Den oransje fungerte som et objekt for skanning.
Men i stedet for den lovede signalforsterkningen, fikk jeg en haug med artefakter som ødelegger bildet fullstendig! Min indignasjon visste ingen grenser! Etter å ha spist emnet, skrev jeg et brev til forfatterne av artikkelen, hvis betydning kan reduseres til spørsmålet "Hva ...?".
Forfatterne svarte meg ganske raskt. De var ganske imponert over at noen prøvde å gjenskape eksperimentene deres. Først prøvde de i lang tid å forklare meg hvordan metamaterialer fortsatt fungerer, ved å bruke begrepene "Fabry-Perot-resonanser", "egenmoduser" og alle slags radiofrekvensfelt i volumet. Så, da de tilsynelatende innså at jeg ikke forsto i det hele tatt hva det handlet om, bestemte de seg for å invitere meg til å besøke dem slik at jeg kunne se på utviklingen deres live og forsikre meg om at det fortsatt fungerer. Jeg kastet favorittloddebolten min i ryggsekken og dro til St. Petersburg, til National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics (som det viste seg, er ikke bare programmerere undervist der).
Jeg ble ønsket hjertelig velkommen på stedet, og plutselig tilbød de seg jobb, da de var imponert over cellen min med ledninger og de trengte en person til å opprette nye. Til gjengjeld lovet de å forklare i detalj alt som interesserer meg og å ta et kurs i radiofysikk og MR, som startet ved en heldig sjanse akkurat det året. Tørsten min etter kunnskap vant, og så, gjennom året, studerte jeg, gjorde prosjekter og jobbet, og lærte gradvis flere og flere nye ting om historien til magnetisk resonans, så vel som tilstanden til moderne vitenskap på dette området, som jeg vil del her.
Metoden for den foreslåtte forbedringen av MR, og undersøkt i de nevnte vitenskapelige artiklene, er basert på de såkalte "metamaterialene". Metamaterialer, som mange andre funn, skylder utseendet sitt til uventede løsninger oppnådd på grunnlag av teoretisk forskning. Den sovjetiske forskeren, Victor Veselago, antydet i 1967, mens han arbeidet med en teoretisk modell, eksistensen av materialer med en negativ brytningsindeks. Som du allerede har forstått, snakker vi om optikk, og verdien av denne koeffisienten betyr grovt sett hvor mye lyset vil endre retning når det passerer grensen mellom ulike medier, for eksempel luft og vann. Du kan enkelt se selv at dette faktisk er tilfelle:
Et enkelt eksperiment med en laserpeker og et akvarium som viser lysets brytning.
Et interessant faktum som kan læres av et slikt eksperiment er at strålen ikke kan brytes i samme retning som den falt til grensesnittet, uansett hvor hardt forsøkslederen prøver. Et slikt eksperiment ble utført med alle naturlig forekommende stoffer, men strålen ble hardnakket brutt i bare én retning. Matematisk betyr dette at brytningsindeksen, så vel som dens komponenter, den dielektriske og magnetiske permeabiliteten, er positive, og ingenting annet har noen gang blitt observert. I hvert fall inntil V. Veselago bestemte seg for å studere denne problemstillingen, og viste at det teoretisk sett ikke er en eneste grunn til at brytningsindeksen ikke kan være negativ.
Bilde fra Wiki som viser forskjellen mellom medier med positive og negative brytningsindekser. Som vi kan se, oppfører lyset seg helt unaturlig, sammenlignet med vår hverdagsopplevelse.
V. Veselago prøvde i lang tid å finne bevis på eksistensen av materialer med negativ brytningsindeks, men søket var mislykket, og arbeidet hans ble ufortjent glemt. Først på begynnelsen av neste århundre ble kunstig skapt komposittstrukturer som realiserte de beskrevne egenskapene, men ikke i det optiske, men i det nedre mikrobølgefrekvensområdet. Noe som var et vendepunkt, siden selve muligheten for eksistensen av slike materialer åpnet for nye perspektiver. For eksempel å skape , i stand til å forstørre objekter enda mindre enn lysets bølgelengde. Eller - absolutt kamuflasje-usynlige belegg, drømmene til alle militære. Det ble gjort alvorlige endringer i teorien, tatt i betraktning nye data. Nøkkelen til suksess var bruken av ordnede strukturer av resonante elementer - meta-atomer, hvis størrelse er mye mindre enn bølgelengden til strålingen de samhandler med. En ordnet struktur av meta-atomer er en kunstig kompositt som kalles et metamateriale.
Den praktiske implementeringen av metamaterialer er teknologisk vanskelig selv i dag, siden størrelsen på resonante partikler må være sammenlignbar med mindre enn bølgelengden til elektromagnetisk stråling. For det optiske området (hvor bølgelengden er nanometer) er slike teknologier i forkant av fremskrittet. Derfor er det ikke overraskende at de første representantene for konseptet med metamaterialer ble opprettet for relativt lengre elektromagnetiske bølger fra radioområdet (som har en lengde som er mer kjent for oss fra mm til m). Hovedtrekket og samtidig ulempen med ethvert metamateriale er en konsekvens av resonansen til dets bestanddeler. Et metamateriale kan manifestere sine mirakuløse egenskaper bare ved visse frekvenser.
begrensede frekvenser.Derfor, for eksempel, når du igjen ser noe som en super-lyd jammer basert på metamaterialer, spør hvilket frekvensområde den egentlig blokkerer.
Typiske eksempler på metamaterialer som tillater interaksjon med elektromagnetiske bølger. Strukturer av ledere er ikke annet enn små resonatorer, LC-kretser, dannet av ledernes romlige posisjon.
Det har gått litt tid siden konseptet med metamaterialer dukket opp, og deres første implementeringer, hvordan folk gjettet å bruke dem i MR. Den største ulempen med metamaterialer er at et smalt driftsområde ikke er et problem for MR, der alle prosesser skjer ved nesten samme kjernemagnetiske resonansfrekvens, som ligger i radiorekkevidden. Her kan du lage meta-atomer med egne hender og umiddelbart se hva som skjer på bildene. En av de første funksjonene som forskere implementerte i MR ved bruk av metamaterialer var en superlinse og endoskop.
På venstre side under bokstaven a) vises en superlinse, bestående av en tredimensjonal rekke resonatorer på trykte kretskort. Hver resonator er en åpen metallring med en loddet kondensator som danner en LC-krets innstilt til MR-frekvensen. Nedenfor er et eksempel på å plassere denne strukturen fra et metamateriale mellom bena til en pasient som gjennomgår en tomografiprosedyre og følgelig oppnådd etter bildet. Hvis du tidligere ikke foraktet rådet om å lese min siste artikkel om MR, så vet du allerede at for å få et bilde av en hvilken som helst del av pasientens kropp, er det nødvendig å samle svake, raskt råtnende kjernefysiske signaler ved hjelp av en tett avstand. antenne - en spole.
Metamaterial-superlinsen tillater et større dekningsområde for standardspolen. Visualiser for eksempel begge bena til pasienten samtidig i stedet for ett. Den dårlige nyheten er at plasseringen av superlinsen må velges på en bestemt måte for best mulig manifestasjon av effekten, og selve superlinsen er ganske dyr å produsere. Hvis du fortsatt ikke forstår hvorfor denne linsen kalles med prefikset super- så estimer størrelsen fra bildet, og innse at den fungerer med en bølgelengde på omtrent fem meter!
Under bokstaven b) er utformingen av endoskopet demonstrert. I hovedsak er et MR-endoskop en rekke parallelle ledninger som fungerer som en bølgeleder. Den lar deg romlig separere regionen som spolen mottar et signal fra kjernene og selve spolen i en anstendig avstand - opp til det punktet at mottakerantennen kan plasseres helt utenfor kryostaten til tomografen, langt fra konstanten. magnetfelt. De nederste bildene av fanen b) viser bilder tatt for et spesielt kar fylt med væske - et fantom. Forskjellen mellom dem er at bildene merket "endoskop" ble oppnådd når spolen var i anstendig avstand fra fantomet, der uten et endoskop ville signalene fra kjernene være helt umulige å oppdage.
Hvis vi snakker om et av de mest lovende bruksområdene for metamaterialer i MR, og det nærmest praktiske implementeringen (som jeg ble involvert i til slutt), er etableringen av trådløse spoler. Det er verdt å presisere at dette ikke handler om Bluetooth eller annen trådløs dataoverføringsteknologi. "Trådløs" betyr i dette tilfellet tilstedeværelsen av en induktiv eller kapasitiv kobling av to resonansstrukturer - en transceiverantenne, samt et metamateriale. I konseptet ser det slik ut:
Til venstre vises en typisk MR-prosedyre: pasienten ligger inne i kryostaten i en sone med et jevnt statisk magnetfelt. En stor antenne, kalt "fuglebur", er montert i skannerens tunnel. En antenne med denne konfigurasjonen lar deg rotere vektoren til det radiofrekvensmagnetiske feltet med frekvensen til presesjonen av hydrogenkjerner (for kliniske maskiner er dette vanligvis fra 40 til 120 MHz, avhengig av størrelsen på det statiske magnetfeltet fra 1T til 3T, henholdsvis), noe som får dem til å absorbere energi og deretter utstråle som respons . Responssignalet fra kjernene er veldig svakt, og inntil det når lederne til en stor antenne, vil det uunngåelig falme. Av denne grunn bruker MR tettsittende lokale spoler for å motta signaler. Bildet i midten viser for eksempel en typisk kneskanningssituasjon. Ved å bruke metamaterialer kan du lage en resonator som kobles induktivt til et fuglebur. Det er nok å plassere en slik ting nær ønsket del av pasientens kropp, og signalet derfra vil ikke bli mottatt verre enn med en lokal spole! Hvis konseptet er vellykket implementert, vil pasientene ikke lenger trenge å floke seg inn i ledninger, og MR-diagnoseprosedyren vil bli mer komfortabel.
Dette er akkurat den typen ting jeg prøvde å lage i begynnelsen, og oversvømte ledningene med vann og prøvde å skanne en appelsin. Ledningene nedsenket i vannet fra det aller første bildet i denne artikkelen er ikke annet enn metaatomer, som hver er en halvbølgedipol - en av de mest kjente antennedesignene, kjent for enhver radioamatør.
De er nedsenket i vann ikke for at de ikke skal ta fyr i MR (selv om det også er dette)), men for å redusere deres resonanslengde med nøyaktig kvadratroten av den dielektriske konstanten til vann på grunn av den høye dielektrisitetskonstanten til vann .
Denne brikken har lenge vært brukt i radioer, viklet ledningen rundt et stykke ferritt - den såkalte. ferrittantenne. Kun ferritt har høy magnetisk permeabilitet og ikke dielektrisk, som imidlertid fungerer på samme måte, og gjør at resonansdimensjonene til antennen kan reduseres tilsvarende. Ferritt kan dessverre ikke settes inn i en MR, pga den er magnetisk. Vann er et billig og rimelig alternativ.
Det er klart at for å beregne alle disse tingene, er det nødvendig å bygge de mest komplekse matematiske modellene som tar hensyn til forholdet mellom resonanselementer, miljøparametere og strålingskilder ... eller du kan bruke fruktene av fremgang og programvare for numerisk elektromagnetisk modellering, som selv en skolegutt lett kan forstå (de lyseste eksemplene - CST, HFSS). Programvaren lar deg lage 3d-modeller av resonatorer, antenner, elektriske kretser, legge til folk der - ja, faktisk, hva som helst, det eneste spørsmålet er fantasi og tilgjengelig datakraft. De konstruerte modellene er delt inn i rutenett, i hvilke noder løsningen av de kjente Maxwell-ligningene utføres.
Her er for eksempel en simulering av RF-magnetfeltet inne i den tidligere nevnte fugleburantennen:
Det blir umiddelbart ganske tydelig hvordan feltet roterer. Situasjonen vises til venstre når det er en boks med vann inne i antennen, og til høyre når den samme boksen er på en resonator laget av ledninger med resonanslengde. Det kan sees hvordan magnetfeltet forsterkes kraftig av ledningene. Etter å ha mestret CST og optimert designet mitt der, laget jeg nok en gang et metamateriale, som virkelig gjorde det mulig å forsterke signalet i en standard klinisk 1.5T MR-tomograf. Det var fortsatt en boks (men vakrere, laget av plexiglass), fylt med vann og en rekke ledninger. Denne gangen har strukturen blitt optimalisert med tanke på resonansforhold, nemlig valg av lengde på ledningene, deres plassering, samt vannmengde. Her er hva som skjedde med tomaten:
Den første skanningen av en tomat ble utført på en stor antenne. Resultatet ble kun støy med knapt synlige konturer. Andre gang plasserte jeg fosteret på en nybakt resonansstruktur. Jeg bygde ikke fargekart, eller noe sånt, siden effekten er åpenbar. Derfor, etter min erfaring, beviste jeg at konseptet fungerer, selv om jeg brukte mye tid.
Det er tydelig hva du tenker på - appelsiner, tomater - dette er ikke alt det, hvor er testene på folk?
Det var de virkelig :
Hånden til en frivillig som gjennomgår en MR ligger på samme boks. Selve vannet i boksen, siden det inneholder hydrogen, er også godt synlig. Forsterkningen av signalet skjer i området av håndleddet, liggende på resonatoren, mens alle andre deler av kroppen er dårlig synlige. Det er klart at samme effekt, og kanskje bedre, kan oppnås ved bruk av standard kliniske spiraler. Men selve det faktum at du kan gjøre slike ting, ganske enkelt ved å kombinere romlig vann og ledninger, kombinere dem på riktig måte, er utrolig. Enda mer utrolig er det at kunnskap om dette kan oppnås gjennom studiet av tilsynelatende urelaterte fenomener, som lysbrytning.
For de som ennå ikke er slitneFor øyeblikket er designet på vannboksen allerede forbedret. Nå er det bare et flatt kretskort som lar deg lokalisere magnetfeltet til en ekstern stor antenne nær deg. Dessuten er arbeidsområdet større enn det forrige designet:
Fargede bånd viser styrken til magnetfeltet over strukturen når de eksiteres fra en ekstern kilde til elektromagnetiske bølger. Den flate strukturen er en typisk overføringslinje kjent innen radioteknikk, men kan samtidig betraktes som et meteomateriale for MR. Denne "trådløse spolen" kan allerede konkurrere med standardspoler når det gjelder jevnheten til det genererte feltet på en viss dybde i det skannede objektet:
Animasjonen viser et lag for lag fargekart av signalet inne i MR-vannboksen. Farge indikerer intensiteten til signaler fra hydrogenkjerner. I øvre venstre hjørne brukes et segment av en standard spole for skanning av baksiden som mottaker. Nedre venstre hjørne er når boksen er på resonatoren i form av et trykt kretskort. Nederst til høyre - signalet mottas av en stor antenne innebygd i tomograftunnelen. Jeg sammenlignet jevnheten til signalet i området som er sirklet av rektangelet. I en viss høyde yter metamaterialet bedre enn spolen når det gjelder signaluniformitet. For kliniske formål er dette kanskje ikke en veldig viktig prestasjon, men når det kommer til vitenskapelige MR-anlegg, hvor rotter skannes, kan dette bidra til å oppnå signalforsterkning og redusere den nødvendige kraften til eksitatoriske radiopulser.
Om "forbedret med 2 ganger" i begynnelsen av artikkelen - selvfølgelig er dette en annen frukt av journalisters ubesvarte kjærlighet til forskere, men det er også feil å si at dette er tomme studier, som forsterkes av interessen for dette emnet i vitenskapelige grupper rundt om i verden. Overraskende nok utføres det også arbeid her i Russland, selv om dette er et sjeldent unntak basert på min personlige erfaring. Det er fortsatt mange uløste problemer knyttet til bruk av metamaterialer i MR. I tillegg til lokalisering av magnetiske felt for å få et godt bilde, ikke glem de elektriske feltene som fører til oppvarming av vevet, samt absorpsjon av vev til pasienter som gjennomgår undersøkelse av energien til radiofrekvensfeltet. For disse tingene må det ved klinisk bruk være en spesiell kontroll, noe som er svært komplisert ved bruk av feltlokaliserende resonatorer. Så langt forblir metamaterialer for MR innenfor rammen av vitenskapelig forskning, men resultatene som er oppnådd er allerede veldig interessante, og det er mulig at MR-prosedyren i fremtiden vil endre seg til det bedre takket være dem, og bli raskere og tryggere.
Kilde: www.habr.com