Śrubokręt gwizdnął mi koło ucha. Z głośnym dźwiękiem dzwonka zamarła na korpusie kriostatu. Przeklinając sam siebie, postanowiłem zrobić sobie przerwę. Odkręcanie śrub w polu magnetycznym o natężeniu 1.5 Tesli za pomocą stalowego narzędzia nie jest dobrym pomysłem. Pole niczym niewidzialny wróg nieustannie próbuje wyrwać instrument z rąk, ustawić go wzdłuż linii sił i skierować jak najbliżej elektronów biegnących po zamkniętym okręgu z nadprzewodnika. Jeżeli jednak naprawdę trzeba pokonać zakwaszone związki sprzed wielu lat, to nie ma wielkiego wyboru. Usiadłem przy komputerze i zwyczajowo przeglądałem kanał informacyjny. „Rosyjscy naukowcy poprawili MRI 2 razy!” – przeczytaj podejrzany nagłówek.
Około rok temu my i zrozumiał istotę swojej pracy. Zdecydowanie zalecam odświeżenie pamięci o tym materiale przed przeczytaniem tego artykułu.
Z różnych powodów, także historycznych, w dzisiejszej Rosji produkcję tak złożonego sprzętu, jak skanery rezonansu magnetycznego o dużym polu widzenia. Jeśli jednak mieszkasz w większym mieście, bez problemu znajdziesz kliniki świadczące tego typu usługi. Jednocześnie flota skanerów MRI jest często reprezentowana przez sprzęt używany, niegdyś sprowadzony z USA i Europy, a jeśli nagle będziesz musiał udać się do kliniki z rezonansem magnetycznym, nie daj się zwieść pięknemu wyglądowi urządzenia - równie dobrze może być w drugiej dekadzie. Przez to taki sprzęt czasami się psuje i przez długi czas byłem jedną z tych osób, które oddawały do użytku zepsute tomografy, aby pacjenci mogli dalej poddawać się diagnostyce, a właściciele mogli na tym zarobić.
Aż pewnego pięknego dnia, w przerwie pomiędzy niebezpiecznymi rozrywkami z ogromnymi polami magnetycznymi, natknąłem się na ciekawy napis w wiadomościach: „Rosyjscy naukowcy wraz z holenderskimi kolegami przy użyciu metamateriałów”. Nie trzeba dodawać, że sam fakt, że Rosja prowadzi badania nad sprzętem, którego produkcja nigdy nie została opanowana, wydawał mi się bardzo, bardzo kontrowersyjny. Zdecydowałem, że to kolejna runda grantów, rozcieńczona niezrozumiałymi naukowymi hasłami w rodzaju „nanotechnologii”, której wszyscy mieli już dość. Poszukiwanie informacji na temat pracy krajowych naukowców z MRI i metamateriałami doprowadziło mnie do artykułu zawierającego opis prostego eksperymentu, który z łatwością mogłem powtórzyć, ponieważ aparat MRI był zawsze pod ręką.
Zdjęcie z , przeznaczony do wzmacniania sygnału MRI za pomocą tzw. „metamateriału”. W typowym aparacie klinicznym 1.5 - Termiczny zamiast pacjenta ładowany jest metamateriał w postaci zbiornika z wodą, wewnątrz którego umieszczone są równoległe przewody o określonej długości. Na drutach leży przedmiot badań - ryba (nieżywa). Zdjęcia po prawej to obrazy MRI ryby z nałożoną kolorową mapą wskazującą intensywność sygnału jąder wodoru. Widać, że gdy ryba leży na drutach, sygnał jest dużo lepszy niż bez nich. Czas skanowania jest w obu przypadkach taki sam, co świadczy o poprawie efektywności skanowania. Artykuł również został starannie uwzględniony
formuła
obliczyć długość przewodów w zależności od częstotliwości pracy tomografu, z którego korzystałem. Mój metamateriał wykonałem z kuwety i szeregu drutów miedzianych, wyposażonych w plastikowe elementy złączne wydrukowane w 3D:
Mój pierwszy metamateriał. Natychmiast po wyprodukowaniu umieszczono go w tomografie o mocy 1 Tesli. Pomarańcza pełniła rolę obiektu do zeskanowania.
Jednak zamiast obiecanego wzmocnienia sygnału otrzymałem masę artefaktów, które całkowicie zepsuły obraz! Moje oburzenie nie miało granic! Po zakończeniu tematu napisałem list do autorów artykułu, którego wymowę można sprowadzić do pytania „Co…?”
Autorzy odpowiedzieli mi dość szybko. Byli pod wrażeniem, że ktoś próbował powtórzyć ich eksperymenty. Na początku przez długi czas próbowali mi wyjaśnić, jak właściwie działają metamateriały, używając w objętości terminów „rezonanse Fabry’ego-Perota”, „mody wewnętrzne” i wszelkiego rodzaju pola o częstotliwości radiowej. Potem najwyraźniej zdając sobie sprawę, że w ogóle nie rozumiem, o czym mówią, postanowili zaprosić mnie do siebie, abym mógł na żywo przyjrzeć się ich rozwojowi i upewnić się, że to nadal działa. Wrzuciłem do plecaka ulubioną lutownicę i pojechałem do Petersburga, na Państwową Wyższą Szkołę Badawczą Technologii Informatycznych, Mechaniki i Optyki (jak się okazało, kształcą się tam nie tylko programiści).
Na budowie zostałem ciepło przyjęty i nagle zaproponowali mi pracę, bo zaimponował mi mój rów z drutami i potrzebowali osoby do zrobienia nowych. W zamian obiecali szczegółowo wyjaśnić wszystko, co mnie interesuje i odbyć szkolenie z radiofizyki i rezonansu magnetycznego, które szczęśliwie rozpoczęło się dokładnie w tym roku. Mój głód wiedzy zwyciężył, a następnie przez cały rok studiowałem, realizowałem projekty i pracowałem, stopniowo dowiadując się coraz to nowych rzeczy na temat historii rezonansu magnetycznego, a także stanu współczesnej nauki w tej dziedzinie, o czym będę udostępnij tutaj.
Proponowana metoda udoskonalenia MRI, badana we wspomnianych artykułach naukowych, opiera się na tzw. „metamateriałach”. Metamateriały, podobnie jak wiele innych odkryć, swój wygląd zawdzięczają nieoczekiwanym rozwiązaniom uzyskanym na podstawie badań teoretycznych. Radziecki naukowiec Wiktor Veselago w 1967 roku pracując nad modelem teoretycznym zasugerował istnienie materiałów o ujemnym współczynniku załamania światła. Jak już rozumiesz, mówimy o optyce, a wartość tego współczynnika, z grubsza mówiąc, oznacza, jak bardzo światło zmieni swój kierunek, przechodząc przez granicę między różnymi ośrodkami, na przykład powietrzem i wodą. Możesz łatwo sprawdzić sam, że tak się dzieje naprawdę:
Prosty eksperyment z użyciem wskaźnika laserowego i akwarium, aby zademonstrować załamanie światła.
Ciekawym faktem, którego można się nauczyć z takiego eksperymentu, jest to, że wiązka nie może zostać załamana w tym samym kierunku, w którym spadła na granicę faz, niezależnie od tego, jak bardzo eksperymentator się stara. Eksperyment ten przeprowadzono ze wszystkimi naturalnie występującymi substancjami, ale wiązka uparcie załamywała się tylko w jednym kierunku. Matematycznie oznacza to, że współczynnik załamania światła, a także jego wielkości składowe, przenikalność dielektryczna i magnetyczna, są dodatnie i nigdy nie zaobserwowano inaczej. Przynajmniej do czasu, gdy V. Veselago zdecydował się zbadać tę kwestię i pokazał, że teoretycznie nie ma ani jednego powodu, dla którego współczynnik załamania światła nie mógłby być ujemny.
Zdjęcie z Wiki pokazujące różnicę między pozytywnymi i negatywnymi mediami indeksowymi. Jak widzimy, światło zachowuje się zupełnie nienaturalnie w porównaniu z tym, czego doświadczamy na co dzień.
V. Veselago przez długi czas próbował znaleźć dowody na istnienie materiałów o ujemnym współczynniku załamania światła, ale poszukiwania zakończyły się niepowodzeniem, a jego praca została niezasłużenie zapomniana. Dopiero na początku następnego stulecia stworzono sztucznie struktury kompozytowe, które realizowały opisane właściwości, ale nie w zakresie optycznym, ale w dolnym zakresie częstotliwości mikrofalowych. Co było punktem zwrotnym, gdyż sama możliwość istnienia takich materiałów otworzyła nowe perspektywy. Na przykład - stworzenie , zdolny do powiększania obiektów nawet mniejszych niż długość fali światła. Lub - absolutne pokrycia niewidzialności kamuflażu, marzenie całego personelu wojskowego. W teorii wprowadzono istotne zmiany, aby uwzględnić nowe dane. Kluczem do sukcesu było zastosowanie uporządkowanych struktur elementów rezonansowych – metaatomów, których rozmiar jest znacznie mniejszy niż długość fali promieniowania, z którym oddziałują. Uporządkowana struktura metaatomów to sztuczny kompozyt zwany metamateriałem.
Praktyczne zastosowanie metamateriałów nawet dzisiaj jest skomplikowane technologicznie, ponieważ wielkość cząstek rezonansowych musi być porównywalna z mniejszą niż długość fali promieniowania elektromagnetycznego. W zakresie optycznym (gdzie długość fali wynosi nanometrów) tego typu technologie przodują w postępie. Nic więc dziwnego, że pierwsi przedstawiciele koncepcji metamateriałów zostali stworzeni dla stosunkowo dłuższych fal elektromagnetycznych z zakresu radiowego (które mają bardziej znaną długość od mm do m). Główną cechą i jednocześnie wadą każdego metamateriału jest konsekwencja rezonansowego charakteru jego elementów składowych. Metamateriał może wykazywać swoje cudowne właściwości tylko przy określonych częstotliwościach.
Ograniczone częstotliwości.Dlatego też, gdy następnym razem zobaczysz coś w rodzaju superdźwiękowego zakłócacza opartego na metamateriałach, zapytaj, jaki zakres częstotliwości faktycznie zagłusza.
Typowe przykłady metamateriałów umożliwiających interakcję z falami elektromagnetycznymi. Struktury przewodników to nic innego jak małe rezonatory, obwody LC utworzone przez przestrzenne położenie przewodników.
Od pojawienia się koncepcji metamateriałów i ich pierwszych wdrożeń minęło już trochę czasu, a ludzie już zorientowali się, jak wykorzystać je w MRI. Główną wadą metamateriałów jest to, że wąski zakres działania nie stanowi problemu w przypadku MRI, gdzie wszystkie procesy zachodzą przy prawie tej samej częstotliwości magnetycznego rezonansu jądrowego, która mieści się w zakresie radiowym. Tutaj możesz stworzyć metaatomy własnymi rękami i od razu zobaczyć, co dzieje się na zdjęciach. Jedną z pierwszych funkcji, które badacze wdrożyli w obrazie MRI przy użyciu metamateriałów, były supersoczewki i endoskopy.
Po lewej stronie pod literą a) pokazana jest supersoczewka, składająca się z trójwymiarowego układu rezonatorów na płytkach drukowanych. Każdy rezonator to otwarty metalowy pierścień z wlutowanym kondensatorem, tworzący obwód LC dostrojony do częstotliwości MRI. Poniżej znajduje się przykład umieszczenia tej metamaterialnej struktury pomiędzy nogami pacjenta poddawanego zabiegowi tomografii i odpowiednio powstałymi obrazami. Jeśli wcześniej nie pogardziłeś radą przeczytania mojego poprzedniego artykułu na temat MRI, to już wiesz, że aby uzyskać obraz dowolnej części ciała pacjenta, konieczne jest zebranie słabych, szybko zanikających sygnałów jądrowych za pomocą blisko położonej antena - cewka.
Metamateriałowa super soczewka pozwala zwiększyć zasięg działania standardowej cewki. Na przykład wizualizuj obie nogi pacjenta na raz, a nie tylko jedną. Zła wiadomość jest taka, że położenie supersoczewki należy wybrać w określony sposób, aby uzyskać najlepszy efekt, a sama supersoczewka jest dość droga w produkcji. Jeśli nadal nie rozumiesz, dlaczego ten obiektyw nazywany jest super-prefiksem, to oszacuj jego rozmiar na podstawie zdjęcia, a potem zdaj sobie sprawę, że działa przy długości fali około pięciu metrów!
Litera b) pokazuje konstrukcję endoskopu. Zasadniczo endoskop MRI to układ równoległych przewodów, który działa jak falowód. Pozwala przestrzennie oddzielić obszar, z którego cewka odbiera sygnał z jąder i samej cewki, na znaczną odległość - do tego stopnia, że antena odbiorcza może znajdować się całkowicie poza kriostatem tomografu, z dala od stałego pola magnetycznego pole. Dolne zdjęcia tab. b) przedstawiają obrazy uzyskane dla specjalnego naczynia wypełnionego cieczą – fantomu. Różnica między nimi polega na tym, że obrazy oznaczone jako „endoskop” uzyskano, gdy cewka znajdowała się w przyzwoitej odległości od fantomu, gdzie bez endoskopu sygnały z jąder byłyby całkowicie niemożliwe do wykrycia.
Jeśli mówimy o jednym z najbardziej obiecujących obszarów zastosowań metamateriałów w MRI, a najbliżej jego praktycznej realizacji (w którą ostatecznie się zaangażowałem) jest tworzenie cewek bezprzewodowych. Warto doprecyzować, że nie mówimy tu o Bluetooth czy innej technologii bezprzewodowego przesyłania danych. „Bezprzewodowy” w tym przypadku oznacza obecność sprzężenia indukcyjnego lub pojemnościowego dwóch struktur rezonansowych - anteny nadawczo-odbiorczej, a także metamateriału. W zamyśle wygląda to tak:
Po lewej stronie pokazano, jak zwykle przebiega zabieg MRI: pacjent leży wewnątrz kriostatu w obszarze jednolitego statycznego pola magnetycznego. W tunelu tomografu zamontowana jest duża antena zwana „klatką dla ptaków”. Antena o takiej konfiguracji pozwala na obrót wektora pola magnetycznego o częstotliwości radiowej z częstotliwością precesji jąder wodoru (dla maszyn klinicznych jest to zwykle od 40 do 120 MHz w zależności od wielkości statycznego pola magnetycznego od 1T do 3T, odpowiednio), powodując, że pochłaniają energię, a następnie emitują ją w odpowiedzi. Sygnał odpowiedzi z rdzeni jest bardzo słaby i zanim dotrze do przewodów dużej anteny, nieuchronnie zaniknie. Z tego powodu w rezonansie magnetycznym do odbierania sygnałów wykorzystuje się blisko rozmieszczone cewki lokalne. Na przykład zdjęcie pośrodku przedstawia typową sytuację podczas skanowania kolana. Wykorzystując metamateriały, możliwe jest wykonanie rezonatora, który będzie sprzężony indukcyjnie z klatką dla ptaków. Wystarczy umieścić coś takiego w pobliżu pożądanego obszaru ciała pacjenta, a stamtąd sygnał zostanie odebrany nie gorzej niż za pomocą lokalnej cewki! Jeśli koncepcja zostanie wdrożona z sukcesem, pacjenci nie będą już musieli plątać się w przewody, a diagnostyka MRI stanie się bardziej komfortowa.
Dokładnie to samo próbowałem stworzyć na początku, wypełniając przewody wodą i próbując zeskanować pomarańczę. Druty zanurzone w wodzie z pierwszego zdjęcia w tym artykule to nic innego jak metaatomy, z których każdy reprezentuje dipol półfalowy - jedna z najsłynniejszych konstrukcji anten, znana każdemu radioamatorowi.
Zanurza się je w wodzie nie po to, aby nie zapalić się w MRI (choć w tym celu też)), ale po to, aby ze względu na wysoką stałą dielektryczną wody zmniejszyć ich długość rezonansową dokładnie o wielkość równą kwadratowi pierwiastek stałej dielektrycznej wody.
Układ ten od dawna stosowany jest w odbiornikach radiowych, nawijając drut na kawałek ferrytu – tzw. antena ferrytowa. Tylko ferryt ma wysoką przenikalność magnetyczną, a nie dielektryk, który jednak działa w ten sam sposób i pozwala odpowiednio zmniejszyć wymiary rezonansowe anteny. Niestety, w badaniu MRI nie można umieścić ferrytu, ponieważ... jest magnetyczne. Woda jest tanią i dostępną alternatywą.
Oczywiste jest, że aby to wszystko obliczyć, trzeba zbudować złożone modele matematyczne, które uwzględniają związek między elementami rezonansowymi, parametrami środowiskowymi i źródłami promieniowania... lub można skorzystać z owoców postępu i oprogramowania do numerycznych obliczeń elektromagnetycznych modelowanie, które nawet uczeń może łatwo zrozumieć (najbardziej uderzające przykłady - CST, HFSS). Oprogramowanie pozwala na tworzenie modeli 3D rezonatorów, anten, obwodów elektrycznych, dodawanie do nich ludzi – tak, właściwie wszystko, kwestia tylko wyobraźni i dostępnej mocy obliczeniowej. Zbudowane modele podzielono na siatki, w których węzłach rozwiązano znane równania Maxwella.
Oto na przykład symulacja pola magnetycznego o częstotliwości radiowej wewnątrz wspomnianej wcześniej anteny klatki dla ptaków:
Od razu staje się jasne, jak pole się obraca. Po lewej stronie pokazano sytuację, gdy wewnątrz anteny znajduje się skrzynka z wodą, a po prawej - gdy ta sama skrzynka znajduje się na rezonatorze wykonanym z drutów o długości rezonansowej. Można zobaczyć, jak pole magnetyczne jest znacznie wzmocnione przez druty. Po opanowaniu CST i optymalizacji tam mojego projektu, po raz kolejny stworzyłem metamateriał, który faktycznie umożliwił wzmocnienie sygnału w standardowym klinicznym tomografie MRI 1.5T. Nadal była to skrzynka (choć piękniejsza, z plexi), wypełniona wodą i wiązką drutów. Tym razem konstrukcję zoptymalizowano pod kątem warunków rezonansowych, czyli: doboru długości przewodów, ich położenia oraz ilości wody. Oto, co stało się z pomidorem:
Pierwsze skanowanie pomidora przeprowadzono za pomocą dużej anteny. Rezultatem był po prostu hałas z ledwo widocznymi konturami. Za drugim razem położyłam owoce na świeżo upieczonej strukturze rezonansowej. Nie budowałem kolorowych map ani nic w tym stylu, ponieważ efekt jest oczywisty. Zatem z własnego doświadczenia, choć spędziłem dużo czasu, udowodniłem, że koncepcja działa.
Jasne jest, o czym myślisz – pomarańcze, pomidory – to wszystko jest nie tak, gdzie są badania na ludziach?
Naprawdę byli :
Ręka ochotnika poddawanego badaniu MRI leży na tym samym pudełku. Wyraźnie widoczna jest również faktyczna woda w pudełku, ponieważ zawiera wodór. Sygnał jest wzmacniany w okolicy nadgarstka leżącego na rezonatorze, podczas gdy wszystkie pozostałe części ciała są słabo widoczne. Oczywiste jest, że ten sam efekt, a może nawet lepszy, można osiągnąć stosując standardowe cewki kliniczne. Ale sam fakt, że można coś takiego zrobić po prostu łącząc przestrzennie wodę i przewody, łącząc je w odpowiedni sposób, jest niesamowity. Co jeszcze bardziej zdumiewające, wiedzę na ten temat można zdobyć poprzez badanie pozornie niezwiązanych ze sobą zjawisk, takich jak załamanie światła.
Dla tych, którzy jeszcze nie są zmęczeniW tej chwili konstrukcja skrzynki wodnej została już ulepszona. Teraz jest to po prostu płaska płytka drukowana, która pozwala zlokalizować pole magnetyczne dużej anteny zewnętrznej w pobliżu. Co więcej, jego obszar roboczy jest większy niż w poprzednim projekcie:
Kolorowe wstążki wskazują natężenie pola magnetycznego nad konstrukcją wzbudzoną przez zewnętrzne źródło fal elektromagnetycznych. Płaska struktura jest typową linią transmisyjną znaną w inżynierii radiowej, ale można ją również uznać za metamateriał do rezonansu magnetycznego. Ta „cewka bezprzewodowa” może już konkurować z cewkami standardowymi pod względem równomierności generowanego pola na określonej głębokości skanowanego obiektu:
Animacja przedstawia mapę kolorów warstwa po warstwie sygnału wewnątrz pudełka z wodą w obrazie MRI. Kolor wskazuje intensywność sygnałów z jąder wodoru. W lewym górnym rogu jako odbiornik zastosowano segment standardowej cewki skanującej wstecz. Lewy dolny róg ma miejsce, gdy pudełko jest umieszczone na rezonatorze w postaci płytki drukowanej. Na dole po prawej - sygnał odbierany jest przez dużą antenę wbudowaną w tunel tomografu. Porównałem równomierność sygnału w obszarze zakreślonym prostokątem. Na pewnej wysokości metamateriał radzi sobie lepiej niż cewka pod względem jednolitości sygnału. Z punktu widzenia klinicznego może to nie być bardzo ważne osiągnięcie, ale w przypadku naukowych instalacji MRI, w których skanuje się szczury, może pomóc w uzyskaniu wzrostu sygnału i zmniejszenia wymaganej mocy ekscytujących impulsów radiowych.
O „poprawie 2-krotnej” na początku artykułu – to oczywiście kolejny owoc nieodwzajemnionej miłości dziennikarzy do naukowców, jednak błędem jest również twierdzenie, że są to puste badania, poparte zainteresowaniem nauką ten temat w grupach naukowych na całym świecie. Co zaskakujące, prace prowadzone są również tutaj, w Rosji, chociaż z moich czysto osobistych doświadczeń wynika, że jest to raczej rzadki wyjątek. Nadal istnieje wiele nierozwiązanych problemów związanych z wykorzystaniem metamateriałów w MRI. Oprócz lokalizacji pól magnetycznych w celu uzyskania dobrego obrazu nie należy zapominać o polach elektrycznych, które prowadzą do nagrzania tkanek, a także absorpcji energii pola o częstotliwości radiowej przez tkanki pacjentów poddawanych badaniu. W przypadku zastosowań klinicznych konieczna jest specjalna kontrola, która staje się znacznie bardziej skomplikowana w przypadku stosowania rezonatorów lokalizujących pole. Na razie metamateriały do MRI pozostają w obszarze badań naukowych, ale uzyskane wyniki są już bardzo interesujące i być może w przyszłości, dzięki nim, procedura MRI zmieni się na lepsze, stanie się szybsza i bezpieczniejsza.
Źródło: www.habr.com