Wokół ucha przeleciała śrubokręt. Z głośnym dźwiękiem zatrzymał się na obudowie kriostatu. Przeklinając w myślach, postanowiłem zrobić przerwę. Odkręcanie śrub w polu magnetycznym o sile 1,5 tesla przy użyciu stalowego narzędzia — to kiepski pomysł. Pole, jak niewidzialny przeciwnik, stale próbuje wydobyć narzędzie z rąk, skierować je wzdłuż swoich linii siłowych i zbliżyć jak najbliżej do elektronów krążących w zamkniętym obiegu nadprzewodnika. Jednak jeśli trzeba pokonać zardzewiałe połączenia sprzed wielu lat, to nie ma za bardzo wyboru. Usiadłem do komputera i rutynowo przewinąłem strumień newsów. „Rosyjscy naukowcy poprawili MRI dwukrotnie!” — brzmiał podejrzany nagłówek.
Około roku temu i zgłębialiśmy jego tajniki. Zdecydowanie zalecam, aby przed przeczytaniem tego artykułu odświeżyć sobie ten materiał.
Z różnych przyczyn, w tym historycznych, w Rosji na dzień dzisiejszy produkcji tak skomplikowanego sprzętu, jak wysokopolowe tomografy magnetyczno-rezonansowe. Niemniej jednak, jeśli mieszkasz w większym mieście, bez trudu znajdziesz kliniki oferujące tego typu usługi. Przy tym, park skanerów MRI często jest reprezentowany przez używany sprzęt, który został przywieziony z USA i Europy, a jeśli przyjdzie Ci odwiedzić klinikę z MRI, nie daj się zwieść pięknemu wyglądowi sprzętu — może on mieć już drugą dekadę. W rezultacie, taki sprzęt czasami się psuje, a ja przez długi czas byłem jednym z tych, którzy przywracali uszkodzone tomografy do życia, aby pacjenci mogli nadal przechodzić diagnostykę, a właściciele — osiągać zyski.
Pewnego pięknego dnia, w przerwie między niebezpiecznymi zabawami z ogromnymi polami magnetycznymi, natknąłem się w strumieniu newsów na interesujący wpis: „Rosyjscy naukowcy we współpracy z holenderskimi kolegami za pomocą metamateriałów». Nie trzeba dodawać, że sam fakt, iż w Rosji prowadzone są badania dotyczące sprzętu, którego produkcja nigdy nie została zrealizowana, wydaje mi się niezwykle kontrowersyjny. Uznałem, że to po prostu kolejny sposób na wydawanie grantów, przyprawiony niezrozumiałymi naukowymi terminami, jak już znienawidzone wszystkim „nanotechnologie”. Poszukiwanie informacji o pracy krajowych naukowców z MRI i metamateriałami doprowadziło mnie do artykułu zawierającego opis prostego eksperymentu, który łatwo mógłbym powtórzyć, ponieważ aparat MRI zawsze jest pod ręką.
Obrazek z , poświęconego wzmocnieniu sygnału MRI za pomocą tzw. „metamateriału”. W typowym klinicznym aparacie 1.5 — Teslowym zamiast pacjenta ładowany jest metamateriał w postaci miski z wodą, w której znajdują się równoległe przewody o określonej długości. Na przewodach leży obiekt badania — ryba (nieżywa). Obrazy po prawej to uzyskane w MRI obrazy ryby, nałożona na nie kolorowa mapa oznaczająca intensywność sygnału z jąder wodoru. Widać, że gdy ryba leży na przewodach, sygnał jest znacznie lepszy niż bez nich. Czas skanowania w obu przypadkach jest taki sam, co dowodzi zwiększenia efektywności skanowania. W artykule również starannie podano
wzór
do obliczenia długości przewodów w zależności od roboczej częstotliwości tomografu, z którego skorzystałem. Zbudowałem swój metamateriał z kuwet i zestawu miedzianych przewodów, wyposażając je w plastikowe mocowania, wydrukowane na drukarce 3D:
Mój pierwszy metamateriał. Zaraz po wyprodukowaniu został włożony do tomografu 1-Teslowego. Pomarańcze pełniły rolę obiektu do skanowania.
Jednak zamiast obiecanego wzmocnienia sygnału, otrzymałem masę artefaktów, które całkowicie psuły obraz! Moje oburzenie było nie do opisania! Po zjedzeniu próbki, napisałem list do autorów artykułu, którego sens można sprowadzić do pytania „Co do …?”.
Autorzy wkrótce odpowiedzieli mi. Byli bardzo zaskoczeni tym, że ktoś próbuje powtórzyć ich eksperymenty. Na początku długo próbowali mi wyjaśnić, jak działają metamateriały, używając terminów takich jak „rezonanse Fabry'ego-Perota”, „własne tryby” i różne pola radiowe w objętości. Potem, zrozumieli, że nie mam pojęcia, o czym mówią, więc postanowili zaprosić mnie do siebie, abym mógł na własne oczy zobaczyć ich rozwój i upewnić się, że to naprawdę działa. Włożyłem do plecaka mój ulubiony lutowniczy i pojechałem do Sankt Petersburga, do Narodowego Badawczego Uniwersytetu Technologii Informacyjnej, Mechaniki i Optyki (jak się okazało, uczą tam nie tylko programistów).
Na miejscu przyjęto mnie serdecznie, a nagle zaoferowano mi pracę, ponieważ byli pod wrażeniem mojej kuwety z przewodami i potrzebowali kogoś do tworzenia nowych. W zamian obiecali szczegółowo wyjaśnić wszystko, co mnie interesuje, oraz przeprowadzić kurs szkoleniowy z radiofizyki i MRI, który rozpoczął się w szczęśliwym zbiegu okoliczności właśnie w tym roku. Moja chęć wiedzy wygrała i przez następny rok uczyłem się, realizowałem projekty i pracowałem, stopniowo odkrywając coraz więcej o historii rezonansu magnetycznego oraz aktualnym stanie nauki w tej dziedzinie, czym się tutaj podzielę.
Podstawą metody proponowanej doskonalenia MRI, badanej w wspomnianych artykułach naukowych, są tzw. „metamateriały”. Metamateriały, podobnie jak wiele innych odkryć, zawdzięczają swój powstanie niespodziewanym rozwiązaniom uzyskanym na podstawie badań teoretycznych. Radziecki naukowiec, Wiktor Wesełago, w 1967 roku, pracując nad teoretycznym modelem, zasugerował istnienie materiałów o ujemnym współczynniku załamania. Jak już zrozumieliście, mowa tu o optyce, a wartość tego współczynnika, ogólnie mówiąc, oznacza, jak bardzo zmieni kierunek światło, przechodząc przez granicę między różnymi medium, na przykład powietrzem a wodą. Łatwo można się o tym przekonać samodzielnie:
Prosty eksperyment z wskaźnikiem laserowym i akwarium, demonstrujący załamanie światła.
Interesujący fakt, który można wydobyć z takiego eksperymentu – promień nie może załamywać się w tym samym kierunku, z którego spadł na granicę podziału, niezależnie od tego, jak bardzo eksperymentator by się starał. Taki eksperyment przeprowadzano z wszystkimi występującymi w naturze substancjami, jednak promień nieustannie załamywał się tylko w jedną stronę. Matematycznie oznacza to, że współczynnik załamania, jak i wielkości go tworzące, przenikalność dielektryczna i magnetyczna, są dodatnie, i nigdy nie zaobserwowano inaczej. Przynajmniej dopóki W. Wesełago nie postanowił zbadać tego zagadnienia i nie pokazał, że teoretycznie nie ma żadnych powodów, dla których współczynnik załamania nie mógłby być ujemny.
Obrazek z Wikipedii, pokazujący różnicę między mediami z dodatnim i ujemnym współczynnikiem załamania. Jak widzimy, światło zachowuje się w sposób całkowicie nienaturalny, w porównaniu do naszego codziennego doświadczenia.
W. Wesełago przez długi czas próbował znaleźć dowody na istnienie materiałów z ujemnym współczynnikiem załamania, jednak poszukiwania nie przyniosły sukcesu i jego praca została niesłusznie zapomniana. Dopiero na początku następnego wieku sztucznie stworzono kompozytowe struktury, które realizowały opisywane właściwości, ale nie w optyce, a w niższym mikrofali zakresie częstotliwości. I to stało się punktem zwrotnym, ponieważ sama możliwość istnienia takich materiałów otwierała nowe perspektywy. Na przykład – stworzenie , które mogą powiększać obiekty nawet mniejsze niż długość fali światła. Lub też – absolutnych kamuflaży-niewidzialek, marzeń wszystkich wojskowych. Wprowadzono poważne poprawki do teorii, uwzględniając nowe dane. Kluczem do sukcesu okazało się wykorzystanie uporządkowanych struktur z rezonansowych elementów – metaatomów, których rozmiar jest znacznie mniejszy od długości fali promieniowania, z którym oddziałują. Uporządkowana struktura z metaatomów – to sztuczny kompozyt nazywany metamateriałem.
Praktyczna realizacja metamatariałów jest nawet dzisiaj technologicznie skomplikowana, ponieważ rozmiar rezonansowych cząsteczek musi być porównywalnie mniejszy od długości fali promieniowania elektromagnetycznego. Dla zakresu optycznego (gdzie długość fali to nanometry) podobne technologie znajdują się na granicy możliwości postępu. Dlatego nie jest zaskoczeniem, że pierwsze przedstawiciele koncepcji metamatariałów zostały stworzone dla stosunkowo dłuższych fal elektromagnetycznych z zakresu radiowego (które mają bardziej znaną nam długość od mm do m). Główną cechą, a zarazem niedogodnością każdego metamatariału, jest konsekwencja rezonansowej natury jego składników. Metamaterial może manifestować swoje niesamowite właściwości tylko na określonych częstotliwościach.
Ograniczonych częstotliwościach.Dlatego, na przykład, gdy następnym razem zobaczysz coś w rodzaju super-zakłócacza dźwięku na bazie metamatariałów, zapytaj, jaki zakres częstotliwości rzeczywiście zakłóca.
Typowe przykłady metamatariałów, które pozwalają na interakcję z falami elektromagnetycznymi. Struktury z przewodników to nic innego jak małe rezonatory, obwody LC, formowane przez przestrzenne położenie przewodników.
Niedługo po pojawieniu się koncepcji metamatariałów i ich pierwszych realizacji, ludzie zaczęli wykorzystywać je w MRI. Główną niedogodnością metamatariałów – wąski zakres roboczy – nie jest problemem w MRI, gdzie wszystkie procesy zachodzą praktycznie na jednej częstotliwości rezonansu magnetycznego jąder, leżącej w zakresie radiowym. Tutaj można własnoręcznie tworzyć metaatomy i od razu oglądać, co z nich wyjdzie na obrazach. Jednymi z pierwszych funkcji, które badacze wdrożyli w MRI z użyciem metamatariałów, były super-soczewki i endoskopy.
Po lewej stronie pod literą a) pokazano supersoczwarkę, składającą się z trójwymiarowej siatki rezonatorów na płytkach drukowanych. Każdy rezonator to otwarte metalowe kółko z przylutowanym kondensatorem, tworzące obwód LC, dostrojony do częstotliwości MRI. Poniżej przedstawiony jest przykład umiejscowienia tej struktury z metamateriału między nogami pacjenta podczas procedury tomografii oraz odpowiednie otrzymywane obrazy. Jeśli wcześniej nie przeoczyliście mojej rady, aby przeczytać moją wcześniejszą artykuł o MRI, to już wiecie, że do uzyskania obrazu jakiejkolwiek części ciała pacjenta należy zbierać słabe, szybko wygasające sygnały jądrowe za pomocą blisko umieszczonej anteny – cewki.
Supersoczwarka z metamateriału pozwala na zwiększenie obszaru działania standardowej cewki. Na przykład, można wizualizować obie nogi pacjenta jednocześnie, zamiast jednej. Z złych wiadomości - położenie supersoczwarki musi być dobrane w określony sposób, aby osiągnąć najlepszy efekt, a sama supersoczwarka jest dość droga w produkcji. Jeśli nadal nie zrozumieliście, dlaczego ta soczewka nazywa się «super-», to oceńcie jej rozmiary na zdjęciu, a potem uświadomcie sobie, że działa przy długości fali około pięciu metrów!
Pod literą b) demonstrowana jest konstrukcja endoskopu. W zasadzie, endoskop do MRI to zestaw równoległych przewodów, pełniący rolę falowodu. Pozwala on na przestrzenne rozdzielenie regionu, z którego cewka odbiera sygnał od jądra, oraz samej cewki na znaczne odległości – aż do tego stopnia, że odbiorcza antena może znajdować się całkowicie poza kriostatem tomografu, daleko od stałego pola magnetycznego. Na dolnych obrazkach z zakładki b) przedstawione są zdjęcia uzyskane dla specjalnie wypełnionego płynem zbiornika – fantomu. Różnica między nimi polega na tym, że obrazy oznaczone jako «endoskop» zostały uzyskane, gdy cewka znajdowała się w znacznej odległości od fantomu, gdzie bez endoskopu sygnały z jąder byłyby całkowicie niedetectowalne.
Mówiąc o jednej z najbardziej obiecujących dziedzin zastosowania metamateriałów w MRI, która jest najbliższa praktycznej realizacji (w którą w końcu się zaangażowałem) – chodzi o tworzenie bezprzewodowych cewek. Należy wyjaśnić, że nie mamy tu na myśli technologii Bluetooth lub innej bezprzewodowej technologii przesyłania danych. "Bezprzewodowy" w tym przypadku oznacza istnienie indukcyjnego lub pojemnościowego połączenia dwóch struktury rezonansowej – anteny nadawczo-odbiorczej oraz metamateriału. W koncepcji wygląda to tak:
Z lewej strony pokazano, jak zwykle przebiega procedura MRI: pacjent leży wewnątrz kriostatu w obszarze jednorodnego statycznego pola magnetycznego. W tunelu tomografu zamontowana jest duża antena zwana "klatką Faradaya". Antena w tej konfiguracji pozwala na obrót wektora pola magnetycznego o częstotliwości precesji jąder wodoru (dla maszyn klinicznych zazwyczaj od 40 do 120 MHz, w zależności od wartości statycznego pola magnetycznego prowadzącego od 1T do 3T), zmuszając je do pochłaniania energii, a następnie do emitowania w odpowiedzi. Sygnał z jąder jest bardzo słaby, a kiedy dotrze do przewodników dużej anteny, nieuchronnie zanika. Z tego powodu w MRI do odbioru sygnałów używa się blisko rozmieszczonych lokalnych cewek. Na obrazku pośrodku, na przykład, przedstawiona jest typowa sytuacja skanowania kolana. Dzięki metamateriałom można stworzyć rezonator, który będzie indukcyjnie połączony z klatką Faradaya. Wystarczy umieścić taki obiekt w pobliżu odpowiedniego obszaru ciała pacjenta, a sygnał z niego będzie odbierany nie gorzej niż przez lokalną cewkę! W przypadku powodzenia realizacji koncepcji pacjenci nie będą musieli już plątać się w kablach, a procedura diagnozy MRI stanie się bardziej komfortowa.
Właśnie taki obiekt próbowałem stworzyć na początku, zanurzając przewody w wodzie i próbując zeskanować pomarańczę. Przewody zanurzone w wodzie na pierwszym obrazku w tym artykule to nic innego jak metaatomy, z których każdy jest półfalowym dipolem – jedną z najsłynniejszych konstrukcji anten, znaną każdemu radioamatorowi.
Zanurza się je w wodzie nie po to, żeby się nie zapalały w MRI (chociaż i w tym też), ale aby dzięki wysokiej dielektrycznej przenikalności wody, skrócić ich długość rezonansową dokładnie o wartość równą pierwiastkowi kwadratowemu z dielektrycznej przenikalności wody.
Tę technikę stosuje się już od dawna w radiach, nawijając drut na kawałek ferrytu — tzw. antena ferrytowa. Ferryt ma wysoką przenikalność magnetyczną, a nie dielektryczną, co jednak również działa i pozwala na odpowiednie skrócenie rezonansowych rozmiarów anteny. W MRI, niestety, ferrytu się nie włoży, ponieważ jest magnetyczny. Woda to tania i dostępna alternatywa.
Oczywiście, do obliczeń tych wszystkich rzeczy trzeba budować bardzo skomplikowane modele matematyczne, uwzględniające powiązania między elementami rezonansowymi, parametrami medium i źródłami promieniowania… albo można skorzystać z osiągnięć postępu i oprogramowania do numerycznego modelowania elektromagnetycznego, z którym poradzi sobie nawet uczeń (najlepsze przykłady — CST, HFSS). Oprogramowanie pozwala tworzyć modele 3D rezonatorów, anten, schematów elektrycznych, dodawać do nich ludzi – właściwie wszystko, co tylko można sobie wyobrazić, kwestia tylko wyobraźni i dostępnych mocy obliczeniowych. Zbudowane modele dzielą się na siatki, w węzłach których rozwiązywane są znane równaniaMaxwella.
Na przykład modelowanie pola magnetycznego o częstotliwości radiowej wewnątrz wspomnianej wcześniej anteny typu klatka dla ptaków:
Od razu staje się dość czytelne, jak obraca się pole. Po lewej stronie przedstawiono sytuację, gdy wewnątrz anteny znajduje się pudełko z wodą, a po prawej — gdy to samo pudełko jest na rezonatorze z drutów o długości rezonansowej. Widać, jak pole magnetyczne znacząco wzmacnia się dzięki drutom. Po opanowaniu CST i optymalizacji tam mojej konstrukcji, jeszcze raz stworzyłem metamateriał, który rzeczywiście pozwolił wzmocnić sygnał w standardowym klinicznym tomografie MRI 1.5T. Nadal był to pudełko (choć ładniejsze, z pleksi), wypełnione wodą i masywem drutów. Tym razem struktura została zoptymalizowana pod względem warunków rezonansowych, w szczególności: dobór długości drutów, ich położenia oraz ilości wody. Oto, co wyszło z pomidorem:
Pierwsze skanowanie pomidora zostało wykonane na dużą antenę. W efekcie uzyskano jedynie szum z ledwo dostrzegalnymi konturami. Za drugim razem umieściłem owoc na świeżo wypieczonej konstrukcji rezonansowej. Nie postanowiłem tworzyć kolorowych map ani nic podobnego, ponieważ efekt był oczywisty. Tym samym, na swoim doświadczeniu, choć kosztując mnóstwo czasu, udowodniłem, że koncepcja działa.
Rozumiem, o czym myślisz — pomarańcze, pomidory — to nie to, gdzie są testy na ludziach?
One rzeczywiście były :
Ręka ochotnika leżącego na MRI spoczywa na tej samej pudełku. Właściwie woda w pudełku, ponieważ zawiera wodór, również jest doskonale widoczna. Wzmacnianie sygnału zachodzi w obszarze nadgarstka spoczywającego na rezonatorze, podczas gdy wszystkie inne części ciała są słabo widoczne. Oczywiste jest, że podobny efekt, a może i lepszy, można osiągnąć przy użyciu standardowych klinicznych cewków. Ale sam fakt, że można robić takie rzeczy, po prostu przestrzennie łącząc wodę i przewody, odpowiednio je łącząc, budzi zdumienie. Jeszcze bardziej zaskakujące jest to, że wiedzę na ten temat można uzyskać dzięki badaniu pozornie niezwiązanych zjawisk, takich jak załamanie światła.
Dla tych, którzy jeszcze się nie zmęczyliObecnie konstrukcja pudełka z wodą została już ulepszona. Teraz to po prostu płaska płytka drukowana, która pozwala na lokalizację pola magnetycznego dużej zewnętrznej anteny w swoim otoczeniu. Jej strefa robocza jest większa niż w przypadku poprzedniej konstrukcji:
Kolorowe wstążki pokazują natężenie pola magnetycznego nad strukturą podczas pobudzenia z zewnętrznego źródła fal elektromagnetycznych. Płaska struktura jest typową linią przesyłową znaną w radiofonice, jednak jednocześnie może być również rozpatrywana jako metamateriał do MRI. Ta "bezprzewodowa cewka" już może konkurować ze standardowymi cewkami pod względem jednorodności wytwarzanego pola na pewnej głębokości obiektu skanowania:
Animacja pokazuje warstwowo kolorową mapę sygnału wewnątrz skrzynki z wodą w MRI. Kolor oznacza intensywność sygnałów z jąder wodoru. W lewym górnym rogu jako odbiornik wykorzystano segment standardowej cewki do skanowania pleców. Lewy dolny róg przedstawia sytuację, gdy skrzynka stoi na rezonatorze przypominającym płytkę drukowaną. Po prawej stronie na dole sygnał odbiera duża antena wbudowana w tunel tomografu. Porównałem jednorodność sygnału w obszarze obrysowanym prostokątem. Na pewnej wysokości metamateryiał działa lepiej niż cewka pod względem jednorodności sygnału. Dla zadań klinicznych może to nie być wielkie osiągnięcie, ale w przypadku naukowych badań MRI, gdzie skanuje się szczury, może to pomóc w uzyskaniu wzrostu sygnału i zmniejszeniu wymaganego poziomu mocy impulsów radiowych.
O „poprawie o 2 razy” na początku artykułu — oczywiście, to kolejny owoc nieodwzajemnionej miłości dziennikarzy do naukowców, jednak powiedzenie, że są to puste badania, również byłoby błędne, co potwierdza zainteresowanie tym tematem w grupach naukowych na całym świecie. To zadziwiające, ale prace prowadzone są również u nas w Rosji, chociaż według mojego osobistego doświadczenia jest to raczej rzadki wyjątek. Istnieje wiele nierozwiązanych problemów związanych z zastosowaniem metamateryiałów w MRI. Oprócz lokalizacji pól magnetycznych, aby uzyskać dobry obraz, nie należy zapominać o polach elektrycznych, które prowadzą do nagrzewania tkanek, a także o wchłanianiu energii pola radiowego przez pacjentów poddawanych badaniu. Za tymi kwestiami, przy użyciu klinicznym, powinien być szczególny nadzór, co znacznie komplikuje sytuację przy zastosowaniu lokalizujących pola rezonatorów. Jak dotąd metamateryiały dla MRI pozostają w ramach badań naukowych, ale uzyskiwane wyniki są już bardzo interesujące i być może w przyszłości procedura MRI dzięki nim zmieni się na lepsze, stając się szybsza i bezpieczniejsza.
Źródło: habr.com
