Uma chave de fenda assobiou perto do meu ouvido. Com um toque alto, ela congelou no corpo do criostato. Amaldiçoando a mim mesmo, decidi fazer uma pausa. Desaparafusar parafusos em um campo magnético de 1.5 Tesla usando uma ferramenta de aço não é uma boa ideia. O campo, como um inimigo invisível, tenta constantemente arrancar o instrumento das mãos, orientá-lo ao longo de suas linhas de força e direcioná-lo o mais próximo possível dos elétrons que correm em círculo vicioso do supercondutor. No entanto, se você realmente precisa derrotar os compostos acidificados de muitos anos atrás, não há muita escolha. Sentei-me em frente ao computador e habitualmente folheei o feed de notícias. “Cientistas russos melhoraram a ressonância magnética em 2 vezes!” - leia a manchete suspeita.
Há cerca de um ano, nós e entendeu a essência de seu trabalho. Eu recomendo fortemente que você refresque a memória desse material antes de ler este artigo.
Por várias razões, inclusive históricas, na Rússia hoje produção de equipamentos complexos como scanners de ressonância magnética de alto campo. Porém, se você mora em uma cidade maior, poderá encontrar facilmente clínicas que prestam esse tipo de serviço. Ao mesmo tempo, a frota de aparelhos de ressonância magnética costuma ser representada por equipamentos usados, outrora importados dos EUA e da Europa, e se de repente você tiver que visitar uma clínica com uma ressonância magnética, não se deixe enganar pela bela aparência do aparelho - pode muito bem estar na sua segunda década. Com isso, esses equipamentos às vezes quebram, e por muito tempo fui uma daquelas pessoas que devolveu ao serviço tomógrafos quebrados, para que os pacientes pudessem continuar a fazer diagnósticos e os proprietários pudessem lucrar.
Até que um belo dia, durante um intervalo entre entretenimentos perigosos com enormes campos magnéticos, me deparei com uma inscrição interessante no feed de notícias: “Cientistas russos junto com colegas holandeses usando metamateriais." Escusado será dizer que o próprio facto de a Rússia estar a realizar pesquisas sobre equipamentos, cuja produção nunca foi dominada, pareceu-me muito, muito controverso. Decidi que se tratava apenas de mais uma rodada de bolsas, diluídas em chavões científicos incompreensíveis como “nanotecnologia” de que todos já estavam fartos. Uma busca por informações sobre o trabalho de cientistas nacionais com ressonância magnética e metamateriais me levou a um artigo contendo a descrição de um experimento simples que eu poderia repetir facilmente, já que o aparelho de ressonância magnética está sempre à mão.
Foto de , dedicado a melhorar o sinal de ressonância magnética usando o chamado “metamaterial”. Em uma clínica típica 1.5 - Aparelho térmico, no lugar do paciente, é carregado metamaterial, na forma de uma bacia com água, dentro da qual estão localizados fios paralelos de determinado comprimento. Nos fios está o objeto de estudo - um peixe (não vivo). As imagens à direita são imagens de ressonância magnética dos peixes, com um mapa colorido sobreposto indicando a intensidade do sinal dos núcleos de hidrogênio. Percebe-se que quando o peixe está nos fios, o sinal é muito melhor do que sem eles. O tempo de digitalização é o mesmo em ambos os casos, o que prova que a eficiência da digitalização é melhorada. O artigo também incluiu cuidadosamente
fórmula
calcular o comprimento dos fios em função da frequência de operação do tomógrafo que utilizei. Fiz meu metamaterial a partir de uma cubeta e uma série de fios de cobre, equipados com fixadores plásticos impressos em 3D:
Meu primeiro metamaterial. Imediatamente após a produção, foi colocado em um tomógrafo de 1 Tesla. A laranja funcionou como um objeto a ser escaneado.
Porém, em vez do prometido aprimoramento de sinal, recebi vários artefatos que estragaram completamente a imagem! Minha indignação não teve limites! Terminada a matéria, escrevi uma carta aos autores do artigo, cujo significado pode ser reduzido à pergunta “O quê...?”
Os autores me responderam rapidamente. Eles ficaram bastante impressionados com o fato de alguém estar tentando replicar seus experimentos. No início, eles tentaram por muito tempo me explicar como os metamateriais realmente funcionam, usando os termos “ressonâncias de Fabry-Perot”, “modos intrínsecos” e todos os tipos de campos de radiofrequência no volume. Então, aparentemente percebendo que eu não entendia nada do que eles estavam falando, eles decidiram me convidar para visitá-los para que eu pudesse ver ao vivo seus desenvolvimentos e ter certeza de que ainda funcionava. Joguei meu ferro de solda favorito na mochila e fui para São Petersburgo, para a Universidade Nacional de Pesquisa de Tecnologias da Informação, Mecânica e Óptica (como descobri, não apenas programadores são treinados lá).
Fui calorosamente recebido no local e, de repente, me ofereceram um emprego, pois ficaram impressionados com minha vala com fios e precisavam de uma pessoa para criar novas. Em troca, prometeram explicar detalhadamente tudo o que me interessasse e fazer um curso de formação em radiofísica e ressonância magnética, que, por uma feliz coincidência, começou exatamente naquele ano. A sede de conhecimento venceu e depois, ao longo do ano, estudei, fiz projetos e trabalhei, aprendendo gradativamente cada vez mais coisas novas sobre a história da ressonância magnética, bem como o estado da ciência moderna nesta área, que irei compartilhe aqui.
O método de melhoria proposto para a ressonância magnética, e estudado nos artigos científicos mencionados, baseia-se nos chamados “metamateriais”. Os metamateriais, como muitas outras descobertas, devem seu surgimento a soluções inesperadas obtidas com base em pesquisas teóricas. O cientista soviético Viktor Veselago, em 1967, trabalhando em um modelo teórico, sugeriu a existência de materiais com índice de refração negativo. Como você já entendeu, estamos falando de óptica, e o valor desse coeficiente, grosso modo, significa quanta luz mudará de direção ao passar pela fronteira entre diferentes meios, por exemplo, ar e água. Você pode facilmente verificar por si mesmo que isso realmente acontece:
Um experimento simples usando um apontador laser e um aquário para demonstrar a refração da luz.
Um fato interessante que pode ser aprendido com esse experimento é que o feixe não pode ser refratado na mesma direção de onde caiu na interface, não importa o quanto o experimentador tente. Este experimento foi realizado com todas as substâncias naturais, mas o feixe foi refratado obstinadamente em apenas uma direção. Matematicamente, isso significa que o índice de refração, bem como suas grandezas constituintes, permeabilidade dielétrica e magnética, são positivos e nunca foram observados de outra forma. Pelo menos até que V. Veselago decidiu estudar esta questão e mostrou que teoricamente não existe uma única razão pela qual o índice de refração não possa ser negativo.
Imagem da Wiki mostrando a diferença entre mídia de índice positivo e negativo. Como podemos ver, a luz se comporta de forma completamente anormal, em comparação com a nossa experiência cotidiana.
V. Veselago tentou durante muito tempo encontrar evidências da existência de materiais com índice de refração negativo, mas a busca não teve sucesso e seu trabalho foi esquecido imerecidamente. Foi somente no início do século seguinte que foram criadas artificialmente estruturas compósitas que realizaram as propriedades descritas, mas não na faixa óptica, mas na faixa de frequência de micro-ondas mais baixa. O que foi um ponto de viragem, pois a própria possibilidade da existência de tais materiais abriu novas perspectivas. Por exemplo - criação , capaz de ampliar objetos ainda menores que o comprimento de onda da luz. Ou - coberturas de invisibilidade de camuflagem absoluta, o sonho de todos os militares. Grandes alterações foram feitas na teoria para levar em conta novos dados. A chave do sucesso foi o uso de estruturas ordenadas de elementos ressonantes - metaátomos, cujo tamanho é muito menor que o comprimento de onda da radiação com a qual interagem. Uma estrutura ordenada de metaátomos é um composto artificial denominado metamaterial.
A implementação prática de metamateriais ainda hoje é tecnologicamente complexa, uma vez que o tamanho das partículas ressonantes deve ser comparável a menos que o comprimento de onda da radiação eletromagnética. Para a faixa óptica (onde o comprimento de onda é nanômetros), essas tecnologias estão na vanguarda do progresso. Portanto, não é surpreendente que os primeiros representantes do conceito de metamateriais tenham sido criados para ondas eletromagnéticas relativamente mais longas da faixa de rádio (que têm um comprimento mais familiar de mm a m). A principal característica e ao mesmo tempo a desvantagem de qualquer metamaterial é consequência da natureza ressonante de seus elementos constituintes. O metamaterial pode exibir suas propriedades milagrosas apenas em certas frequências.
Frequências limitadas.Portanto, por exemplo, da próxima vez que você vir algo como um bloqueador de super som baseado em metamateriais, pergunte qual faixa de frequência ele realmente bloqueia.
Exemplos típicos de metamateriais que permitem interação com ondas eletromagnéticas. As estruturas condutoras nada mais são do que pequenos ressonadores, circuitos LC formados pela posição espacial dos condutores.
Pouco tempo se passou desde o surgimento do conceito de metamateriais e suas primeiras implementações, e as pessoas descobriram como utilizá-los em ressonância magnética. A principal desvantagem dos metamateriais é que a estreita faixa de operação não é um problema para a ressonância magnética, onde todos os processos ocorrem quase na mesma frequência de ressonância magnética nuclear, que fica na faixa de rádio. Aqui você pode criar metaátomos com suas próprias mãos e ver imediatamente o que acontece nas imagens. Um dos primeiros recursos que os pesquisadores implementaram na ressonância magnética usando metamateriais foram superlentes e endoscópios.
No lado esquerdo, sob a letra a), é mostrada uma superlente, consistindo de um conjunto tridimensional de ressonadores em placas de circuito impresso. Cada ressonador é um anel metálico aberto com um capacitor soldado, formando um circuito LC sintonizado na frequência da ressonância magnética. Abaixo segue um exemplo de colocação dessa estrutura de metamaterial entre as pernas de um paciente submetido a um procedimento de tomografia e, consequentemente, as imagens resultantes. Se você ainda não desdenhou o conselho de ler meu artigo anterior sobre ressonância magnética, então já sabe que, para obter uma imagem de qualquer parte do corpo do paciente, é necessário coletar sinais nucleares fracos e de rápida decomposição usando um sensor próximo. antena - uma bobina.
A superlente de metamaterial permite aumentar o alcance de ação de uma bobina padrão. Por exemplo, visualize as duas pernas do paciente ao mesmo tempo, em vez de apenas uma. A má notícia é que a posição da superlente deve ser escolhida de uma certa maneira para obter o melhor efeito, e a fabricação da superlente em si é bastante cara. Se você ainda não entende por que essa lente é chamada de superprefixo, estime seu tamanho pela foto e perceba que ela funciona com um comprimento de onda de cerca de cinco metros!
A letra b) mostra o desenho do endoscópio. Essencialmente, um endoscópio de ressonância magnética é um conjunto de fios paralelos que atua como um guia de ondas. Ele permite separar espacialmente a região de onde a bobina recebe o sinal dos núcleos e da própria bobina por uma distância considerável - a tal ponto que a antena receptora pode estar localizada completamente fora do criostato do tomógrafo, longe da constante magnética campo. As imagens inferiores da aba b) mostram imagens obtidas para um recipiente especial cheio de líquido - um fantasma. A diferença entre eles é que as imagens rotuladas como “endoscópio” foram obtidas quando a bobina estava a uma distância razoável do fantasma, onde sem o endoscópio os sinais dos núcleos seriam completamente impossíveis de detectar.
Se falamos de uma das áreas mais promissoras de aplicação de metamateriais em ressonância magnética, e a mais próxima de sua implementação prática (na qual acabei me envolvendo) é a criação de bobinas sem fio. Vale esclarecer que não estamos falando aqui de Bluetooth ou outra tecnologia de transferência de dados sem fio. “Sem fio”, neste caso, significa a presença de acoplamento indutivo ou capacitivo de duas estruturas ressonantes - uma antena transceptora, bem como um metamaterial. Em conceito é assim:
À esquerda é mostrado como geralmente ocorre um procedimento de ressonância magnética: o paciente fica dentro de um criostato em uma área de campo magnético estático uniforme. Uma grande antena chamada “gaiola” é montada no túnel do tomógrafo. Uma antena desta configuração permite girar o vetor do campo magnético de radiofrequência com a frequência de precessão dos núcleos de hidrogênio (para máquinas clínicas, isso geralmente é de 40 a 120 MHz, dependendo da magnitude do campo magnético estático de 1T a 3T, respectivamente), fazendo com que absorvam energia e depois emitam energia em resposta. O sinal de resposta dos núcleos é muito fraco e, quando atingir os condutores de uma antena grande, inevitavelmente desaparecerá. Por esta razão, a ressonância magnética utiliza bobinas locais pouco espaçadas para receber sinais. A imagem no centro, por exemplo, mostra uma situação típica de escaneamento do joelho. Utilizando metamateriais é possível fazer um ressonador que será acoplado indutivamente a uma gaiola. Basta colocar tal coisa perto da área desejada do corpo do paciente e o sinal de lá não será pior do que com uma bobina local! Se o conceito for implementado com sucesso, os pacientes não terão mais que se enroscar em fios e o procedimento de diagnóstico por ressonância magnética se tornará mais confortável.
Esse é exatamente o tipo de coisa que tentei criar no início, enchendo os fios com água e tentando escanear uma laranja. Os fios imersos em água da primeira foto deste artigo nada mais são do que metaátomos, cada um dos quais representa um dipolo de meia onda - um dos designs de antena mais famosos, familiar a todo radioamador.
Eles são imersos em água não para que não peguem fogo na ressonância magnética (embora também para esse fim)), mas para, devido à alta constante dielétrica da água, reduzir seu comprimento de ressonância exatamente em um valor igual ao quadrado raiz da constante dielétrica da água.
Este chip tem sido usado há muito tempo em receptores de rádio, enrolando o fio em um pedaço de ferrite - o chamado. antena de ferrite. Apenas a ferrita possui alta permeabilidade magnética, e não dielétrica, que, no entanto, funciona da mesma forma e permite reduzir consequentemente as dimensões ressonantes da antena. Infelizmente, você não pode colocar ferrite em uma ressonância magnética, porque... é magnético. A água é uma alternativa barata e acessível.
É claro que para calcular todas essas coisas, é necessário construir modelos matemáticos complexos que levem em conta a relação entre elementos ressonantes, parâmetros ambientais e fontes de radiação... ou você pode aproveitar os frutos do progresso e do software para eletromagnética numérica. modelagem que até um aluno pode entender facilmente (os exemplos mais marcantes são CST, HFSS). O software permite criar modelos 3D de ressonadores, antenas, circuitos elétricos, adicionar pessoas a eles - sim, na verdade, qualquer coisa, a única questão é sua imaginação e o poder computacional disponível. Os modelos construídos são divididos em grades, em cujos nós são resolvidas as conhecidas equações de Maxwell.
Aqui, por exemplo, está uma simulação do campo magnético de radiofrequência dentro da antena de gaiola mencionada anteriormente:
Imediatamente fica claro como o campo gira. A situação à esquerda é mostrada quando há uma caixa de água dentro da antena, e à direita - quando a mesma caixa está em um ressonador feito de fios de comprimento ressonante. Você pode ver como o campo magnético é significativamente aumentado pelos fios. Depois de dominar o CST e otimizar meu projeto, mais uma vez fiz um metamaterial, que na verdade tornou possível amplificar o sinal em um tomógrafo de ressonância magnética clínico padrão de 1.5T. Ainda era uma caixa (embora mais bonita, feita de acrílico), cheia de água e uma série de fios. Desta vez, a estrutura foi otimizada em termos de condições ressonantes, nomeadamente: seleção do comprimento dos fios, sua posição e quantidade de água. Aqui está o que aconteceu com o tomate:
A primeira varredura do tomate foi realizada com uma antena grande. O resultado foi apenas ruído com contornos pouco visíveis. Na segunda vez coloquei a fruta sobre uma estrutura de ressonância recém-assada. Não construí mapas coloridos nem nada parecido, pois o efeito é óbvio. Assim, por experiência própria, embora tenha passado muito tempo, provei que o conceito funciona.
Está claro o que você está pensando - laranjas, tomates - está tudo errado, onde estão os testes em humanos?
Eles realmente eram :
A mão de um voluntário submetido a uma ressonância magnética está na mesma caixa. A própria água na caixa, por conter hidrogênio, também é claramente visível. O sinal é amplificado na área do pulso apoiada no ressonador, enquanto todas as outras partes do corpo são pouco visíveis. É claro que o mesmo efeito, e talvez até melhor, pode ser alcançado utilizando bobinas clínicas padrão. Mas o próprio fato de que você pode fazer essas coisas simplesmente combinando água e fios espacialmente, combinando-os da maneira certa, é incrível. Ainda mais surpreendente é que o conhecimento sobre isto pode ser obtido através do estudo de fenómenos aparentemente não relacionados, como a refração da luz.
Para quem ainda não está cansadoNo momento, o design da caixa d’água já foi aprimorado. Agora é apenas uma placa de circuito impresso plana que permite localizar o campo magnético de uma grande antena externa perto de você. Além disso, a sua área de trabalho é maior que a do design anterior:
As fitas coloridas indicam a intensidade do campo magnético sobre a estrutura quando excitada por uma fonte externa de ondas eletromagnéticas. A estrutura plana é uma linha de transmissão típica conhecida na engenharia de rádio, mas também pode ser considerada um metamaterial para ressonância magnética. Esta “bobina sem fio” já pode competir com bobinas padrão em termos de uniformidade do campo gerado a uma determinada profundidade no objeto digitalizado:
A animação mostra um mapa colorido camada por camada do sinal dentro de uma caixa de água em uma ressonância magnética. A cor indica a intensidade dos sinais dos núcleos de hidrogênio. No canto superior esquerdo, um segmento de uma bobina de varredura posterior padrão é usado como receptor. O canto inferior esquerdo é quando a caixa é colocada em um ressonador em forma de placa de circuito impresso. Canto inferior direito - o sinal é recebido por uma grande antena embutida no túnel do tomógrafo. Comparei a uniformidade do sinal na área delimitada pelo retângulo. A alguma altitude, o metamaterial tem um desempenho melhor que a bobina em termos de uniformidade de sinal. Para fins clínicos, esta pode não ser uma conquista muito importante, mas quando se trata de instalações científicas de ressonância magnética onde os ratos são escaneados, pode ajudar a obter um aumento no sinal e uma diminuição na potência necessária dos pulsos de rádio excitantes.
Sobre “melhorar 2 vezes” no início do artigo - claro, este é mais um fruto do amor não correspondido dos jornalistas pelos cientistas, porém, também é errado dizer que se trata de uma pesquisa vazia, que se apoia no interesse em este tópico em grupos científicos ao redor do mundo. Surpreendentemente, o trabalho também está sendo realizado aqui na Rússia, embora, com base na minha experiência puramente pessoal, esta seja uma rara exceção. Ainda existem muitos problemas não resolvidos associados ao uso de metamateriais em ressonância magnética. Além de localizar campos magnéticos para obter uma boa imagem, não se esqueça dos campos elétricos que levam ao aquecimento dos tecidos, bem como da absorção da energia do campo de radiofrequência pelos tecidos dos pacientes examinados. Para isso, no uso clínico, deve haver um controle especial, o que se torna muito mais complicado quando se utilizam ressonadores de localização de campo. Por enquanto, os metamateriais para ressonância magnética permanecem no âmbito da investigação científica, mas os resultados obtidos já são muito interessantes e talvez no futuro, graças a eles, o procedimento de ressonância magnética mude para melhor, tornando-se mais rápido e seguro.
Fonte: habr.com