Uma chave de fenda passou zunindo ao meu lado. Com um estrondo, parou na carcaça do criostato. Praguejando para mim mesmo, decidi fazer uma pausa. Desparafusar parafusos em um campo magnético de 1,5 tesla com uma ferramenta de aço não era uma boa ideia. O campo, como um inimigo invisível, tenta constantemente arrancar a ferramenta das mãos, orientá-la ao longo das suas linhas de força e direcioná-la o mais próximo possível dos elétrons correndo em um circuito fechado de supercondutor. No entanto, se for realmente necessário vencer as conexões oxidantes de muitos anos, não há muita escolha. Sentei-me ao computador e, como de costume, passei os olhos pelo feed de notícias. "Cientistas russos melhoraram a ressonância magnética em 2 vezes!" - dizia um título suspeito.
Cerca de um ano atrás, nós e compreendemos a essência do seu funcionamento. Recomendo enfaticamente, antes de ler este artigo, revisar os materiais anteriores.
Devido a várias razões, incluindo as históricas, na Rússia atualmente fabricação de equipamentos tão complexos como os tomógrafos por ressonância magnética de alta potência. No entanto, se você vive em uma cidade mais ou menos grande, encontrará facilmente clínicas que oferecem esse tipo de serviço. Nesse caso, o parque de scanners de ressonância magnética muitas vezes é composto por equipamentos usados, que foram trazidos de volta dos EUA e da Europa, e, caso você precise visitar uma clínica com ressonância magnética, não se deixe enganar pela aparência bonita do aparelho - ele pode ter facilmente duas décadas de uso. Como consequência, esse tipo de equipamento às vezes quebra, e eu fui uma das pessoas que passou longo tempo reabilitando tomógrafos quebrados, para que os pacientes continuassem a realizar diagnósticos e os proprietários a obter lucros.
Até que, em um belo dia, em uma pausa entre perigosas diversões com campos magnéticos de grande magnitude, encontrei no feed de notícias uma inscrição interessante: "Cientistas russos, em colaboração com colegas holandeses com o uso de metamateriais». Vale a pena mencionar que o próprio fato de que na Rússia são realizados estudos sobre equipamentos cuja produção ainda não foi dominada me pareceu bastante controverso. Decidi que isso era apenas mais uma perda de fundos, misturada com palavras científicas incompreensíveis como as já cansativas "nanotecnologias". A busca por informações sobre o trabalho de cientistas locais com MRI e metamateriais me levou a um artigo que descrevia um experimento simples, que eu poderia facilmente repetir, já que o aparelho de MRI está sempre à mão.
Imagem de , dedicada ao aumento do sinal de MRI com o uso do chamado "metamaterial". Em um aparelho clínico típico de 1,5 Tesla, em vez de um paciente, é carregado um metamaterial, na forma de uma bacia com água, dentro da qual há fios paralelos de comprimento específico. Em cima dos fios está o objeto de pesquisa — um peixe (morto). As imagens à direita são as imagens obtidas por MRI do peixe, com um mapa de cores sobreposto, indicando a intensidade do sinal dos núcleos de hidrogênio. É visível que quando o peixe está sobre os fios, o sinal é muito melhor do que sem eles. O tempo de escaneamento em ambos os casos é o mesmo, o que comprova o aumento da eficiência do escaneamento. O artigo também forneceu cuidadosamente
a fórmula
para calcular o comprimento dos fios em função da frequência de operação do tomógrafo, que utilizei. Eu construí meu metamaterial a partir de uma cubeta e um conjunto de fios de cobre, equipando-os com suportes de plástico impressos em 3D:
Meu primeiro metamaterial. Logo após a fabricação, foi inserido no tomógrafo de 1 Tesla. A laranja foi utilizada como objeto para escaneamento.
No entanto, em vez do aumento prometido do sinal, recebi uma série de artefatos que estragaram completamente a imagem! Minha indignação não tinha limites! Depois de comer o objeto de teste, escrevi uma carta aos autores do artigo, cuja essência poderia ser resumida na pergunta "Que diabos...?".
Os autores me responderam bastante rápido. Eles ficaram muito impressionados com o fato de que alguém estava tentando repetir seus experimentos. No início, tentaram me explicar como funcionam os metamateriais, usando termos como "ressonâncias Fabry-Perot", "modos próprios" e vários campos de radiofrequência no espaço. Depois, aparentemente percebendo que eu não entendia nada do que estava sendo dito, decidiram me convidar para ir à sua sede para que eu pudesse ver suas inovações ao vivo e me convencer de que realmente funcionava. Coloquei meu soldador favorito na mochila e fui para São Petersburgo, na Universidade Nacional de Pesquisa em Tecnologias da Informação, Mecânica e Óptica (como se viu, lá eles formam não apenas programadores).
Ao chegar, fui calorosamente recebido e, de repente, me ofereceram um emprego, pois ficaram impressionados com minha cubeta de fios e precisavam de alguém para criar novos. Em troca, prometeram me explicar detalhadamente tudo o que me interessava e me proporcionar um curso de aprendizado em radiofísica e MRT, que por um acaso começava exatamente naquele ano. Minha sede de conhecimento venceu e, a partir daí, ao longo de um ano, estudei, fiz projetos e trabalhei, aprendendo cada vez mais sobre a história da ressonância magnética, assim como sobre o estado atual da ciência nessa área, o que compartilharei aqui.
A base do método de aprimoramento proposto para a MRT, estudado nos artigos científicos mencionados, reside nos chamados "metamateriais". Os metamateriais, assim como muitas outras descobertas, devem sua existência a soluções inesperadas, obtidas a partir de investigações teóricas. O cientista soviético Viktor Veselago, em 1967, ao trabalhar em um modelo teórico, postulou a existência de materiais com coeficiente de refração negativo. Como você já deve ter entendido, estamos falando de óptica, e esse coeficiente, grosso modo, indica o quanto a luz mudará de direção ao passar pela fronteira entre diferentes meios, como ar e água. Você pode facilmente comprovar que isso realmente acontece:
Um experimento simples com um apontador laser e um aquário, demonstrando a refração da luz.
Um fato interessante que pode ser extraído desse experimento é que o feixe não pode se refratar na mesma direção de onde ele caiu na fronteira de separação, não importa o quanto o experimentador se esforce. Esse experimento foi realizado com todas as substâncias encontradas na natureza; no entanto, o feixe persistentemente se refratou apenas em uma direção. Matematicamente, isso significa que o índice de refração, assim como os valores que o compõem, a permissividade dielétrica e a permeabilidade magnética, são positivos, e nunca se observou o contrário. Pelo menos, até que V. Veselago decidiu estudar essa questão e mostrou que, teoricamente, não há nenhuma razão para que o índice de refração não possa ser negativo.
Imagem da Wikipédia mostrando a diferença entre meios com índices de refração positivos e negativos. Como podemos ver, a luz se comporta de maneira completamente não natural, em comparação com nossa experiência cotidiana.
V. Veselago passou muito tempo tentando encontrar provas da existência de materiais com um índice de refração negativo, porém suas buscas não foram frutíferas, e seu trabalho foi injustamente esquecido. Somente no início do século seguinte foram criadas artificialmente estruturas compostas que realizam as propriedades descritas, mas não na faixa óptica, e sim em uma faixa de frequência de micro-ondas mais baixa. Isso se tornou um ponto de virada, pois a própria possibilidade da existência desses materiais abria novas perspectivas. Por exemplo — a criação , capazes de aumentar objetos até menores que o comprimento de onda da luz. Ou ainda, coberturas de camuflagem invisíveis absolutas, o sonho de todos os militares. Foram feitas correções significativas na teoria, levando em conta novos dados. A chave para o 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. A estrutura ordenada de metaátomos é um compósito artificial chamado metamaterial.
A implementação prática de metamateriais é tecnologicamente complexa até hoje, uma vez que o tamanho das partículas de ressonância deve ser comparativamente menor que o comprimento da onda da radiação eletromagnética. Para a faixa óptica (onde o comprimento da onda é na ordem dos nanômetros), essas tecnologias estão na vanguarda das capacidades de progresso. Portanto, não é surpreendente que os primeiros representantes do conceito de metamateriais tenham sido criados para ondas eletromagnéticas comparativamente mais longas da faixa de rádio (que têm um comprimento mais familiar de milímetros a metros). A principal característica e, ao mesmo tempo, a desvantagem de qualquer metamaterial é a consequência da natureza ressonante dos elementos que o compõem. Um metamaterial só pode exibir suas propriedades milagrosas em frequências específicas.
Frequências limitadas.Portanto, por exemplo, quando você vir mais uma vez algo como um super bloqueador de som baseado em metamateriais, pergunte-se qual faixa de frequência ele realmente bloqueia.
Exemplos típicos de metamateriais que permitem a interação com ondas eletromagnéticas. Estruturas de condutores não são nada além de 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, até que as pessoas descobrissem como utilizá-los em ressonância magnética (RM). A principal desvantagem dos metamateriais — a faixa de operação estreita — não representa um problema para a RM, onde todos os processos ocorrem praticamente em uma única frequência de ressonância magnética dos núcleos, que se encontra na faixa de rádio. Aqui, você pode criar metamátomos com suas próprias mãos e imediatamente ver os resultados nas imagens. Uma das primeiras funções que os pesquisadores implementaram em RM utilizando metamateriais foi a superlente e endoscópios.
Na parte esquerda sob a letra a) está mostrada a superlente, composta por uma rede tridimensional de ressonadores em placas de circuito impresso. Cada ressonador é um anel metálico aberto com um capacitor soldado, formando um circuito LC sintonizado para a frequência de RM. Abaixo está um exemplo de colocação dessa estrutura de metamaterial entre as pernas do paciente que está passando pelo tomografia, e as imagens obtidas em seguida. Se você não se esqueceu do meu conselho de ler meu artigo anterior sobre RM, você já sabe que, para obter uma imagem de alguma parte do corpo do paciente, é necessário coletar fracos e rapidamente decaindo sinais nucleares com a ajuda de uma antena próxima – a bobina.
A superlente de metamaterial permite aumentar a área de atuação da bobina padrão. Por exemplo, visualizar ambas as pernas do paciente ao mesmo tempo em vez de apenas uma. A má notícia é que a posição da superlente deve ser ajustada de uma forma específica para melhor manifestar o efeito, e a própria superlente é bastante cara de se fabricar. Se você ainda não entendeu por que esta lente é chamada de super-, observe as suas dimensões na foto e então compreenda que ela funciona com uma onda de cerca de cinco metros!
Sob a letra b) é demonstrada a construção do endoscópio. Na essência, o endoscópio para RM é uma matriz de fios paralelos, atuando como um guia de ondas. Ele permite dispersar espacialmente a região da qual a bobina recebe o sinal dos núcleos e a própria bobina a uma distância considerável – até o ponto em que a antena receptora pode estar completamente fora do criostato do tomógrafo, longe do campo magnético permanente. Nas imagens inferiores da aba b) estão apresentadas fotos obtidas para um vaso especial preenchido com líquido – o fantoma. A diferença entre elas é que as imagens rotuladas como “endoscópio” foram obtidas quando a bobina estava a uma distância considerável do fantoma, onde, sem o endoscópio, seria absolutamente impossível detectar os sinais dos núcleos.
Se falarmos sobre uma das áreas mais promissoras de aplicação de metamateriais em RM, e a mais próxima de sua implementação prática (na qual acabei me envolvendo) – é a criação de bobinas sem fio. Vale esclarecer que não se trata de Bluetooth ou outra tecnologia sem fio de transmissão de dados. "Sem fio" neste caso significa a existência de uma conexão indutiva ou capacitiva entre duas estruturas ressonantes – a antena transmissora e receptora, assim como o metamaterial. Na concepção, isso se apresenta da seguinte forma:
À esquerda, é mostrado como geralmente ocorre o procedimento de RM: o paciente está deitado dentro do criostato na zona de um campo magnético estático homogêneo. No túnel do tomógrafo, está instalada uma grande antena, chamada de "gaiola de pássaro". Uma antena dessa configuração permite girar o vetor do campo magnético de radiofrequência com a frequência de precessão dos núcleos de hidrogênio (para máquinas clínicas, isso geralmente varia de 40 a 120 MHz, dependendo da magnitude do campo magnético estático, que varia de 1T a 3T, respectivamente), fazendo com que absorvam energia e, em seguida, a emitam em retorno. O sinal de resposta dos núcleos é muito fraco e, enquanto ele percorre os condutores da grande antena, inevitavelmente se atenua. Por essa razão, em RM, para a recepção de sinais, são utilizadas bobinas locais posicionadas próximas. Na imagem do centro, por exemplo, é mostrada uma situação típica de escaneamento do joelho. Com a ajuda de metamateriais, é possível criar um ressonador que será indutivamente conectado à gaiola de pássaro. Basta colocar esse dispositivo próximo à área desejada do corpo do paciente e o sinal a partir dali será recebido tão bem quanto por uma bobina local! Se a implementação do conceito for bem-sucedida, os pacientes não precisarão mais se preocupar com fios, tornando o procedimento de diagnóstico por RM mais confortável.
Foi exatamente isso que tentei criar inicialmente, mergulhando fios na água e tentando escanear uma laranja. Os fios submersos na água da primeira imagem deste artigo – nada mais são do que metaátomos, cada um representando um dipolo de meia-onda – uma das construções de antena mais conhecidas, familiar para qualquer radioamador.
Eles não são imersos na água apenas para prevenir que peguem fogo na ressonância magnética (embora isso também ajude), mas para reduzir a sua comprimento de ressonância exatamente ao valor igual à raiz quadrada da permissividade dielétrica da água.
Essa técnica já é utilizada há muito tempo em receptores de rádio, enrolando fio em um pedaço de ferrite — a chamada antena de ferrite. Apenas o ferrite tem alta permeabilidade magnética, e não dielétrica, mas, no entanto, funciona da mesma forma, permitindo reduzir as dimensões de ressonância da antena. Infelizmente, no MRI não é possível usar ferrite, pois ele é magnético. A água é uma alternativa barata e acessível.
É evidente que, para calcular todas essas coisas, é necessário construir modelos matemáticos complexos que levem em conta a inter-relação entre elementos de ressonância, parâmetros do meio e fontes de radiação... ou você pode se beneficiar dos frutos do progresso e usar software para modelagem eletromagnética numérica, que qualquer estudante consegue manusear (exemplos notáveis — CST, HFSS). O software permite criar modelos 3D de ressonadores, antenas, circuitos elétricos, adicionar pessoas — na verdade, tudo que você quiser, o único limite é a imaginação e a capacidade computacional disponível. Os modelos construídos são divididos em malhas, nas quais as conhecidas equações de Maxwell são resolvidas.
Aqui está um exemplo de modelagem do campo magnético de radiofrequência dentro da antena mencionada anteriormente, tipo gaiola de passarinhos:
Imediatamente se torna bastante claro como o campo gira. À esquerda, vemos a situação quando dentro da antena há uma caixa com água, e à direita — quando a mesma caixa está sobre um ressonador de fios com comprimento de ressonância. É visível como o campo magnético é significativamente intensificado devido aos fios. Após me familiarizar com o CST e otimizar minha construção lá, criei novamente um metamaterial que realmente permitiu aumentar o sinal no tomógrafo clínico padrão de 1,5T. Ele ainda era uma caixa (na verdade, mais bonita, feita de acrílico), preenchida com água e um conjunto de fios. Desta vez, a estrutura foi otimizada em termos de condições de ressonância, especificamente: seleção do comprimento dos fios, suas posições, bem como a quantidade de água. Aqui está o que resultou com o tomate:
A primeira varredura do tomate foi feita em uma grande antena. No final, só obtivemos ruído com contornos vagamente perceptíveis. Na segunda vez, coloquei o fruto em uma nova estrutura de ressonância. Não me preocupei em criar mapas coloridos ou algo parecido, pois o efeito é evidente. Dessa forma, com minha própria experiência, embora tendo gastado muito tempo, provei que a concepção funciona.
Entendo o que você está pensando — laranjas, tomates — isso tudo não é o suficiente, onde estão os testes em humanos?
Eles realmente foram :
A mão do voluntário, que passa pela ressonância magnética, está pousada na mesma caixa. Na verdade, a água na caixa, por conter hidrogênio, também é facilmente visível. O aumento do sinal ocorre na região do pulso, que está em contato com o ressonador, enquanto as outras partes do corpo são menos visíveis. É claro que um efeito semelhante, ou até melhor, pode ser alcançado utilizando bobinas clínicas padrão. Mas o fato de que é possível fazer essas coisas, simplesmente combinando espaço, água e fios de maneira adequada, é impressionante. Ainda mais surpreendente é que esse conhecimento pode ser obtido por meio do estudo de fenômenos aparentemente não relacionados, como a refração da luz.
Para aqueles que ainda não estão cansadosAtualmente, a estrutura da caixa com água já foi melhorada. Agora é apenas uma placa de circuito impressa que permite localizar o campo magnético da grande antena externa ao seu redor. E sua área de trabalho é maior do que a da construção anterior:
As fitas coloridas mostram a intensidade do campo magnético sobre a estrutura quando excitada por uma fonte externa de ondas eletromagnéticas. A estrutura plana representa uma típica linha de transmissão, conhecida na engenharia de rádio, mas pode ser considerada simultaneamente um metamaterial para ressonância magnética. Esta "bobina sem fio" já pode competir com as bobinas padrão em homogeneidade do campo gerado a certa profundidade no objeto de escaneamento:
A animação mostra, camada por camada, um mapa de sinal colorido dentro de uma caixa com água em uma ressonância magnética (RM). A cor indica a intensidade dos sinais dos núcleos de hidrogênio. No canto superior esquerdo, um segmento de uma bobina padrão é usado como receptor para escanear a parte das costas. No canto inferior esquerdo, a caixa está sobre um ressonador em forma de placa de circuito. No canto inferior direito, um grande antena embutida no túnel do tomógrafo recebe o sinal. Eu comparei a homogeneidade do sinal na área delimitada por um retângulo. A uma certa altura, o metamaterial funciona melhor do que a bobina em termos de homogeneidade do sinal. Para tarefas clínicas, isso pode não ser uma conquista significativa, mas quando se trata de instalações científicas de RM, onde ratos são escaneados, isso pode ajudar a obter um aumento no sinal e redução da potência necessária dos pulsos de rádio que excitam.
Sobre "aumentou em 2 vezes" no início do artigo — é claro que é mais uma criação do amor não correspondido dos jornalistas pelos cientistas, mas também não se pode dizer que essas pesquisas sejam vazias, o que é respaldado pelo interesse neste tema em grupos científicos ao redor do mundo. É surpreendente, mas pesquisas estão sendo feitas aqui na Rússia, embora, com base na minha experiência pessoal, isso seja mais uma exceção rara. Existem muitos problemas não resolvidos relacionados à aplicação de metamateriais na RM. Além da localização dos campos magnéticos para obter uma boa imagem, não se deve esquecer dos campos elétricos, que levam ao aquecimento dos tecidos, bem como à absorção de energia do campo de radiofrequência por pacientes em exame. Para esses aspectos, no uso clínico, deve haver um controle especial, que se torna muito mais complicado com o uso de ressonadores que localizam os campos. Por enquanto, metamateriais para RM permanecem no âmbito de pesquisas científicas, mas os resultados obtidos são já bastante interessantes e, possivelmente, no futuro, o procedimento de RM mudará para melhor, tornando-se mais rápido e seguro.
Fonte: habr.com
