O șurubelniță a zburat pe lângă ureche. Cu un zgomot puternic, s-a oprit pe carcasa criostatului. Înjurându-mă în sinea mea, am decis să iau o pauză. Să desfaci șuruburile într-un câmp magnetic de 1,5 tesla, folosind un instrument din oțel — nu este o idee tocmai bună. Câmpul, ca un dușman invizibil, încearcă constant să îți smulgă uneltele din mâini, orientându-le de-a lungul liniilor de forță și ducându-le cât mai aproape de electronii care se deplasează într-un circuit închis din supraconductor. Totuși, dacă trebuie să învingi conexiunile oxidate de ani de zile, nu ai multe opțiuni. M-am așezat la computer și am răsfoit din obișnuință fluxul de știri. „Cercetătorii ruși au îmbunătățit RMN-ul de două ori!” — anunța un titlu suspect.
Aproape un an în urmă, noi și am înțeles esența funcționării acestuia. Îți recomand cu insistență să reîmprospătezi în memorie acel material înainte de a citi acest articol.
Din diverse motive, inclusiv istorice, în Rusia, în zilele noastre, producție de echipamente atât de complexe precum tomografele prin rezonanță magnetică de înalt câmp. Cu toate acestea, dacă locuiești într-un oraș mai mare, nu vei avea dificultăți în a găsi clinici care oferă acest tip de servicii. În același timp, parcul de scannere RMN este adesea format din echipamente folosite, aduse cândva din SUA și Europa și, dacă cumva va trebui să vizitezi o clinică cu RMN, să nu te lasă înșelat de aspectul atrăgător al aparatului — este posibil să aibă deja aproape douăzeci de ani. Ca urmare, astfel de echipamente se pot strica, iar eu am fost mult timp unul dintre acei oameni care readuceau tomografele stricate în funcțiune, pentru ca pacienții să poată continua diagnosticul, iar proprietarii să obțină profit.
Până într-o zi frumoasă, în pauza dintre aventurile periculoase cu câmpuri magnetice de dimensiuni mari, nu am dat peste un mesaj interesant în fluxul de știri: „Cercetătorii ruși împreună cu colegii lor olandezi prin intermediul metamaterialelor». Merită menționat faptul că însuși faptul că în Rusia se desfășoară cercetări consacrate echipamentelor a căror producție nu a fost încă stăpânită, mi s-a părut extrem de contestabil. Am decis că este doar o altă modalitate de a obține fonduri, împodobită cu termeni științifici incomprehensibili, cum ar fi déjà vu «nanotehnologii». Căutarea informațiilor despre activitatea oamenilor de știință din țară cu RMN și metamateriale m-a condus la un articol care conținea descrierea unui experiment simplu, pe care l-aș fi putut repeta cu ușurință, având în vedere că aparat de RMN este mereu la îndemână.
Imagine din , dedicată amplificării semnalului RMN prin intermediul a ceea ce se numește „metamaterial”. Într-un aparat clinic tipic de 1,5 Tesla, în loc de pacient, este încărcat metamaterialul sub forma unei găleți cu apă, în care sunt amplasate fire paralele de lungimi specifice. Pe fire se află obiectul studiat - un pește (mort). Imaginile din dreapta sunt cele obținute prin RMN ale peștelui, cu o hartă de culori suprapusă, care indică intensitatea semnalului de la nucleele de hidrogen. Se observă că, atunci când peștele stă pe fire, semnalul este mult mai bun decât fără ele. Timpul de scanare în ambele cazuri este același, ceea ce demonstrează creșterea eficienței scanării. În articol a fost inclusă cu atenție
formula
pentru calcularea lungimii firelor în funcție de frecvența de lucru a tomografului, pe care am folosit-o. Mi-am realizat propriul metamaterial dintr-o cuvetă și un ansamblu de fire de cupru, echipându-le cu prinderi din plastic, imprimate pe o imprimantă 3D:
Primul meu metamaterial. Imediat după fabricare a fost introdus în tomograful de 1 Tesla. O portocală a servit drept obiect pentru scanare.
Cu toate acestea, în loc de amplificarea semnalului promis, am obținut o mulțime de artefacte, care au stricat complet imaginea! Nici nu mai puteam fi supărat! După ce am terminat cu subiectul, am scris o scrisoare autorilor articolului, al cărei conținut poate fi rezumat în întrebarea „Ce naiba...?”.
Autorii mi-au răspuns destul de repede. Au fost foarte impresionați că cineva încearcă să repete experimentele lor. La început, au încercat mult timp să-mi explice cum funcționează totuși metamaterialele, folosind termeni precum „rezonanțele Fabry-Pérot”, „moduri proprii” și diverse câmpuri radiofonice în volum. Apoi, probabil dându-și seama că nu înțeleg deloc despre ce este vorba, au decis să mă invite la ei acasă, pentru a vedea dezvoltările lor în persoană și a mă convinge că funcționează cu adevărat. Am băgat în rucsacul meu fierul de lipit preferat și am plecat la Sankt Petersburg, la Universitatea Națională de Tehnologii Informaționale, Mecanică și Optică (așa cum s-a dovedit, acolo se pregătesc nu doar programatori).
La fața locului, am fost întâmpinat cu căldură și, dintr-o dată, mi-au oferit un loc de muncă, impresionați fiind de cuvette mea cu fire și necesitând o persoană pentru a crea altele noi. În schimb, au promis să-mi explice în detaliu tot ce mă interesează și să urmez un curs de formare în radiofizică și RMN, care a început din întâmplare exact în acel an. Pasiunea mea pentru cunoaștere a învins și, pe parcursul unui an, am învățat, am realizat proiecte și am lucrat, aflând constant lucruri noi despre istoria rezonanței magnetice, precum și despre starea actuală a științei în acest domeniu, pe care le voi împărtăși aici.
La baza metodei de îmbunătățire propusă a RMN-ului, investigată în studiile științifice menționate, se află așa-numitele „metamateriale”. Metamaterialele, ca multe alte descoperiri, datorează apariția lor soluțiilor neașteptate, obținute în urma cercetărilor teoretice. Scientistul sovietic, Viktor Veselago, în 1967, lucrând la un model teoretic, a prezis existența materialelor cu un coeficient de refracție negativ. Așa cum ați înțeles, este vorba despre optică, iar mărimea acestui coeficient, grosso modo, indică cât de mult își va schimba direcția lumina, trecând prin limita dintre medii diferite, precum aerul și apa. Este ușor să te convingi că așa se întâmplă cu adevărat:
Un experiment simplu cu un laser și un acvariu, demonstrând refracția luminii.
Un fapt interesant care poate fi extras dintr-un astfel de experiment este că un fascicul nu poate fi refractat în aceeași direcție din care a căzut pe limita de separație, indiferent de cât de mult ar încerca experimentatorul. Acest experiment a fost realizat cu toate substanțele întâlnite în natură, însă fasciculul s-a refractat cu încăpățânare doar într-o singură direcție. Matematic, aceasta înseamnă că indicele de refracție, precum și componentele sale, permitivitatea electrică și permeabilitatea magnetică, sunt pozitive, și nu s-a observat niciodată altceva. Cel puțin, până când V. Veselago a decis să studieze această problemă și a demonstrat că, teoretic, nu există niciun motiv pentru care indicele de refracție să nu fie negativ.
Imagine de pe Wiki, care arată diferența dintre medii cu un indice de refracție pozitiv și unul negativ. Așa cum vedem, lumina se comportă complet neobișnuit, comparativ cu experiența noastră cotidiană.
V. Veselago a încercat mult timp să găsească dovezi despre existența materialelor cu un indice de refracție negativ, însă căutările nu au avut succes, iar munca sa a fost uitată pe nedrept. Abia la începutul secolului următor au fost create artificial structuri compozite care realizează proprietățile descrise, dar nu în domeniul optical, ci într-un interval de frecvențe mai joase, în domeniul microundelor. Aceasta a fost o cotitură, deoarece însăși posibilitatea existenței unor astfel de materiale deschidea noi perspective. De exemplu - crearea , capabile să mărească obiecte chiar mai mici decât lungimea undei de lumină. Sau - acoperiri invizibile absolute, visul tuturor militarilor. Au fost aduse modificări serioase în teorie, luând în considerare noile date. Cheia succesului a fost utilizarea structurilor ordonate din elemente rezonatoare - metaatomii, ale căror dimensiuni sunt mult mai mici decât lungimea undei de radiație cu care interacționează. Structura ordonată din metaatomi este un compozit artificial numit metamaterial.
Implementarea practică a metamaterialelor este chiar astăzi o provocare tehnologică, deoarece dimensiunea particulelor rezonatoare trebuie să fie semnificativ mai mică decât lungimea de undă a radiației electromagnetice. Pentru domeniul optic (unde lungimea de undă este în nanometri), astfel de tehnologii se află pe marginea posibilităților progresului. Prin urmare, nu este surprinzător că primii reprezentanți ai conceptului de metamateriale au fost creați pentru unde electromagnetice relativ mai lungi din domeniul radio (care au lungimi mai familiare, de la mm la m). Ceea ce este remarcabil și totodată un dezavantaj al oricărui metamaterial este natura rezonatoare a elementelor care îl compun. Un metamaterial poate manifesta proprietățile sale extraordinare doar la frecvențe specifice.
Frecvențe limitate.Prin urmare, de exemplu, când veți vedea din nou ceva de genul unei super-blocatoare de sunet pe baza metamaterialelor, întrebați-vă ce gamă de frecvențe blochează de fapt.
Exemple tipice de metamateriale care permit interacțiunea cu undele electromagnetice. Structurile din conductori nu sunt altceva decât mici rezonatoare, circuite LC, formate prin poziția spațială a conductorilor.
A trecut puțin timp de la apariția conceptului de metamateriale și primele sale realizări, iar oamenii au început să le utilizeze în IRM. Principala problemă a metamaterialelor - gama de lucru restrânsă - nu este o problemă în IRM, unde toate procesele au loc practic la o singură frecvență de rezonanță magnetică a nucleelor, care se află în domeniul radio. Aici, puteți crea cu mâinile voastre meta-atomi și imediat să vedeți ce rezultate obțineți în imagini. Unele dintre primele funcții pe care cercetătorii le-au implementat în IRM folosind metamateriale au fost super-obișnuitele și endoscoapele.
În partea stângă sub litera a) este prezentată superlensă, constând dintr-o rețea tridimensională de rezonatori pe plăci de circuit imprimate. Fiecare rezonator este un inel metalic deschis, cu un condensator lipit, formând un circuit LC ajustat pe frecvența RMN. Mai jos este un exemplu al acestei structuri din metamaterie plasate între picioarele pacientului, aflat în procesul de tomografie, și imaginile obținute ulterior. Dacă nu ai evitat să citești articolul meu anterior despre RMN, atunci știi deja că pentru a obține o imagine a unei anumite părți a corpului pacientului este necesar să se colecteze semnale slabe, care se sting rapid, de la nucleu cu ajutorul unei antene plasate aproape - bobina.
Superlensa din metamaterie permite extinderea domeniului de acțiune al bobinei standard. De exemplu, permite vizualizarea ambelor picioare ale pacientului simultan, în loc de unul singur. Din păcate, poziția superlinzei trebuie aleasă într-un mod specific pentru a manifesta cel mai bine efectul, iar fabricarea sa este destul de costisitoare. Dacă încă nu ai înțeles de ce această lentilă se numește super-, uită-te la dimensiunile ei în fotografie, apoi realizează că funcționează la o lungime de undă de aproximativ cinci metri!
Sub litera b) este demonstrată construcția endoscopului. Practic, endoscopul pentru RMN este un ansamblu de fire paralele, care joacă rolul unui ghid de undă. Acesta permite dispersarea regională a zonei din care bobina primește semnal de la nuclei și a bobinei în sine la o distanță apreciabilă – astfel încât antena de recepție poate fi chiar amplasată în afara criostatului tomografului, departe de câmpul magnetic constant. În imaginile de mai jos ale secțiunii b), sunt prezentate fotografii obținute pentru un rezervor special umplut cu lichid - un fantom. Diferența dintre ele este că imaginile etichetate „endoscop” au fost obținute când bobina se afla la o distanță considerabilă de fantom, unde fără endoscop semnalele de la nuclei nu ar fi putut fi detectate deloc.
Dacă vorbim despre una dintre cele mai promițătoare aplicații ale metamaterialelor în RMN, care este cea mai apropiată de o implementare practică (în care m-am implicat, în cele din urmă) – este crearea de bobine wireless. Este important să clarificăm că nu ne referim la Bluetooth sau la orice altă tehnologie wireless de transmitere a datelor. «Wireless» în acest caz înseamnă existența unei conexiuni inductive sau capacitive între două structuri rezonante – antena de transmisie și recepție, precum și metamaterialul. În concept, acest lucru arată așa:
La stânga este arătat cum decurge în general procedura RMN: pacientul se află în interiorul criostatului în zona unui câmp magnetic static omogen. În tunelul tomografului este montată o antenă mare, numită «cușcă de pasăre». O antenă de această configurație permite rotirea vectorului câmpului magnetic de radiofrecvență cu frecvența precesiei nucleelor de hidrogen (pentru mașinile clinice, aceasta variază de obicei între 40 și 120 MHz, în funcție de mărimea câmpului magnetic static, de la 1T până la 3T, respectiv), forțându-le să absoarbă energia și apoi să emită înapoi. Săgnalul de răspuns de la nucleu este foarte slab și, până ajunge la conectorii antenei mari, se va atenua inevitabil. Din acest motiv, în RMN se utilizează bobine locale, plasate aproape de zonă. În imaginea din centru, de exemplu, este prezentată o situație tipică de scanare a genunchiului. Folosind metamateriale, putem crea un rezonator care va fi conectat inductiv la cușca de pasăre. Este suficient să plasăm un astfel de dispozitiv lângă zona dorită de pe corpul pacientului, iar semnalul de acolo va fi recepționat la fel de bine ca și de o bobină locală! În caz de succes al implementării conceptului, pacienții nu vor mai fi nevoiți să se încurce în fire, iar procedura de diagnosticare RMN va deveni mai confortabilă.
Exact un astfel de dispozitiv am încercat să creez la început, scufundând fire în apă și încercând să scanez un portocal. Firele scufundate în apă din prima imagine a acestui articol sunt nimic altceva decât meta-atomi, fiecare dintre ei fiind un dipol cu jumătate de undă - una dintre cele mai cunoscute construcții de antene, cunoscută tuturor celor pasionați de radio.
Îi scufundă în apă nu pentru a preveni arderea în RMN (deși și pentru asta), ci pentru a reduce lungimea lor de rezonanță exact cu o valoare egală cu rădăcina pătrată a permeabilității di electrice a apei.
Această tehnică este folosită de mult timp în radioreceptoare, înfășurând fir pe un bloc de ferită - așa-numita antenă din ferită. Doar că ferita are o permeabilitate magnetică, nu di electrică, ceea ce funcționează la fel, permițând astfel reducerea dimensiunilor rezonante ale antenei. În RMN, din păcate, ferita nu poate fi folosită, deoarece este magnetică. Apa este o alternativă ieftină și accesibilă.
Clar că, pentru calculele tuturor acestor lucruri, trebuie să construim modele matematice complexe, care să considere interdependențele dintre elementele rezonante, parametrii mediului și sursele de radiație... sau putem beneficia de roadele progresului și de software-ul pentru modelare electromagnetică numerică, cu care oricine, inclusiv un elev, se poate descurca ușor (exemple strălucitoare - CST, HFSS). Software-ul permite crearea de modele 3D ale rezonatoarelor, antenelor, circuitelor electrice, adăugând oameni - de fapt, orice există, întrebarea este doar despre imaginație și capacitățile de calcul disponibile. Modelele construite sunt împărțite în rețele, în nodurile cărora se rezolvă celebrele ecuații ale lui Maxwell.
De exemplu, modelarea câmpului magnetic de radiofrecvență în interiorul antenei de tip cuib de păianjen menționată anterior:
Imediat devine destul de evident cum se rotește câmpul. În partea stângă este situația când în interiorul antenei este o cutie cu apă, iar în partea dreaptă - când aceeași cutie este pe un rezonator din fire cu lungimea rezonantă. Se poate observa cum câmpul magnetic este semnificativ amplificat datorită firelor. După ce am învățat CST și am optimizat acolo construcția mea, am realizat din nou un metamaterial care a reușit cu adevărat să amplifice semnalul în tomograful RMN clinic standard de 1,5T. Acesta a fost, de asemenea, o cutie (de fapt mai frumoasă, din plexiglas), umplută cu apă și un ansamblu de fire. De data aceasta, structura a fost optimizată din punctul de vedere al condițiilor de rezonanță, respectiv: selecția lungimii firelor, poziționarea lor, precum și cantitatea de apă. Iată ce a rezultat cu roșia:
Prima scanare a roșiei a fost efectuată cu o antenă mare. În rezultat, am obținut doar zgomot cu contururi abia vizibile. A doua oară, am plasat fructul pe o structură de rezonanță proaspăt coaptă. Nu am construit hărți colorate sau ceva similar, deoarece efectul este evident. Astfel, din experiența mea, deși am investit mult timp, am dovedit că conceptul funcționează.
Înțeleg ce gândiți — portocale, roșii — acestea nu sunt, unde sunt testele pe oameni?
Ele au fost :
Mâna unui voluntar, care trece printr-un RMN, este așezată pe aceași cutie. De fapt, apa din cutie, deoarece conține hidrogen, este de asemenea foarte vizibilă. Întărirea semnalului are loc în zona încheieturii așezate pe rezonator, în timp ce celelalte părți ale corpului sunt vizibil mai puțin. Este clar că un efect similar, poate chiar mai bun, se poate obține și folosind bobine clinice standard. Dar simplul fapt că se pot face asemenea lucruri, prin combinarea spatială a apei și cablurilor, îmbinându-le într-un mod adecvat, este uimitor. Mai surprinzător este că aceste cunoștințe pot fi obținute prin studiul unor fenomene aparent nesemnificative, cum ar fi refracția luminii.
Pentru cei care încă nu s-au săturatÎn prezent, structura cutiei cu apă a fost deja îmbunătățită. Acum este pur și simplu un circuit imprimat plat, care permite localizarea câmpului magnetic al antenei externe mari în jurul său. De asemenea, zona sa de lucru este mai mare decât cea a structurii anterioare:
Bandele colorate arată intensitatea câmpului magnetic deasupra structurii atunci când este excitata de o sursă externă de unde electromagnetice. Structura plată reprezintă o linie de transmisie tipică, cunoscută în domeniul radio, dar poate fi considerată și un metamaterial pentru RMN. Această „bobină fără fir” poate concura deja cu bobinele standard în ceea ce privește uniformitatea câmpului generat la o anumită adâncime în obiectul scanat:
Animația arată strat cu strat o hartă colorată a semnalului în interiorul unei cutii cu apă în RMN. Culoarea reprezintă intensitatea semnalelor provenite de la nucleele de hidrogen. În colțul din stânga sus, segmentul unei bobine standard pentru scanarea spatelui este folosit ca receptor. Colțul din stânga jos — când cutia este așezată pe un rezonator de tip placă de circuit. În dreapta jos — semnalul este recepționat de o antenă mare integrată în tunelul tomografului. Am comparat uniformitatea semnalului în zona delimitată cu un dreptunghi. La o anumită înălțime, metamatereialul funcționează mai bine decât bobina în ceea ce privește uniformitatea semnalului. Pentru sarcinile clinice, aceasta poate să nu fie o realizare semnificativă, dar atunci când se discută despre instalațiile științifice RMN, unde se scanează șoareci, aceasta poate ajuta la obținerea unui plus de semnal și la reducerea puterii necesare impulsurilor radio de excitație.
Despre „îmbunătățiri de două ori” la începutul articolului — bineînțeles, aceasta este încă un fruct al dragostei neîmpărtățite a jurnaliștilor pentru oameni de știință, dar la fel de greșit ar fi să spunem că sunt studii goale, lucru confirmat de interesul pentru acest subiect în grupurile de cercetare din întreaga lume. Este surprinzător, dar se lucrează și la noi în Rusia, deși, bazându-mă pe experiența mea pur personală, aceasta este mai degrabă o excepție rară. Există încă multe probleme nerezolvate legate de utilizarea metamaterealor în RMN. Pe lângă localizarea câmpurilor magnetice pentru obținerea unor imagini bune, nu trebuie uitate câmpurile electrice care duc la încălzirea țesuturilor și absorbția de către țesuturile pacienților din timpul examinării a energiei câmpului radiofrecvenței. Aceste aspecte necesită un control special, care devine mult mai complicat atunci când se utilizează rezonatoare pentru localizarea câmpurilor. Deocamdată, metamatereialele pentru RMN rămân în cadrul cercetărilor științifice, dar rezultatele obținute sunt deja foarte interesante și este posibil ca, în viitor, procedura RMN să se îmbunătățească datorită lor, devenind mai rapidă și mai sigură.
Sursa: habr.com
