O șurubelniță mi-a șuierat pe lângă ureche. Cu un sunet puternic, ea a înghețat pe corpul criostatului. Blestemându-mă, am decis să iau o pauză. Deșurubarea șuruburilor într-un câmp magnetic de 1.5 Tesla folosind o unealtă din oțel nu este o idee bună. Câmpul, ca un inamic invizibil, încearcă în mod constant să smulgă instrumentul din mâini, să-l orienteze de-a lungul liniilor sale de forță și să-l direcționeze cât mai aproape de electronii care rulează într-un cerc închis din supraconductor. Cu toate acestea, dacă într-adevăr trebuie să învingi compușii acidifiați de acum mulți ani, nu prea ai de ales. M-am așezat la computer și am derulat în mod obișnuit fluxul de știri. „Oamenii de știință ruși au îmbunătățit RMN-ul de 2 ori!” - citiți titlul suspect.
Acum aproximativ un an, noi și a înțeles esența operei sale. Vă recomand cu tărie să vă reîmprospătați memoria despre acel material înainte de a citi acest articol.
Din diverse motive, inclusiv istorice, în Rusia de astăzi producția de echipamente complexe precum scanere de imagistică prin rezonanță magnetică cu câmp înalt. Cu toate acestea, dacă locuiți într-un oraș mai mare, puteți găsi cu ușurință clinici care oferă acest tip de servicii. Totodată, flota de scanere RMN este adesea reprezentată de echipamente uzate, odată importate din SUA și Europa, iar dacă trebuie să vizitați brusc o clinică cu RMN, nu vă lăsați păcăliți de aspectul frumos al aparatului - s-ar putea să fie în al doilea deceniu. Ca urmare, un astfel de echipament se defectează uneori, iar pentru o lungă perioadă de timp am fost unul dintre acei oameni care au returnat tomografele sparte la service, astfel încât pacienții să poată continua să fie supuși diagnosticului, iar proprietarii să poată face profit.
Până când într-o bună zi, în timpul unei pauze între distracții periculoase cu câmpuri magnetice enorme, am dat peste o inscripție interesantă în fluxul de știri: „Oamenii de știință ruși împreună cu colegii olandezi. folosind metamateriale”. Inutil să spun că tocmai faptul că Rusia efectuează cercetări asupra echipamentelor, a căror producție nu a fost niciodată stăpânită, mi s-a părut foarte, foarte controversat. Am decis că aceasta era doar o altă rundă de granturi, diluată cu cuvinte la modă științifice de neînțeles precum „nanotehnologia” de care toată lumea era deja sătulă. O căutare de informații pe tema muncii oamenilor de știință domestici cu RMN și metamateriale m-a condus la un articol care conține o descriere a unui experiment simplu pe care l-aș putea repeta cu ușurință, deoarece aparatul RMN este întotdeauna la îndemână.
Poza din , dedicat sporirii semnalului RMN folosind așa-numitul „metamaterial”. Într-un aparat clinic tipic 1.5 - termic, în locul pacientului, se încarcă metamaterialul, sub forma unui bazin de apă, în interiorul căruia se află fire paralele de o anumită lungime. Pe fire se află obiectul de studiu - un pește (neviu). Imaginile din dreapta sunt imagini RMN ale peștelui, cu o hartă colorată suprapusă care indică intensitatea semnalului nucleelor de hidrogen. Se poate observa că atunci când peștele se întinde pe fire, semnalul este mult mai bun decât fără ele. Timpul de scanare este același în ambele cazuri, ceea ce demonstrează că eficiența scanării este îmbunătățită. Articolul este inclus și cu atenție
formulă
sa calculez lungimea firelor in functie de frecventa de functionare a tomografului pe care l-am folosit. Mi-am făcut metamaterialul dintr-o cuvă și o serie de fire de cupru, echipate cu elemente de fixare din plastic imprimate 3D:
Primul meu metamaterial. Imediat după producție a fost pus într-un tomograf de 1 Tesla. Portocaliul a acționat ca un obiect de scanat.
Cu toate acestea, în loc de îmbunătățirea semnalului promis, am primit o grămadă de artefacte care au stricat complet imaginea! Indignarea mea nu a cunoscut limite! După ce am terminat subiectul, am scris o scrisoare către autorilor articolului, al cărei sens poate fi redus la întrebarea „Ce...?”
Autorii mi-au răspuns destul de repede. Au fost destul de impresionați că cineva a încercat să-și reproducă experimentele. La început au încercat multă vreme să-mi explice cum funcționează de fapt metamaterialele, folosind termenii „rezonanțe Fabry-Perot”, „moduri intrinseci” și tot felul de câmpuri de radiofrecvență în volum. Apoi, aparent realizând că nu înțeleg deloc despre ce vorbesc, au decis să mă invite să-i vizitez pentru a putea vedea în direct evoluția lor și să mă asigur că încă funcționează. Mi-am aruncat fierul de lipit preferat în rucsac și am plecat la Sankt Petersburg, la Universitatea Națională de Cercetare pentru Tehnologii Informaționale, Mecanică și Optică (după cum s-a dovedit, nu numai programatorii sunt instruiți acolo).
Am fost primit cu căldură la fața locului și, dintr-o dată, mi-au oferit un loc de muncă, deoarece au fost impresionați de șanțul meu cu fire și aveau nevoie de o persoană care să creeze altele noi. În schimb, au promis că vor explica în detaliu tot ce mă interesează și că vor urma un curs de pregătire în radiofizică și RMN, care, printr-o norocoasă coincidență, a început exact în acel an. Setea mea de cunoaștere a câștigat, iar apoi, pe tot parcursul anului, am studiat, am făcut proiecte și am lucrat, învățând treptat tot mai multe lucruri noi despre istoria rezonanței magnetice, precum și despre starea științei moderne în acest domeniu, pe care o voi face. distribuie aici.
Metoda propusă de îmbunătățire a RMN, și studiată în articolele științifice menționate, se bazează pe așa-numitele „metamateriale”. Metamaterialele, ca multe alte descoperiri, își datorează aspectul unor soluții neașteptate, obținute pe baza cercetărilor teoretice. Omul de știință sovietic, Viktor Veselago, în 1967, lucrând la un model teoretic, a sugerat existența unor materiale cu un indice de refracție negativ. După cum înțelegeți deja, vorbim despre optică, iar valoarea acestui coeficient, aproximativ vorbind, înseamnă cât de multă lumină își va schimba direcția atunci când trece prin granița dintre diferite medii, de exemplu aer și apă. Puteți verifica cu ușurință pentru dvs. că acest lucru se întâmplă cu adevărat:
Un experiment simplu folosind un indicator laser și un acvariu pentru a demonstra refracția luminii.
Un fapt interesant care poate fi învățat dintr-un astfel de experiment este că fasciculul nu poate fi refractat în aceeași direcție de unde a căzut pe interfață, indiferent cât de mult încearcă experimentatorul. Acest experiment a fost efectuat cu toate substanțele naturale, dar fasciculul a fost refractat cu încăpățânare într-o singură direcție. Din punct de vedere matematic, aceasta înseamnă că indicele de refracție, precum și cantitățile sale constitutive, permeabilitatea dielectrică și magnetică, sunt pozitive și nu a fost niciodată observat altfel. Cel puțin până când V. Veselago a decis să studieze această problemă și a arătat că teoretic nu există un singur motiv pentru care indicele de refracție nu poate fi negativ.
Imagine de pe Wiki care arată diferența dintre media index pozitivă și negativă. După cum vedem, lumina se comportă complet nefiresc, în comparație cu experiența noastră de zi cu zi.
V. Veselago a încercat multă vreme să găsească dovezi ale existenței materialelor cu indice de refracție negativ, dar căutarea a fost nereușită, iar opera sa a fost uitată nemeritat. Abia la începutul secolului următor au fost create în mod artificial structuri compozite care și-au dat seama de proprietățile descrise, dar nu în domeniul optic, ci în intervalul de frecvență inferior al microundelor. Ceea ce a fost un punct de cotitură, deoarece însăși posibilitatea existenței unor astfel de materiale a deschis noi perspective. De exemplu - creație , capabil să mărească obiecte chiar mai mici decât lungimea de undă a luminii. Sau - învelișuri de invizibilitate de camuflaj absolut, visul întregului personal militar. Au fost aduse modificări majore teoriei pentru a lua în considerare datele noi. Cheia succesului a fost utilizarea unor structuri ordonate ale elementelor rezonante - metaatomi, a căror dimensiune este mult mai mică decât lungimea de undă a radiației cu care interacționează. O structură ordonată de meta-atomi este un compozit artificial numit metamaterial.
Implementarea practică a metamaterialelor chiar și astăzi este complexă din punct de vedere tehnologic, deoarece dimensiunea particulelor rezonante trebuie să fie comparabilă cu mai puțin decât lungimea de undă a radiației electromagnetice. Pentru domeniul optic (unde lungimea de undă este nanometri), astfel de tehnologii sunt în fruntea progresului. Prin urmare, nu este de mirare că primii reprezentanți ai conceptului de metamateriale au fost creați pentru unde electromagnetice relativ mai lungi din domeniul radio (care au o lungime mai familiară de la mm la m). Caracteristica principală și, în același timp, dezavantajul oricărui metamaterial este o consecință a naturii rezonante a elementelor sale constitutive. Metamaterialul își poate manifesta proprietățile miraculoase numai la anumite frecvențe.
Frecvențe limitate.Prin urmare, de exemplu, data viitoare când vedeți ceva de genul un bruiaj super-sunet bazat pe metamateriale, întrebați ce interval de frecvență blochează de fapt.
Exemple tipice de metamateriale care permit interacțiunea cu undele electromagnetice. Structurile conductoare 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 a primelor lor implementări, iar oamenii și-au dat seama cum să le folosească în RMN. Principalul dezavantaj al metamaterialelor este că intervalul îngust de operare nu este o problemă pentru RMN, unde toate procesele au loc aproape la aceeași frecvență de rezonanță magnetică nucleară, care se află în domeniul radio. Aici puteți crea meta-atomi cu propriile mâini și puteți vedea imediat ce se întâmplă în imagini. Una dintre primele caracteristici pe care cercetătorii le-au implementat în RMN folosind metamateriale au fost superlentile și endoscoapele.
În partea stângă sub litera a) este prezentată o superlensă, constând dintr-o matrice tridimensională de rezonatoare pe plăci de circuite imprimate. Fiecare rezonator este un inel metalic deschis cu un condensator lipit, formând un circuit LC reglat la frecvența RMN. Mai jos este un exemplu de plasare a acestei structuri metamateriale între picioarele unui pacient supus unei proceduri de tomografie și, în consecință, imaginile rezultate. Dacă nu ați disprețuit anterior sfatul de a citi articolul meu anterior despre RMN, atunci știți deja că, pentru a obține o imagine a oricărei părți a corpului pacientului, este necesar să colectați semnale nucleare slabe, care se descompun rapid, folosind un dispozitiv apropiat. antenă - o bobină.
Super-lentila metamaterială vă permite să măriți raza de acțiune a unei bobine standard. De exemplu, vizualizați ambele picioare ale pacientului simultan în loc de doar unul. Vestea proastă este că poziția superlensului trebuie aleasă într-un anumit mod pentru cel mai bun efect, iar superlensul în sine este destul de scump de fabricat. Dacă încă nu înțelegeți de ce acest obiectiv este numit un super-prefix, atunci estimați-i dimensiunea din fotografie și apoi realizați că funcționează cu o lungime de undă de aproximativ cinci metri!
Litera b) arată designul endoscopului. În esență, un endoscop RMN este o serie de fire paralele care acționează ca un ghid de undă. Vă permite să separați spațial regiunea din care bobina primește semnalul de la nuclee și bobina însăși la o distanță considerabilă - până la punctul în care antena de recepție poate fi amplasată complet în afara criostatului tomografului, departe de magneticul constant. camp. Imaginile de jos din fila b) arată imagini obținute pentru un vas special umplut cu lichid - o fantomă. Diferența dintre ele este că imaginile etichetate „endoscop” au fost obținute atunci când bobina se afla la o distanță decentă de fantomă, unde fără endoscop semnalele de la nuclee ar fi complet imposibil de detectat.
Dacă vorbim despre unul dintre cele mai promițătoare domenii de aplicare a metamaterialelor în RMN, și cel mai apropiat de implementarea sa practică (în care m-am implicat până la urmă) este crearea de bobine wireless. Merită să lămurim că aici nu vorbim despre Bluetooth sau altă tehnologie de transfer de date fără fir. „Fără fir” în acest caz înseamnă prezența cuplării inductive sau capacitive a două structuri rezonante - o antenă transceiver, precum și un metamaterial. În concept, arată astfel:
În stânga este arătat cum are loc de obicei o procedură RMN: pacientul se află în interiorul unui criostat într-o zonă cu un câmp magnetic static uniform. O antenă mare numită „colică de păsări” este montată în tunelul tomograf. O antenă cu această configurație vă permite să rotiți vectorul câmpului magnetic de radiofrecvență cu frecvența de precesiune a nucleelor de hidrogen (pentru mașinile clinice aceasta este de obicei de la 40 la 120 MHz, în funcție de mărimea câmpului magnetic static de la 1T la 3T, respectiv), determinându-i să absoarbă energie și apoi să emită energie ca răspuns. Semnalul de răspuns de la nuclee este foarte slab și, în momentul în care ajunge la conductorii unei antene mari, se va estompa inevitabil. Din acest motiv, RMN folosește bobine locale strâns distanțate pentru a primi semnale. Imaginea din centru, de exemplu, arată o situație tipică de scanare a genunchiului. Folosind metamateriale, este posibil să se realizeze un rezonator care va fi cuplat inductiv la o cușcă de păsări. Este suficient să plasați un astfel de lucru lângă zona dorită a corpului pacientului, iar semnalul de acolo nu va fi primit mai rău decât cu o bobină locală! Dacă conceptul este implementat cu succes, pacienții nu vor mai fi nevoiți să se încurce în fire, iar procedura de diagnostic RMN va deveni mai confortabilă.
Acesta este exact genul de lucru pe care am încercat să creez la început, umplând firele cu apă și încercând să scanez o portocală. Firele scufundate în apă din prima imagine din acest articol nu sunt altceva decât meta-atomi, fiecare dintre care reprezintă un dipol cu jumătate de undă - unul dintre cele mai faimoase modele de antene, familiar oricărui amator de radio.
Ele sunt scufundate în apă nu pentru a nu lua foc în RMN (deși și în acest scop)), ci pentru a, datorită constantei dielectrice ridicate a apei, să-și reducă lungimea rezonanței cu exact o cantitate egală cu pătratul. rădăcina constantei dielectrice a apei.
Acest cip a fost folosit de mult timp în receptoare radio, înfășurarea firului pe o bucată de ferită - așa-numita. antenă de ferită. Doar ferita are o permeabilitate magnetică ridicată, și nu una dielectrică, care însă funcționează la fel și permite ca dimensiunile rezonante ale antenei să fie reduse corespunzător. Din păcate, nu puteți pune ferită într-un RMN, pentru că... este magnetic. Apa este o alternativă ieftină și accesibilă.
Este clar că pentru a calcula toate aceste lucruri, trebuie să construiești modele matematice complexe care să țină cont de relația dintre elementele rezonante, parametrii de mediu și sursele de radiații... sau poți profita de roadele progresului și de software-ul pentru electromagnetice numerice. modelare, pe care chiar și un școlar o poate înțelege cu ușurință (cele mai izbitoare exemple - CST, HFSS). Software-ul vă permite să creați modele 3D de rezonatoare, antene, circuite electrice, adăugați oameni la ele - da, de fapt, orice, singura întrebare este imaginația și puterea de calcul disponibilă. Modelele construite sunt împărțite în grile, la nodurile cărora sunt rezolvate binecunoscutele ecuații Maxwell.
Iată, de exemplu, o simulare a câmpului magnetic de radiofrecvență din interiorul antenei cușcă de păsări menționată anterior:
Imediat devine destul de clar cum se rotește câmpul. Situația din stânga este afișată atunci când există o cutie de apă în interiorul antenei, iar în dreapta - când aceeași cutie se află pe un rezonator făcut din fire de lungime rezonantă. Puteți vedea cum câmpul magnetic este îmbunătățit semnificativ de fire. După ce am stăpânit CST și mi-am optimizat designul acolo, am realizat din nou un metamaterial, care de fapt a făcut posibilă amplificarea semnalului într-un tomograf clinic standard 1.5T RMN. Era încă o cutie (deși mai frumoasă, din plexiglas), plină cu apă și o serie de fire. De data aceasta, structura a fost optimizată din punct de vedere al condițiilor de rezonanță și anume: selectarea lungimii firelor, poziția acestora și cantitatea de apă. Iată ce s-a întâmplat cu roșia:
Prima scanare a roșii a fost efectuată cu o antenă mare. Rezultatul a fost doar zgomot cu contururi abia vizibile. A doua oara am asezat fructele pe o structura de rezonanta proaspat copta. Nu am construit hărți colorate sau ceva de genul, deoarece efectul este evident. Astfel, din proprie experiență, deși am petrecut mult timp, am demonstrat că conceptul funcționează.
Este clar la ce te gândești - portocale, roșii - totul este greșit, unde sunt încercările umane?
Chiar au fost :
Mâna unui voluntar care face un RMN se află pe aceeași cutie. Apa reală din cutie, deoarece conține hidrogen, este, de asemenea, clar vizibilă. Semnalul este amplificat în zona încheieturii care se află pe rezonator, în timp ce toate celelalte părți ale corpului sunt slab vizibile. Este clar că același efect, și poate chiar mai bun, poate fi obținut folosind bobine clinice standard. Dar însuși faptul că poți face astfel de lucruri pur și simplu combinând spațial apa și firele, combinându-le în mod corect, este uimitor. Și mai uimitor, cunoștințele despre acest lucru pot fi dobândite prin studiul unor fenomene aparent fără legătură, cum ar fi refracția luminii.
Pentru cei care nu sunt încă obosițiMomentan, designul cutiei de apă a fost deja îmbunătățit. Acum este doar o placă de circuit imprimat plat care vă permite să localizați câmpul magnetic al unei antene mari externe în apropierea dvs. În plus, aria sa de lucru este mai mare decât cea a modelului anterior:
Panglicile colorate indică puterea câmpului magnetic deasupra structurii atunci când sunt excitate de o sursă externă de unde electromagnetice. Structura plată este o linie de transmisie tipică cunoscută în ingineria radio, dar poate fi considerată și ca 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 o hartă de culoare strat cu strat a semnalului în interiorul unei cutii de apă într-un RMN. Culoarea indică intensitatea semnalelor de la nucleele de hidrogen. În colțul din stânga sus, un segment al unei bobine de scanare din spate standard este folosit ca receptor. Colțul din stânga jos este atunci când cutia este plasată pe un rezonator sub forma unei plăci de circuit imprimat. Dreapta jos - semnalul este recepționat de o antenă mare încorporată în tunelul tomograf. Am comparat uniformitatea semnalului în zona conturată de dreptunghi. La o anumită altitudine, metamaterialul funcționează mai bine decât bobina în ceea ce privește uniformitatea semnalului. În scopuri clinice, aceasta poate să nu fie o realizare foarte importantă, dar atunci când vine vorba de instalațiile RMN științifice în care șobolanii sunt scanați, poate ajuta la obținerea unei creșteri a semnalului și la o scădere a puterii necesare a impulsurilor radio excitante.
Despre „îmbunătățit de 2 ori” la începutul articolului - desigur, acesta este un alt fruct al iubirii neîmpărtățite a jurnaliștilor pentru oameni de știință, cu toate acestea, este de asemenea greșit să spunem că aceasta este o cercetare goală, care este susținută de interes pentru acest subiect în grupuri științifice din întreaga lume. În mod surprinzător, se lucrează și aici, în Rusia, deși pe baza experienței mele pur personale, aceasta este o excepție destul de rară. Există încă multe probleme nerezolvate asociate cu utilizarea metamaterialelor în RMN. Pe lângă localizarea câmpurilor magnetice pentru a obține o imagine bună, nu uitați de câmpurile electrice care duc la încălzirea țesuturilor, precum și de absorbția energiei câmpului de radiofrecvență de către țesuturile pacienților supuși examinării. Pentru aceste lucruri, în uz clinic, trebuie să existe un control special, care devine mult mai complicat la utilizarea rezonatoarelor de localizare a câmpului. Deocamdată, metamaterialele pentru RMN rămân în sfera cercetării științifice, dar rezultatele obținute sunt deja foarte interesante și poate că în viitor, datorită acestora, procedura RMN se va schimba în bine, devenind mai rapidă și mai sigură.
Sursa: www.habr.com