Obrila mi je svrdlo oko uha. Sa glasnim zvonom zamrla je na kućištu kriostata. Odbivši se u sebi, odlučio sam da napravim pauzu. Otpusti vijke u magnetnom polju snage 1.5 tesla, pomoću čeličnog alata — to nije baš dobra ideja. Polje, kao nevidljivi neprijatelj, neprekidno pokušava da izbaci alat iz ruku, orijentiše ga duž svojih silovnih linija i usmeri što bliže elektronima koji se kreću u zatvorenom krugu superprovodnika. Ipak, kada zaista treba pobediti oksidirane spojeve stvorene pre mnogo godina, nema mnogo izbora. Sedeo sam za računarom i uobičajeno listao vesti. "Ruski naučnici poboljšali su MRI 2 puta!" — glasio je sumnjiv naslov.
Pre otprilike godina dana, mi i proučavali suštinu njegovog rada. Toplo preporučujem da pre čitanja ovog članka osvežite pamćenje tim materijalom.
Zbog raznih razloga, uključujući istorijske, u Rusiji danas proizvodnje tako složene opreme kao što su visoko poljski magnetno-rezonantni tomografi. Ipak, ako živite u nešto većem gradu, lako ćete pronaći klinike koje pružaju takve usluge. Pri tom, park MRI skenerâ često je predstavljen polovnom opremom koja je nekada donesena iz SAD-a i Evrope, i ako ikada dođete u kliniku s MRI-jem, ne zavaravajte se lepim spoljašnjim izgledom aparata — može se dogoditi da mu je druga decenija. Kao posledica toga, takva oprema se često kvari, i dugo vremena sam bio jedan od onih koji su vraćali slomljene tomografe u funkciju, kako bi pacijenti mogli i dalje prolaziti dijagnostiku, a vlasnici zarađivati.
Dok u jedan od divnih dana, tokom pauze između opasnih zabava s izuzetno velikim magnetnim poljima, nisam naišao na zanimljiv natpis u vestima: "Ruski naučnici zajedno s holandskim kolegama s pomočjo metamaterialov. Težko je reči, da je sam fakt, da v Rusiji potekajo raziskave, posvečene opremi, katere proizvodnja ni bila obvladana, zame izjemno sporen. Odločil sem se, da je to le še ena prevara za pridobivanje sredstev, prepletena z nerazumljivimi znanstvenimi izraznimi gibi, kot so že zdavnaj prežvečene 'nanotehnologije'. Iskanje informacij o delu domačih znanstvenikov na področju MRI in metamaterialov me je pripeljalo do članka, ki vsebuje opis enostavnega eksperimenta, ki bi ga lahko enostavno ponovil, saj imam MRI napravo vedno pri roki.
Slika iz , posvečena ojačanju MRI signala s tako imenovanim 'metamaterialom'. V tipični klinični 1.5-Teslov aparat namesto pacienta naložijo metamaterial v obliki posode z vodo, znotraj katere so nameščeni vzporedni kabli določene dolžine. Na kablih leži predmet raziskovanja — ribica (mrtva). Slike desno so prejeti MRI posnetki ribice, z nanesenim barvnim zemljevidom, ki označuje intenzivnost signala iz jedrskega vodika. Videti je, da je, ko ribica leži na kablih, signal precej boljši kot brez njih. Čas skeniranja je v obeh primerih enak, kar dokazuje povečano učinkovitost skeniranja. Članek je prav tako skrbno predstavil
formulo
za izračun dolžine kablov glede na delovno frekvenco tomografa, ki sem jo uporabil. Naredil sem svoj metamaterial iz kuvet in niza bakrenih žic, ki sem jih opremil s plastičnimi nosilci, natisnjenimi na 3D tiskalniku:
Moj prvi metamaterial. Takoj po izdelavi sem ga vtaknil v 1-Teslov tomograf. Pomaranča je služila kot predmet skeniranja.
Vendar pa sem namesto obljubljenega ojačanja signala prejel kup artefaktov, ki so popolnoma pokvarili sliko! Moje ogorčenje ni imelo meja! Po tem, ko sem pojedel poskusnega zimzelenega, sem napisal pismo avtorjem članka, katerega smisel bi lahko strnil v vprašanje 'Kakšnega ...?'.
Avtorji so mi kmalu odgovorili. Bili so zelo impresionirani, da nekdo poskuša ponoviti njihove eksperimente. Na začetku so mi dolgo razlagali, kako dejansko delujejo metamateri, z izrazoma „Fabry-Perot resonančni“ in „lastne mode“, ter različna radijska polja v prostoru. Potem pa so očitno spoznali, da ne razumem, o čem govorijo, in so se odločili, da me povabijo na obisk, da bi si v živo ogledal njihove raziskave in se prepričal, da to dejansko deluje. V nahrbtnik sem vzel svoj najljubši spajkalnik in se odpravil v Sankt Peterburg, na nacionalno raziskovalno univerzo za informacijske tehnologije, mehaniko in optiko (kot se je izkazalo, tam ne učijo samo programerjev).
Na kraju me je toplo sprejel in nenadoma ponudil delo, ker so bili navdušeni nad mojo kuvetno z žicami in potrebovali so nekoga za ustvarjanje novih. V zameno so obljubili, da mi bodo podrobno razložili vse, kar me zanima, in da se bom lahko udeležil tečaja o radiofiziki in MRT, ki se je po srečni naključju začel prav tistega leta. Moja želja po znanju je zmagala in v naslednjem letu sem se izobraževal, delal projekte in delal, medtem ko sem postopoma odkrival nove in nove stvari o zgodovini magnetske resonance ter o stanju sodobne znanosti na tem področju, kar bom delil tukaj.
Osnova metode predlagane izboljšave MRT, ki se proučuje v omenjenih znanstvenih člankih, so tako imenovani „metamateri“. Metamateri so, tako kot mnoge druge odkritja, svoje nastanek dolžni nepričakovanim rešitvam, pridobljenim na podlagi teoretičnih raziskav. Sovjetski znanstvenik Viktor Veselago je leta 1967, med delom na teoretičnem modelu, predlagal obstoj materialov z negativnim koeficientom lomljenja. Kot ste že razumeli, gre za optiko, in ta koeficient v grobem pomeni, kako močno bo spremenil smer svetloba, ko preide skozi mejo med različnimi mediji, na primer zrakom in vodo. Da se to res dogaja, lahko enostavno preverite sami:
Preprost poskus z lasersko kažipravko in akvarijem, ki prikazuje lom svetlobe.
Zanimiva dejstvo, ki ga lahko pridobimo iz takega poskusa, je, da se žarek ne more lomiti v smeri, iz katere je padel na mejno površino, ne glede na to, kako se trudi eksperimentator. Tak eksperiment so izvajali z vsemi snovmi, ki jih je narava ponudila, vendar se je žarek dosledno lomil le v eno smer. Matematično to pomeni, da sta koeficient loma, skupaj z njegovimi sestavinami, dielektrična in magnetna permeabilnost, pozitivna in nikoli ni bilo opaženih drugih rezultatov. Vsaj do trenutka, ko je V. Veselago sklenil raziskati to vprašanje in pokazal, da teoretično ni nobenega razloga, zakaj koeficient loma ne bi mogel biti negativen.
Slika z WIKIj, ki prikazuje razliko med okolji s pozitivnim in negativnim koeficientom loma. Kot vidimo, se svetloba obnaša povsem nenaravno v primerjavi z našimi vsakodnevnimi izkušnjami.
V. Veselago je dolgo časa poskušal najti dokaze o obstoju materialov z negativnim koeficientom loma, a iskanje ni bilo uspešno in njegova dela so bila nepravično pozabljena. Šele na začetku naslednjega stoletja so umetno ustvarili kompozitne strukture, ki so uresničevale opisane lastnosti, vendar ne v optičnem, temveč v nižjem mikrovalovnem območju frekvenc. To je bila prelomna točka, saj je sama možnost obstoja takih materialov odprla nove obzorja. Na primer — ustvarjanje , ki so sposobni povečati objekte, ki so celo manjši od dolžine svetlobne valovne dolžine. Ali pa — popolne maskirne premazne nevidnosti, sanje vseh vojakov. V teorijo so bile vnesene pomembne izboljšave, ki upoštevajo nove podatke. Ključ do uspeha je bila uporaba urejenih struktur iz resonančnih elementov — metaatomov, katerih velikost je veliko manjša od valovne dolžine sevanja, s katerim delujejo. Urejena struktura iz metaatomov je umetni kompozit, imenovan metamaterial.
Praktična implementacija metamatrijala je i danas tehnološki složena, jer veličina rezonantnih čestica mora biti značajno manja od talasne dužine elektromagnetnog zračenja. U optičkom opsegu (gde je talasna dužina u nanometrima) slične tehnologije se nalaze na samoj ivici mogućnosti napretka. Stoga, nije iznenađujuće što su prvi predstavnici koncepta metamatrijala stvoreni za relativno duže elektromagnetne talase iz radio opsega (koji imaju više poznate dužine od mm do m). Glavna karakteristika i ujedno nedostatak svakog metamatrijala je posledica rezonantne prirode elemenata koji ga čine. Metamatrijal može da pokaže svoje čarobne osobine samo na određenim frekvencijama.
Ograničenim frekvencijama.Zato, na primer, kada sledeći put vidite nešto poput super-uličnog zvučnika zasnovanog na metamatrijalima, pitajte se koji opseg frekvencija on zapravo blokira.
Tipični primeri metamatrijala koji omogućavaju interakciju sa elektromagnetnim talasima. Strukture iz provodnika - ništa drugo do mali rezonatori, LC-konturi, formirani prostornim rasporedom provodnika.
Nekoliko vremena je prošlo od trenutka kada je koncept metamatrijala prvi put predstavljen, kao i njihovih prvih realizacija, kada su ljudi shvatili da ih mogu koristiti u MR. Glavni nedostatak metamatrijala - uski radni opseg nije problem za MR, gde se svi procesi odvijaju praktično na jednoj frekvenciji magnetne rezonance jezgara, koja leži u radio opsegu. Ovde možete svojim rukama praviti meta-atome i odmah gledati šta se dešava na slikama. Jedna od prvih funkcija koje su istraživači realizovali u MR uz pomoć metamatrijala bile su super sočiva i endoskopi.
Na levem delu pod črko a) je prikazana super leča, sestavljena iz tridimenzionalne mreže resonatorjev na tiskanih vezjih. Vsak resonator je odprt kovinski obroč s pritrjenim kondenzatorjem, ki tvori LC vezje, nastavljeno na frekvenco MRI. Spodaj je prikazan primer postavitve te strukture iz metamateriala med nogami pacienta, ki opravlja postopek tomografije, in ustrezno pridobljenih slik. Če prej niste zavrnili nasveta, da preberete moj prejšnji članek o MRI, potem že veste, da za pridobitev slike določenega dela telesa pacienta potrebujemo zbrati šibke, hitro izginjajoče signale jedr z uporabo bližnje antene – tuljave.
Super leča iz metamateriala omogoča povečanje območja delovanja standardne tuljave. Na primer, lahko vizualiziramo obe nogi pacienta hkrati namesto le ene. Slaba novica je, da je treba postavitev super leče ustrezno prilagoditi za najboljši učinek, sama super leča pa je precej draga za proizvodnjo. Če še vedno niste razumeli, zakaj se ta leča imenuje super-, si oglejte njene dimenzije na fotografiji in se nato zavedite, da deluje z valovno dolžino okoli petih metrov!
Pod črko b) je prikazana konstrukcija endoskopa. V bistvu je endoskop za MRI množica paralelnih žic, ki igrajo vlogo vodnika valov. Omogoča prostorsko ločitev območja, iz katerega tuljava prejema signal iz jedr in samo tuljavo na znatni razdalji – do te mere, da lahko je sprejemna antena postavljena tudi povsem zunaj kriostata tomografa, daleč od konstantnega magnetnega polja. Na spodnjih slike z zavihka b) so predstavljene slike, pridobljene za posebno tekočinsko napolnjen rezervoar – fantom. Razlika med njimi je v tem, da so slike, podpisane z "endoskop", pridobljene, ko je tuljava bila na znatni razdalji od fantoma, kjer brez endoskopa signalov iz jedr sploh ne bi bilo mogoče zaznati.
Če govorimo o eni od najobetavnejših področij uporabe metamaterialov v MRI, ki je tudi najbližje svoji praktični izvedbi (v katero sem se na koncu vključil) – to je izdelava brezžičnih tuljav. Treba je pojasniti, da tukaj ne gre za Bluetooth ali kakšno drugo brezžično tehnologijo prenosa podatkov. "Brezžično" v tem primeru pomeni prisotnost induktivne ali kapacitivne povezave dveh resonančnih struktur – sprejemno-oddajne antene, pa tudi metamateriala. V konceptu to izgleda tako:
Levo je prikazan, kako običajno poteka postopek MRI: pacient leži znotraj kriostata v območju homogenega statičnega magnetskega polja. V tunelu tomografa je vgrajena velika antena, imenovana "ptičja kletka". Antena te konfiguracije omogoča vrtenje vektorja radiovalovnega magnetskega polja s frekvenco precesije jedrskih atomov vodika (za klinicne naprave običajno od 40 do 120 MHz, odvisno od jakosti statičnega magnetskega polja od 1T do 3T), kar povzroča, da absorbirajo energijo in nato širijo odgovor. Odgovorni signal iz jedra je zelo šibak in ko doseže vodnike velike antene, se neizogibno oslabiti. Iz tega razloga se v MRI za sprejemanje signalov uporabljajo lokalne tuljave, ki so bližje. Na sliki v sredini je na primer prikazana tipična situacija skeniranja kolena. S pomočjo metamaterialov lahko izdelamo resonator, ki bo induktivno povezan s ptičjo kletko. Dovolj je, da takšno napravo postavimo blizu potrebnega dela telesa pacienta in signal od tam bo sprejet prav tako dobro kot z lokalno tuljavo! V primeru uspešne realizacije koncepta, pacientom ne bo več treba brskati po kablih, postopek MRI diagnostike pa bo bolj udoben.
Tako napravo sem skušal ustvariti na začetku, tako da sem žice nalival z vodo in poskušal skenirati pomarančo. Žice, potopljene v vodi iz prve slike v tem članku – niso nič drugega kot metaatomi, od katerih vsak predstavlja polovalovni dipol – eno od najbolj znanih konstrukcij anten, ki jo pozna vsak radijski navdušenec.
Nihče jih ne potopa v vodo zato, da se ne bi vžgali v MRI (čeprav tudi za to), temveč zato, da z visoko dielektrično propustnostjo vode skrajšajo njihovo resonančno dolžino točno za tisto vrednost, ki je enaka kvadratnemu korenu dielektrične propustnosti vode.
To funkcijo že dolgo uporabljajo v radijskih sprejemnikih, tako da navijejo žico okoli kosa ferita — t. i. feritna antena. Samo da ima ferit visoko magnetsko propustnost, ne pa dielektrične, kar pa deluje tudi in omogoča, da se ustrezno skrajšajo resonančne dimenzije antene. V MRI ferita žal ne morete vstaviti, ker je magneten. Voda je poceni in dostopna alternativa.
Seveda je jasno, da je za izračun vseh teh stvari treba zgraditi zapletene matematične modele, ki upoštevajo povezave med resonančnimi elementi, parametri okolja in viri sevanja… ali pa lahko enostavno izkoristite plodove napredka in programsko opremo za numerično elektromagnetno modeliranje, s katero se lahko brez težav spopade tudi dijak (najbolj znana primera sta CST in HFSS). Programska oprema omogoča ustvarjanje 3D modelov resonatorjev, anten, električnih shem, dodajanje ljudi – da, v bistvu karkoli, vprašanje je le v domišljiji in razpoložljivih računalniških močeh. Zgrajeni modeli se razdelijo na mreže, v katerih se rešujejo znane Maxwellove enačbe.
Tukaj je, na primer, modeliranje radijskih frecuenčnih magnetnih polj znotraj omenjene antene v obliki ptičje kletke:
Takoj postane precej očitno, kako se polje vrti. Na levi je situacija, ko je znotraj antene škatla z vodo, na desni pa, ko je ista škatla na resonatorju iz žic resonančne dolžine. Vidno je, kako se magnetno polje znatno okrepi zahvaljujoč žicam. Po usposabljanju v CST in optimizaciji svoje konstrukcije sem še enkrat izdelal metamaterial, ki je resnično omogočil ojačitev signala v standardnem kliničnem 1,5T MRI tomografu. Še vedno je predstavljal škatlo (res pa lepšo, iz akrilnega stekla), napolnjeno z vodo in nizom žic. Tokrat je bila struktura optimizirana z vidika resonančnih pogojev, in sicer: izbira dolžine žic, njihovih položajev, pa tudi količine vode. Tako je izgledalo s paradižnikom:
Prvo skeniranje rajčice provedeno je na velikoj anteni. Rezultat je bio samo šum s jedva primjetnim konturama. Drugi put sam stavio plod na svježe pečenu rezonantnu konstrukciju. Nisam se trudio izrađivati šarene karte ili nešto slično, jer je učinak očit. Time sam, na vlastitom iskustvu, iako potroivši puno vremena, dokazao da koncept funkcionira.
Jasno je o čemu razmišljate — naranče, rajčice — to nije ono, gdje su testovi na ljudima?
Zaista su bili :
Ruka volontera koja prolazi kroz MRT leži na istoj kutiji. U kutiji je zapravo voda, koja sadrži vodik, također savršeno vidljiva. Pojačanje signala događa se u zoni zapešća koje leži na rezonatoru, dok su sve ostale dijelove tijela slabo vidljive. Jasno je da se takav učinak, a možda i bolji, može postići i korištenjem standardnih kliničkih namotaja. No, sama činjenica da se ovakve stvari mogu raditi samo prostornim kombiniranjem vode i žica, kombinirajući ih na pravi način, fascinira maštu. Još je nevjerojatnije da se znanje o tome može dobiti istraživanjem, naizgled, nepovezanih fenomena, kao što su lom svjetlosti.
Za one koji još nisu umorniTrenutno je konstrukcija kutije s vodom već poboljšana. Sada je to jednostavna ravna ploča koja omogućuje lokalizaciju magnetskog polja vanjske velike antene oko sebe. Njena radna zona čak je veća od prethodne konstrukcije:
Šarene trake pokazuju intenzitet magnetskog polja iznad strukture kada je uzbuđena vanjskim izvorom elektromagnetskih valova. Ravna struktura predstavlja tipičnu liniju prijenosa poznatu u radiotehnici, međutim istovremeno se može smatrati i metamaterijalom za MRT. Ova „bežična zavojnica“ već se može natjecati sa standardnim zavojnicama po homogenosti generiranog polja na određenoj dubini u objektu skeniranja:
Animacija prikazuje sloj po sloj obojene karte signala unutar kutije s vodom u MRI-u. Boja označava intenzitet signala iz vodikovih jezgri. U gornjem lijevom kutu kao prijemnik koristi se segment standardne zavojnice za skeniranje leđa. Donji lijevi kut — kada je kutija postavljena na rezonator u obliku štampane ploče. Desno dolje — signal prima velika antena ugrađena u tunel tomografa. Uporedio sam homogenost signala u području označenom pravokutnikom. Na određenoj visini, metafleksibilni materijal bolje djeluje od zavojnice u pogledu homogenosti signala. Za kliničke zadatke to možda nije bitno postignuće, ali kada su u pitanju znanstvene postavke MRI-a, gdje se skeniraju štakori, to može pomoći u postizanju povećanja signala i smanjenju potrebne snage uzbudljivih radio impulsa.
O »poboljšanju za 2 puta« na početku članka — naravno, to je još jedan plod nerazdvojene ljubavi novinara prema znanstvenicima, no reći da su to prazna istraživanja također nije točno, što potvrđuje interes za ovu temu u znanstvenim grupama širom svijeta. Iznenađujuće, ali radovi se odvijaju i kod nas u Rusiji, iako, prema mom isključivo ličnom iskustvu, to je obično rijetka iznimka. Još uvijek postoji mnogo neriješenih problema povezanih s primjenom metafleksibilnih materijala u MRI-u. Osim lokalizacije magnetskih polja za dobivanje dobre slike, ne smije se zaboraviti na električna polja koja dovode do zagrijavanja tkiva, kao i na apsorpciju energije radiofrekvencijskog polja od strane pacijenata koji prolaze preglede. Za ove stvari, pri kliničkoj upotrebi, trebao bi postojati poseban nadzor, koji se znatno komplicira upotrebom rezonatora za lokalizaciju polja. Dok metafleksibilni materijali za MRI ostaju u okviru znanstvenih istraživanja, dobiveni rezultati su već vrlo zanimljivi i možda će u budućnosti postupak MRI-a zahvaljujući njima postati bolji, brži i sigurniji.
Izvor: habr.com
