Mimo ušesa mi je zažvižgal izvijač. Z glasnim zvonjenjem je zmrznila na telesu kriostata. Preklinjajoč se sama pri sebi sem se odločila za odmor. Odvijanje vijakov v magnetnem polju 1.5 Tesla z jeklenim orodjem ni dobra ideja. Polje kot nevidni sovražnik neprestano skuša iztrgati instrument iz rok, ga usmeriti vzdolž njegovih silnic in usmeriti čim bližje elektronom, ki tečejo v zaprtem krogu iz superprevodnika. Vendar, če morate res premagati zakisane spojine izpred mnogih let, ni veliko izbire. Usedla sem se za računalnik in po navadi brskala po novicah. "Ruski znanstveniki so izboljšali MRI za 2-krat!" - se je glasil sumljiv naslov.
Pred približno enim letom smo in razumeli bistvo njegovega dela. Toplo priporočam, da si osvežite spomin na to gradivo, preden preberete ta članek.
Zaradi različnih razlogov, tudi zgodovinskih, v današnji Rusiji proizvodnjo tako kompleksne opreme, kot so skenerji za slikanje z magnetno resonanco z visokim poljem. Če pa živite v večjem mestu, lahko zlahka najdete klinike, ki ponujajo tovrstne storitve. Hkrati je flota MRI skenerjev pogosto predstavljena z rabljeno opremo, nekoč uvoženo iz ZDA in Evrope, in če boste nenadoma morali obiskati kliniko z MRI, naj vas lep videz naprave ne zavede - morda je že v drugem desetletju. Posledica tega je, da se taka oprema včasih pokvari in dolgo sem bil eden tistih, ki so pokvarjene tomografe vračali v servis, da so lahko bolniki še naprej na diagnostiki, lastniki pa zaslužili.
Dokler nekega lepega dne med odmorom med nevarnimi zabavami z ogromnimi magnetnimi polji nisem v novicah naletel na zanimiv napis: »Ruski znanstveniki skupaj z nizozemskimi kolegi z uporabo metamaterialov." Ni treba posebej poudarjati, da se mi je zdelo zelo, zelo sporno dejstvo, da Rusija izvaja raziskave o opremi, katere proizvodnja ni bila nikoli obvladana. Odločil sem se, da je to le še en krog nepovratnih sredstev, razredčen z nerazumljivimi znanstvenimi modnimi besedami, kot je »nanotehnologija«, ki so je že vsi siti. Iskanje informacij na temo dela domačih znanstvenikov z magnetno resonanco in metamateriali me je pripeljalo do članka z opisom preprostega eksperimenta, ki bi ga zlahka ponovil, saj je magnetna resonanca vedno pri roki.
Slika iz , namenjeno izboljšanju MRI signala z uporabo tako imenovanega »metamateriala«. V tipičnem kliničnem 1.5 - Termalnem aparatu se namesto pacienta naloži metamaterial v obliki bazena z vodo, znotraj katerega se nahajajo vzporedne žice določene dolžine. Na žicah leži predmet študija - riba (neživa). Slike na desni so slike rib z magnetno resonanco z barvno karto, ki prikazuje intenziteto signala vodikovih jeder. Vidi se, da ko riba leži na žicah je signal veliko boljši kot brez njih. Čas skeniranja je v obeh primerih enak, kar dokazuje, da je učinkovitost skeniranja izboljšana. Članek je tudi skrbno vključen
Formula
izračunati dolžino žic glede na delovno frekvenco tomografa, ki sem ga uporabil. Svoj metamaterial sem naredil iz kivete in niza bakrenih žic, opremljenih s 3D natisnjenimi plastičnimi pritrdilnimi elementi:
Moj prvi metamaterial. Takoj po izdelavi je bil vstavljen v tomograf z močjo 1 Tesla. Pomaranča je delovala kot predmet, ki ga je treba skenirati.
Vendar sem namesto obljubljene izboljšave signala prejel kup artefaktov, ki so popolnoma pokvarili sliko! Moje ogorčenje ni imelo meja! Po zaključku teme sem avtorjem članka napisal pismo, katerega pomen lahko skrčimo na vprašanje "Kaj ...?"
Avtorji so mi dokaj hitro odgovorili. Bili so zelo navdušeni, da je nekdo poskušal ponoviti njihove poskuse. Sprva so mi dolgo časa poskušali razložiti, kako metamateriali dejansko delujejo, z uporabo izrazov "Fabry-Perotove resonance", "intrinzičnih načinov" in vseh vrst radiofrekvenčnih polj v prostornini. Potem pa so se očitno zavedali, da sploh ne razumem, o čem govorijo, in so se odločili, da me povabijo k sebi, da si v živo ogledam njihov razvoj in se prepričam, da še deluje. Svoj najljubši spajkalnik sem vrgel v nahrbtnik in odšel v Sankt Peterburg, na Državno raziskovalno univerzo za informacijske tehnologije, mehaniko in optiko (kot se je izkazalo, se tam ne izobražujejo samo programerji).
Na mestu so me toplo sprejeli in nenadoma so mi ponudili službo, saj so bili navdušeni nad mojim jarkom z žicami in so potrebovali osebo za ustvarjanje novih. V zameno so mi obljubili, da mi bodo natančno razložili vse, kar me zanima, in da se bodo udeležili tečaja radiofizike in magnetne resonance, ki se je po srečnem naključju začel ravno tisto leto. Moja želja po znanju je zmagala, nato pa sem skozi vse leto študiral, delal projekte in delal ter postopoma spoznaval vse več novih stvari o zgodovini magnetne resonance, pa tudi o stanju sodobne znanosti na tem področju, kar bom deli tukaj.
Metoda predlagane izboljšave MRI, ki je bila raziskana v omenjenih znanstvenih člankih, temelji na tako imenovanih »metamaterialih«. Metamateriali, tako kot številna druga odkritja, dolgujejo svoj pojav nepričakovanim rešitvam, pridobljenim na podlagi teoretičnih raziskav. Sovjetski znanstvenik Viktor Veselago je leta 1967, ko je delal na teoretičnem modelu, predlagal obstoj materialov z negativnim lomnim količnikom. Kot že razumete, govorimo o optiki in vrednost tega koeficienta, grobo rečeno, pomeni, koliko svetlobe bo spremenilo svojo smer, ko prehaja skozi mejo med različnimi mediji, na primer zrakom in vodo. Da se to res dogaja, se lahko preprosto prepričate sami:
Preprost poskus z uporabo laserskega kazalca in akvarija za prikaz loma svetlobe.
Zanimivo dejstvo, ki se ga lahko naučimo iz takšnega poskusa, je, da se žarek ne more lomiti v isti smeri, kot je padel na vmesnik, ne glede na to, kako zelo se eksperimentator trudi. Ta poskus je bil izveden z vsemi naravno prisotnimi snovmi, vendar se je žarek trmasto lomil le v eno smer. Matematično to pomeni, da so lomni količnik, kot tudi njegove sestavne količine, dielektrična in magnetna prepustnost, pozitivni in drugače ni bilo nikoli opaženo. Vsaj dokler se V. Veselago ni odločil preučiti to problematiko in pokazal, da teoretično ni niti enega razloga, da lomni količnik ne bi bil negativen.
Slika iz Wikija, ki prikazuje razliko med mediji s pozitivnim in negativnim indeksom. Kot vidimo, se svetloba v primerjavi z našimi vsakodnevnimi izkušnjami obnaša povsem nenaravno.
V. Veselago se je dolgo trudil najti dokaze o obstoju materialov z negativnim lomnim količnikom, vendar je bilo iskanje neuspešno, njegovo delo pa nezasluženo pozabljeno. Šele v začetku naslednjega stoletja so bile umetno ustvarjene kompozitne strukture, ki so uresničile opisane lastnosti, vendar ne v optičnem, temveč v spodnjem mikrovalovnem frekvenčnem območju. Kar je bila prelomnica, saj je že sama možnost obstoja tovrstnih materialov odprla nove možnosti. Na primer – ustvarjanje , ki lahko poveča predmete, celo manjše od valovne dolžine svetlobe. Ali pa - popolne maskirne nevidne prevleke, sanje vseh vojaških oseb. Zaradi upoštevanja novih podatkov so bile v teorijo narejene velike spremembe. Ključ do uspeha je bila uporaba urejenih struktur resonančnih elementov – metaatomov, katerih velikost je veliko manjša od valovne dolžine sevanja, s katerim interagirajo. Urejena struktura metaatomov je umetni kompozit, imenovan metamaterial.
Praktična izvedba metamaterialov je še danes tehnološko zapletena, saj mora biti velikost resonančnih delcev primerljiva z manj kot valovna dolžina elektromagnetnega sevanja. Za optično območje (kjer je valovna dolžina nanometer) so tovrstne tehnologije v ospredju napredka. Zato ne preseneča, da so bili prvi predstavniki koncepta metamaterialov ustvarjeni za razmeroma daljše elektromagnetne valove iz radijskega območja (ki imajo bolj poznane dolžine od mm do m). Glavna značilnost in hkrati pomanjkljivost vsakega metamateriala je posledica resonančne narave njegovih sestavnih elementov. Metamaterial lahko pokaže svoje čudežne lastnosti le pri določenih frekvencah.
Omejene frekvence.Zato se na primer naslednjič, ko vidite nekaj podobnega motilcu superzvoka na osnovi metamaterialov, vprašajte, v katerem frekvenčnem območju dejansko moti.
Tipični primeri metamaterialov, ki omogočajo interakcijo z elektromagnetnimi valovi. Prevodniške strukture niso nič drugega kot majhni resonatorji, LC vezja, ki jih tvori prostorski položaj prevodnikov.
Od nastanka koncepta metamaterialov in njihovih prvih implementacij je minilo malo časa in ljudje so ugotovili, kako jih uporabiti v MRI. Glavna pomanjkljivost metamaterialov je, da ozko območje delovanja ni problem za MRI, kjer se vsi procesi odvijajo na skoraj enaki frekvenci jedrske magnetne resonance, ki leži v radijskem območju. Tukaj lahko ustvarite meta-atome z lastnimi rokami in takoj vidite, kaj se zgodi na slikah. Ena prvih funkcij, ki so jih raziskovalci uvedli v MRI z uporabo metamaterialov, so bile superleče in endoskopi.
Na levi strani pod črko a) je prikazana superleča, ki jo sestavlja tridimenzionalni niz resonatorjev na tiskanih vezjih. Vsak resonator je odprt kovinski obroč s spajkanim kondenzatorjem, ki tvori LC vezje, uglašeno na frekvenco MRI. Spodaj je primer namestitve te metamaterialne strukture med noge pacienta, ki je podvržen tomografskemu postopku, in v skladu s tem nastale slike. Če še niste zavrnili nasveta, da preberete moj prejšnji članek o magnetni resonanci, potem že veste, da je za pridobitev slike katerega koli dela pacientovega telesa potrebno zbrati šibke, hitro propadajoče jedrske signale z uporabo blizu lociranega antena - tuljava.
Metamaterial super leča vam omogoča povečanje obsega delovanja standardne tuljave. Na primer, vizualizirajte obe pacientovi nogi hkrati namesto le ene. Slaba novica je, da mora biti položaj superleče izbran na določen način za najboljši učinek, sama superleča pa je precej draga za izdelavo. Če še vedno ne razumete, zakaj se ta leča imenuje super-predpona, ocenite njeno velikost na podlagi fotografije in ugotovite, da deluje z valovno dolžino približno pet metrov!
Črka b) prikazuje obliko endoskopa. V bistvu je MRI endoskop niz vzporednih žic, ki deluje kot valovod. Omogoča vam, da prostorsko ločite območje, iz katerega tuljava sprejema signal iz jeder, in samo tuljavo na precejšnji razdalji - do te mere, da je lahko sprejemna antena nameščena popolnoma zunaj kriostata tomografa, daleč od konstantnega magnetnega polja. polje. Spodnje slike zavihka b) prikazujejo slike, pridobljene za posebno posodo, napolnjeno s tekočino - fantom. Razlika med njima je v tem, da so bile slike z oznako endoskop pridobljene, ko je bila tuljava na spodobni razdalji od fantoma, kjer bi bilo brez endoskopa signale iz jeder popolnoma nemogoče zaznati.
Če govorimo o enem najbolj obetavnih področij uporabe metamaterialov v MRI, in najbližje njegovi praktični izvedbi (v katero sem se sčasoma vključil) je ustvarjanje brezžičnih tuljav. Vredno je pojasniti, da tukaj ne govorimo o Bluetoothu ali drugi tehnologiji brezžičnega prenosa podatkov. "Brezžično" v tem primeru pomeni prisotnost induktivnega ali kapacitivnega sklopa dveh resonančnih struktur - sprejemno-sprejemne antene in metamateriala. V konceptu je videti takole:
Na levi je prikazano, kako običajno poteka postopek MRI: pacient leži znotraj kriostata v območju enotnega statičnega magnetnega polja. V tunelu tomografa je nameščena velika antena, imenovana "ptičja kletka". Antena te konfiguracije vam omogoča vrtenje vektorja radiofrekvenčnega magnetnega polja s precesijsko frekvenco vodikovih jeder (za klinične stroje je to običajno od 40 do 120 MHz, odvisno od velikosti statičnega magnetnega polja od 1T do 3T, ), kar povzroči, da absorbirajo energijo in nato kot odgovor oddajajo energijo. Odzivni signal iz jeder je zelo šibek in ko doseže vodnike velike antene, bo neizogibno zbledel. Zaradi tega MRI za sprejemanje signalov uporablja tesno razporejene lokalne tuljave. Slika v sredini na primer prikazuje tipično situacijo skeniranja kolena. Z uporabo metamaterialov je mogoče izdelati resonator, ki bo induktivno povezan s ptičjo kletko. Dovolj je, da postavite takšno stvar blizu želenega dela pacientovega telesa in signal od tam ne bo sprejet nič slabše kot z lokalno tuljavo! Če bo koncept uspešen, se bolnikom ne bo treba več zapletati v žice, diagnostični postopek MRI pa bo postal udobnejši.
Točno takšno stvar sem poskušal ustvariti na začetku, tako da sem žice napolnil z vodo in poskušal skenirati pomarančo. Žice, potopljene v vodo s prve slike v tem članku, niso nič drugega kot meta-atomi, od katerih vsaka predstavlja polvalovni dipol - eno najbolj znanih zasnov anten, ki jih pozna vsak radioamater.
V vodo jih potopijo ne zato, da se pri MRI ne vnamejo (čeprav tudi za ta namen)), temveč zato, da zaradi visoke dielektrične konstante vode zmanjšajo njihovo resonančno dolžino natanko toliko, kot je kvadrat koren dielektrične konstante vode.
Ta čip se že dolgo uporablja v radijskih sprejemnikih, navijanje žice na kos ferita - tako imenovani. feritna antena. Visoko magnetno prepustnost ima le ferit in ne dielektrični, ki pa deluje enako in omogoča ustrezno zmanjšanje resonančnih dimenzij antene. Na žalost ne morete vstaviti ferita v MRI, ker ... to je magnetno. Voda je poceni in dostopna alternativa.
Jasno je, da morate za izračun vseh teh stvari zgraditi zapletene matematične modele, ki upoštevajo razmerje med resonančnimi elementi, okoljskimi parametri in viri sevanja ... ali pa izkoristite sadove napredka in programske opreme za numerično elektromagnetno modeliranje, ki ga zlahka razume tudi šolar (najbolj presenetljivi primeri - CST, HFSS). Programska oprema vam omogoča, da ustvarite 3D modele resonatorjev, anten, električnih tokokrogov, jim dodate ljudi - da, pravzaprav karkoli, edino vprašanje je vaša domišljija in razpoložljiva računalniška moč. Konstruirani modeli so razdeljeni na mreže, v vozliščih katerih se rešujejo znane Maxwellove enačbe.
Tukaj je na primer simulacija radiofrekvenčnega magnetnega polja znotraj prej omenjene antene za ptičje kletke:
Takoj postane povsem jasno, kako se polje vrti. Na levi je prikazana situacija, ko je znotraj antene škatla z vodo, na desni pa - ko je ista škatla na resonatorju iz žic resonančne dolžine. Vidite lahko, kako je magnetno polje znatno okrepljeno z žicami. Ko sem obvladal CST in tam optimiziral svoj dizajn, sem ponovno naredil metamaterial, ki je dejansko omogočil ojačanje signala v standardnem kliničnem 1.5T MRI tomografu. Še vedno je bila škatla (čeprav lepša, iz pleksi stekla), napolnjena z vodo in vrsto žic. Tokrat je bila konstrukcija optimizirana glede resonančnih pogojev, in sicer: izbira dolžine žic, njihove lege in količine vode. Evo, kaj se je zgodilo s paradižnikom:
Prvo skeniranje paradižnika je bilo izvedeno z veliko anteno. Rezultat je bil le hrup s komaj vidnimi obrisi. Drugič sem sadje položila na sveže pečeno resonančno strukturo. Nisem gradil barvnih zemljevidov ali česa podobnega, saj je učinek očiten. Tako sem iz lastnih izkušenj, čeprav sem porabil veliko časa, dokazal, da koncept deluje.
Jasno je, kaj mislite - pomaranče, paradižniki - vse je narobe, kje so poskusi na ljudeh?
Res so bili :
Roka prostovoljca na MRI leži na isti škatli. Jasno je vidna tudi dejanska voda v škatli, saj vsebuje vodik. Signal je ojačan v predelu zapestja, ki leži na resonatorju, vsi ostali deli telesa pa so slabo vidni. Jasno je, da je enak učinek, morda celo boljši, mogoče doseči z uporabo standardnih kliničnih tuljav. Ampak že samo dejstvo, da lahko takšne stvari narediš preprosto tako, da prostorsko združiš vodo in žice, na pravi način združiš, je neverjetno. Še bolj presenetljivo pa je, da je znanje o tem mogoče pridobiti s preučevanjem na videz nepovezanih pojavov, kot je lom svetlobe.
Za tiste, ki še niste utrujeniTrenutno je zasnova vodne škatle že izboljšana. Zdaj je to samo ploščato tiskano vezje, ki vam omogoča lokalizacijo magnetnega polja zunanje velike antene v vaši bližini. Poleg tega je njegovo delovno območje večje kot pri prejšnji zasnovi:
Barvni trakovi označujejo jakost magnetnega polja nad strukturo, ko jo vzbuja zunanji vir elektromagnetnih valov. Ploščata struktura je tipičen prenosni vod, poznan v radijski tehniki, vendar se lahko obravnava tudi kot metamaterial za MRI. Ta »brezžična tuljava« se že lahko kosa s standardnimi tuljavami glede enakomernosti generiranega polja na določeni globini v skeniranem objektu:
Animacija prikazuje plast za plastjo barvno karto signala znotraj škatle z vodo v MRI. Barva označuje intenzivnost signalov iz vodikovih jeder. V zgornjem levem kotu se kot sprejemnik uporablja segment standardne zadnje skenirne tuljave. Spodnji levi kot je, ko je škatla postavljena na resonator v obliki tiskanega vezja. Desno spodaj - signal sprejema velika antena, vgrajena v tunel tomografa. Primerjal sem enakomernost signala v območju, ki ga označuje pravokotnik. Na določeni višini metamaterial deluje bolje kot tuljava v smislu enotnosti signala. Za klinične namene to morda ni zelo pomemben dosežek, toda ko gre za znanstvene naprave MRI, kjer se skenirajo podgane, lahko pomaga doseči povečanje signala in zmanjšanje zahtevane moči vznemirljivih radijskih impulzov.
O "izboljšanem za 2-krat" na začetku članka - seveda je to še en plod neuslišane ljubezni novinarjev do znanstvenikov, vendar je tudi napačno reči, da gre za prazno raziskavo, ki jo podpira zanimanje za to temo v znanstvenih skupinah po vsem svetu. Presenetljivo je, da dela potekajo tudi pri nas v Rusiji, čeprav je to po mojih čisto osebnih izkušnjah precej redka izjema. Še vedno je veliko nerešenih problemov, povezanih z uporabo metamaterialov v MRI. Poleg lokalizacije magnetnih polj za dobro sliko ne pozabite na električna polja, ki vodijo do segrevanja tkiva, pa tudi na absorpcijo energije radiofrekvenčnega polja v tkivih pacientov, ki se pregledujejo. Za te stvari je v klinični uporabi potreben poseben nadzor, ki pa se pri uporabi resonatorjev za lokalizacijo polja precej zakomplicira. Zaenkrat metamateriali za magnetno resonanco ostajajo v okviru znanstvenih raziskav, vendar so dobljeni rezultati že zelo zanimivi in morda se bo v prihodnosti prav zaradi njih postopek magnetne resonance spremenil na bolje, postal hitrejši in varnejši.
Vir: www.habr.com