Një screwdriver kaloi me të shpejtë përmes ajrit. Me një zhurmë të madhe, ndali në korpusin e kriostatit. Duke e mallkuar vetveten, vendosa të bëja një pushim. Të çmontosh bolta në një fushë magnetike prej 1.5 teslave, me ndihmën e një instrumenti prej çeliku — nuk është ide e mirë. Fushë si një armik i padukshëm përpiqet vazhdimisht të të heqë instrumentin nga duar, ta orientojë atë përgjatë linjave të forcës së saj dhe ta çojë sa më afër elektronëve që qarkullojnë në një qoshe nga superç conducting. Megjithatë, nëse vërtet duhet të mundësh lidhjet e kalcifikuara të viteve, nuk ka shumë mundësi. U ula përpara kompjuterit dhe si zakonisht shflejtova lajmet. "Shkencëtarët rusë përmirësuan MRI-në dyfish!" — thoshte titulli dyshues.
Rreth një vit më parë, ne dhe përmbyllëm kuptimin e funksionit të tij. Fortësisht rekomandoj që para se të lexoni këtë artikull, të rinovoni atë material.
Për shkak të arsyeve të ndryshme, përfshirë ato historike, në Rusi sot prodhim i pajisjeve kaq të komplikuara si tomografët e rezonancës magnetike me polaritet të lartë. Megjithatë, nëse jetoni në një qytet të konsiderueshëm, do ta keni të lehtë të gjeni klinika që ofrojnë këtë lloj shërbimi. Në të njëjtën kohë, parku i skanerëve MRT shpesh përbëhet nga pajisje të përdorura, të cilat dikur janë importuar nga SHBA dhe Evropa dhe, nëse për ndonjë arsye duhet të vizitoni një klinikë me MRT, mos u mashtroni nga pamja e bukur e aparatit — ai mund të ketë mbi dyzet vjet që përdoret. Si pasojë, ndonjëherë këto pajisje prishen, dhe unë kam qenë për një kohë të gjatë një nga ata që rikthenin tomografët e prishur në përdorim, në mënyrë që pacientët të vazhdojnë të bëjnë diagnostikimin dhe pronarët të marrin fitim.
Ndërkohë, një ditë të bukur, gjatë një pushimi midis argëtimeve të rrezikshme me fusha magnetike të mëdha, unë u ndesha në një shkrim interesant në bixhozin e lajmeve: "Shkencëtarët rusë në bashkëpunim me kolegët holandezë me метamatërialeve». Është e tepërt të thuhet se vetë fakti që në Rusi po kryhen kërkime mbi pajisjet, prodhimi i të cilëve ende nuk është zotëruar, më duket shumë e diskutueshme. Unë vendosa se ky ishte thjesht një tjetër shpenzim i granteve, i përzier me fjalë shkencore të paqarta, si ato të njohura tashmë «nanoteknologjitë». Kërkimi i informacionit mbi punën e shkencëtarëve vendas me MRT dhe metamatërialet më çoi në një artikull që përmbante përshkrimin e një eksperimentin të thjeshtë, të cilin mund të përsëris lehtësisht, duke qenë se aparati MRT është gjithmonë në dispozicion.
Imazhi nga , e cila ka dedikuar për forcimin e sinjalit MRI me ndihmën e kësaj që quhet «metamaterial». Në një aparat klinik tipik 1.5 — Tesla, në vend të pacientit ngarkohet metamateriali, në formën e një ene me ujë, brenda së cilës ndodhen tela paralel me një gjatësi të caktuar. Në tela, ndodhet objekti i hulumtimit — një peshk (jo i gjallë). Imazhet e djathta janë ato që janë marrë në MRI të peshkut, me një hartë ngjyrash të vendosur, e cila tregon intensitetin e sinjalit nga bërthamat e hidrogjenit. Mund të shihet se kur peshku është në tela, sinjali është shumë më i mirë, sesa pa to. Kohëzgjatja e skanimit në të dy rastet është e njëjtë, gjë që dëmton efektivitetin e skanimit. Në artikull u ofrua gjithashtu me kujdes
formula
për llogaritjen e gjatësi të tela në varësi të frekuencës së punës së tomografit, që unë e përdora. Kreva metamaterialin tim nga një e qetë dhe një grup telash bakri, duke i furnizuar me mbajtëse plastike të printuara me 3D:
Metamateriali im i parë. Menjëherë pas prodhimit, u fut në tomografin 1-Tesla. Një portokall shërbeu si objekt për skanimin.
Megjithatë, në vend të përforcimit të premtuar të sinjalit, unë mora një grumbull artefaktesh që e prishin plotësisht imazhin! Mosarritja ime ishte e pafund! Pas konsumimit të subjektit, shkrova një letër autorëve të artikullit, ku kuptimi mund të përmblidhet në pyetjen "Cila ...?".
Autorët më përgjigjën mjaft shpejt. Ata ishin shumë të impresionuar nga fakti se dikush po përpiqej të përsëriste eksperimentet e tyre. Në fillim, u munduan gjatë të më shpjegonin se si funksionojnë metamateryalet, duke përdorur terma si "rezonancat Fabry-Pérot", "mode të veta", dhe të gjitha llojet e fushave radiofrekuese në volum. Pastaj, duke kuptuar se unë nuk e kuptoja fare për çfarë flisnin, ata vendosën të më ftojnë në shtëpinë e tyre, që të shihja zhvillimet e tyre në jet, dhe të isha i sigurt se kjo vërtet funksionon. E futa në çantën time saldatorin tim të preferuar dhe u nisa për në Shën Petersburg, në universitetin kombëtar kërkimor të teknologjive të informacionit, mekanikës dhe optikës (siç duket, atje mësojnë jo vetëm programues).
Më pritën ngrohtësisht dhe papritur më ofruan një punë, sepse ishin të impresionuar nga qetësia ime me kabllot dhe u duheshin njerëz për të krijuar të reja. Në këmbim, premtuan se do të shpjegonin në detaje gjithçka që më interesonte dhe do të kalonin një kurs mbi radiofizikën dhe MRT, i cili filloi me një fat të lumtur pikërisht atë vit. Tërheqja ime për njohuri fitoi, dhe për një vit të tërë vazhdova të mësoja, të realizoja projekte dhe të punoja, duke zbuluar gjithnjë e më shumë rreth historisë së rezonancës magnetike, si dhe gjendjes së shkencës moderne në këtë fushë, të cilën do ta ndaj këtu.
The method of improving MRI, as explored in the mentioned scientific articles, is based on so-called "metamaterials". Like many other discoveries, metamaterials owe their emergence to unexpected solutions derived from theoretical research. In 1967, Soviet scientist Viktor Veselago, while working on a theoretical model, suggested the existence of materials with a negative refractive index. As you may have guessed, this relates to optics, where this coefficient essentially indicates how much the direction of light will change as it passes through the boundary between different mediums, such as air and water. You can easily verify that this indeed happens.
A simple experiment with a laser pointer and an aquarium demonstrating light refraction.
Një fakt interesant që mund të nxirret nga një eksperiment të tillë është se rrezeja nuk mund të reflektohet në të njëjtën drejtim nga ku ra në kufirin e ndarjes, pavarësisht se si e përpiqet eksperimenti. Ky eksperiment është kryer me të gjitha substancat që ndodhin në natyrë, megjithatë rrezja vazhdonte të reflektohej vetëm në një drejtim. Matematika tregon se koeficienti i reflektimit, si dhe përbërësit e tij, permeabiliteti dielektrik dhe magnetik, janë pozitivë, dhe nuk është vërejtur ndonjëherë ndryshe. Të paktën, deri në momentin që V. Veselago vendosi të studiojë këtë çështje dhe tregoi se teorikisht nuk ka asnjë arsye pse koeficienti i reflektimit të mos jetë negativ.
Imazhi nga Viki, i cili tregon ndryshimin mes mjediseve me koeficientet e reflektimit pozitiv dhe negativ. Siç e shohim, drita sillet krejtësisht në mënyrë të çuditshme, në krahasim me përvojën tonë të përditshme.
V. Veselago gjatë një periudhe të gjatë përpiqej të gjente prova për ekzistencën e materialeve me koeficient negativ të thithjes, por kërkimet e tij nuk kishin sukses dhe puna e tij u harrua padrejtësisht. Vetëm në fillim të shekullit tjetër u krijuan në mënyrë artificiale struktura kompozite që realizonin kërkesat e përshkruara, por jo në optikë, përkundrazi në një gamë të ulët të frekuencave mikrovalë. Kjo ishte një pikë kthese, pasi vetë mundësia e ekzistencës së këtyre materialeve hapi perspektiva të reja. Për shembull — krijimi , të afta të zmadhojnë objekte edhe më të vogla se gjatësi e valës së dritës. Ose — mbulesa të plotsë maskuese – të padukshme, ëndrrat e të gjithë ushtarëve. U bënë ndryshime të rëndësishme në teori, duke marrë parasysh të dhënat e reja. Çelësi i suksesit ishte përdorimi i strukturave të rregulluara nga elementët rezonues — metaatomet, madhësia e të cilave është shumë më e vogël se gjatësi e valës së rrezatimit me të cilin interaktojnë. Struktura e rregulluar nga metaatomet është një kompozit artificial, e njohur si metamaterial.
Zbatimi praktik i metamaterialeve është akoma teknologjikisht i ndërlikuar, pasi dimensioni i pjesëve rezonante duhet të jetë krahasueshëm më i vogël se gjatësi e valës së rrezatimit elektromagnetik. Për gamën optike (ku gjatësi e valës është në nanometrat), teknologjitë e tilla janë në majë të mundësive të progresit. Prandaj, nuk është e çuditshme që përfaqësuesit e parë të konceptit të metamaterialeve u krijuan për vale elektromagnetike relativisht më të gjata nga gama e radios (të cilat kanë një gjatësi më të njohur për ne nga mm deri në m). Karakteristika kryesore dhe njëkohësisht disavantazhi i çdo metamateriali është pasojat e natyrës rezonante të elementeve përbërëse të tij. Metamateriali mund të shfaqë vetitë e tij të mrekullueshme vetëm në frekuenca të caktuara.
Frekuenca të kufizuara.Prandaj, për shembull, kur të shihni përsëri ndonjë gjë si një super-shkëputës zëri të bazuar në metamateriale, pyesni se cila është gama e frekuencave që ajo realisht shkëput.
Shembuj tipikë të metamaterialeve që lejojnë ndërveprimin me valët elektromagnetike. Strukturat nga lidhet janë asgjë tjetër veçse rezonatorë të vegjël, konture LC, të formuara nga pozita hapësinore e lidheve.
Ka kaluar pak kohë që nga shfaqja e konceptit të metamaterialeve dhe realizimet e para të tyre, siç e kuptuan njerëzit t'i përdorin ato në MRI. Mangësia kryesore e metamaterialeve - diapazoni i ngushtë operativ nuk përbën problem për MRI, ku të gjitha proceset ndodhin praktikisht në një frekuencë të vetme të rezonancës magnetike të bërthamave, që ndodhet në diapazonin e radios. Këtu mund të krijoni vetë meta-atome dhe menjëherë të shihni se çfarë do të rezultojë në imazhe. Një nga funksionalitetet e para që kërkuesit zbatuan në MRI duke përdorur metamateriale ishin superlente dhe endoskopët.
Në pjesën e majtë nën shkronjën a) paraqitet një superlëng, i përbërë nga një rrjetë tre-dimensionale rezonatorësh në pllakat e printuara. Çdo rezonator është një unazë metalike e hapur me një kondensator të salduar, duke formuar një kontur LC, të cilin e kanë shkëputur në frekuencën e MRT-së. Më poshtë është një shembull i pozicionimit të kësaj strukture nga metamateriali midis këmbëve të pacientit, i cili po kalon procedurën e tomografisë dhe për rrjedhojë imazhet e marra pas saj. Nëse më parë nuk keni hezituar të lexoni artikullin tim të kaluar mbi MRT-në, tashmë e dini se për të marrë imazhin e ndonjë pjese të trupit të pacientit, është e nevojshme të mblidhen sinjalet e dobëta, të cilat zbehen shpejt, nga bërthamat me anë të një antene të vendosur afër - spire.
Superlinza nga metamateriali lejon zgjerimin e përgjithshëm të një bobine standarde. Për shembull, vizualizoni të dyja këmbët e pacientit njëkohësisht në vend të një. Nga lajmet e këqija — pozita e superlenezës duhet të përshtatet një mënyre të caktuar për të shfaqur më së miri efektin, dhe vetë superlinza është mjaft e shtrenjtë për t'u prodhuar. Nëse ende nuk e keni kuptuar pse kjo lente quhet me parafijen super-, shikoni dimensionet e saj në foto, dhe pastaj kuptoni se funksionon me një gjatësi vale prej rreth pesë metrash!
Nën shkronjën b) demonstrohet konstrukti i endoskopit. Në thelb, endoskopi për MRT është një grup kabllosh paralel, që shërben si një vodiç valesh. Ai lejon të shpërndajmë hapësirën e regjionit nga i cili bobina merr sinjal nga bërthamat dhe vetë bobinën në një distancë të konsiderueshme - deri në atë pikë sa antena pritëse mund të vendoset jashtë kriostatit të tomografit, larg fushës magnetike të përhershme. Në imazhet e poshtme të kartelës b) janë paraqitur fotografi të marra për një enë speciale të mbushur me lëng - fantoma. Diferenca midis tyre është se imazhet nënshkruara si 'endoskop' janë marrë kur bobina ishte në një distancë të konsiderueshme nga fantoma, ku pa endoskopin sinjalet nga bërthamat do të ishin krejtësisht të padetectueshme.
Nëse flasim për një nga fushat më premtuese të aplikimit të metamaterialeve në MRT, dhe ajo që është më afër zbatimit të saj praktik (në të cilën unë isha angazhuar përfundimisht) – është krijimi i bobinave pa tel. Duhet sqaruar se në këtë rast nuk flitet për Bluetooth ose ndonjë teknologji tjetër të transmetimit të të dhënave pa tel. "Pa tel" në këtë rast do të thotë praninë e lidhjes induktive ose kapacitative të dy strukturave rezonante – një antene transmetuese-pranuesi, si dhe metamateriali. Në koncept, kjo duket kështu:
Më poshtë tregohet se si zakonisht zhvillohet procedura e MRT-së: pacienti shtrihet brenda kriostatit në zonën e fushës magnetike statike homogjene. Në tunelin e tomografit është instaluar një antenë e madhe, e quajtur "kafaz zogjsh". Antena e tillë, lejon rrotullimin e vektorit të fushës magnetike radiofrekuencë me frekuencën e precesionit të bërthamave të hidrogjenit (për makinat klinike, kjo zakonisht varion nga 40 në 120 MHz në varësi të madhësisë së fushës magnetike statike nga 1T deri në 3T përkatësisht), duke i bërë ato të absorbojnë energji dhe më pas të dërgojnë përgjigje. Sërbimi ynë nga bërthamat është shumë i dobët dhe derisa ai të arrijë në kabllot e antenës së madhe, ai do të humbasë patjetër. Për këtë arsye, në MRT përdoren spirala lokale të afërta për të pranuar sinjalet. Në figurën në qendër, për shembull, tregohet një situatë tipike e skanimit të gjurit. Me ndihmën e metamaterialeve mund të krijohet një rezonator, i cili do të jetë lidhur induktivisht me kafaz zogjsh. Mjafton të vendosni një gjë të tillë pranë pjesës së trupit të pacientit dhe sinjali nga aty do të pranohet jo më keq se me spiralin lokal! Në rast se realizimi i konceptit ka sukses, pacientët nuk do të kenë më nevojë të ngatërrohet në kabllo, dhe procedura e diagnozës MRT do të bëhet më komode.
Këtë lloj gjëje doja të krijoja në fillim, duke futur telat në ujë dhe duke u përpjekur të skanoja një portokall. Telat, të zhytur në ujë nga imazhi i parë në këtë artikull — nuk janë gjë tjetër veçse meta-atome, secili prej të cilëve përfaqëson një dipol gjysmë-valësh — një nga projektet më të njohura të antenave, të njohura për çdo pasionant të radios.
I zhysin në ujë jo për të mos u djegur gjatë MRI (edhe pse për këtë arsye poashtu), por për të shkurtuar gjatësi rezonance të tyre, pikërisht në masën e barabartë me rrënjën katrore të përshkueshmërisë dielektrike të ujit.
Këtë teknikë e përdorin prej kohësh në radiopërçues, duke e mbështjellë telin rreth një cope feriti — e ashtuquajtura antenë feriti. Vetëm se feriti ka përshkueshmëri magnetike, jo dielektrike, çka përkthehet gjithashtu në shkurtimin e përmasave rezonante të antenës. Në MRI, fatkeqësisht, nuk mund ta fusni feritin, pasi ai është magnetik. Uji është një alternativë e lirë dhe e aksesueshme.
Natyrisht, për të llogaritur të gjitha këto gjëra, duhen ndërtuar modele matematikore mjaft të avancuara që shqyrtojnë ndërveprimin midis elementeve të rezonancës, parametrave të mjedisit dhe burimeve të rrezatimit… ose mund të shfrytëzojmë arritjet e përparimit dhe softuerët për modelimin numerik elektromagnetik, të cilët një nxënës mund t'i kuptojë pa asnje vështirësi (shembuj të shkëlqyer janë CST, HFSS). Softueri lejon krijimin e modeleve 3D të rezonatorëve, antenave, skemave elektrike, duke shtuar aty njerëz – po, për të qenë të saktë, gjithçka që dëshiron, pyetjeja është vetëm në imagjinatën dhe burimet llogaritëse të disponueshme. Modelet e ndërtuara coptohen në rrjeta, në nyjet e të cilave zgjidhen ekuacionet e njohura të Maxwell-it.
Ja, për shembull, modelimi i fushës magnetike radiofrekuencë brenda antës së tipit kafaz zogjsh që u përmend më parë:
Menjëherë bëhet mjaft e qartë se si rrotullohet fusha. Në të majtë tregohet situata kur brenda antenës ka një kuti me ujë, ndërsa në të djathtë — kur e njëjta kuti është mbi një resonator prej telash me gjatësi rezonuese. Mund të shihet se si fusha magnetike forcohet ndjeshëm falë telave. Pas zotërimit të CST dhe optimizimit të projektit tim atje, krijova përsëri një metamaterial që vërtet lejonte përmirësimin e sinjalit në tomografinë standarde klinike 1.5T MRT. Ai gjithashtu përfaqësonte një kuti (për më tepër më të bukur, prej organikës), të mbushur me ujë dhe një masë telash. Këtë herë, struktura ishte optimizuar në lidhje me kushtet rezonuese, përkatësisht: zgjedhja e gjatësi të telave, pozita e tyre, si dhe sasia e ujit. Ky është rezultati me domaten:
Skanimi i parë i domateve u krye në një antenë të madhe. Si rezultat, doli vetëm zhurmë me skica të paqarta. Herën e dytë vendosa frytin në një strukturë rezonante të sapobërë. Nuk ia vura shumë rëndësi hartave të ngjyrave apo diçka të ngjashme, sepse efekti është evident. Kështu, përmes eksperiencës sime, edhe pse harxhuar shumë kohë, provova se koncepti funksionon.
E kuptoj se çfarë po mendoni — portokalle, domate — të gjitha këto nuk janë, ku janë testet mbi njerëzit?
Ata vërtet ishin :
Dora e një vullnetari që bën një MRT është e vendosur mbi të njëjtën kutinë. Vërtet, uji në kuti, pasi përmban hidrogjen, gjithashtu dallohet shumë mirë. Forcimi i sinjalit ndodh në zonën e kyçit të dorës që është mbi rezonator, ndërsa pjesët e tjera të trupit duken keq. Është e qartë se një efekt të tillë, ndoshta edhe më të mirë, mund të arrihet duke përdorur bobinat klinike standarde. Por vetë fakti që mund të bëhen gjëra të tilla, thjesht duke kombinuar hapësirën, ujin dhe telat në mënyrë të duhura, është mahnitës. Akoma më e habitshme është se njohuritë mbi këtë mund të arrihen përmes hulumtimeve mbi dukuritë që duken se nuk kanë lidhje, siç janë thyerjet e dritës.
Për ata që nuk janë lodhur endeNë këtë moment, konstruksioni i kutisë me ujë është përmirësuar. Tani është një thjesht një pllakë shtypi që lejon lokalizimin e fushës magnetike të një antene të madhe të jashtme rreth saj. Zona e saj e punës është më e madhe se ajo e konstrukcionit të mëparshëm:
Këto shiritë me ngjyra tregojnë intensitetin e fushës magnetike mbi strukturën gjatë eksitimit nga një burim i jashtëm i valëve elektromagnetike. Struktura e sheshtë përfaqëson një linjë transmetimi tipike, e njohur në inxhinierinë radiOTEKnike, megjithatë ajo mund të shqyrtohet gjithashtu si një metamaterial për MRI. Kjo "llambë pa tela" tashmë mund të konkurrojë me standardet e llambave për homogjenitetin e fushës që krijohet në një thellësi të caktuar brenda objektit të skanimit:
Animacionet tregojnë në shtresa një hartë ngjyrash të sinjalit brenda një kutie me ujë në MRT. Ngjyra tregon intensitetin e sinjaleve nga bërthamët e hidrogjenit. Në këndin e majtë të sipërm, një segment standard i bobinës përdoret si marrës për skanimin e shpinës. Këndi i majtë të poshtëm — kur kuti ndodhet mbi rezonatorin si një pllaka qarku. Në të djathtën e poshtme — sinjali merret nga një antenë e madhe e integruar në tunelin e tomografit. Unë krahasova njëhomësinë e sinjalit në zonën e përshkruar me një katror. Në një lartësi të caktuar, metamateriali funksionon më mirë se bobina në aspektin e njëhomësisë së sinjalit. Për detyrat klinike, kjo mund të mos jetë një arritje shumë e rëndësishme, por kur bëhet fjalë për instalime shkencore MRT, ku skanojnë kërdha, kjo mund të ndihmojë në arritjen e një rritje të sinjalit dhe reduktimin e fuqisë së nevojshme të impulsive radio.
Për "përmirësuan 2 herë" në fillim të artikullit — sigurisht, kjo është një tjetër krijim i dashurisë së pazgjidhur midis gazetarëve dhe shkencëtarëve, megjithatë, të thuash se këto janë studime bosh gjithashtu nuk është e saktë, gjë që mbështetet nga interesi për këtë temë në grupet shkencore në mbarë botën. Është e habitshme, por puna po zhvillohet edhe në Rusinë tonë, ndonëse nga përvoja ime tërësisht personale, kjo është më shumë një përjashtim i rrallë. Ka ende shumë probleme të pazgjidhura që lidhen me përdorimin e metamaterialeve në MRI. Përveç lokalizimit të fushave magnetike për të marrë një imazh të mirë, nuk duhet harruar fushat elektrike, të cilat shkaktojnë ngrohjen e indeve, si dhe përthithjen e energjisë së fushës radiofrekuente nga inde të pacientëve që po i nënshtrohen ekzaminimeve. Këto gjëra, në përdorimin klinik, duhet të kontrollohen ndjeshëm, të cilat komplikohet shumë kur përdoren rrezonatorët për lokalizimin e fushave. Deri më tani, metamaterialet për MRI mbeten brenda kuadrit të kërkimeve shkencore, por rezultatet që po arrihen janë mjaft interesante dhe ndoshta në të ardhmen procedura e MRI-së do të ndryshojë për mirë falë tyre, duke u bërë më e shpejtë dhe më e sigurt.
Burimi: habr.com
