Një drejtkëmbësh kaloi përmes veshit. Me një zhurmë të madhe, ajo ndali në trupin e kriostatit. Duke shurdhuar veten, vendosa të bëja një pushim. Të shkelësh bulonat në një fushë magnetike prej 1.5 teslave me një mjet çeliku nuk është ndonjë ide e shkëlqyer. Fusha, si një armik i padukshëm, përpiqet vazhdimisht të nxjerrë mjetin nga duar, ta orientojë atë përgjatë linjave të tij të forcës dhe ta drejtojë sa më afër elektronëve që po qarkullojnë në një qark të mbyllur nga superç導sorët. Megjithatë, nëse është e domosdoshme të mposhtësh lidhjet e oksiduara nga vitesh, nuk ka shumë zgjedhje. U ul në kompjuter dhe zakonisht rishkova rrjedhën e lajmeve. "Shkencëtarët rusë përmirësuan MRT-në dyfish!" - thoshte titulli i dyshimtë.
Rreth një vit më parë, ne dhe mesuam thelbin e funksionit të tij. Rekomandoj fuqishëm që para leximit të këtij artikulli, të freskoni në kujtesë atë material.
Për shkak të arsyeve të ndryshme, përfshirë ato historike, në Rusi sot prodhim të një pajisjeje kaq komplekse si tomografët magnetik-rezonalë të fushës së lartë. Megjithatë, nëse jetoni në një qytet më të madh, do ta gjeni lehtësisht klinikat që ofrojnë këtë lloj shërbimi. Në të njëjtën kohë, parku i skanereve MRT shpesh përbëhet nga pajisje të përdorura, të sjella dikur nga SHBA dhe Europa dhe, nëse ndodh që të vizitoni një klinikë me MRT, mos u mashtroni nga pamja e jashtme e bukur e pajisjes - ajo mund të ketë shumë vite. Si pasojë, ndonjëherë ndodhi që pajisja të prishet dhe unë isha për një kohë të gjatë një nga ata njerëz që ktheu tomografët e prishur në funksion, kështu që pacientët të mund të vazhdonin të bënin diagnostikimin, ndërsa pronarët të fitonin.
Ndërkohë, në një nga ditët e bukura, në pushim midis aventurave të rrezikshme me fushat magnetike të mëdha, natyrshëm kam hasur në një njoftim interesant në rrjedhën e lajmeve: "Shkencëtarët rusë, së bashku me kolegët hollandezë me metamateryalët». Nuk është e nevojshme të thuhet se fakti që në Rusi po kryhen hulumtime që lidhen me pajisje, prodhimi i të cilave ende nuk është arritur, më duket tejet diskutueshëm. Vendosa se kjo ishte thjesht një tjetër mënyrë për të shpenzuar grantet, e përzierë me fjalë shkencore të paqarta siç janë «nanoteknologjitë» që na lodhën të gjithëve. Kërkimi i informacionit mbi punën e shkencëtarëve vendas me MRI dhe metamateryalët më çoi në një artikull që përmbante përshkrimin e një eksperimentit të thjeshtë, që mund ta përsërisja lehtësisht, duke pasur parasysh se pajisja e MRI-së është gjithmonë në dispozicion.
Imazhi nga , i dedikuar forcimit të sinjalit të MRI-së me ndihmën e ashtuquajturit «metamateryal». Në një aparat tipik klinik 1.5 - Tesla, në vend të pacientit ngarkohet metamateryali, në formë enë me ujë, brenda të cilës janë vendosur telat paralelë të gjatë të caktuar. Në tela vendoset objekti i studimit - një peshk (jo i gjallë). Imazhet nga e djathta janë ato që u morën në MRI të peshkut, me një hartë ngjyre të vendosur që tregonte intensitetin e sinjalit nga bërthamat e hidrogjenit. Mund të vërehet se kur peshku qëndron mbi tela, sinjali është shumë më i mirë, sesa pa to. Koha e skanimit në të dy rastet ishte e njëjtë, që dëshmon një rritje të efikasitetit të skanimit. Artikulli gjithashtu përfshinte me kujdes
formulën
për llogaritjen e gjatësi të telave në varësi të frekuencës së punës së tomografit, të cilën e përdora. Ndërsa ndërtova metamateryalin tim nga kuvetë dhe nga një grup telash bakri, të pajisur me mbajtëse plastike, të printuara në 3D:
Metamateryali im i parë. Menjëherë pas ndërtimit u fut në tomografin 1-Tesla. Një portokall shërbeu si objekt për skanimin.
Megjithatë, në vend të forcimit të premtuar të sinjalit, mora një mori artefaktesh që shkatërronin imazhin! Hidhërimi im ishte i paimagjinueshëm! Pasi e përfundova eksperimentin, shkrova një letër autorëve të artikullit, e cila mund të përmblidhet me pyetjen «Çfarë po ndodh?».
Autori më përgjigjën relativisht shpejt. Ishin mjaft të impresionuar nga fakti që dikush përpiqej të përsëritej eksperimentet e tyre. Në fillim, u munduan për një kohë të gjatë të më shpjegonin se si funksionojnë metamateryalet, duke përdorur termat "rezonancat Fabri-Perot", "modet e veta" dhe të gjitha llojet e fushave radiofrekuent në volum. Pastaj, duke kuptuar se unë nuk kuptoja fare se për çfarë po flisnin, ata vendosën të më ftonin në shtëpi, që të shihja zhvillimet e tyre në gjallë dhe të sigurohesha se gjithçka funksionon. Atëherë, hodha në çantën time solder-in e preferuar dhe shkova në Shën Petersburg, në Universitetin Kombëtar Kërkues të Teknologjive të Informacionit, Mekanikës dhe Optikës (siç u duk, atje trajnojnë jo vetëm programues).
Në vendin e ngjarjes, më pritën me ngrohtësi dhe papritur, më ofruan një punë, pasi ishin impresionuar nga kuveti im me kabllo dhe u duhej një person për të krijuar të reja. Në këmbim, premtoi që do të më shpjegonin në detaje gjithçka që më interesonte dhe do të kalonim një kurs të studimit në radiofizikë dhe MRT, i cili filloi me fat në atë vit. Tërheqja ime për njohuri e fitoi, dhe më pas, për një vit, ndoqa studimet, bëra projekte dhe punova, duke mësuar gradualisht gjithnjë e më shumë rreth historisë së rezonancës magnetike, si dhe gjendjes së shkencës moderne në këtë fushë, të cilën do ta ndaja këtu.
Në thelb të metodës së supozuar të përmirësimit të MRT, e cila është shqyrtuar në artikujt shkencorë të përmendur, janë të ashtuquajturat "metamateryale". Metamateryalet, ashtu si shumë zbulime të tjera, i detyrojnë ekzistencën e tyre zgjidhjeve të papritura, të fituara në bazë të kërkimeve teorike. Shkencëtari sovjetik, Viktor Veselago, në vitin 1967, duke punuar mbi një model teorik, sugjeroi ekzistencën e materialeve me koeficient negativ të thyerjes. Siç e keni kuptuar, kemi të bëjmë me optikën, dhe ky koeficient, në terma të përgjithshëm, do të thotë se sa do të ndryshojë drejtimin e tij drita duke kaluar nëpër kufirin midis mjediseve të ndryshme, siç janë ajri dhe uji. Të kuptosh se kjo ndodh vërtet është shumë e lehtë të verifikohet vetë:
Një eksperiment i thjeshtë me një laser dhe një akvarium, që demonstruan thyerjen e dritës.
Një fakt interesant që mund të nxirret nga një eksperiment të tillë është se rrezja nuk mund të thyhet në të njëjtën drejtim nga ku ra në kufirin e ndarjes, pavarësisht se sa përpiqet eksperimentatori. Ky eksperiment është kryer me të gjitha substancat natyrore, megjithëse rrezja ka vazhduar të thyhet vetëm në njërën anë. Matematika tregon se koeficienti i thyjes, si dhe përbërësit e tij, epermerta dielektrike dhe magnetike, janë pozitivë, dhe nuk është vënë re asnjë herë ndryshe. Të paktën deri në momentin kur V. Veselago vendosi ta studiojë këtë çështje dhe e tregoi se teorikisht nuk ka asnjë arsye pse koeficienti i thyjes të mos mund të jetë negativ.
Imazhi nga Wiki që tregon ndryshimin mes mjediseve me koeficient pozitiv dhe negativ të thyjes. Siç shohim, drita sillet krejtësisht ndryshe, krahasuar me eksperiencën tonë të përditshme.
V. Veselago për një kohë të gjatë u përpoq të gjejë prova për ekzistencën e materialeve me koeficient negativ të thyjes, megjithatë kërkimet nuk patën sukses dhe puna e tij u harrua padrejtësisht. Vetëm në fillim të shekullit të ardhshëm, u krijuan artificialisht struktura kompozite që realizonin vetitë e përshkruara, por jo në optikë, por në një gamë më të ulët të frekuencave mikrovalë. Kjo shënoi momentin kyç, pasi vetë mundësia e ekzistencës së këtyre materialeve hapte perspektiva të reja. Për shembull - krijimi , të afta të zmadhojnë objekte që janë edhe më të vogla se gjatësia e valës së dritës. Ose - mbulesa e padukshme, ëndrrat e të gjithë ushtarëve. U bënë korrigjime të rëndësishme në teori, duke marrë parasysh të dhënat e reja. Çelësi i suksesit ishte përdorimi i strukturave të renditura nga elementët rezonues - metaatomot, të cilët janë shumë më të vegjël se gjatësia e valës së rrezatimit me të cilin ata interaktojnë. Struktura e renditur nga metaatomot është një kompozit artificial, e quajtur metamaterial.
Implementimi praktik i metamaterialeve është teknologjikisht kompleks edhe sot, pasi madhësia e pjesëve rezonante duhet të jetë ndjeshëm më e vogël se gjatësia e valës së rrezatimit elektromagnetik. Për gamën optike (ku gjatësia e valës është në nanometrat), teknologjitë e tilla ndodhen në kufirin e mundësive të avancimit. Prandaj, nuk është befasi që përfaqësuesit e parë të konceptit të metamaterialeve u krijuan për vale elektromagnetike më të gjata nga gamat radio (të cilat kanë një gjatësi që na është më e njohur nga mm deri në m). Karakteristika kryesore dhe njëkohësisht disavantazhi i çdo metamateriali është pasoja e natyrës rezonante të elementeve që e përbëjnë atë. Metamateriali mund të tregojë vetitë e tij të mahnitshme vetëm në frekuenca të caktuara.
Frekuenca të kufizuara.Prandaj, për shembull, kur të shihni përsëri diçka si një super-bllokues zëri që bazohet në metamateriale, pyesni se cilin interval frekuencash e bllokon në të vërtetë.
Shembuj tipikë të metamaterialeve që lejojnë ndërveprimin me valët elektromagnetike. Strukturat nga përçuesit — nuk janë asgjë tjetër veçse rezonatorë të vegjël, konture LC, të formuara nga pozita hapësinore e përçuesve.
Ka kaluar pak kohë nga shfaqja e konceptit të metamaterialeve dhe realizimeve të tyre të para, kur njerëzit filluan ta përdorin atë në MRT. Disavantazhi kryesor i metamaterialeve — gamë e ngushtë operative nuk është problem për MRT, ku të gjithë proceset ndodhin praktikisht në një frekuencë të vetme të rezonancës magnetike të bërthamave, që ndodhet në gamën radio. Këtu mund të krijoni meta-atoma me duar tuaja dhe menjëherë të shihni se çfarë rezultati do të merrni në imazhe. Disa nga karakteristikat e para që studiuesit realizuan në MRT duke përdorur metamateriale ishin superlencat dhe endoskopët.
Në pjesën e majtë nën shkronjën a) tregohet superlinza, e cila përbëhet nga një rrjetë tri-dimensional rezonatorësh në pllaka printuese. Çdo rezonator është një unazë metalike e hapur me një kondensator të saltur, që formon një qark LC të përshtatur për frekuencën e MRT. Më poshtë është një shembull i vendosjes së kësaj strukture nga metamateriali midis këmbëve të pacientit, duke kaluar nëpër procedurën e tomografisë dhe përkatësisht imazhet e marra pas saj. Nëse më parë nuk e ke neglizhuar këshillën për të lexuar artikullin tim të kaluar për MRT, atëherë tashmë e di se për të marrë një imazh të ndonjë zone të trupit të pacientit është e nevojshme të grumbullosh sinjale të dobëta, që shuhet shpejt të bërthamave me anë të një antene të afërt – rrotullës.
Superlinza nga metamateriali lejon të zgjerohet zona e veprimit të rrotullës standarte. Për shembull, të vizualizosh të dy këmbët e pacientit njëherësh në vend të njëës. Nga lajmet e këqija — pozita e superlinzës duhet të zgjidhet në një mënyrë të caktuar për manifestimin më të mirë të efektit, dhe vetë superlinza është mjaft e shtrenjtë për t’u prodhuar. Nëse ende nuk ke kuptuar pse kjo linzë quhet me prefiksin super-, atëherë shikoje foton për përmasat e saj dhe pastaj kupto se ajo funksionon me një gjatësi vale rreth pesë metrave!
Nën shkronjën b) demonstrohet struktura e endoskopit. Në thelb, endoskopi për MRT është një masiv i telave paralelë që luan rolin e valëpërçuesit. Ai lejon që të shpërndahen hapësira nga e cila rrotulla merr sinjalin nga bërthamat dhe vetë rrotulla në një distancë të konsiderueshme – deri në atë pikë sa antena marrëse mund të pozicionohet edhe jashtë kriostatit të tomografit, larg nga fusha magnetike e përhershme. Në imazhet më poshtë të skedave b) janë përfaqësuar fotografitë e marra për një enë të veçantë të mbushur me lëng — fantoma. Dallimi midis tyre është se imazhet e etiketuar "endoskop" u morën kur rrotulla ishte në një distancë të konsiderueshme nga fantoma, ku pa endoskopin sinjalet nga bërthamat nuk do të ishin fare të mundshme për t'u detektuar.
Nëse flasim për një nga fushat më premtuese të aplikimit të metamaterealit në MRI, dhe më afërisht në realizimin e tij praktik (në të cilin unë përfshiva veten në fund), është krijimi i bobinave pa kabllo. Duhet të shpjegohet se nuk bëhet fjalë për Bluetooth apo ndonjë teknologji tjetër pa kabllo për transmetimin e të dhënave. "Pa kabllo" në këtë rast nënkupton prani të lidhjes induktive ose kapacitive midis dy strukturave rezonante – antenës marrëse-dhënëse, si dhe metamaterealit. Në koncept, kjo duket kështu:
Në majtë tregohet si zakonisht kalon procedura MRI: pacienti shtrihet brenda kriostatit në zonën e fushës magnetike statike homogjene. Në tunelin e tomografit është instaluar një antenë e madhe, e njohur si "kafazi i zogjve". Antena e tillë e konfigurimit, lejon rrotullimin e vektorit të fushës magnetike radiofrekuente me frekuencën e precesionit të bërthamave të hidrogjenit (për makinat klinike zakonisht nga 40 deri në 120 MHz, në varësi të madhësisë së fushës magnetike statike nga 1T deri në 3T përkatësisht), duke i bërë ato të absorbonin energji dhe pastaj të shpërndanin në përgjigje. Sinjali përgjigjës nga bërthamat është shumë i dobët dhe derisa të arrijë te drejtuesit e antenës së madhe, ai do të dobësohet patjetër. Për këtë arsye, në MRI për të pranuar sinjalet përdoren bobina lokale të afërta. Në figurën në qendër, për shembull, tregohet një situatë tipike e skanimit të gjurit. Me ndihmën e metamaterealit, mund të bëhet një rezonator që do të jetë i lidhur induktivisht me kafazin e zogjve. Mjafton të vendosni një gjë të tillë pranë zonës së nevojshme të trupit të pacientit dhe sinjali nga aty do të merret jo më keq se me një bobinë lokale! Në rastin e suksesshëm të realizimit të konceptit, pacientët nuk do të kenë më nevojë të mbërthehen pas kabllove, dhe procedura e diagnostikimit me MRI do të bëhet më e komfortshme.
Ishte pikërisht një gjë e tillë që po përpiqesha të krijoja në fillim, duke i zhytur kabllot në ujë dhe duke u përpjekur të skanoja një portokall. Kabllot, të zhytura në ujë nga pamja e parë në këtë artikull – janë asgjë tjetër veçse meta-atome, secili prej të cilëve përfaqëson një dipol gjysmëvalë – një nga konstruksionet më të njohura të antenave, të njohur për çdo entuziast të radios.
I përfshijnë ata në ujë jo vetëm për t'i mbrojtur nga zjarri në MRI (edhe pse për këtë arsye gjithashtu), por për të shkurtuar gjatësinë e tyre rezonante pikërisht në një vlerë që është rrënjësor nga përçueshmëria dielektrike e ujit.
Kjo teknikë është përdorur prej kohësh në radiopërceptues, duke rrethuar telin rreth një cope feriti - e ashtuquajtura antenë feriti. Vetëm feriti ka një përçueshmëri magnetike të lartë, dhe jo dielektrike, e cila megjithatë funksionon gjithashtu dhe lejon shkurtime të përmasave rezonante të antenës. Në MRI, fatkeqësisht, nuk është e mundur të përdoret feriti, pasi është magnetik. Uji është një alternativë e lirë dhe e aksesueshme.
Natyrisht, për llogaritjet e të gjitha këtyre gjërave është e nevojshme të ndërtohen modele matematikore komplekse që marrin parasysh lidhjet midis elementeve rezonante, parametrave të mjedisit dhe burimeve të rrezatimit... ose mund të shfrytëzojmë arritjet e progresit dhe softuerin për modelimin numerik elektromagnetik, me të cilin mund të përballohet lehtë edhe një nxënës i shkollës (shembuj të shkëlqyer - CST, HFSS). Softueri lejon që të krijohen modele 3D të rezonatorëve, antenave, skemave elektrike, duke shtuar aty njerëz - po, në të vërtetë, çdo gjë që dëshiron, pyetja është vetëm për imagjinatën dhe kapacitetet kompjuterike të disponueshme. Modelet e ndërtuara ndahen në rrjeta, në nyjet e të cilave zgjidhen ekuacionet e njohura të Maxwell-it.
Ja, për shembull, modelimi i fushës magnetike radiofrekuente brenda antenës së lartë, e cila u përmend më parë si një kafaz për zogj:
Menjëherë bëhet e dukshme se si sillet fusha. Në anën e majtë tregohet situata kur brenda antenës ka një kutinë me ujë, ndërsa në anën e djathtë - kur e njëjta kutinë është mbi një rezonator me tela të gjatë rezonante. Mund të shihet si fusha magnetike forcohet ndjeshëm falë telave. Pas zotërimit të CST dhe optimizimit të dizajnit tim aty, kam krijuar përsëri një metamaterial që vërtet lehtësoi përforcimin e sinjalit në tomografinë standarde klinike 1.5T MRI. Ai ishte gjithashtu një kuti (për më tepër më e bukur, nga pleksiglas), e mbushur me ujë dhe një grup telash. Këtë herë, struktura u optimizua në terma të kushteve rezonante, përkatësisht: zgjedhja e gjatësi të telave, pozitat e tyre, si dhe sasia e ujit. Ja se çfarë rezultati u arrit me domatet:
Skanimi i parë i domates u krye me një antenë të madhe. Në fund, doli vetëm një zhurmë me konturet e dukshme vazhdimisht. Herën e dytë vendosa frutin në një strukturë rezonante të sapo bërë. Nuk krijova karta me ngjyra, ose diçka të ngjashme, sepse efekti është i qartë. Kështu, përvoja ime, edhe pse kam humbur shumë kohë, e vërtetoi se koncepti funksionon.
E kuptoj çfarë po mendoni — portokalle, domate — e gjitha kjo nuk është, ku janë testet në njerëz?
Ato me të vërtetë ishin :
Dora e një vullnetari, e cila kalon MRT, është e vendosur mbi të njëjtin kut. Vërtet, uji në kuti, pasi përmban hidrogjen, gjithashtu është shumë i dukshëm. Forcimi i sinjalit ndodh në zonën e wrist-it, që është e vendosur në rezonator, ndërsa pjesët e tjera të trupit janë të dukshme keq. Natyrisht, një efekt të tillë, ndoshta edhe më të mirë, mund të arrihet duke përdorur spiralat klinike standarde. Por vetë fakti që është e mundur të krijohen gjëra të tilla, thjesht duke kombinuar hapësirën, ujë dhe telat, me kombinimin e duhur, është mahnitës. Edhe më befasuese është që njohuritë për këtë mund të merren përmes studimit të dukurive që duket se nuk kanë lidhje, si thyerja e dritës.
Për ata që nuk janë lodhur endeMomentalisht, dizajni i kutisë me ujë është përmirësuar. Tani është thjesht një pllakë e sheshtë e printuar, që lejon lokalizimin e fushës magnetike të antenës së madhe të jashtme përreth saj. Ndërkohë zona e saj e punës është më e madhe se ajo e konstrukcionit të mëparshëm:
Shiritat me ngjyra tregojnë intensitetin e fushës magnetike mbi strukturën që është e aktivizuar nga një burim të jashtëm të valëve elektromagnetike. Struktura e sheshtë përfaqëson një linjë transmetimi tipike, e njohur në inxhinierinë e radios, megjithatë mund të shqyrtohet gjithashtu si një metamatriel për MRT. Kjo "spiralë pa tel" tashmë mund të konkurojë spiralat standarde për homogjenitetin e fushës që krijohet në një thellësi të caktuar në objektin e skanimit:
Animacionet tregon një hartë ngjyrash të sinjalit brenda një kutie me ujë në MRI, në mënyrë fletë pas fletë. Ngjyra do të thotë intensitetin e sinjaleve nga bërthamat e hidrogjenit. Në këndin e majtë të sipërm, përdoret një segment standard i fibrës për skanimin e shpinës si pranues. Kështu që, këndi i majtë poshtë është kur kutia është në rezonatorin në formë të një pllakes. Në këndin e djathtë poshtë, sinjali merret nga një antenë e madhe e integruar në tunelin e tomografit. Kam krahasuar homogenitetin e sinjalit në zonën e rrethuar me një drejtkëndësh. Në një lartësi të caktuar, metamateriali punon më mirë se fibra në termat e homogenitetit të sinjalit. Për detyrat klinike, ky nuk është një arritje shumë e rëndësishme, por kur flasim për vendosjet shkencore MRI, ku skanojnë minj, kjo mund të ndihmojë në përmirësimin e sinjalit dhe në uljen e fuqisë së nevojshme të impulsit të radios.
Për "përmirësuan me 2 herë" në fillim të artikullit - natyrisht, kjo është një tjetër fryt i dashurisë së patretur të gazetarëve ndaj shkencëtarëve, por gjithashtu të thuash se janë hulumtime bosh është gjithashtu e pasaktë, siç e tregojnë intereset për këtë temë në grupet shkencore në të gjithë botën. Është e habitshme, por punimet po zhvillohen edhe këtu në Rusi, megjithëse në përvoja të mia krejt personale, kjo është më shumë një përjashtim i rrallë. Ka ende shumë probleme të pazgjidhura në lidhje 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 indit, si dhe përthithjen e energjisë së fushës radiofrekuente nga indet e pacientëve që po shqyrtohen. Këto gjëra, në përdorimin klinik, kërkojnë një kontroll të veçantë, i cili komplikohet shumë me përdorimin e rezonatorëve që lokalizojnë fushat. Deri tani metamaterialet për MRI kanë mbetur brenda kërkimeve shkencore, por rezultatet e marra janë tashmë mjaft interesante dhe ndoshta në të ardhmen procedura MRI do të ndryshojë për shkak të tyre në një mënyrë më të mirë, duke u bërë më e shpejtë dhe më e sigurt.
Burimi: habr.com
