Një kaçavidë më kaloi pranë veshit. Me një zhurmë të fortë kumbimi, ajo ngriu mbi trupin e kriostatit. Duke e mallkuar veten, vendosa të bëj një pushim. Zhvidhosja e bulonave në një fushë magnetike prej 1.5 Tesla duke përdorur një mjet çeliku nuk është një ide e mirë. Fusha, si një armik i padukshëm, vazhdimisht përpiqet të rrëmbejë instrumentin nga duart, ta orientojë atë përgjatë vijave të forcës dhe ta drejtojë sa më afër elektroneve që rrjedhin në një rreth të mbyllur nga superpërçuesi. Sidoqoftë, nëse vërtet duhet të mposhtni përbërjet e acidifikuara nga shumë vite më parë, nuk ka shumë zgjedhje. U ula te kompjuteri dhe zakonisht lëviza nëpër burimin e lajmeve. "Shkencëtarët rusë kanë përmirësuar MRI me 2 herë!" - lexoni titullin e dyshimtë.
Rreth një vit më parë, ne dhe kuptoi thelbin e punës së tij. Unë rekomandoj fuqimisht që të rifreskoni kujtesën tuaj për atë material përpara se të lexoni këtë artikull.
Për arsye të ndryshme, përfshirë ato historike, sot në Rusi prodhimi i pajisjeve të tilla komplekse si skanerët me rezonancë magnetike me fushë të lartë. Megjithatë, nëse jetoni në një qytet më të madh, mund të gjeni lehtësisht klinika që ofrojnë këtë lloj shërbimi. Në të njëjtën kohë, flota e skanerëve MRI shpesh përfaqësohet nga pajisje të përdorura, të importuara dikur nga SHBA dhe Evropa, dhe nëse papritmas duhet të vizitoni një klinikë me MRI, mos u mashtroni nga pamja e bukur e pajisjes - mund të jetë në dekadën e dytë. Si rezultat, pajisje të tilla ndonjëherë prishen dhe për një kohë të gjatë isha një nga ata njerëz që ktheja në shërbim tomografët e prishur, në mënyrë që pacientët të vazhdonin t'i nënshtroheshin diagnostikimit dhe pronarët të mund të bënin fitim.
Derisa një ditë të bukur, gjatë një pushimi mes argëtimeve të rrezikshme me fusha të mëdha magnetike, hasa në një mbishkrim interesant në burimin e lajmeve: “Shkencëtarët rusë së bashku me kolegët holandezë duke përdorur metamateriale." Eshtë e panevojshme të thuhet, vetë fakti që Rusia po kryen kërkime mbi pajisjet, prodhimi i të cilave nuk është zotëruar kurrë, më dukej shumë, shumë i diskutueshëm. Vendosa që ky ishte vetëm një raund tjetër grantesh, i holluar me fjalë të pakuptueshme shkencore si "nanoteknologjia" me të cilën të gjithë tashmë ishin ngopur. Një kërkim për informacione mbi temën e punës së shkencëtarëve vendas me MRI dhe metamateriale më çoi në një artikull që përmban një përshkrim të një eksperimenti të thjeshtë që mund ta përsërisja lehtësisht, pasi makina MRI është gjithmonë pranë.
Foto nga , i dedikuar për përmirësimin e sinjalit MRI duke përdorur të ashtuquajturin "metamaterial". Në një aparat termik tipik klinik 1.5 - në vend të pacientit ngarkohet metamaterial, në formën e një legeni uji, brenda të cilit ndodhen tela paralelë me gjatësi të caktuar. Në telat shtrihet objekti i studimit - një peshk (jo i gjallë). Fotografitë në të djathtë janë imazhe MRI të peshkut, me një hartë me ngjyra të mbivendosur që tregon intensitetin e sinjalit të bërthamave të hidrogjenit. Mund të shihet se kur peshku shtrihet në tela, sinjali është shumë më i mirë se pa to. Koha e skanimit është e njëjtë në të dyja rastet, gjë që dëshmon se efikasiteti i skanimit është përmirësuar. Artikulli gjithashtu përfshiu me kujdes
formula
për të llogaritur gjatësinë e telave në varësi të frekuencës së funksionimit të tomografit, të cilin kam përdorur. E bëra metamaterialin tim nga një kuvetë dhe një grup tela bakri, të pajisur me fiksues plastikë të printuar 3D:
Metamateriali im i parë. Menjëherë pas prodhimit u vendos në një tomograf 1 Tesla. Portokallia veproi si një objekt për t'u skanuar.
Sidoqoftë, në vend të përmirësimit të sinjalit të premtuar, mora një mori objektesh që prishën plotësisht imazhin! Indinjata ime nuk kishte kufi! Pasi mbarova temën, u shkrova një letër autorëve të artikullit, kuptimi i së cilës mund të reduktohet në pyetjen "Çfarë ...?"
Autorët më janë përgjigjur mjaft shpejt. Ata ishin mjaft të impresionuar që dikush po përpiqej të përsëriste eksperimentet e tyre. Në fillim ata u përpoqën për një kohë të gjatë të më shpjegonin se si funksionojnë në të vërtetë metamaterialet, duke përdorur termat "rezonancat Fabry-Perot", "modalitetet e brendshme" dhe të gjitha llojet e fushave të frekuencës radio në vëllim. Më pas, me sa duket, duke e kuptuar se nuk e kuptoja fare se për çfarë po flisnin, vendosën të më ftonin t'i vizitoja, në mënyrë që të shikoja zhvillimet e tyre drejtpërdrejt dhe të sigurohesha që ende funksionon. Hodha saldimin tim të preferuar në çantën time të shpinës dhe shkova në Shën Petersburg, në Universitetin Kombëtar të Kërkimit të Teknologjive të Informacionit, Mekanikës dhe Optikës (siç doli, jo vetëm programuesit janë trajnuar atje).
Më pritën ngrohtësisht në terren dhe papritmas më ofruan një punë, pasi u impresionuan me hendekun tim me tela dhe kishin nevojë për një person që të krijonte të reja. Në këmbim, ata premtuan të shpjegojnë në detaje gjithçka që më intereson dhe të kryej një kurs trajnimi në radiofizikë dhe MRI, i cili, për një rastësi fat, filloi pikërisht atë vit. Etja ime për dije fitoi dhe më pas, gjatë gjithë vitit, studiova, bëra projekte dhe punova, duke mësuar gradualisht gjithnjë e më shumë gjëra të reja për historinë e rezonancës magnetike, si dhe gjendjen e shkencës moderne në këtë fushë, të cilat do të ndajeni këtu.
Metoda e propozuar e përmirësimit të MRI, e studiuar në artikujt shkencorë të përmendur, bazohet në të ashtuquajturat "metamteriale". Metamaterialet, si shumë zbulime të tjera, i detyrohen paraqitjes së tyre zgjidhjeve të papritura të marra në bazë të hulumtimeve teorike. Shkencëtari sovjetik, Viktor Veselago, në vitin 1967, duke punuar në një model teorik, sugjeroi ekzistencën e materialeve me një indeks refraktiv negativ. Siç e kuptoni tashmë, ne po flasim për optikë, dhe vlera e këtij koeficienti, përafërsisht, do të thotë se sa drita do të ndryshojë drejtimin e saj kur kalon nëpër kufirin midis mediave të ndryshme, për shembull ajri dhe uji. Ju lehtë mund të verifikoni vetë se kjo ndodh vërtet:
Një eksperiment i thjeshtë duke përdorur një tregues lazer dhe një akuarium për të demonstruar thyerjen e dritës.
Një fakt interesant që mund të mësohet nga një eksperiment i tillë është se rrezja nuk mund të përthyhet në të njëjtin drejtim nga ku ra në ndërfaqe, pavarësisht sa shumë përpiqet eksperimentuesi. Ky eksperiment u krye me të gjitha substancat e natyrshme, por rrezja u thye me kokëfortësi vetëm në një drejtim. Matematikisht, kjo do të thotë se indeksi i thyerjes, si dhe sasitë përbërëse të tij, përshkueshmëria dielektrike dhe magnetike, janë pozitive dhe nuk është vërejtur kurrë ndryshe. Të paktën derisa V. Veselago vendosi të studiojë këtë çështje dhe tregoi se teorikisht nuk ka asnjë arsye të vetme pse indeksi i thyerjes nuk mund të jetë negativ.
Foto nga Wiki që tregon ndryshimin midis mediave me indeks pozitiv dhe negativ. Siç e shohim, drita sillet krejtësisht në mënyrë të panatyrshme, në krahasim me përvojën tonë të përditshme.
V. Veselago u përpoq për një kohë të gjatë të gjente prova të ekzistencës së materialeve me indeks refraktiv negativ, por kërkimi ishte i pasuksesshëm dhe puna e tij u harrua në mënyrë të pamerituar. Vetëm në fillim të shekullit të ardhshëm u krijuan artificialisht strukturat e përbëra që realizuan vetitë e përshkruara, por jo në rangun optik, por në frekuencën e ulët të mikrovalës. E cila ishte një pikë kthese, pasi vetë mundësia e ekzistencës së materialeve të tilla hapi perspektiva të reja. Për shembull - krijimi , të aftë për të zmadhuar objekte edhe më të vogla se gjatësia e valës së dritës. Ose - mbulesa të padukshme maskimi absolute, ëndrra e të gjithë personelit ushtarak. Ndryshime të mëdha u bënë në teori për të marrë parasysh të dhënat e reja. Çelësi i suksesit ishte përdorimi i strukturave të renditura të elementeve rezonante - metaatomeve, madhësia e të cilave është shumë më e vogël se gjatësia e valës së rrezatimit me të cilin ndërveprojnë. Një strukturë e renditur e meta-atomeve është një përbërje artificiale e quajtur metamaterial.
Zbatimi praktik i metamaterialeve edhe sot është teknologjikisht kompleks, pasi madhësia e grimcave rezonante duhet të jetë e krahasueshme me më pak se gjatësia e valës së rrezatimit elektromagnetik. Për gamën optike (ku gjatësia e valës është nanometra), teknologji të tilla janë në ballë të përparimit. Prandaj, nuk është për t'u habitur që përfaqësuesit e parë të konceptit të metamaterialeve u krijuan për valë elektromagnetike relativisht më të gjata nga diapazoni i radios (të cilat kanë një gjatësi më të njohur nga mm në m). Tipari kryesor dhe në të njëjtën kohë disavantazhi i çdo metamateriali është pasojë e natyrës rezonante të elementeve përbërës të tij. Metamateriali mund të shfaqë vetitë e tij të mrekullueshme vetëm në frekuenca të caktuara.
Frekuenca të kufizuara.Prandaj, për shembull, herën tjetër që të shihni diçka si një bllokues super-zanor i bazuar në metamateriale, pyesni se çfarë diapazoni frekuencash bllokon në të vërtetë.
Shembuj tipikë të metamaterialeve që lejojnë ndërveprimin me valët elektromagnetike. Strukturat e përcjellësit nuk janë gjë tjetër veçse rezonatorë të vegjël, qarqe LC të formuara nga pozicioni hapësinor i përcjellësve.
Ka kaluar pak kohë që nga shfaqja e konceptit të metamaterialeve dhe zbatimet e tyre të para, dhe njerëzit kuptuan se si t'i përdorin ato në MRI. Disavantazhi kryesor i metamaterialeve është se diapazoni i ngushtë i funksionimit nuk është problem për MRI, ku të gjitha proceset ndodhin pothuajse në të njëjtën frekuencë të rezonancës magnetike bërthamore, e cila shtrihet në diapazonin e radios. Këtu mund të krijoni meta-atome me duart tuaja dhe menjëherë të shihni se çfarë ndodh në foto. Një nga karakteristikat e para që studiuesit zbatuan në MRI duke përdorur metamateriale ishin superlentet dhe endoskopët.
Në anën e majtë nën shkronjën a) shfaqet një superlentë, e përbërë nga një grup rezonatorësh tre-dimensionale në bordet e qarkut të printuar. Çdo rezonator është një unazë e hapur metalike me një kondensator të bashkuar, duke formuar një qark LC të akorduar në frekuencën MRI. Më poshtë është një shembull i vendosjes së kësaj strukture metamateriale midis këmbëve të një pacienti që i nënshtrohet një procedure tomografie dhe, në përputhje me rrethanat, imazhet që rezultojnë. Nëse më parë nuk e keni përçmuar këshillën për të lexuar artikullin tim të mëparshëm mbi MRI, atëherë tashmë e dini se për të marrë një imazh të ndonjë pjese të trupit të pacientit, është e nevojshme të mblidhni sinjale bërthamore të dobëta, të prishura me shpejtësi duke përdorur një vendndodhje të afërt. antenë - një spirale.
Super thjerrëza metamateriale ju lejon të rritni gamën e veprimit të një spirale standarde. Për shembull, vizualizoni të dyja këmbët e pacientit menjëherë në vend të njërës. Lajmi i keq është se pozicioni i superlentës duhet të zgjidhet në një mënyrë të caktuar për efektin më të mirë, dhe vetë superlentja është mjaft e shtrenjtë për t'u prodhuar. Nëse ende nuk e kuptoni pse kjo lente quhet super-prefiks, atëherë vlerësoni madhësinë e saj nga fotografia dhe më pas kuptoni se funksionon me një gjatësi vale prej rreth pesë metrash!
Shkronja b) tregon dizajnin e endoskopit. Në thelb, një endoskop MRI është një grup telash paralele që vepron si një valëzues. Kjo ju lejon të ndani në mënyrë hapësinore rajonin nga i cili spiralja merr sinjalin nga bërthamat dhe vetë spiralja në një distancë të konsiderueshme - deri në pikën që antena marrëse mund të vendoset plotësisht jashtë kriostatit të tomografit, larg nga magneti konstant. fushë. Fotografitë e poshtme të skedës b) tregojnë imazhe të marra për një enë speciale të mbushur me lëng - një fantazmë. Dallimi midis tyre është se imazhet e emërtuara "endoskop" janë marrë kur spiralja ishte në një distancë të mirë nga fantazma, ku pa endoskopin sinjalet nga bërthamat do të ishin krejtësisht të pamundura për t'u zbuluar.
Nëse flasim për një nga fushat më premtuese të aplikimit të metamaterialeve në MRI, dhe më e afërta me zbatimin praktik të saj (në të cilën përfundimisht u përfshiva) është krijimi i mbështjelljeve pa tel. Vlen të sqarohet se këtu nuk po flasim për Bluetooth ose teknologji tjetër të transferimit të të dhënave pa tel. "Wireless" në këtë rast nënkupton praninë e bashkimit induktiv ose kapacitiv të dy strukturave rezonante - një antenë marrëse, si dhe një metamaterial. Në koncept duket kështu:
Në të majtë tregohet se si zakonisht zhvillohet një procedurë MRI: pacienti shtrihet brenda një kriostati në një zonë me një fushë magnetike statike uniforme. Një antenë e madhe e quajtur "kafaz zogjsh" është montuar në tunelin e tomografit. Një antenë e këtij konfigurimi ju lejon të rrotulloni vektorin e fushës magnetike të frekuencës së radios me frekuencën e precesionit të bërthamave të hidrogjenit (për makinat klinike kjo është zakonisht nga 40 në 120 MHz në varësi të madhësisë së fushës magnetike statike nga 1T në 3T, përkatësisht), duke bërë që ata të thithin energji dhe më pas të lëshojnë energji në përgjigje. Sinjali i përgjigjes nga bërthamat është shumë i dobët dhe deri në momentin që të arrijë te përcjellësit e një antene të madhe, në mënyrë të pashmangshme do të zbehet. Për këtë arsye, MRI përdor spirale lokale të vendosura ngushtë për të marrë sinjale. Fotografia në qendër, për shembull, tregon një situatë tipike të skanimit të gjurit. Duke përdorur metamateriale, është e mundur të bëhet një rezonator që do të lidhet në mënyrë induktive me një kafaz zogjsh. Mjafton të vendosni një gjë të tillë pranë zonës së dëshiruar të trupit të pacientit dhe sinjali prej andej do të merret jo më keq sesa me një spirale lokale! Nëse koncepti zbatohet me sukses, pacientët nuk do të duhet më të ngatërrohen në tela dhe procedura e diagnostikimit MRI do të bëhet më e rehatshme.
Pikërisht këtë lloj gjëje u përpoqa të krijoja në fillim, duke mbushur telat me ujë dhe duke u përpjekur të skanoja një portokall. Telat e zhytur në ujë që nga fotografia e parë në këtë artikull nuk janë asgjë më shumë se meta-atome, secila prej të cilave përfaqëson një dipol gjysmë-valë - një nga modelet më të famshme të antenave, i njohur për çdo radio amator.
Ata janë zhytur në ujë jo që të mos marrin flakë në MRI (edhe pse edhe për këtë qëllim)), por në mënyrë që, për shkak të konstantës së lartë dielektrike të ujit, të zvogëlojnë gjatësinë e tyre rezonante saktësisht me një sasi të barabartë me katrorin. rrënja e konstantës dielektrike të ujit.
Ky çip është përdorur prej kohësh në marrësit e radios, duke mbështjellë tela në një pjesë të ferritit - të ashtuquajturat. antenë ferrit. Vetëm ferriti ka një përshkueshmëri të lartë magnetike, dhe jo dielektrike, e cila, megjithatë, funksionon në të njëjtën mënyrë dhe lejon që dimensionet rezonante të antenës të zvogëlohen në përputhje me rrethanat. Fatkeqësisht, nuk mund të vendosni ferrit në një MRI, sepse ... është magnetike. Uji është një alternativë e lirë dhe e arritshme.
Është e qartë se për të llogaritur të gjitha këto gjëra, ju duhet të ndërtoni modele komplekse matematikore që marrin parasysh marrëdhëniet midis elementeve rezonante, parametrave mjedisorë dhe burimeve të rrezatimit... ose mund të përfitoni nga frytet e progresit dhe softueri për elektromagnetike numerike. modelimi, të cilin edhe një nxënës i shkollës mund ta kuptojë lehtësisht (shembuj më të mrekullueshëm - CST, HFSS). Softueri ju lejon të krijoni modele 3D të rezonatorëve, antenave, qarqeve elektrike, të shtoni njerëz në to - po, në fakt, çdo gjë, pyetja e vetme është imagjinata juaj dhe fuqia kompjuterike e disponueshme. Modelet e ndërtuara ndahen në rrjete, në nyjet e të cilave zgjidhen ekuacionet e njohura të Maksuellit.
Këtu, për shembull, është një simulim i fushës magnetike të radiofrekuencës brenda antenës së kafazit të shpendëve të përmendur më parë:
Menjëherë bëhet mjaft e qartë se si rrotullohet fusha. Situata në të majtë tregohet kur ka një kuti me ujë brenda antenës, dhe në të djathtë - kur e njëjta kuti është në një rezonator të bërë nga tela me gjatësi rezonante. Ju mund të shihni se si fusha magnetike është rritur ndjeshëm nga telat. Pasi zotërova CST-në dhe optimizova dizajnin tim atje, bëra edhe një herë një metamaterial, i cili në fakt bëri të mundur përforcimin e sinjalit në një tomograf standard klinik 1.5T MRI. Ishte ende një kuti (edhe pse më e bukur, prej pleksiglasi), e mbushur me ujë dhe një sërë telash. Këtë herë, struktura u optimizua për sa i përket kushteve rezonante, përkatësisht: përzgjedhja e gjatësisë së telave, pozicioni i tyre dhe sasia e ujit. Ja çfarë ndodhi me domatet:
Skanimi i parë i domates u krye me një antenë të madhe. Rezultati ishte vetëm zhurmë me skica mezi të dukshme. Herën e dytë vendosa frutat në një strukturë rezonance të sapopjekur. Unë nuk kam ndërtuar harta me ngjyra apo diçka të tillë, pasi efekti është i dukshëm. Kështu, nga përvoja ime, megjithëse kalova shumë kohë, vërtetova se koncepti funksionon.
Është e qartë se çfarë po mendoni - portokall, domate - kjo është e gjitha e gabuar, ku janë sprovat njerëzore?
Ata vërtet ishin :
Dora e një vullnetari që i nënshtrohet një MRI shtrihet në të njëjtën kuti. Uji aktual në kuti, pasi përmban hidrogjen, është gjithashtu i dukshëm. Sinjali përforcohet në zonën e kyçit të dorës që shtrihet në rezonator, ndërsa të gjitha pjesët e tjera të trupit janë dobët të dukshme. Është e qartë se i njëjti efekt, dhe ndoshta edhe më i mirë, mund të arrihet duke përdorur mbështjellje standarde klinike. Por vetë fakti që mund të bëni gjëra të tilla thjesht duke kombinuar në hapësirë ujin dhe telat, duke i kombinuar në mënyrën e duhur, është i mahnitshëm. Akoma më e habitshme, njohuritë për këtë mund të fitohen përmes studimit të fenomeneve në dukje të palidhura, siç është thyerja e dritës.
Për ata që nuk janë lodhur akomaPër momentin, dizajni i kutisë së ujit tashmë është përmirësuar. Tani është thjesht një tabelë e sheshtë e qarkut të printuar që ju lejon të lokalizoni fushën magnetike të një antene të madhe të jashtme pranë jush. Për më tepër, zona e saj e punës është më e madhe se ajo e dizajnit të mëparshëm:
Shiritat me ngjyra tregojnë forcën e fushës magnetike mbi strukturën kur ngacmohen nga një burim i jashtëm i valëve elektromagnetike. Struktura e sheshtë është një linjë transmetimi tipike e njohur në inxhinierinë radio, por gjithashtu mund të konsiderohet si një metamaterial për MRI. Kjo "spiralë me valë" tashmë mund të konkurrojë me mbështjelljet standarde për sa i përket uniformitetit të fushës së krijuar në një thellësi të caktuar në objektin e skanuar:
Animacioni tregon një hartë me ngjyra shtresë pas shtrese të sinjalit brenda një kutie uji në një MRI. Ngjyra tregon intensitetin e sinjaleve nga bërthamat e hidrogjenit. Në këndin e sipërm të majtë, një segment i një spirale standarde të skanimit të pasmë përdoret si marrës. Këndi i poshtëm i majtë është kur kutia vendoset në një rezonator në formën e një bord qarku të printuar. Poshtë djathtas - sinjali merret nga një antenë e madhe e ndërtuar në tunelin e tomografit. Krahasova uniformitetin e sinjalit në zonën e përshkruar nga drejtkëndëshi. Në disa lartësi, metamateriali performon më mirë se spiralja për sa i përket uniformitetit të sinjalit. Për qëllime klinike, kjo mund të mos jetë një arritje shumë e rëndësishme, por kur bëhet fjalë për instalimet shkencore të MRI ku skanohen minjtë, mund të ndihmojë në arritjen e një rritje të sinjalit dhe një ulje të fuqisë së kërkuar të pulseve emocionuese të radios.
Rreth "përmirësuar me 2 herë" në fillim të artikullit - natyrisht, ky është një tjetër fryt i dashurisë së pakërkuar të gazetarëve për shkencëtarët, megjithatë, është gjithashtu e gabuar të thuhet se ky është një hulumtim bosh, i cili mbështetet nga interesi për këtë temë në grupet shkencore në mbarë botën. Çuditërisht, puna po kryhet edhe këtu në Rusi, megjithëse bazuar në përvojën time thjesht personale, ky është 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 pamje të mirë, mos harroni për fushat elektrike që çojnë në ngrohjen e indeve, si dhe thithjen e energjisë së fushës së radiofrekuencës nga indet e pacientëve që i nënshtrohen ekzaminimit. Për këto gjëra, në përdorim klinik, duhet të ketë një kontroll të veçantë, i cili bëhet shumë më i ndërlikuar kur përdoren rezonatorë lokalizues në terren. Për momentin, metamaterialet për MRI mbeten brenda fushës së kërkimit shkencor, por rezultatet e marra tashmë janë shumë interesante dhe ndoshta në të ardhmen, falë tyre, procedura e MRI do të ndryshojë për mirë, duke u bërë më e shpejtë dhe më e sigurt.
Burimi: www.habr.com