Шрафцигер ми је звиждао поред уха. Уз гласну звоњаву, укочила се на телу криостата. Псујући у себи, одлучио сам да направим паузу. Одвртање вијака у магнетном пољу од 1.5 Тесла помоћу челичног алата није добра идеја. Поље, као невидљиви непријатељ, непрестано покушава да отме инструмент из руку, оријентише га дуж његових линија силе и усмери што ближе електронима који у затвореном кругу трче из суперпроводника. Међутим, ако заиста морате да победите закисељена једињења од пре много година, нема много избора. Сео сам за компјутер и по навици листао вести. „Руски научници су побољшали магнетну резонанцу за 2 пута!“ - гласио је сумњив наслов.
Пре отприлике годину дана, ми и схватио суштину његовог рада. Препоручујем вам да освежите сећање на тај материјал пре него што прочитате овај чланак.
Из разних разлога, па и историјских, данас у Русији производњу тако сложене опреме као што су скенери за магнетну резонанцу високог поља. Међутим, ако живите у већем граду, лако можете пронаћи клинике које пружају ову врсту услуге. Истовремено, флоту МР скенера често представља половна опрема, некада увезена из САД и Европе, а ако изненада морате да посетите клинику са МРИ, немојте да вас завара прелеп изглед уређаја - може бити у другој деценији. Због тога се таква опрема понекад поквари, а ја сам дуго био један од оних људи који су покварене томографе враћали у сервис, како би пацијенти наставили на дијагностику, а власници профитирали.
Све док једног лепог дана, у паузи између опасних забава са огромним магнетним пољима, нисам наишао на занимљив натпис у вести: „Руски научници заједно са холандским колегама користећи метаматеријале“. Непотребно је рећи да ми је сама чињеница да Русија спроводи истраживања опреме, чија производња никада није савладана, деловала веома, веома контроверзно. Одлучио сам да је ово само још једна рунда грантова, разводњених неразумљивим научним фразама попут „нанотехнологије“ које су се већ сви заситили. Потрага за информацијама на тему рада домаћих научника са магнетном резонанцом и метаматеријалима довела ме је до чланка који садржи опис једноставног експеримента који бих лако могао да поновим, пошто је апарат за магнетну резонанцу увек при руци.
Слика из , посвећен побољшању МРИ сигнала помоћу такозваног „метаматеријала“. У типичном клиничком 1.5 - Термичком апарату, уместо пацијента, учитава се метаматеријал, у виду базена са водом, унутар којег се налазе паралелне жице одређене дужине. На жицама лежи предмет проучавања - риба (нежива). Слике на десној страни су МРИ слике рибе, са мапом боја која се надовезује на интензитет сигнала језгара водоника. Види се да када риба лежи на жицама, сигнал је много бољи него без њих. Време скенирања је исто у оба случаја, што доказује да је ефикасност скенирања побољшана. Чланак је такође пажљиво укључен
формула
да израчунам дужину жица у зависности од радне фреквенције томографа, који сам користио. Направио сам свој метаматеријал од кивете и низа бакарних жица, опремљених 3Д штампаним пластичним затварачима:
Мој први метаматеријал. Одмах након производње стављен је у томограф од 1 Тесла. Наранџа је деловала као објекат за скенирање.
Међутим, уместо обећаног побољшања сигнала, добио сам гомилу артефаката који су потпуно покварили слику! Мојем огорчењу није било граница! Након што сам завршио тему, написао сам писмо ауторима чланка чије се значење може свести на питање „Шта...?“
Аутори су ми одговорили прилично брзо. Били су прилично импресионирани да неко покушава да понови њихове експерименте. У почетку су дуго покушавали да ми објасне како метаматеријали заправо функционишу, користећи термине „Фабри-Перот резонанције”, „интринзични модови” и све врсте радио фреквенцијских поља у запремини. Онда су, очигледно схвативши да уопште не разумем о чему причају, одлучили да ме позову да их посетим како бих могао уживо да погледам њихов развој и уверим се да и даље функционише. Бацио сам свој омиљени лемилицу у ранац и отишао у Санкт Петербург, на Национални истраживачки универзитет за информационе технологије, механику и оптику (како се испоставило, тамо се не школују само програмери).
Био сам срдачно дочекан на лицу места, и одједном су ми понудили посао, јер су били импресионирани мојим ровом са жицама и потребна им је особа да направи нове. Заузврат, обећали су да ће ми детаљно објаснити све што ме занима и да ћу похађати курс из радиофизике и магнетне резонанце, који је, срећним стицајем околности, почео баш те године. Моја жеђ за знањем је победила, а затим сам током целе године учио, радио пројекте и радио, постепено сазнавајући све више и више нових ствари о историји магнетне резонанце, као и о стању савремене науке у овој области, што ћу поделите овде.
Метода предложеног побољшања МРИ, а проучавана у поменутим научним чланцима, заснива се на тзв. „метаматеријалима“. Метаматеријал, као и многа друга открића, свој изглед дугују неочекиваним решењима добијеним на основу теоријских истраживања. Совјетски научник Виктор Веселаго је 1967. године, радећи на теоријском моделу, сугерисао постојање материјала са негативним индексом преламања. Као што сте већ разумели, говоримо о оптици, а вредност овог коефицијента, грубо говорећи, значи колико ће светлост променити свој правац када прође кроз границу између различитих медија, на пример ваздуха и воде. Лако можете сами да се уверите да се ово заиста дешава:
Једноставан експеримент који користи ласерски показивач и акваријум за демонстрирање преламања светлости.
Занимљива чињеница која се може научити из таквог експеримента је да се сноп не може преломити у истом правцу одакле је пао на интерфејс, ма колико се експериментатор трудио. Овај експеримент је изведен са свим природним супстанцама, али се сноп тврдоглаво преламао само у једном правцу. Математички, то значи да су индекс преламања, као и његове саставне величине, диелектрична и магнетна пермеабилност, позитивни и никада није примећен другачије. Бар док В. Веселаго није одлучио да проучи ово питање и показао да теоретски не постоји ниједан разлог зашто индекс преламања не може бити негативан.
Слика са Викија која показује разлику између позитивних и негативних индексних медија. Као што видимо, светлост се понаша потпуно неприродно, у поређењу са нашим свакодневним искуством.
В. Веселаго је дуго покушавао да пронађе доказе о постојању материјала са негативним индексом преламања, али је потрага била неуспешна, а његов рад је незаслужено заборављен. Тек почетком наредног века вештачки су створене композитне структуре које су оствариле описана својства, али не у оптичком, већ у нижем микроталасном фреквенцијском опсегу. Што је била прекретница, јер је сама могућност постојања оваквих материјала отварала нове перспективе. На пример – стварање , способан да увећава објекте чак и мање од таласне дужине светлости. Или - апсолутне маскирне невидљиве облоге, сан свих војних лица. Урађене су велике измене у теорији како би се узели у обзир нови подаци. Кључ успеха била је употреба уређених структура резонантних елемената – метаатома, чија је величина много мања од таласне дужине зрачења са којим ступају у интеракцију. Уређена структура мета-атома је вештачки композит који се назива метаматеријал.
Практична примена метаматеријала и данас је технолошки сложена, пошто величина резонантних честица мора бити упоредива са мањом од таласне дужине електромагнетног зрачења. За оптички опсег (где је таласна дужина нанометри), такве технологије су на челу напретка. Стога не чуди што су први представници концепта метаматеријала створени за релативно дуже електромагнетне таласе из радио опсега (који имају познатију дужину од мм до м). Главна карактеристика и истовремено недостатак било ког метаматеријала је последица резонантне природе његових саставних елемената. Метаматеријал може показати своја чудесна својства само на одређеним фреквенцијама.
Ограничене фреквенције.Стога, на пример, следећи пут када видите нешто попут ометача супер-звука заснованог на метаматеријалима, питајте који опсег фреквенција заправо омета.
Типични примери метаматеријала који омогућавају интеракцију са електромагнетним таласима. Структуре проводника нису ништа друго до мали резонатори, ЛЦ кола формирана просторним положајем проводника.
Прошло је мало времена од појаве концепта метаматеријала и њихове прве имплементације, а људи су схватили како да их користе у МРИ. Главни недостатак метаматеријала је што уски радни опсег није проблем за МРИ, где се сви процеси одвијају на скоро истој фреквенцији нуклеарне магнетне резонанце, која лежи у радио опсегу. Овде можете креирати мета-атоме својим рукама и одмах видети шта се дешава на сликама. Једна од првих карактеристика коју су истраживачи применили у МРИ користећи метаматеријале била су супер сочива и ендоскопи.
На левој страни под словом а) приказано је суперсочиво које се састоји од тродимензионалног низа резонатора на штампаним плочама. Сваки резонатор је отворени метални прстен са залемљеним кондензатором, који формира ЛЦ коло подешено на фреквенцију МРИ. Испод је пример постављања ове метаматеријалне структуре између ногу пацијента који је подвргнут процедури томографије и, сходно томе, резултујућих слика. Ако раније нисте презрели савет да прочитате мој претходни чланак о МРИ, онда већ знате да је за добијање слике било ког дела пацијентовог тела неопходно прикупити слабе, брзо распадајуће нуклеарне сигнале користећи блиско лоцирани антена - калем.
Супер сочиво од метаматеријала вам омогућава да повећате опсег деловања стандардне завојнице. На пример, визуализујте обе ноге пацијента одједном уместо само једне. Лоша вест је да се положај суперсочива мора изабрати на одређени начин за најбољи ефекат, а само суперсочиво је прилично скупо за производњу. Ако још увек не разумете зашто се ово сочиво назива супер-префиксом, онда процените његову величину са фотографије, а затим схватите да ради на таласној дужини од око пет метара!
Слово б) приказује дизајн ендоскопа. У суштини, МРИ ендоскоп је низ паралелних жица који делује као таласовод. Омогућава вам да просторно одвојите регион из којег калем прима сигнал од језгара и саму завојницу на знатној удаљености - до те мере да се пријемна антена може налазити потпуно изван криостата томографа, далеко од константног магнетног поље. Доње слике картице б) приказују слике добијене за посебан суд испуњен течношћу - фантом. Разлика између њих је у томе што су слике са ознаком „ендоскоп” добијене када је калем био на пристојној удаљености од фантома, где би без ендоскопа сигнале из језгара било потпуно немогуће детектовати.
Ако говоримо о једној од најперспективнијих области примене метаматеријала у МРИ, а најближа њеној практичној примени (у коју сам се на крају укључио) је стварање бежичних калемова. Вреди појаснити да овде не говоримо о Блуетоотх или некој другој технологији бежичног преноса података. „Бежични“ у овом случају значи присуство индуктивне или капацитивне спреге две резонантне структуре - примопредајне антене, као и метаматеријала. У концепту то изгледа овако:
На левој страни је приказано како се обично одвија МРИ процедура: пацијент лежи у криостату у области уједначеног статичког магнетног поља. Велика антена која се зове "кавез за птице" постављена је у тунел за томограф. Антена ове конфигурације вам омогућава да ротирате вектор магнетног поља радио фреквенције са фреквенцијом прецесије језгара водоника (за клиничке машине то је обично од 40 до 120 МХз у зависности од величине статичког магнетног поља од 1Т до 3Т, односно), узрокујући да апсорбују енергију, а затим емитују енергију као одговор. Сигнал одговора из језгара је веома слаб и док стигне до проводника велике антене, неизбежно ће избледети. Из тог разлога, МРИ користи блиско распоређене локалне завојнице за пријем сигнала. Слика у средини, на пример, приказује типичну ситуацију скенирања колена. Користећи метаматеријале, могуће је направити резонатор који ће бити индуктивно спојен на кавез за птице. Довољно је поставити такву ствар близу жељеног подручја пацијентовог тела и сигнал одатле ће бити примљен ништа горе него са локалном завојницом! Ако се концепт успешно примени, пацијенти више неће морати да се петљају у жице, а дијагностичка процедура МРИ ће постати удобнија.
То је управо оно што сам покушао да направим на почетку, тако што сам напунио жице водом и покушао да скенирам поморанџу. Жице потопљене у воду са прве слике у овом чланку нису ништа друго до мета-атоми, од којих сваки представља полуталасни дипол - један од најпознатијих дизајна антена, познат сваком радио-аматеру.
Потопљени су у воду не да се не би запалили на магнетној резонанцији (мада и за ову сврху)), већ да би, због високе диелектричне константе воде, смањили своју резонантну дужину тачно за износ једнак квадрату. корен диелектричне константе воде.
Овај чип се дуго користио у радио пријемницима, намотавајући жицу на комад ферита - тзв. феритна антена. Само ферит има високу магнетну пермеабилност, а не диелектричну, која, међутим, ради на исти начин и омогућава да се сходно томе смање резонантне димензије антене. Нажалост, не можете ставити ферит у МРИ, јер... магнетно је. Вода је јефтина и приступачна алтернатива.
Јасно је да је за израчунавање свих ових ствари потребно изградити сложене математичке моделе који узимају у обзир однос између резонантних елемената, параметара околине и извора зрачења... или можете искористити плодове напретка и софтвера за нумеричку електромагнетну моделирање, које чак и школарац може лако разумети (најупечатљивији примери - ЦСТ, ХФСС). Софтвер вам омогућава да креирате 3Д моделе резонатора, антена, електричних кола, да им додате људе - да, у ствари, било шта, само је питање ваше маште и расположиве рачунарске снаге. Конструисани модели су подељени на мреже у чијим чворовима су решене познате Максвелове једначине.
Ево, на пример, симулације магнетног поља радио фреквенције унутар претходно поменуте антене кавеза за птице:
Одмах постаје сасвим јасно како се поље окреће. Лево је приказана ситуација када се унутар антене налази кутија воде, а десно - када је иста кутија на резонатору направљеном од жица резонантне дужине. Можете видети како је магнетно поље значајно појачано жицама. Након што сам савладао ЦСТ и оптимизовао свој дизајн тамо, још једном сам направио метаматеријал, који је заправо омогућио појачавање сигнала у стандардном клиничком 1.5Т МРИ томографу. И даље је то била кутија (мада лепша, направљена од плексигласа), напуњена водом и низом жица. Овога пута, структура је оптимизована у смислу резонантних услова, и то: избор дужине жица, њихов положај и количина воде. Ево шта се десило са парадајзом:
Прво скенирање парадајза обављено је великом антеном. Резултат је био само бука са једва видљивим обрисима. Други пут сам ставио воће на свеже печену резонантну структуру. Нисам правио мапе у боји или нешто слично, пошто је ефекат очигледан. Тако сам из сопственог искуства, иако сам провео доста времена, доказао да концепт функционише.
Јасно је шта мислите - поморанџе, парадајз - то је све погрешно, где су испитивања на људима?
Заиста су били :
Рука волонтера који се подвргава магнетној резонанцији лежи на истој кутији. Права вода у кутији, пошто садржи водоник, такође је јасно видљива. Сигнал се појачава у пределу зглоба који лежи на резонатору, док су сви остали делови тела слабо видљиви. Јасно је да се исти ефекат, а можда и бољи, може постићи коришћењем стандардних клиничких калемова. Али сама чињеница да такве ствари можете учинити једноставним просторним комбиновањем воде и жица, комбинујући их на прави начин, је невероватна. Што је још невјероватније, сазнање о томе може се стећи проучавањем наизглед неповезаних феномена, као што је преламање свјетлости.
За оне који још нису уморниТренутно је дизајн водене кутије већ побољшан. Сада је то само равна штампана плоча која вам омогућава да локализујете магнетно поље спољне велике антене у вашој близини. Штавише, његова радна површина је већа од оне код претходног дизајна:
Обојене траке означавају јачину магнетног поља изнад структуре када је побуђена спољним извором електромагнетних таласа. Равна структура је типичан далековод познат у радиотехници, али се такође може сматрати метаматеријалом за МРИ. Овај „бежични калем“ већ може да се такмичи са стандардним калемовима у смислу униформности генерисаног поља на одређеној дубини у скенираном објекту:
Анимација приказује слој-по-слој мапу боја сигнала унутар кутије са водом у МРИ. Боја означава интензитет сигнала из језгара водоника. У горњем левом углу, као пријемник се користи сегмент стандардне задње завојнице за скенирање. Доњи леви угао је када се кутија поставља на резонатор у облику штампане плоче. Доле десно - сигнал прима велика антена уграђена у тунел томографа. Упоредио сам униформност сигнала у области оцртаној правоугаоником. На некој надморској висини, метаматеријал ради боље од завојнице у смислу униформности сигнала. За клиничке сврхе, ово можда и није веома важно достигнуће, али када је реч о научним МРИ инсталацијама где се пацови скенирају, може помоћи да се постигне повећање сигнала и смањење потребне снаге узбудљивих радио импулса.
О „побољшаном за 2 пута“ на почетку чланка - наравно, ово је још један плод неузвраћене љубави новинара према научницима, међутим, такође је погрешно рећи да је ово празно истраживање, које поткрепљује интересовањем за ову тему у научним групама широм света. Изненађујуће, рад се обавља и овде у Русији, иако је то, на основу мог чисто личног искуства, прилично редак изузетак. Још увек има много нерешених проблема повезаних са употребом метаматеријала у МРИ. Поред локализације магнетних поља за добијање добре слике, не заборавите на електрична поља која доводе до загревања ткива, као и на апсорпцију енергије радиофреквентног поља од стране ткива пацијената на прегледу. За ове ствари, у клиничкој употреби, мора постојати посебна контрола, која постаје много компликованија када се користе резонатори за локализацију поља. За сада, метаматеријали за магнетну резонанцу остају у оквиру научних истраживања, али су добијени резултати већ веома интересантни и можда ће се у будућности, захваљујући њима, поступак МР променити на боље, постати бржи и сигурнији.
Извор: ввв.хабр.цом