Obeng cingogo ngaliwatan ceuli kuring. Kalayan sora hurung anu nyaring, anjeunna beku dina awak cryostat. Ngutuk sorangan, kuring mutuskeun pikeun istirahat. Unscrewing bolts dina médan magnét 1.5 Tesla ngagunakeun alat baja teu mangrupakeun ide nu sae. Médan, kawas musuh halimunan, terus nyoba snatch instrumen ti leungeun, oriented sapanjang garis kakuatan sarta ngarahkeun eta sacaket mungkin ka éléktron ngajalankeun dina bunderan katutup ti superkonduktor nu. Nanging, upami anjeun leres-leres kedah ngelehkeun sanyawa asam ti sababaraha taun ka pengker, teu aya seueur pilihan. Kuring diuk handap dina komputer tur habitually scrolled ngaliwatan news feed. "Élmuwan Rusia parantos ningkatkeun MRI ku 2 kali!" - baca judul anu curiga.
Ngeunaan sataun katukang, urang tur ngartos hakekat karyana. Kuring nyarankeun pisan yén anjeun nyegerkeun mémori tina bahan éta sateuacan maca tulisan ieu.
Pikeun sagala rupa alesan, kaasup sajarah, di Rusia kiwari produksi alat-alat kompleks sapertos scanner résonansi magnét médan luhur. Nanging, upami anjeun cicing di kota anu langkung ageung, anjeun tiasa mendakan klinik anu nyayogikeun jinis jasa ieu. Dina waktos anu sami, armada scanner MRI sering diwakilan ku alat-alat anu dianggo, sakali diimpor ti Amérika Serikat sareng Éropa, sareng upami anjeun ujug-ujug kedah nganjang ka klinik kalayan MRI, ulah dibobodo ku penampilan anu saé alat - eta meureun ogé dina dékade kadua na. Hasilna, alat-alat sapertos kadang ngarecah, sarta pikeun lila kuring salah sahiji jalma anu balik tomographs rusak ka layanan, ku kituna penderita bisa neruskeun ngajalanan diagnostics, sarta boga bisa nyieun untung.
Dugi ka hiji dinten anu saé, nalika istirahat antara hiburan anu bahaya sareng médan magnét anu ageung, kuring mendakan prasasti anu pikaresepeun dina feed warta: "Élmuwan Rusia sareng kolega Walanda. ngagunakeun metamaterial." Gunana pikeun nyebutkeun, kanyataan yén Rusia geus ngalakonan panalungtikan ngeunaan alat-alat, produksi nu teu kungsi mastered, seemed kuring pisan, pisan kontroversial. Kuring mutuskeun yén ieu ngan ukur hibah anu sanés, éncér sareng kecap-kecap ilmiah anu teu kaharti sapertos "nanoteknologi" anu sadayana parantos tuang. Pilarian inpormasi ngeunaan topik karya élmuwan domestik sareng MRI sareng metamaterial nyababkeun kuring kana tulisan anu ngandung pedaran percobaan saderhana anu kuring gampang tiasa ngulang, sabab mesin MRI sok aya di tangan.
Gambar ti , dedicated ka enhancing sinyal MRI ngagunakeun nu disebut "metamaterial". Dina klinis has 1.5 - aparat termal, tinimbang sabar, metamaterial dieusian, dina bentuk baskom cai, di jerona aya kawat paralel tina panjangna tangtu. Dina kawat perenahna objék ulikan - lauk (non-hirup). Gambar di beulah katuhu nyaéta gambar MRI lauk, kalayan peta warna anu ditumpangkeun nunjukkeun intensitas sinyal inti hidrogén. Ieu bisa ditempo yén lamun lauk perenahna dina kawat, sinyal leuwih hadé ti tanpa aranjeunna. Waktu scanning sarua dina duanana kasus, nu ngabuktikeun yén efisiensi scanning ngaronjat. Artikel ogé taliti kaasup
rumus na
keur ngitung panjang kawat gumantung kana frékuénsi operasi tina tomograph, nu kuring dipaké. Kuring nyieun metamaterial kuring tina cuvette sareng sakumpulan kawat tambaga, nyayogikeun aranjeunna kalayan pengikat plastik anu dicitak 3D:
Metamaterial munggaran kuring. Langsung saatos produksi éta nempatkeun kana tomograph 1 Tesla. Jeruk bertindak salaku obyék pikeun di-scan.
Nanging, tibatan paningkatan sinyal anu dijanjikeun, kuring nampi sakumpulan artefak anu lengkep ngarusak gambar! Amarah kuring henteu terang wates! Saatos ngabéréskeun topik, kuring nyerat surat ka panulis tulisan, anu hartosna tiasa diréduksi jadi patarosan "Naon ...?"
Panulis ngabales kuring cukup gancang. Aranjeunna rada impressed yén batur ieu nyoba ngayakeun réplikasi percobaan maranéhanana. Mimitina aranjeunna nyobian pikeun lila ngajelaskeun ka kuring kumaha metamaterial sabenerna jalan, ngagunakeun istilah "résonansi Fabry-Perot", "mode intrinsik", sarta sagala sorts widang frékuénsi radio dina volume. Teras, katingalina sadar yén kuring henteu ngartos pisan naon anu aranjeunna nyarioskeun, aranjeunna mutuskeun pikeun ngajak kuring nganjang ka aranjeunna supados kuring tiasa ningali kamajuanana langsung sareng mastikeun yén éta masih tiasa dianggo. Kuring threw beusi soldering favorit abdi kana ransel kuring sarta indit ka St.
Kuring ieu warmly tampi di situs, sarta ujug-ujug, aranjeunna nawiskeun kuring pakasaban, sabab éta impressed kalawan solokan abdi kalayan kawat sarta aranjeunna diperlukeun hiji jalma pikeun nyieun anyar. Sabalikna, aranjeunna jangji pikeun ngajelaskeun sacara rinci sadayana anu dipikaresep ku kuring sareng nyandak kursus pelatihan radiofisika sareng MRI, anu, ku kabeneran untung, dimimitian persis taun éta. Haus kuring pikeun pangaweruh meunang, lajeng, sapanjang taun, kuring diajar, ngalakukeun proyék jeung digawé, laun diajar beuki loba hal anyar ngeunaan sajarah résonansi magnét, kitu ogé kaayaan elmu modern di wewengkon ieu, nu bakal. bagikeun di dieu.
Metodeu perbaikan diusulkeun tina MRI, sarta diulik dina artikel ilmiah disebutkeun, dumasar kana nu disebut "metamaterials". Metamaterials, sapertos seueur pamanggihan anu sanés, ngahutang penampilanna kana solusi anu teu disangka-sangka anu diala dina dasar panalungtikan téoritis. Élmuwan Soviét, Viktor Veselago, dina 1967, digawé dina modél téoritis, ngusulkeun ayana bahan kalawan indéks réfraktif négatip. Sakumaha anjeun parantos ngartos, urang nyarioskeun ngeunaan élmu optik, sareng nilai koefisien ieu, kasarna nyarios, hartosna sabaraha cahaya bakal ngarobih arahna nalika ngalangkungan wates antara média anu béda, contona hawa sareng cai. Anjeun tiasa sacara gampil pariksa pikeun diri yén ieu leres-leres kajadian:
Hiji percobaan basajan ngagunakeun pointer laser sarta akuarium pikeun demonstrate réfraksi cahaya.
Kanyataan anu pikaresepeun anu tiasa diajar tina ékspérimén sapertos kitu nyaéta balok henteu tiasa diréfraksi dina arah anu sami ti mana éta murag kana antarmuka, henteu paduli kumaha keras ékspérimén nyobian. Ékspérimén ieu dilaksanakeun sareng sadaya zat alami, tapi sinarna nekad diréfraksi dina hiji arah. Sacara matematis, ieu ngandung harti yén indéks réfraktif, ogé kuantitas konstituénna, diéléktrik sareng perméabilitas magnét, positip, sareng éta henteu kantos dititénan sanés. Sahenteuna dugi V. Veselago mutuskeun pikeun diajar masalah ieu sarta némbongkeun yén sacara téoritis teu aya alesan tunggal naha indéks réfraktif teu bisa négatip.
Gambar tina Wiki nunjukkeun bédana antara média indéks positif sareng négatip. Salaku urang tingali, lampu behaves lengkep unnaturally, dibandingkeun pangalaman urang sapopoé.
V. Veselago diusahakeun lila pikeun manggihan bukti ayana bahan kalawan indéks réfraktif négatip, tapi pilarian éta gagal, sarta karyana ieu undeservedly poho. Ieu ngan dina awal abad ka hareup yén struktur komposit dijieun sacara artifisial anu sadar sipat digambarkeun, tapi teu di optik, tapi dina rentang frékuénsi gelombang mikro handap. Nu ieu titik balik, saprak pisan kamungkinan ayana bahan misalna dibuka nepi prospek anyar. Contona - kreasi , sanggup ngagedekeun objék malah leuwih leutik batan panjang gelombang cahaya. Atawa - panutup halimunan kamuflase mutlak, impian sadaya tanaga militér. Amandemen utama dilakukeun kana téori pikeun tumut kana data anyar. Konci pikeun kasuksésan éta ngagunakeun struktur maréntahkeun elemen resonant - metaatoms, ukuranana leuwih leutik batan panjang gelombang radiasi nu aranjeunna berinteraksi. Struktur susunan meta-atom nyaéta komposit jieunan anu disebut metamaterial.
Palaksanaan praktis metamaterials malah kiwari téh téhnologis kompléks, sabab ukuran partikel résonansi kudu comparable mun kirang ti panjang gelombang radiasi éléktromagnétik. Pikeun rentang optik (dimana panjang gelombangna nanometer), téknologi sapertos anu di forefront kamajuan. Ku alatan éta, teu heran wawakil mimiti konsep metamaterials dijieun pikeun gelombang éléktromagnétik rélatif panjang ti rentang radio (anu boga panjang leuwih akrab ti mm ka m). Fitur utama sareng dina waktos anu sami kalemahan tina metamaterial naon waé mangrupikeun akibat tina sifat résonansi unsur-unsur konstituénna. Metamaterial tiasa nunjukkeun sipat mujijatna ngan dina frékuénsi anu tangtu.
Frékuénsi kawates.Ku alatan éta, contona, dina waktos salajengna basa Anjeun ningali hal kawas jammer super-sora dumasar kana metamaterials, nanya naon rentang frékuénsi eta sabenerna macet.
Conto has metamaterial anu ngamungkinkeun interaksi sareng gelombang éléktromagnétik. Struktur konduktor henteu langkung ti résonator leutik, sirkuit LC dibentuk ku posisi spasial konduktor.
Sakedik waktos anu kapungkur ti munculna konsép metamaterial sareng palaksanaan anu munggaran, sareng jalma terang kumaha cara ngagunakeunana dina MRI. The disadvantage utama metamaterials nyaéta yén rentang operasi sempit teu jadi masalah pikeun MRI, dimana sakabeh prosés lumangsung dina frékuénsi résonansi magnét nuklir ampir sarua, nu perenahna di rentang radio. Di dieu anjeun tiasa nyiptakeun meta-atom ku panangan anjeun nyalira sareng langsung ningali naon anu lumangsung dina gambar. Salah sahiji fitur munggaran nu peneliti dilaksanakeun dina MRI ngagunakeun metamaterials éta superlenses na endoscopes.
Di sisi kénca handapeun hurup a) superlens ditémbongkeun, diwangun ku Asép Sunandar Sunarya tilu diménsi of resonators on circuit boards dicitak. Unggal resonator mangrupa cingcin logam kabuka kalayan kapasitor soldered, ngabentuk sirkuit LC disetel ka frékuénsi MRI. Di handap ieu conto nempatkeun struktur metamaterial ieu antara suku sabar ngalaman prosedur tomography jeung, sasuai, gambar hasilna. Upami anjeun saacanna henteu ngémutan naséhat pikeun maca tulisan kuring sateuacana ngeunaan MRI, maka anjeun parantos terang yén pikeun nyandak gambar tina bagian mana waé awak pasien, perlu pikeun ngumpulkeun sinyal nuklir anu lemah, gancang rusak nganggo lokasi anu caket. anteneu - coil a.
Lénsa super metamaterial ngamungkinkeun anjeun pikeun ningkatkeun rentang tindakan tina coil standar. Contona, visualize duanana suku sabar sakaligus tinimbang ngan hiji. Warta goréng éta posisi superlens kudu dipilih ku cara nu tangtu pikeun éfék pangalusna, sarta superlens sorangan cukup mahal pikeun ngahasilkeun. Upami anjeun masih teu ngartos naha lensa ieu disebut super-prefix, teras estimasi ukuranana tina poto, teras sadar yén éta tiasa dianggo kalayan panjang gelombang sakitar lima méter!
Hurup b) nunjukkeun desain endoskop. Intina, hiji endoscope MRI mangrupa Asép Sunandar Sunarya ti kawat paralel nu tindakan minangka waveguide a. Éta ngamungkinkeun anjeun sacara spasial misahkeun daérah dimana coil nampi sinyal tina inti sareng coil sorangan ku jarak anu lumayan - dugi ka anteneu anu nampi tiasa ditempatkeun lengkep di luar cryostat tomograph, tebih tina magnét konstan. sawah. Gambar handap tab b) nembongkeun gambar diala pikeun wadah husus cairan-kaeusi - phantom a. Beda antara aranjeunna nyaéta yén gambar dilabélan "endoscope" dicandak nalika coil éta dina jarak santun ti phantom, dimana tanpa endoskop sinyal ti inti bakal sagemblengna teu mungkin pikeun ngadeteksi.
Lamun urang ngobrol ngeunaan salah sahiji wewengkon paling ngajangjikeun tina aplikasi metamaterials dina MRI, sarta pangdeukeutna ka palaksanaan praktis na (anu pamustunganana kuring aub dina) nya éta kreasi coils nirkabel. Perlu dijelaskeun yén urang henteu ngobrol ngeunaan Bluetooth atanapi téknologi transfer data nirkabel sanés di dieu. "Nirkabel" dina hal ieu hartina ayana gandeng induktif atawa kapasitif dua struktur resonant - anteneu transceiver, kitu ogé metamaterial a. Dina konsep eta Sigana mah kieu:
Di kénca dipintonkeun kumaha prosedur MRI biasana lumangsung: sabar perenahna di jero cryostat di wewengkon médan magnét statik seragam. A anteneu badag disebut "kurung manuk" dipasang dina torowongan tomograph. Anteneu konfigurasi ieu ngidinan Anjeun pikeun muterkeun véktor médan magnét frékuénsi radio kalayan frékuénsi precession inti hidrogén (pikeun mesin klinis ieu biasana ti 40 nepi ka 120 MHz gumantung kana gedena médan magnét statik ti 1T ka 3T, masing-masing), nyababkeun aranjeunna nyerep énérgi teras ngaluarkeun énergi pikeun ngaréspon. Sinyal réspon ti inti lemah pisan sareng nalika dugi ka konduktor anteneu ageung, éta pasti bakal luntur. Ku sabab kitu, MRI ngagunakeun coils lokal jarak raket pikeun nampa sinyal. Gambar di tengah, contona, nembongkeun kaayaan scanning dengkul has. Ngagunakeun metamaterials, kasebut nyaéta dimungkinkeun pikeun nyieun resonator nu bakal induktif gandeng kana kandang manuk. Cukup pikeun nempatkeun hal sapertos kitu caket daérah anu dipikahoyong tina awak pasien sareng sinyal ti dinya bakal nampi henteu langkung parah tibatan ku coil lokal! Upami konsép éta suksés dilaksanakeun, pasien henteu kedah deui kusut dina kawat, sareng prosedur diagnostik MRI bakal langkung saé.
Ieu persis jenis hal kuring nyoba nyieun di awal, ku ngeusian kawat ku cai sarta nyoba nyeken hiji jeruk. Kawat immersed dina cai ti gambar pisan munggaran dina artikel ieu teu leuwih ti meta-atom, nu masing-masing ngagambarkeun dipole satengah gelombang - salah sahiji desain anteneu kawentar, akrab jeung unggal amatir radio.
Aranjeunna immersed dina cai teu ambéh maranéhanana teu nyekel seuneu dina MRI (sanajan pikeun tujuan ieu ogé)), tapi dina raraga, alatan konstanta diéléktrik luhur cai, ngurangan panjang resonant maranéhanana ku persis jumlah sarua jeung kuadrat. akar konstanta diéléktrik cai.
chip ieu geus lila dipaké dina panarima radio, pungkal kawat dina salembar ferrite - nu disebut. anteneu ferrite. Ngan ferrite gaduh perméabilitas magnét anu luhur, sareng sanés diéléktrik, anu kitu, jalanna sami sareng ngamungkinkeun dimensi résonansi anteneu dikirangan sasuai. Hanjakalna, anjeun moal tiasa nempatkeun ferrite dina MRI, sabab ... éta magnét. Cai mangrupikeun alternatif anu murah sareng tiasa diaksés.
Jelas yén pikeun ngitung sadaya hal ieu, anjeun kedah ngawangun modél matematika anu kompleks anu tumut kana hubungan antara unsur résonansi, parameter lingkungan sareng sumber radiasi ... atanapi anjeun tiasa ngamangpaatkeun hasil kamajuan sareng parangkat lunak pikeun éléktromagnétik numerik. modeling, nu malah budak sakola bisa kalayan gampang ngarti (conto paling keuna - CST, HFSS). software nu ngidinan Anjeun pikeun nyieun model 3D of resonators, anteneu, sirkuit listrik, tambahkeun jalma ka aranjeunna - enya, kanyataanna, nanaon, hijina patarosan nyaeta imajinasi anjeun sarta kakuatan komputasi sadia. Model anu diwangun dibagi kana grids, dina titik dimana persamaan Maxwell anu terkenal direngsekeun.
Ieu, contona, mangrupikeun simulasi médan magnét frekuensi radio di jero antena kandang manuk anu disebatkeun sateuacana:
Langsung janten rada jelas kumaha sawah rotates. Kaayaan di kénca dipidangkeun nalika aya kotak cai di jero anteneu, sareng di beulah katuhu - nalika kotak anu sami aya dina resonator anu didamel tina kawat anu panjangna résonansi. Anjeun tiasa ningali kumaha médan magnét sacara signifikan ditingkatkeun ku kawat. Saatos ngawasaan CST sareng ngaoptimalkeun desain kuring di dinya, kuring sakali deui ngadamel metamaterial, anu leres-leres ngamungkinkeun pikeun ngagedékeun sinyal dina tomograph klinis 1.5T MRI standar. Ieu masih mangrupa kotak (sanajan leuwih geulis, dijieunna tina plexiglass), ngeusi cai sarta Asép Sunandar Sunarya kawat. Waktos ieu, strukturna dioptimalkeun tina segi kaayaan résonansi, nyaéta: pilihan panjang kawat, posisina, sareng jumlah cai. Ieu naon anu lumangsung kalayan tomat:
Panyekenan munggaran tomat dilaksanakeun nganggo anteneu ageung. Hasilna ngan noise kalawan outlines bieu katempo. Kadua kalina kuring nempatkeun buah dina struktur résonansi anu anyar dipanggang. Kuring henteu ngawangun peta berwarna atanapi naon waé anu sapertos kitu, sabab pangaruhna écés. Kukituna, tina pangalaman kuring sorangan, sanaos kuring nyéépkeun waktos, kuring ngabuktikeun yén konsép éta jalan.
Jelas naon anu anjeun pikirkeun - jeruk, tomat - éta sadayana salah, dimana percobaan manusa?
Aranjeunna leres pisan :
Leungeun sukarelawan anu ngajalanan MRI perenahna dina kotak anu sami. Cai sabenerna dina kotak, sabab ngandung hidrogén, ogé jelas katempo. Sinyalna digedékeun di daérah pigeulang anu aya dina résonator, sedengkeun sadaya bagian awakna kirang katingali. Éta écés yén pangaruh anu sami, sareng panginten langkung saé, tiasa dihontal nganggo gulungan klinis standar. Tapi kanyataan yén anjeun tiasa ngalakukeun hal-hal sapertos ngan ukur ku ngagabungkeun cai sareng kabel sacara spasial, ngagabungkeun aranjeunna dina cara anu leres, luar biasa. Malah leuwih endah, pangaweruh ngeunaan ieu bisa dimeunangkeun ngaliwatan ulikan ngeunaan fenomena sigana teu patali, kayaning réfraksi cahaya.
Pikeun anu teu acan capéAyeuna, desain kotak cai parantos ningkat. Ayeuna éta ngan ukur papan sirkuit anu dicitak datar anu ngamungkinkeun anjeun ngalokalkeun médan magnét anteneu ageung éksternal anu caket anjeun. Leuwih ti éta, wewengkon gawé na leuwih badag batan desain saméméhna:
Pita warna nunjukkeun kakuatan médan magnét dina struktur nalika gumbira ku sumber luar gelombang éléktromagnétik. Struktur datar mangrupakeun jalur transmisi has dipikawanoh dina rékayasa radio, tapi ogé bisa dianggap salaku metamaterial pikeun MRI. Ieu "coil nirkabel" geus bisa bersaing jeung coils baku dina watesan uniformity tina widang dihasilkeun dina jero nu tangtu dina objék discan:
Animasi nembongkeun peta warna lapisan-demi-lapisan sinyal di jero kotak cai dina MRI. Warna nunjukkeun inténsitas sinyal tina inti hidrogén. Di belah kénca juru luhur, bagéan tina coil scanning deui baku dipaké salaku panarima a. Pojok kénca handap nyaéta nalika kotak disimpen dina resonator dina bentuk papan sirkuit dicitak. Katuhu handap - sinyal ditampi ku anteneu badag diwangun kana torowongan tomograph. Kuring ngabandingkeun kaseragaman sinyal di daérah anu digariskeun ku sagi opat. Dina sababaraha luhurna, metamaterial langkung saé tibatan coil dina hal keseragaman sinyal. Pikeun tujuan klinis, ieu bisa jadi teu jadi prestasi pohara penting, tapi lamun datang ka pamasangan MRI ilmiah dimana beurit discan, éta bisa mantuan ngahontal kanaékan sinyal jeung panurunan dina kakuatan diperlukeun tina pulsa radio seru.
Ngeunaan "dironjatkeun ku 2 kali" dina awal artikel - tangtosna, ieu buah sejen tina cinta unrequited wartawan pikeun élmuwan, kumaha oge, eta oge salah disebutkeun yen ieu panalungtikan kosong, nu dirojong ku minat. topik ieu dina grup ilmiah sakuliah dunya. Ahéng, pagawéan ogé dilaksanakeun di dieu di Rusia, sanaos dumasar kana pangalaman pribadi kuring, ieu mangrupikeun pengecualian anu jarang. Masih seueur masalah anu teu kaungkab pakait sareng pamakean metamaterial dina MRI. Salian localizing médan magnét pikeun ménta gambar alus, ulah poho ngeunaan médan listrik nu ngakibatkeun pemanasan jaringan, kitu ogé nyerep énergi médan radiofrequency ku jaringan pasien ngalaman ujian. Pikeun hal ieu, dina pamakean klinis, kedah aya kontrol khusus, anu janten langkung pajeulit nalika nganggo résonator lokalisasi lapangan. Pikeun ayeuna mah, metamaterials pikeun MRI tetep dina wengkuan panalungtikan ilmiah, tapi hasil diala geus pisan metot jeung sugan di mangsa nu bakal datang, hatur nuhun ka aranjeunna, prosedur MRI bakal robah jadi hadé, jadi leuwih gancang sarta aman.
sumber: www.habr.com
