En skruvmejsel visslade förbi mitt öra. Med ett högt ringande ljud frös hon fast på kryostatkroppen. Jag förbannade för mig själv och bestämde mig för att ta en paus. Att skruva loss bultar i ett magnetfält på 1.5 Tesla med hjälp av ett stålverktyg är ingen bra idé. Fältet, som en osynlig fiende, försöker ständigt rycka instrumentet från händerna, orientera det längs dess kraftlinjer och rikta det så nära som möjligt till elektronerna som löper i en sluten cirkel från supraledaren. Men om du verkligen behöver besegra försurade föreningar från många år sedan, finns det inte mycket val. Jag satte mig vid datorn och bläddrade för vana genom nyhetsflödet. "Ryska forskare har förbättrat MRT med två gånger!" – läs den misstänkta rubriken.
För ungefär ett år sedan gjorde vi och förstod kärnan i hans arbete. Jag rekommenderar starkt att du uppdaterar ditt minne av det materialet innan du läser den här artikeln.
Av olika anledningar, inklusive historiska, i Ryssland idag produktion av så komplex utrustning som högfältsmagnetiska resonansavbildningsskannrar. Men om du bor i en större stad kan du enkelt hitta kliniker som tillhandahåller den här typen av tjänster. Samtidigt representeras flottan av MRI-skannrar ofta av begagnad utrustning, en gång importerad från USA och Europa, och om du plötsligt måste besöka en klinik med en MRI, låt dig inte luras av enhetens vackra utseende - det kan mycket väl vara inne på sitt andra decennium. Som ett resultat går sådan utrustning ibland sönder, och under lång tid var jag en av de personer som lämnade tillbaka trasiga tomografer till tjänst, så att patienter kunde fortsätta att genomgå diagnostik och ägarna kunde göra en vinst.
Tills jag en vacker dag, under en paus mellan farlig underhållning med enorma magnetfält, stötte på en intressant inskription i nyhetsflödet: ”Ryska vetenskapsmän tillsammans med holländska kollegor använder metamaterial." Det behöver inte sägas att själva det faktum att Ryssland bedriver forskning om utrustning, vars produktion aldrig har bemästrats, föreföll mig mycket, mycket kontroversiellt. Jag bestämde mig för att detta bara var ytterligare en omgång av anslag, utspädd med obegripliga vetenskapliga modeord som "nanotekniken" som alla redan var trötta på. En sökning efter information om ämnet för inhemska forskares arbete med MRI och metamaterial ledde mig till en artikel som innehåller en beskrivning av ett enkelt experiment som jag lätt kunde upprepa, eftersom MRI-maskinen alltid finns till hands.
Bild från , dedikerad till att förbättra MRT-signalen med hjälp av det så kallade "metamaterialet". I en typisk klinisk 1.5 - termisk apparat, istället för patienten, laddas metamaterial, i form av en bassäng med vatten, inuti vilken parallella ledningar av en viss längd är belägna. På trådarna ligger studieobjektet - en fisk (icke-levande). Bilderna till höger är MRI-bilder av fisken, med en färgkarta överlagd som indikerar vätekärnornas signalintensitet. Det kan ses att när fisken ligger på vajrarna är signalen mycket bättre än utan dem. Skanningstiden är densamma i båda fallen, vilket bevisar att skanningseffektiviteten är förbättrad. Artikeln ingår också noggrant
formeln
för att beräkna längden på ledningarna beroende på tomografens arbetsfrekvens, som jag använde. Jag gjorde mitt metamaterial av en kyvett och en rad koppartrådar och försåg dem med 3D-tryckta plastfästen:
Mitt första metamaterial. Omedelbart efter tillverkningen sattes den i en 1 Tesla tomograf. Apelsinen fungerade som ett föremål som skulle scannas.
Men istället för den utlovade signalförbättringen fick jag ett gäng artefakter som fullständigt förstörde bilden! Min indignation visste inga gränser! Efter att ha avslutat ämnet skrev jag ett brev till artikelförfattarna, vars innebörd kan reduceras till frågan "Vad ...?"
Författarna svarade mig ganska snabbt. De var ganska imponerade av att någon försökte replikera deras experiment. Först försökte de länge förklara för mig hur metamaterial faktiskt fungerar, med hjälp av termerna "Fabry-Perot-resonanser", "inneboende lägen" och alla möjliga radiofrekvensfält i volymen. Sedan, uppenbarligen insåg de att jag inte alls förstod vad de pratade om, bestämde de sig för att bjuda in mig att besöka dem så att jag kunde titta på deras utveckling live och se till att det fortfarande fungerar. Jag kastade min favoritlödkolv i min ryggsäck och åkte till St. Petersburg, till National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics (som det visade sig är det inte bara programmerare som utbildas där).
Jag blev varmt välkomnad på plats, och plötsligt erbjöd de mig ett jobb, eftersom de var imponerade av mitt dike med vajrar och de behövde en person för att skapa nya. I gengäld lovade de att förklara i detalj allt som intresserar mig och att gå en utbildning i radiofysik och MR, som av en lycklig slump började precis samma år. Min kunskapstörst vann, och sedan, under hela året, studerade jag, gjorde projekt och arbetade, och lärde mig gradvis fler och fler nya saker om magnetisk resonans historia, såväl som den moderna vetenskapens tillstånd på detta område, vilket jag kommer att dela här.
Metoden för föreslagen förbättring av MRT, och som studeras i de nämnda vetenskapliga artiklarna, är baserad på de så kallade "metamaterialen". Metamaterial, liksom många andra upptäckter, har sitt utseende att tacka för oväntade lösningar som erhållits på grundval av teoretisk forskning. Den sovjetiska forskaren Viktor Veselago föreslog 1967, som arbetade på en teoretisk modell, förekomsten av material med ett negativt brytningsindex. Som du redan förstår så pratar vi om optik och värdet på denna koefficient betyder grovt sett hur mycket ljus som kommer att ändra riktning när det passerar genom gränsen mellan olika medier, till exempel luft och vatten. Du kan enkelt verifiera själv att detta verkligen händer:
Ett enkelt experiment med en laserpekare och ett akvarium för att demonstrera ljusets brytning.
Ett intressant faktum som kan läras av ett sådant experiment är att strålen inte kan brytas i samma riktning från där den föll på gränssnittet, oavsett hur hårt försöksledaren försöker. Detta experiment utfördes med alla naturligt förekommande ämnen, men strålen bröts envist i endast en riktning. Matematiskt betyder detta att brytningsindexet, såväl som dess ingående kvantiteter, dielektrisk och magnetisk permeabilitet, är positiva, och det har aldrig observerats annars. Åtminstone tills V. Veselago bestämde sig för att studera denna fråga och visade att det teoretiskt sett inte finns en enda anledning till varför brytningsindex inte kan vara negativt.
Bild från Wiki som visar skillnaden mellan positiva och negativa indexmedia. Som vi ser beter sig ljuset helt onaturligt, jämfört med vår vardagsupplevelse.
V. Veselago försökte under lång tid hitta bevis på förekomsten av material med ett negativt brytningsindex, men sökningen misslyckades och hans arbete glömdes oförtjänt. Det var först i början av nästa århundrade som kompositstrukturer skapades på konstgjord väg som realiserade de beskrivna egenskaperna, men inte i det optiska, utan i det lägre mikrovågsfrekvensområdet. Vilket var en vändpunkt, eftersom själva möjligheten till existensen av sådana material öppnade nya möjligheter. Till exempel – skapande , kapabel att förstora föremål som är ännu mindre än ljusets våglängd. Eller - absolut kamouflage-osynlighetsbeklädnad, drömmen för all militär personal. Stora ändringar gjordes i teorin för att ta hänsyn till nya data. Nyckeln till framgång var användningen av ordnade strukturer av resonanta element - metaatomer, vars storlek är mycket mindre än våglängden på den strålning som de interagerar med. En ordnad struktur av metaatomer är en konstgjord komposit som kallas ett metamaterial.
Den praktiska implementeringen av metamaterial är även idag tekniskt komplex, eftersom storleken på de resonanta partiklarna måste vara jämförbar med mindre än våglängden för elektromagnetisk strålning. För det optiska området (där våglängden är nanometer) ligger sådana tekniker i framkant. Därför är det inte förvånande att de första representanterna för metamaterialkonceptet skapades för relativt längre elektromagnetiska vågor från radioområdet (som har en mer bekant längd från mm till m). Huvuddraget och samtidigt nackdelen med något metamaterial är en konsekvens av resonansnaturen hos dess beståndsdelar. Metamaterial kan uppvisa sina mirakulösa egenskaper endast vid vissa frekvenser.
Begränsade frekvenser.Därför, till exempel, nästa gång du ser något som en superljudssändare baserad på metamaterial, fråga vilket frekvensområde den faktiskt stör.
Typiska exempel på metamaterial som tillåter interaktion med elektromagnetiska vågor. Ledarstrukturer är inget annat än små resonatorer, LC-kretsar som bildas av ledarnas rumsliga position.
Det har gått lite tid sedan uppkomsten av begreppet metamaterial och deras första implementeringar, och folk kom på hur man använder dem i MRI. Den största nackdelen med metamaterial är att det smala arbetsområdet inte är ett problem för MRI, där alla processer sker med nästan samma kärnmagnetiska resonansfrekvens, som ligger i radioområdet. Här kan du skapa metaatomer med dina egna händer och direkt se vad som händer på bilderna. En av de första funktionerna som forskare implementerade i MRT med hjälp av metamaterial var superlinser och endoskop.
På vänster sida under bokstaven a) visas en superlins, bestående av en tredimensionell uppsättning resonatorer på kretskort. Varje resonator är en öppen metallring med en lödd kondensator, som bildar en LC-krets avstämd till MRI-frekvensen. Nedan är ett exempel på att placera denna metamaterialstruktur mellan benen på en patient som genomgår en tomografiprocedur och följaktligen de resulterande bilderna. Om du inte tidigare har föraktat rådet att läsa min tidigare artikel om MRI, så vet du redan att för att få en bild av någon del av patientens kropp är det nödvändigt att samla in svaga, snabbt sönderfallande kärnsignaler med hjälp av en nära placerad antenn - en spole.
Superlinsen med metamaterial gör att du kan öka verkansområdet för en standardspole. Visualisera till exempel patientens båda ben på en gång istället för bara ett. Den dåliga nyheten är att superlinsens placering måste väljas på ett visst sätt för bästa effekt, och själva superlinsen är ganska dyr att tillverka. Om du fortfarande inte förstår varför det här objektivet kallas ett superprefix, uppskatta dess storlek från fotot och inse sedan att det fungerar med en våglängd på cirka fem meter!
Bokstaven b) visar endoskopets design. I huvudsak är ett MRT-endoskop en rad parallella ledningar som fungerar som en vågledare. Det låter dig rumsligt separera området från vilket spolen tar emot signalen från kärnorna och själva spolen med ett avsevärt avstånd - till den grad att den mottagande antennen kan placeras helt utanför tomografens kryostat, långt från den konstanta magnetiska fält. De nedre bilderna på flik b) visar bilder erhållna för ett speciellt vätskefyllt kärl - en fantom. Skillnaden mellan dem är att bilderna märkta "endoskop" erhölls när spolen var på anständigt avstånd från fantomen, där utan endoskopet skulle signalerna från kärnorna vara helt omöjliga att upptäcka.
Om vi talar om ett av de mest lovande användningsområdena för metamaterial i MRI, och det närmaste till dess praktiska implementering (som jag så småningom blev involverad i) är skapandet av trådlösa spolar. Det är värt att förtydliga att vi inte pratar om Bluetooth eller annan trådlös dataöverföringsteknik här. "Trådlös" betyder i detta fall närvaron av induktiv eller kapacitiv koppling av två resonansstrukturer - en transceiverantenn, såväl som ett metamaterial. I konceptet ser det ut så här:
Till vänster visas hur en MRT-procedur vanligtvis går till: patienten ligger inuti en kryostat i ett område med ett enhetligt statiskt magnetfält. En stor antenn som kallas "fågelbur" är monterad i tomograftunneln. En antenn med denna konfiguration låter dig rotera vektorn för det radiofrekvensmagnetiska fältet med precessionsfrekvensen för vätekärnor (för kliniska maskiner är detta vanligtvis från 40 till 120 MHz beroende på storleken på det statiska magnetfältet från 1T till 3T, respektive), vilket får dem att absorbera energi och sedan avge energi som svar . Svarssignalen från kärnorna är mycket svag och när den når ledarna på en stor antenn kommer den oundvikligen att blekna. Av denna anledning använder MRI tätt placerade lokala spolar för att ta emot signaler. Bilden i mitten visar till exempel en typisk knäskanningssituation. Med hjälp av metamaterial är det möjligt att göra en resonator som kommer att kopplas induktivt till en fågelbur. Det räcker att placera en sådan sak nära det önskade området av patientens kropp och signalen därifrån kommer inte att tas emot värre än med en lokal spole! Om konceptet implementeras framgångsrikt kommer patienterna inte längre att behöva trassla in sig i ledningar, och MRT-diagnostiken kommer att bli mer bekväm.
Det är precis sånt här jag försökte skapa i början, genom att fylla trådarna med vatten och försöka scanna en apelsin. Ledningarna nedsänkta i vatten från den allra första bilden i den här artikeln är inget annat än metaatomer, som var och en representerar en halvvågsdipol - en av de mest kända antenndesignerna, bekant för alla radioamatörer.
De är nedsänkta i vatten inte för att de inte ska fatta eld i MRI (även för detta ändamål)), utan för att, på grund av vattnets höga dielektriska konstant, reducera deras resonanslängd med exakt en mängd lika med kvadraten roten av vattnets dielektriska konstant.
Detta chip har länge använts i radiomottagare, lindning av tråd på en bit ferrit - den så kallade. ferritantenn. Endast ferrit har en hög magnetisk permeabilitet, och inte en dielektrisk sådan, som dock fungerar på samma sätt och tillåter att antennens resonansdimensioner reduceras i enlighet därmed. Tyvärr kan du inte lägga ferrit i en MRI, eftersom... det är magnetiskt. Vatten är ett billigt och tillgängligt alternativ.
Det är klart att för att beräkna alla dessa saker måste du bygga komplexa matematiska modeller som tar hänsyn till förhållandet mellan resonanselement, miljöparametrar och strålningskällor... eller så kan du dra nytta av frukterna av framsteg och programvara för numerisk elektromagnetisk modellering, som även ett skolbarn lätt kan förstå (de mest slående exemplen - CST, HFSS). Programvaran låter dig skapa 3D-modeller av resonatorer, antenner, elektriska kretsar, lägga till människor till dem - ja, faktiskt, vad som helst, den enda frågan är din fantasi och tillgänglig datorkraft. De konstruerade modellerna är indelade i rutnät, vid vars noder de välkända Maxwell-ekvationerna löses.
Här är till exempel en simulering av det radiofrekventa magnetfältet inuti den tidigare nämnda fågelburantennen:
Det blir genast ganska tydligt hur fältet roterar. Situationen till vänster visas när det finns en låda med vatten inuti antennen, och till höger - när samma låda är på en resonator gjord av ledningar med resonanslängd. Du kan se hur magnetfältet förstärks avsevärt av ledningarna. Efter att ha bemästrat CST och optimerat min design där, gjorde jag återigen ett metamaterial, som faktiskt gjorde det möjligt att förstärka signalen i en vanlig klinisk 1.5T MRI tomograf. Det var fortfarande en låda (men vackrare, gjord av plexiglas), fylld med vatten och en rad trådar. Den här gången optimerades strukturen när det gäller resonansförhållanden, nämligen: val av längd på trådarna, deras position och mängden vatten. Här är vad som hände med tomaten:
Den första skanningen av tomaten utfördes med en stor antenn. Resultatet blev bara buller med knappt synliga konturer. Andra gången placerade jag frukten på en nybakad resonansstruktur. Jag byggde inte färgade kartor eller något liknande, eftersom effekten är uppenbar. Av egen erfarenhet, även om jag tillbringade mycket tid, bevisade jag alltså att konceptet fungerar.
Det är tydligt vad du tänker - apelsiner, tomater - det är helt fel, var är de mänskliga försöken?
Det var de verkligen :
Handen på en volontär som genomgår en MRT ligger på samma låda. Det faktiska vattnet i lådan, eftersom det innehåller väte, syns också tydligt. Signalen förstärks i området av handleden som ligger på resonatorn, medan alla andra delar av kroppen är dåligt synliga. Det är tydligt att samma effekt, och kanske ännu bättre, kan uppnås med vanliga kliniska spolar. Men själva det faktum att du kan göra sådana saker helt enkelt genom att rymdligt kombinera vatten och ledningar, kombinera dem på rätt sätt, är fantastiskt. Ännu mer häpnadsväckande kan kunskap om detta erhållas genom studiet av till synes orelaterade fenomen, såsom ljusets brytning.
För den som inte är trött änFör tillfället har designen av vattenlådan redan förbättrats. Nu är det bara ett platt kretskort som låter dig lokalisera magnetfältet hos en extern stor antenn nära dig. Dessutom är dess arbetsyta större än den för den tidigare designen:
De färgade banden indikerar den magnetiska fältstyrkan över strukturen när den exciteras av en extern källa av elektromagnetiska vågor. Den platta strukturen är en typisk transmissionsledning känd inom radioteknik, men kan också betraktas som ett metamaterial för MRI. Denna "trådlösa spole" kan redan konkurrera med standardspolar när det gäller enhetligheten hos det genererade fältet på ett visst djup i det skannade objektet:
Animationen visar en lager-för-lager färgkarta av signalen inuti en låda med vatten i en MRT. Färg anger intensiteten av signaler från vätekärnor. I det övre vänstra hörnet används ett segment av en standard bakre scanningsspole som mottagare. Det nedre vänstra hörnet är när lådan placeras på en resonator i form av ett kretskort. Nederst till höger - signalen tas emot av en stor antenn inbyggd i tomograftunneln. Jag jämförde signalens enhetlighet i området som skisseras av rektangeln. På viss höjd presterar metamaterialet bättre än spolen när det gäller signalens enhetlighet. För kliniska ändamål är detta kanske inte en särskilt viktig prestation, men när det kommer till vetenskapliga MRI-installationer där råttor skannas kan det hjälpa till att uppnå en ökning av signalen och en minskning av den erforderliga effekten av spännande radiopulser.
Om "förbättrad med 2 gånger" i början av artikeln - naturligtvis är detta ytterligare en frukt av journalisternas obesvarade kärlek till vetenskapsmän, men det är också fel att säga att detta är tom forskning, som stöds av intresse för detta ämne i vetenskapliga grupper runt om i världen. Förvånansvärt nog utförs arbete även här i Ryssland, även om det utifrån min rent personliga erfarenhet är ett ganska sällsynt undantag. Det finns fortfarande många olösta problem förknippade med användningen av metamaterial i MRT. Förutom att lokalisera magnetiska fält för att få en bra bild, glöm inte elektriska fält som leder till vävnadsuppvärmning, såväl som absorptionen av radiofrekvent fältenergi av vävnaderna hos patienter som genomgår undersökning. För dessa saker måste det vid klinisk användning finnas en speciell kontroll, vilket blir mycket mer komplicerat när man använder fältlokaliserande resonatorer. För närvarande förblir metamaterial för MRT inom ramen för vetenskaplig forskning, men de erhållna resultaten är redan mycket intressanta och kanske i framtiden, tack vare dem, kommer MRT-proceduren att förändras till det bättre, bli snabbare och säkrare.
Källa: will.com