ไขควงส่งเสียงหวีดผ่านหูของฉัน ด้วยเสียงอันดัง เธอก็ตัวแข็งตัวบนร่างของไครโอสแตท ด้วยความสาปแช่งตัวเอง ฉันจึงตัดสินใจหยุดพัก การคลายเกลียวโบลต์ในสนามแม่เหล็ก 1.5 เทสลาโดยใช้เครื่องมือเหล็กไม่ใช่ความคิดที่ดี สนามก็เหมือนกับศัตรูที่มองไม่เห็น พยายามแย่งเครื่องมือจากมืออยู่ตลอดเวลา ปรับทิศทางตามแนวแรงและควบคุมให้ใกล้กับอิเล็กตรอนที่ทำงานเป็นวงกลมปิดจากตัวนำยิ่งยวดมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ อย่างไรก็ตาม หากคุณต้องการเอาชนะสารประกอบที่เป็นกรดเมื่อหลายปีก่อนจริงๆ ก็ไม่มีทางเลือกมากนัก ฉันนั่งลงที่คอมพิวเตอร์และเลื่อนดูฟีดข่าวเป็นประจำ “นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียปรับปรุง MRI ได้ถึง 2 เท่า!” - อ่านพาดหัวที่น่าสงสัย
ประมาณหนึ่งปีที่ผ่านมาเรา และเข้าใจสาระสำคัญของงานของเขา ฉันขอแนะนำอย่างยิ่งให้คุณรีเฟรชหน่วยความจำของเนื้อหานั้นก่อนที่จะอ่านบทความนี้
ด้วยเหตุผลหลายประการ รวมถึงเหตุผลทางประวัติศาสตร์ในรัสเซียในปัจจุบัน การผลิตอุปกรณ์ที่ซับซ้อน เช่น เครื่องสแกนภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็กสูง อย่างไรก็ตาม หากคุณอาศัยอยู่ในเมืองใหญ่ คุณสามารถค้นหาคลินิกที่ให้บริการประเภทนี้ได้อย่างง่ายดาย ในเวลาเดียวกัน กลุ่มเครื่องสแกน MRI มักจะแสดงด้วยอุปกรณ์ที่ใช้แล้ว ซึ่งเมื่อนำเข้าจากสหรัฐอเมริกาและยุโรป และหากคุณต้องไปคลินิกที่มี MRI โดยกะทันหัน อย่าหลงกลกับรูปลักษณ์ที่สวยงามของอุปกรณ์ - มันอาจจะอยู่ในทศวรรษที่สอง เป็นผลให้บางครั้งอุปกรณ์ดังกล่าวพังและเป็นเวลานานที่ฉันเป็นหนึ่งในคนเหล่านั้นที่ส่งคืนเครื่องเอกซเรย์ที่เสียหายเพื่อให้บริการเพื่อให้ผู้ป่วยได้รับการวินิจฉัยต่อไปและเจ้าของก็สามารถทำกำไรได้
จนกระทั่งวันหนึ่ง ระหว่างช่วงพักระหว่างความบันเทิงอันตรายกับสนามแม่เหล็กขนาดมหึมา ฉันพบข้อความที่น่าสนใจในฟีดข่าว: “นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียร่วมกับเพื่อนร่วมงานชาวดัตช์ โดยใช้วัสดุเมตาดาต้า” ไม่จำเป็นต้องพูดว่าความจริงที่ว่ารัสเซียกำลังทำการวิจัยเกี่ยวกับอุปกรณ์ซึ่งการผลิตไม่เคยเชี่ยวชาญมาก่อนดูเหมือนจะขัดแย้งกันมากสำหรับฉัน ฉันตัดสินใจว่านี่เป็นเพียงการให้ทุนสนับสนุนอีกรอบ ที่ถูกเจือจางด้วยคำศัพท์ทางวิทยาศาสตร์ที่เข้าใจยาก เช่น "นาโนเทคโนโลยี" ที่ใครๆ ก็เบื่อหน่ายแล้ว การค้นหาข้อมูลในหัวข้องานของนักวิทยาศาสตร์ในประเทศที่มี MRI และวัสดุเมตาทำให้ฉันพบบทความที่มีคำอธิบายของการทดลองง่ายๆ ที่ฉันสามารถทำซ้ำได้อย่างง่ายดายเนื่องจากเครื่อง MRI นั้นอยู่ใกล้แค่เอื้อม
รูปจาก ทุ่มเทเพื่อเพิ่มสัญญาณ MRI โดยใช้สิ่งที่เรียกว่า "วัสดุ metamaterial" ในทางคลินิกทั่วไป 1.5 - อุปกรณ์ระบายความร้อนแทนที่จะเป็นผู้ป่วย จะมีการโหลดวัสดุ metamaterial ในรูปแบบของแอ่งน้ำซึ่งภายในนั้นมีสายไฟขนานกันที่มีความยาวที่แน่นอน บนสายไฟมีวัตถุที่ต้องศึกษาอยู่ - ปลา (ไม่มีชีวิต) ภาพด้านขวาเป็นภาพ MRI ของปลา โดยมีแผนที่สีซ้อนทับซึ่งแสดงถึงความเข้มของสัญญาณของนิวเคลียสของไฮโดรเจน จะเห็นได้ว่าเมื่อปลาวางอยู่บนสายไฟสัญญาณจะดีกว่าไม่มีพวกมันมาก เวลาในการสแกนจะเท่ากันในทั้งสองกรณี ซึ่งพิสูจน์ว่าประสิทธิภาพการสแกนเพิ่มขึ้น บทความนี้ยังรวมไว้อย่างระมัดระวัง
สูตร
เพื่อคำนวณความยาวของสายไฟขึ้นอยู่กับความถี่การทำงานของเครื่องเอกซเรย์ที่ผมใช้ ฉันสร้างวัสดุ metamaterial จากคิวเวตต์และอาร์เรย์ของสายทองแดง พร้อมด้วยตัวยึดพลาสติกที่พิมพ์แบบ 3D:
วัสดุ metamaterial แรกของฉัน ทันทีหลังการผลิต มันถูกใส่เข้าไปในเครื่องเอกซเรย์เทสลา 1 เครื่อง สีส้มทำหน้าที่เป็นวัตถุที่จะสแกน
อย่างไรก็ตาม แทนที่จะได้รับการปรับปรุงสัญญาณตามที่สัญญาไว้ ฉันกลับได้รับสิ่งประดิษฐ์จำนวนมากที่ทำให้ภาพเสียโดยสิ้นเชิง! ความขุ่นเคืองของฉันไม่มีขอบเขต! หลังจากจบหัวข้อแล้วฉันก็เขียนจดหมายถึงผู้เขียนบทความซึ่งสามารถลดความหมายลงเหลือเพียงคำถามว่า "อะไร ... ?"
ผู้เขียนตอบฉันค่อนข้างเร็ว พวกเขาค่อนข้างประทับใจที่มีคนพยายามจำลองการทดลองของพวกเขา ในตอนแรกพวกเขาพยายามอธิบายให้ฉันฟังเป็นเวลานานว่าวัสดุเมตาทำงานอย่างไร โดยใช้คำว่า "เสียงสะท้อนของ Fabry-Perot" "โหมดภายใน" และฟิลด์ความถี่วิทยุทุกประเภทในระดับเสียง จากนั้นเห็นได้ชัดว่าฉันไม่เข้าใจเลยว่าพวกเขาพูดถึงอะไร พวกเขาจึงตัดสินใจเชิญฉันไปเยี่ยมพวกเขาเพื่อที่ฉันจะได้ดูพัฒนาการของพวกเขาแบบสด ๆ และตรวจสอบให้แน่ใจว่ายังคงใช้งานได้ ฉันโยนหัวแร้งตัวโปรดลงในกระเป๋าเป้แล้วไปที่เซนต์ปีเตอร์สเบิร์กไปที่มหาวิทยาลัยวิจัยเทคโนโลยีสารสนเทศกลศาสตร์และทัศนศาสตร์แห่งชาติ (ปรากฎว่าไม่เพียง แต่โปรแกรมเมอร์เท่านั้นที่ได้รับการฝึกอบรมที่นั่น)
ฉันได้รับการต้อนรับอย่างอบอุ่นที่ไซต์งาน และจู่ๆ พวกเขาก็เสนองานให้ฉัน เพราะพวกเขาประทับใจกับสายไฟของฉัน และพวกเขาต้องการคนมาสร้างงานใหม่ ในทางกลับกัน พวกเขาสัญญาว่าจะอธิบายรายละเอียดทุกอย่างที่ฉันสนใจและเข้ารับการฝึกอบรมด้านรังสีฟิสิกส์และ MRI ซึ่งเริ่มต้นในปีนั้นโดยบังเอิญ ความกระหายในความรู้ของฉันได้รับชัยชนะ จากนั้นตลอดทั้งปี ฉันศึกษา ทำโครงงาน และทำงาน ค่อยๆ เรียนรู้สิ่งใหม่ๆ มากขึ้นเรื่อยๆ เกี่ยวกับประวัติศาสตร์ของการสั่นพ้องแม่เหล็ก รวมถึงสถานะของวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ในสาขานี้ ซึ่งฉันจะ แบ่งปันที่นี่
วิธีการปรับปรุง MRI ที่เสนอและศึกษาในบทความทางวิทยาศาสตร์ดังกล่าวนั้นขึ้นอยู่กับสิ่งที่เรียกว่า "วัสดุเมตา" Metamaterials เช่นเดียวกับการค้นพบอื่นๆ เป็นผลมาจากวิธีแก้ปัญหาที่ไม่คาดคิดซึ่งได้รับจากการวิจัยทางทฤษฎี นักวิทยาศาสตร์ชาวโซเวียต Viktor Veselago ในปี 1967 ซึ่งทำงานเกี่ยวกับแบบจำลองทางทฤษฎี ได้เสนอแนะการมีอยู่ของวัสดุที่มีดัชนีการหักเหของแสงเป็นลบ ดังที่คุณเข้าใจแล้ว เรากำลังพูดถึงเรื่องทัศนศาสตร์ และค่าของสัมประสิทธิ์นี้ พูดคร่าวๆ หมายความว่า แสงจะเปลี่ยนทิศทางมากน้อยเพียงใดเมื่อผ่านขอบเขตระหว่างตัวกลางต่างๆ เช่น อากาศและน้ำ คุณสามารถตรวจสอบด้วยตัวเองได้อย่างง่ายดายว่าสิ่งนี้เกิดขึ้นจริง:
การทดลองง่ายๆ โดยใช้ตัวชี้เลเซอร์และตู้ปลาเพื่อสาธิตการหักเหของแสง
ข้อเท็จจริงที่น่าสนใจที่สามารถเรียนรู้ได้จากการทดลองดังกล่าวก็คือ ลำแสงไม่สามารถหักเหไปในทิศทางเดียวกันกับจุดที่ตกลงไปบนอินเทอร์เฟซ ไม่ว่าผู้ทดลองจะพยายามหนักแค่ไหนก็ตาม การทดลองนี้ดำเนินการกับสารที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติทั้งหมด แต่ลำแสงกลับหักเหอย่างดื้อรั้นในทิศทางเดียวเท่านั้น ในทางคณิตศาสตร์ หมายความว่าดัชนีการหักเหของแสง รวมถึงปริมาณที่เป็นส่วนประกอบ ความสามารถในการซึมผ่านของฉนวนและแม่เหล็กนั้นเป็นค่าบวก และไม่เคยมีการสังเกตเป็นอย่างอื่นเลย อย่างน้อยก็จนกว่า V. Veselago ตัดสินใจศึกษาปัญหานี้และแสดงให้เห็นว่าในทางทฤษฎีไม่มีเหตุผลเดียวที่ทำให้ดัชนีการหักเหของแสงไม่สามารถเป็นลบได้
ภาพจาก Wiki แสดงความแตกต่างระหว่างสื่อดัชนีเชิงบวกและเชิงลบ ดังที่เราเห็น แสงมีพฤติกรรมผิดธรรมชาติโดยสิ้นเชิง เมื่อเทียบกับประสบการณ์ในชีวิตประจำวันของเรา
V. Veselago พยายามเป็นเวลานานเพื่อค้นหาหลักฐานการมีอยู่ของวัสดุที่มีดัชนีการหักเหของแสงเป็นลบ แต่การค้นหาไม่ประสบผลสำเร็จและงานของเขาก็ถูกลืมไปอย่างไม่สมควร ในช่วงต้นศตวรรษหน้าเท่านั้นที่มีการสร้างโครงสร้างคอมโพสิตขึ้นมาซึ่งตระหนักถึงคุณสมบัติที่อธิบายไว้ แต่ไม่ได้อยู่ในออปติคอล แต่อยู่ในช่วงความถี่ไมโครเวฟที่ต่ำกว่า ซึ่งเป็นจุดเปลี่ยนเนื่องจากความเป็นไปได้ของการมีอยู่ของวัสดุดังกล่าวได้เปิดโอกาสใหม่ ๆ ตัวอย่างเช่น - การสร้าง สามารถขยายวัตถุที่มีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นของแสงได้ หรือ - ผ้าคลุมล่องหนลายพรางสัมบูรณ์ซึ่งเป็นความฝันของบุคลากรทางทหารทุกคน มีการแก้ไขทฤษฎีครั้งใหญ่เพื่อคำนึงถึงข้อมูลใหม่ กุญแจสู่ความสำเร็จคือการใช้โครงสร้างที่ได้รับคำสั่งขององค์ประกอบเรโซแนนซ์ - เมตาอะตอม ซึ่งมีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นของรังสีที่พวกมันทำปฏิกิริยากันมาก โครงสร้างที่ได้รับคำสั่งของเมตาอะตอมคือคอมโพสิตเทียมที่เรียกว่าวัสดุเมตา
การใช้งานจริงของวัสดุเมตาแม้ในปัจจุบันยังมีความซับซ้อนทางเทคโนโลยี เนื่องจากขนาดของอนุภาคเรโซแนนซ์จะต้องเทียบเคียงได้กับความยาวคลื่นน้อยกว่าความยาวคลื่นของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า สำหรับช่วงแสง (โดยที่ความยาวคลื่นเป็นนาโนเมตร) เทคโนโลยีดังกล่าวถือเป็นความก้าวหน้าระดับแนวหน้า ดังนั้นจึงไม่น่าแปลกใจที่ตัวแทนกลุ่มแรกของแนวคิด metamaterials ถูกสร้างขึ้นสำหรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ค่อนข้างยาวจากช่วงวิทยุ (ซึ่งมีความยาวที่คุ้นเคยมากกว่าตั้งแต่ mm ถึง m) คุณสมบัติหลักและในเวลาเดียวกันข้อเสียของวัสดุ metamaterial ใด ๆ ก็เป็นผลมาจากลักษณะที่สะท้อนขององค์ประกอบที่เป็นส่วนประกอบ Metamaterial สามารถแสดงคุณสมบัติอัศจรรย์ได้ในบางความถี่เท่านั้น
ความถี่ที่จำกัดตัวอย่างเช่น ครั้งต่อไปที่คุณเห็นบางอย่างเช่น Jammer เสียงซุปเปอร์ที่อิงตามวัสดุเมตา ให้ถามว่าจริงๆ แล้ว Jammer ดังกล่าวติดช่วงความถี่ใด
ตัวอย่างทั่วไปของวัสดุ metamaterial ที่สามารถโต้ตอบกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ โครงสร้างตัวนำนั้นไม่มีอะไรมากไปกว่าตัวสะท้อนเสียงขนาดเล็ก วงจร LC ที่เกิดขึ้นจากตำแหน่งเชิงพื้นที่ของตัวนำ
เวลาผ่านไปเล็กน้อยนับตั้งแต่แนวคิดเรื่อง metamaterials และการใช้งานครั้งแรกเกิดขึ้น และผู้คนก็ค้นพบวิธีใช้ใน MRI ข้อเสียเปรียบหลักของวัสดุเมตาก็คือช่วงการทำงานที่แคบไม่เป็นปัญหาสำหรับ MRI ซึ่งกระบวนการทั้งหมดเกิดขึ้นที่ความถี่เรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์เกือบเท่ากัน ซึ่งอยู่ในช่วงวิทยุ ที่นี่คุณสามารถสร้างเมตาอะตอมด้วยมือของคุณเองและดูว่าเกิดอะไรขึ้นในรูปภาพทันที หนึ่งในคุณสมบัติแรกๆ ที่นักวิจัยนำไปใช้ใน MRI โดยใช้วัสดุเมตาคือเลนส์ซูเปอร์เลนส์และกล้องเอนโดสโคป
ทางด้านซ้ายใต้ตัวอักษร a) ซูเปอร์เลนส์จะปรากฏขึ้น ซึ่งประกอบด้วยอาร์เรย์เรโซเนเตอร์สามมิติบนแผงวงจรพิมพ์ ตัวสะท้อนเสียงแต่ละตัวเป็นวงแหวนโลหะแบบเปิดที่มีตัวเก็บประจุแบบบัดกรี ทำให้เกิดวงจร LC ที่ปรับตามความถี่ MRI ด้านล่างนี้เป็นตัวอย่างของการวางโครงสร้างวัสดุ metamaterial ระหว่างขาของผู้ป่วยที่เข้ารับการตรวจเอกซเรย์และภาพที่ได้ตามลำดับ หากคุณไม่เคยละเลยคำแนะนำในการอ่านบทความก่อนหน้าของฉันเกี่ยวกับ MRI คุณก็รู้อยู่แล้วว่าเพื่อให้ได้ภาพส่วนใดส่วนหนึ่งของร่างกายของผู้ป่วยจำเป็นต้องรวบรวมสัญญาณนิวเคลียร์ที่อ่อนแอและสลายตัวอย่างรวดเร็วโดยใช้อุปกรณ์ที่อยู่ใกล้เคียง เสาอากาศ - คอยล์
ซูเปอร์เลนส์ metamaterial ช่วยให้คุณสามารถเพิ่มระยะการทำงานของคอยล์มาตรฐานได้ ตัวอย่างเช่น เห็นภาพขาทั้งสองข้างของผู้ป่วยพร้อมกัน แทนที่จะเป็นเพียงขาเดียว ข่าวร้ายก็คือต้องเลือกตำแหน่งของซูเปอร์เลนส์ด้วยวิธีใดวิธีหนึ่งเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุด และตัวซูเปอร์เลนส์เองก็มีราคาค่อนข้างแพงในการผลิต หากคุณยังไม่เข้าใจว่าเหตุใดเลนส์นี้จึงถูกเรียกว่าซูเปอร์พรีฟิกซ์ ให้ประมาณขนาดของเลนส์จากภาพถ่าย แล้วพบว่าเลนส์ใช้งานได้ที่ความยาวคลื่นประมาณ 5 เมตร!
ตัวอักษร b) แสดงการออกแบบกล้องเอนโดสโคป โดยพื้นฐานแล้ว กล้องเอนโดสโคปแบบ MRI นั้นเป็นชุดของสายขนานที่ทำหน้าที่เป็นท่อนำคลื่น ช่วยให้คุณสามารถแยกพื้นที่ที่คอยล์รับสัญญาณจากนิวเคลียสและคอยล์เองได้ในระยะทางที่พอเหมาะ - จนถึงจุดที่เสาอากาศรับสามารถตั้งอยู่นอก cryostat ของ tomograph ได้อย่างสมบูรณ์ซึ่งห่างไกลจากแม่เหล็กคงที่ สนาม. รูปภาพด้านล่างของแท็บ b) แสดงรูปภาพที่ได้รับสำหรับภาชนะบรรจุของเหลวพิเศษ - ผี ความแตกต่างระหว่างพวกเขาก็คือภาพที่ระบุว่า "เอนโดสโคป" นั้นได้มาเมื่อคอยล์อยู่ในระยะห่างที่เหมาะสมจากแฟนท่อม โดยที่หากไม่มีเอนโดสโคป สัญญาณจากนิวเคลียสก็จะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะตรวจจับได้อย่างสมบูรณ์
หากเราพูดถึงหนึ่งในพื้นที่ที่มีแนวโน้มมากที่สุดในการประยุกต์ใช้วัสดุ metamaterial ใน MRI และสิ่งที่ใกล้เคียงกับการใช้งานจริงที่สุด (ซึ่งในที่สุดฉันก็มีส่วนร่วม) คือการสร้างคอยล์ไร้สาย ควรชี้แจงให้ชัดเจนว่าเราไม่ได้พูดถึงบลูทูธหรือเทคโนโลยีการถ่ายโอนข้อมูลไร้สายอื่นๆ ที่นี่ “ ไร้สาย” ในกรณีนี้หมายถึงการมีอยู่ของการมีเพศสัมพันธ์แบบเหนี่ยวนำหรือ capacitive ของโครงสร้างเรโซแนนซ์สองตัว - เสาอากาศตัวรับส่งสัญญาณและวัสดุ metamaterial ในแนวคิดดูเหมือนว่านี้:
ด้านซ้ายแสดงให้เห็นว่าขั้นตอน MRI มักเกิดขึ้นอย่างไร: ผู้ป่วยนอนอยู่ภายในตู้แช่แข็งในบริเวณที่มีสนามแม่เหล็กคงที่สม่ำเสมอ เสาอากาศขนาดใหญ่ที่เรียกว่า “กรงนก” ติดตั้งอยู่ในอุโมงค์เอกซ์เรย์ เสาอากาศของการกำหนดค่านี้ช่วยให้คุณสามารถหมุนเวกเตอร์ของสนามแม่เหล็กความถี่วิทยุด้วยความถี่ precession ของนิวเคลียสไฮโดรเจน (สำหรับเครื่องทางคลินิกโดยปกติจะเป็น 40 ถึง 120 MHz ขึ้นอยู่กับขนาดของสนามแม่เหล็กคงที่ตั้งแต่ 1T ถึง 3T ตามลำดับ) ทำให้พวกมันดูดซับพลังงานแล้วปล่อยพลังงานออกมาตอบสนอง สัญญาณตอบสนองจากแกนกลางอ่อนมาก และเมื่อถึงตัวนำของเสาอากาศขนาดใหญ่ ก็จะหายไปอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ด้วยเหตุนี้ MRI จึงใช้คอยล์ในพื้นที่ที่มีระยะห่างใกล้เคียงกันในการรับสัญญาณ ตัวอย่างเช่น รูปภาพตรงกลาง แสดงให้เห็นสถานการณ์การสแกนเข่าโดยทั่วไป การใช้วัสดุ metamaterials สามารถสร้างเครื่องสะท้อนเสียงที่จะเชื่อมโยงกับกรงนกแบบเหนี่ยวนำได้ ก็เพียงพอแล้วที่จะวางสิ่งนั้นไว้ใกล้กับบริเวณที่ต้องการของร่างกายผู้ป่วยและสัญญาณจากที่นั่นจะไม่เลวร้ายไปกว่าคอยล์ในท้องที่! หากนำแนวคิดนี้ไปใช้สำเร็จ ผู้ป่วยจะไม่ต้องพันกันกับสายไฟอีกต่อไป และขั้นตอนการวินิจฉัยด้วยเครื่อง MRI จะสะดวกสบายยิ่งขึ้น
นี่คือสิ่งที่ฉันพยายามสร้างตั้งแต่แรก โดยการเติมน้ำลงในสายไฟแล้วพยายามสแกนส้ม สายไฟที่แช่อยู่ในน้ำจากภาพแรกสุดในบทความนี้นั้นไม่มีอะไรมากไปกว่าเมตาอะตอม ซึ่งแต่ละเส้นแทนไดโพลครึ่งคลื่น ซึ่งเป็นหนึ่งในการออกแบบเสาอากาศที่มีชื่อเสียงที่สุดซึ่งนักวิทยุสมัครเล่นทุกคนคุ้นเคย
พวกเขาถูกแช่อยู่ในน้ำไม่ใช่เพื่อที่จะไม่ติดไฟใน MRI (แม้ว่าจะเพื่อจุดประสงค์นี้ด้วยก็ตาม)) แต่เพื่อที่จะลดความยาวเรโซแนนซ์ของพวกมันลงด้วยจำนวนที่เท่ากับกำลังสองพอดี เนื่องจากค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของน้ำสูง รากของค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของน้ำ
ชิปนี้ใช้มานานแล้วในเครื่องรับวิทยุโดยพันลวดบนชิ้นส่วนเฟอร์ไรต์ - ที่เรียกว่า เสาอากาศเฟอร์ไรต์ เฟอร์ไรต์เท่านั้นที่มีการซึมผ่านของแม่เหล็กสูง และไม่ใช่อิเล็กทริก ซึ่งทำงานในลักษณะเดียวกันและยอมให้ขนาดเรโซแนนซ์ของเสาอากาศลดลงตามลำดับ ขออภัย คุณไม่สามารถใส่เฟอร์ไรท์ใน MRI ได้ เนื่องจาก... มันเป็นแม่เหล็ก น้ำเป็นทางเลือกราคาถูกและเข้าถึงได้
เห็นได้ชัดว่าในการคำนวณสิ่งเหล่านี้ คุณต้องสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่ซับซ้อนโดยคำนึงถึงความสัมพันธ์ระหว่างองค์ประกอบเรโซแนนซ์ พารามิเตอร์ด้านสิ่งแวดล้อม และแหล่งกำเนิดรังสี... หรือคุณสามารถใช้ประโยชน์จากผลลัพธ์ของความก้าวหน้าและซอฟต์แวร์สำหรับแม่เหล็กไฟฟ้าเชิงตัวเลข การสร้างแบบจำลองซึ่งแม้แต่เด็กนักเรียนก็สามารถเข้าใจได้ง่าย (ตัวอย่างที่โดดเด่นที่สุด - CST, HFSS) ซอฟต์แวร์นี้ช่วยให้คุณสร้างแบบจำลอง 3 มิติของเครื่องสะท้อนเสียง เสาอากาศ วงจรไฟฟ้า เพิ่มผู้คนเข้าไป - ใช่ จริงๆ แล้ว อะไรก็ได้ คำถามเดียวคือจินตนาการของคุณและพลังในการคำนวณที่มีอยู่ แบบจำลองที่สร้างขึ้นจะถูกแบ่งออกเป็นกริด ที่โหนดซึ่งสมการแมกซ์เวลล์ที่รู้จักกันดีได้รับการแก้ไขแล้ว
ตัวอย่างเช่น นี่คือการจำลองสนามแม่เหล็กความถี่วิทยุภายในเสาอากาศกรงนกที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้:
มันค่อนข้างชัดเจนในทันทีว่าสนามหมุนอย่างไร สถานการณ์ทางด้านซ้ายจะแสดงเมื่อมีกล่องน้ำอยู่ภายในเสาอากาศและทางด้านขวา - เมื่อกล่องเดียวกันนั้นอยู่บนตัวสะท้อนเสียงที่ทำจากสายไฟที่มีความยาวสะท้อน คุณจะเห็นว่าสนามแม่เหล็กได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญด้วยสายไฟอย่างไร หลังจากเชี่ยวชาญ CST และปรับการออกแบบของฉันที่นั่นให้เหมาะสมแล้ว ฉันได้สร้างวัสดุเมตาขึ้นมาอีกครั้ง ซึ่งจริงๆ แล้วทำให้สามารถขยายสัญญาณในเครื่องเอกซเรย์ MRI ทางคลินิกมาตรฐาน 1.5T ได้ มันยังคงเป็นกล่อง (แม้ว่าจะสวยงามกว่า แต่ทำจากลูกแก้ว) เต็มไปด้วยน้ำและสายไฟเรียงกัน ครั้งนี้ โครงสร้างได้รับการปรับปรุงให้เหมาะสมในแง่ของเงื่อนไขการสั่นพ้อง กล่าวคือ การเลือกความยาวของสายไฟ ตำแหน่ง และปริมาณน้ำ นี่คือสิ่งที่เกิดขึ้นกับมะเขือเทศ:
การสแกนมะเขือเทศครั้งแรกทำได้โดยใช้เสาอากาศขนาดใหญ่ ผลลัพธ์ที่ได้คือเสียงรบกวนโดยแทบไม่เห็นโครงร่าง ครั้งที่สอง ฉันวางผลไม้ไว้บนโครงสร้างเรโซแนนซ์ที่เพิ่งอบใหม่ ฉันไม่ได้สร้างแผนที่แบบมีสีสันหรืออะไรทำนองนั้น เนื่องจากผลลัพธ์ที่เห็นได้ชัดเจน ดังนั้นจากประสบการณ์ของตัวเอง แม้ว่าฉันจะใช้เวลามาก แต่ฉันได้พิสูจน์ว่าแนวคิดนี้ใช้ได้ผล
ชัดเจนว่าคุณกำลังคิดอะไรอยู่ เช่น ส้ม มะเขือเทศ ทั้งหมดนี้ผิด การทดลองของมนุษย์อยู่ที่ไหน
พวกเขาเป็นเช่นนั้นจริงๆ :
มือของอาสาสมัครที่กำลังเข้ารับการตรวจ MRI อยู่บนกล่องเดียวกัน น้ำจริงในกล่องเนื่องจากมีไฮโดรเจนจึงมองเห็นได้ชัดเจนเช่นกัน สัญญาณจะถูกขยายในบริเวณข้อมือที่วางอยู่บนตัวสะท้อนในขณะที่ส่วนอื่น ๆ ของร่างกายจะมองเห็นได้ไม่ดี เห็นได้ชัดว่าสามารถบรรลุผลแบบเดียวกัน และอาจดีกว่านั้นด้วยการใช้คอยล์ทางคลินิกมาตรฐาน แต่ความจริงที่ว่าคุณสามารถทำสิ่งต่าง ๆ เหล่านี้ได้ง่ายๆ ด้วยการรวมน้ำและสายไฟเข้าด้วยกันในเชิงพื้นที่ รวมกันอย่างถูกวิธีนั้นน่าทึ่งมาก ที่น่าอัศจรรย์ยิ่งกว่านั้นคือความรู้เกี่ยวกับเรื่องนี้สามารถได้รับจากการศึกษาปรากฏการณ์ที่ดูเหมือนไม่เกี่ยวข้องกัน เช่น การหักเหของแสง
สำหรับใครที่ยังไม่เหนื่อยขณะนี้การออกแบบกระติกน้ำได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้นแล้ว ตอนนี้มันเป็นเพียงแผงวงจรพิมพ์แบบแบนที่ให้คุณระบุตำแหน่งสนามแม่เหล็กของเสาอากาศขนาดใหญ่ภายนอกที่อยู่ใกล้คุณ นอกจากนี้พื้นที่ทำงานยังใหญ่กว่าการออกแบบครั้งก่อน:
ริบบิ้นสีบ่งบอกถึงความแรงของสนามแม่เหล็กเหนือโครงสร้างเมื่อถูกกระตุ้นโดยแหล่งกำเนิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าภายนอก โครงสร้างแบบเรียบเป็นสายส่งทั่วไปที่รู้จักในวิศวกรรมวิทยุ แต่ก็ถือได้ว่าเป็นวัสดุ metamaterial สำหรับ MRI “คอยล์ไร้สาย” นี้สามารถแข่งขันกับคอยล์มาตรฐานได้แล้วในแง่ของความสม่ำเสมอของสนามที่สร้างขึ้นที่ความลึกที่แน่นอนในวัตถุที่สแกน:
ภาพเคลื่อนไหวแสดงแผนผังสีทีละชั้นของสัญญาณภายในกล่องน้ำใน MRI สีบ่งบอกถึงความเข้มของสัญญาณจากนิวเคลียสของไฮโดรเจน ที่มุมซ้ายบน ส่วนของคอยล์สแกนด้านหลังมาตรฐานจะถูกนำมาใช้เป็นตัวรับ มุมล่างซ้ายคือเมื่อวางกล่องไว้บนตัวสะท้อนเสียงในรูปแบบของแผงวงจรพิมพ์ ล่างขวา - รับสัญญาณจากเสาอากาศขนาดใหญ่ที่ติดตั้งอยู่ในอุโมงค์เอกซเรย์ ฉันเปรียบเทียบความสม่ำเสมอของสัญญาณในพื้นที่ที่กำหนดโดยสี่เหลี่ยม ที่ระดับความสูงหนึ่ง วัสดุเมตาจะทำงานได้ดีกว่าคอยล์ในแง่ของความสม่ำเสมอของสัญญาณ สำหรับวัตถุประสงค์ทางคลินิก นี่อาจไม่ใช่ความสำเร็จที่สำคัญมากนัก แต่เมื่อพูดถึงการติดตั้ง MRI ทางวิทยาศาสตร์ซึ่งมีการสแกนหนู ก็สามารถช่วยเพิ่มสัญญาณและลดพลังงานที่ต้องการของพัลส์วิทยุที่น่าตื่นเต้นได้
ในตอนต้นของบทความเกี่ยวกับ "ปรับปรุง 2 เท่า" - แน่นอนว่านี่เป็นอีกผลหนึ่งของความรักที่ไม่สมหวังของนักข่าวที่มีต่อนักวิทยาศาสตร์ แต่ก็ผิดเช่นกันที่จะบอกว่านี่เป็นงานวิจัยที่ว่างเปล่าซึ่งได้รับการสนับสนุนโดยความสนใจ หัวข้อนี้ในกลุ่มวิทยาศาสตร์ทั่วโลก น่าแปลกที่งานกำลังดำเนินการที่นี่ในรัสเซียเช่นกัน แม้ว่าจากประสบการณ์ส่วนตัวของฉันล้วนๆ แต่นี่ก็ค่อนข้างเป็นข้อยกเว้นที่หายาก ยังคงมีปัญหามากมายที่ยังไม่ได้รับการแก้ไขที่เกี่ยวข้องกับการใช้วัสดุ metamaterial ใน MRI นอกจากการปรับตำแหน่งสนามแม่เหล็กเพื่อให้ได้ภาพที่ดีแล้ว อย่าลืมสนามไฟฟ้าที่ทำให้เนื้อเยื่อร้อนขึ้น รวมถึงการดูดกลืนพลังงานสนามความถี่วิทยุโดยเนื้อเยื่อของผู้ป่วยที่เข้ารับการตรวจ สำหรับสิ่งเหล่านี้ ในการใช้งานทางคลินิก จะต้องมีการควบคุมพิเศษ ซึ่งจะซับซ้อนมากขึ้นเมื่อใช้เครื่องสะท้อนเสียงแบบแปลตำแหน่งภาคสนาม ในตอนนี้ วัสดุเมตาสำหรับ MRI ยังคงอยู่ในขอบเขตของการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ แต่ผลลัพธ์ที่ได้นั้นน่าสนใจมากและบางทีในอนาคต ขอบคุณพวกเขา กระบวนการ MRI จะเปลี่ยนไปในทางที่ดีขึ้น เร็วขึ้นและปลอดภัยยิ่งขึ้น
ที่มา: will.com
