Kulağımın yanından bir tornavida ıslık çaldı. Yüksek bir çınlama sesiyle kriyostat gövdesinin üzerinde dondu. Kendi kendime küfrederek biraz ara vermeye karar verdim. 1.5 Tesla'lık bir manyetik alanda cıvataları çelik bir alet kullanarak sökmek iyi bir fikir değildir. Alan, görünmez bir düşman gibi, sürekli olarak aleti elden kapmaya, onu kendi kuvvet çizgileri boyunca yönlendirmeye ve süperiletkenden kapalı bir daire içinde ilerleyen elektronlara mümkün olduğunca yakın yönlendirmeye çalışıyor. Bununla birlikte, yıllar öncesinden asitlenmiş bileşikleri gerçekten yenmeniz gerekiyorsa, fazla seçeneğiniz yoktur. Bilgisayarın başına oturdum ve alışkanlıkla haber akışında gezindim. “Rus bilim adamları MR'ı 2 kat geliştirdiler!” - şüpheli başlığı okuyun.
Yaklaşık bir yıl önce biz ve işinin özünü anladı. Bu makaleyi okumadan önce bu materyalle ilgili hafızanızı tazelemenizi şiddetle tavsiye ederim.
Bugün Rusya'da tarihi olanlar da dahil olmak üzere çeşitli nedenlerden dolayı yüksek alanlı manyetik rezonans görüntüleme tarayıcıları gibi karmaşık ekipmanların üretimi. Ancak daha büyük bir şehirde yaşıyorsanız bu tür hizmet veren klinikleri kolaylıkla bulabilirsiniz. Aynı zamanda, MRI tarayıcı filosu genellikle ABD ve Avrupa'dan ithal edilen kullanılmış ekipmanlarla temsil edilmektedir ve aniden MRI ile bir kliniği ziyaret etmeniz gerekiyorsa, cihazın güzel görünümüne aldanmayın - belki de ikinci on yılında olabilir. Sonuç olarak, bu tür ekipmanlar bazen bozuluyor ve uzun süre hastaların teşhise devam edebilmesi ve sahiplerinin kar elde edebilmesi için bozuk tomografileri hizmete geri verenlerden biriydim.
Ta ki güzel bir güne kadar, muazzam manyetik alanlara sahip tehlikeli eğlenceler arasında bir mola sırasında, haber akışında ilginç bir yazıya rastladım: “Rus bilim adamları ve Hollandalı meslektaşları metamalzemeler kullanıyor." Söylemeye gerek yok, Rusya'nın üretiminde hiçbir zaman ustalaşmamış ekipmanlar üzerinde araştırma yapıyor olması bana çok ama çok tartışmalı geldi. Bunun, herkesin zaten bıktığı "nanoteknoloji" gibi anlaşılmaz bilimsel moda sözcüklerle seyreltilmiş yeni bir hibe turu olduğuna karar verdim. Yerli bilim adamlarının MRI ve meta materyallerle çalışmaları konusunda bilgi arayışı beni, MRI makinesi her zaman elinizin altında olduğu için kolayca tekrarlayabileceğim basit bir deneyin açıklamasını içeren bir makaleye yönlendirdi.
Resim: , sözde "metamateryal" kullanarak MRI sinyalini geliştirmeye adanmıştır. Tipik bir klinik 1.5 - Termal aparatta, hasta yerine, içinde belirli uzunlukta paralel tellerin bulunduğu bir su havzası şeklinde metamateryal yüklenir. Tellerin üzerinde çalışmanın nesnesi yatıyor - bir balık (cansız). Sağdaki resimler balığın MRI görüntüleridir ve üst üste bindirilmiş, hidrojen çekirdeğinin sinyal yoğunluğunu gösteren renkli bir haritadır. Balık tellerin üzerinde yattığında sinyalin onlarsız olduğundan çok daha iyi olduğu görülebilir. Tarama süresi her iki durumda da aynıdır, bu da tarama verimliliğinin arttığını kanıtlar. Makale ayrıca dikkatlice dahil edildi
formül
Kullandığım tomografın çalışma frekansına bağlı olarak tellerin uzunluğunu hesaplamak için. Meta materyalimi, 3D baskılı plastik bağlantı elemanlarıyla donatılmış bir küvet ve bir dizi bakır telden yaptım:
İlk meta materyalim. Üretimden hemen sonra 1 Tesla tomografiye yerleştirildi. Turuncu taranacak bir nesne görevi görüyordu.
Ancak vaat edilen sinyal iyileştirmesi yerine görüntüyü tamamen bozan bir dizi eserle karşılaştım! Öfkem sınır tanımıyordu! Konuyu bitirdikten sonra makalenin yazarlarına anlamı “Ne ...?” sorusuna indirgenebilecek bir mektup yazdım.
Yazarlar bana oldukça hızlı yanıt verdi. Birinin deneylerini kopyalamaya çalışmasından oldukça etkilendiler. İlk başta uzun bir süre bana metamateryallerin gerçekte nasıl çalıştığını "Fabry-Perot rezonansları", "içsel modlar" ve hacimdeki her türlü radyo frekansı alanı terimlerini kullanarak açıklamaya çalıştılar. Daha sonra, görünüşe göre neden bahsettiklerini hiç anlamadığımı fark ederek, gelişmelerini canlı olarak inceleyebilmem ve hala çalıştığından emin olabilmem için beni onları ziyaret etmeye davet etmeye karar verdiler. En sevdiğim havyayı sırt çantama attım ve St. Petersburg'a, Ulusal Bilgi Teknolojileri, Mekanik ve Optik Araştırma Üniversitesi'ne gittim (ortaya çıktı ki orada sadece programcılar eğitilmiyor).
Şantiyede sıcak bir şekilde karşılandım ve tellerle dolu hendeğimden etkilendiklerinden ve yeni hendekler yaratacak birine ihtiyaç duyduklarından aniden bana iş teklif ettiler. Karşılığında ilgimi çeken her şeyi detaylı olarak anlatacaklarına ve şans eseri tam o yıl başlayan radyofizik ve MR eğitimine katılacağıma söz verdiler. Bilgiye olan susuzluğum galip geldi ve daha sonra yıl boyunca çalıştım, projeler yaptım ve çalıştım, yavaş yavaş manyetik rezonansın tarihi ve bu alandaki modern bilimin durumu hakkında giderek daha fazla yeni şey öğrendim. burada paylaş.
MRG'yi iyileştirmeye yönelik önerilen ve söz konusu bilimsel makalelerde incelenen yöntem, "meta materyaller" olarak adlandırılan materyallere dayanmaktadır. Diğer birçok keşif gibi metamalzemeler de görünüşlerini teorik araştırmalara dayanarak elde edilen beklenmedik çözümlere borçludur. Sovyet bilim adamı Viktor Veselago, 1967'de teorik bir model üzerinde çalışırken, negatif kırılma indisine sahip malzemelerin varlığını öne sürdü. Zaten anladığınız gibi, optikten bahsediyoruz ve kabaca konuşursak, bu katsayının değeri, örneğin hava ve su gibi farklı ortamlar arasındaki sınırdan geçerken ne kadar ışığın yönünü değiştireceği anlamına gelir. Bunun gerçekten gerçekleştiğini kendiniz kolayca doğrulayabilirsiniz:
Işığın kırılmasını göstermek için bir lazer işaretleyici ve bir akvaryum kullanılarak yapılan basit bir deney.
Böyle bir deneyden öğrenilebilecek ilginç bir gerçek, deneyci ne kadar çabalarsa çabalasın, ışının arayüze düştüğü yerden aynı yönde kırılamayacağıdır. Bu deney doğal olarak oluşan tüm maddelerle gerçekleştirildi, ancak ışın inatla yalnızca bir yönde kırıldı. Matematiksel olarak bu, kırılma indisinin yanı sıra onu oluşturan niceliklerin, dielektrik ve manyetik geçirgenliğin pozitif olduğu ve bunun aksi hiçbir zaman gözlemlenmediği anlamına gelir. En azından V. Veselago bu konuyu incelemeye karar verene ve teorik olarak kırılma indisinin negatif olamamasının tek bir nedeni olmadığını gösterene kadar.
Wiki'den pozitif ve negatif indeks medyası arasındaki farkı gösteren resim. Gördüğümüz gibi ışık, günlük deneyimlerimize kıyasla tamamen doğal olmayan bir davranış sergiliyor.
V. Veselago uzun süre negatif kırılma indisine sahip malzemelerin varlığına dair kanıt bulmaya çalıştı, ancak arama başarısız oldu ve çalışması haksız yere unutuldu. Tanımlanan özellikleri gerçekleştiren, ancak optik değil, daha düşük mikrodalga frekans aralığında kompozit yapıların yapay olarak yaratılması ancak gelecek yüzyılın başında gerçekleşti. Bu bir dönüm noktasıydı, çünkü bu tür malzemelerin var olma ihtimali yeni ufuklar açmıştı. Örneğin - yaratılış ışığın dalga boyundan daha küçük nesneleri büyütebilme yeteneğine sahiptir. Veya - mutlak kamuflaj görünmezlik kaplamaları, tüm askeri personelin hayali. Yeni verileri hesaba katmak için teoride büyük değişiklikler yapıldı. Başarının anahtarı, boyutları etkileşime girdikleri radyasyonun dalga boyundan çok daha küçük olan rezonans elemanlarının (metaatomlar) düzenli yapılarının kullanılmasıydı. Meta atomların düzenli yapısı, meta malzeme adı verilen yapay bir bileşiktir.
Rezonans parçacıklarının boyutunun elektromanyetik radyasyonun dalga boyundan daha küçük olması gerektiğinden, metamalzemelerin bugün bile pratik uygulaması teknolojik olarak karmaşıktır. Optik aralıkta (dalga boyunun nanometre olduğu) bu tür teknolojiler ilerlemenin ön saflarında yer alıyor. Bu nedenle, metamalzeme kavramının ilk temsilcilerinin, radyo aralığından nispeten daha uzun elektromanyetik dalgalar (mm'den m'ye kadar daha tanıdık bir uzunluğa sahip) için yaratılmış olması şaşırtıcı değildir. Herhangi bir meta materyalin ana özelliği ve aynı zamanda dezavantajı, onu oluşturan unsurların rezonans doğasının bir sonucudur. Metamateryal mucizevi özelliklerini ancak belirli frekanslarda sergileyebilmektedir.
Sınırlı frekanslar.Bu nedenle, örneğin bir dahaki sefere metamalzemelere dayanan süper ses bozucu gibi bir şey gördüğünüzde, gerçekte hangi frekans aralığını bozduğunu sorun.
Elektromanyetik dalgalarla etkileşime izin veren tipik metamalzeme örnekleri. İletken yapıları, iletkenlerin uzaysal konumu tarafından oluşturulan küçük rezonatörlerden, LC devrelerinden başka bir şey değildir.
Metamalzeme kavramının ortaya çıkışından ve ilk uygulamalarından bu yana biraz zaman geçti ve insanlar bunların MRI'da nasıl kullanılacağını anladı. Metamalzemelerin ana dezavantajı, dar çalışma aralığının, tüm süreçlerin radyo aralığında yer alan neredeyse aynı nükleer manyetik rezonans frekansında gerçekleştiği MRI için bir sorun olmamasıdır. Burada kendi ellerinizle meta atomları oluşturabilir ve resimlerde neler olduğunu anında görebilirsiniz. Araştırmacıların metamalzemeler kullanarak MRI'da uyguladığı ilk özelliklerden biri süper lensler ve endoskoplardı.
Sol tarafta, a) harfinin altında, baskılı devre kartları üzerindeki üç boyutlu rezonatör dizisinden oluşan bir süper mercek gösterilmektedir. Her rezonatör, MRI frekansına ayarlanmış bir LC devresi oluşturan, lehimli kapasitöre sahip açık bir metal halkadır. Aşağıda bu metamateryal yapının tomografi işlemi gören bir hastanın bacakları arasına yerleştirilmesine ve buna bağlı olarak ortaya çıkan görüntülere bir örnek verilmiştir. MRI ile ilgili önceki makalemi okuma tavsiyemi daha önce küçümsemediyseniz, o zaman hastanın vücudunun herhangi bir bölümünün görüntüsünü elde etmek için, yakın konumlandırılmış bir kamera kullanarak zayıf, hızla çürüyen nükleer sinyallerin toplanması gerektiğini zaten biliyorsunuzdur. anten - bir bobin.
Meta malzeme süper lensi, standart bir bobinin hareket aralığını artırmanıza olanak tanır. Örneğin, hastanın tek bacağını değil her iki bacağını aynı anda gözünüzde canlandırın. Kötü haber şu ki, en iyi etkiyi elde etmek için süper merceğin konumunun belirli bir şekilde seçilmesi gerekiyor ve süper merceğin üretimi oldukça pahalı. Bu merceğe neden süper önek denildiğini hala anlayamıyorsanız, fotoğraftan boyutunu tahmin edin ve ardından yaklaşık beş metrelik bir dalga boyuyla çalıştığını anlayın!
Harf b) endoskopun tasarımını göstermektedir. Esasen, bir MRI endoskopu, bir dalga kılavuzu görevi gören bir dizi paralel telden oluşur. Bobinin çekirdeklerden ve bobinin kendisinden sinyal aldığı bölgeyi önemli bir mesafeye kadar - alıcı antenin tomografın kriyostatının tamamen dışına, sabit manyetikten uzağa yerleştirilebileceği noktaya kadar - mekansal olarak ayırmanıza olanak tanır. alan. b) sekmesinin alt resimleri, özel bir sıvı dolu kap (hayalet) için elde edilen görüntüleri göstermektedir. Aralarındaki fark, "endoskop" etiketli görüntülerin, bobin fantomdan uygun bir mesafedeyken elde edilmiş olmasıdır; burada endoskop olmadan çekirdeklerden gelen sinyallerin tespit edilmesi tamamen imkansızdır.
Metamateryallerin MRI'daki en umut verici uygulama alanlarından biri hakkında konuşursak ve bunun pratik uygulamasına en yakın olanı (sonunda dahil olduğum) kablosuz bobinlerin oluşturulmasıdır. Burada Bluetooth veya diğer kablosuz veri aktarım teknolojilerinden bahsetmediğimizi açıklığa kavuşturmakta fayda var. Bu durumda "kablosuz", iki rezonans yapısının (bir alıcı-verici anteni ve bir meta malzeme) endüktif veya kapasitif bağlantısının varlığı anlamına gelir. Konsept olarak şöyle görünüyor:
Solda bir MRI prosedürünün genellikle nasıl gerçekleştiği gösterilmektedir: hasta, düzgün bir statik manyetik alan alanında bir kriyostat içinde yatar. Tomografi tüneline “kuş kafesi” adı verilen büyük bir anten monte edilir. Bu konfigürasyondaki bir anten, radyo frekansı manyetik alanının vektörünü hidrojen çekirdeklerinin devinim frekansıyla döndürmenize olanak tanır (klinik makineler için bu, statik manyetik alanın 40T'den 120T'ye kadar büyüklüğüne bağlı olarak genellikle 1 ila 3 MHz arasındadır, sırasıyla), enerjiyi emmelerine ve ardından yanıt olarak enerji yaymalarına neden olur. Çekirdeklerden gelen yanıt sinyali çok zayıftır ve büyük bir antenin iletkenlerine ulaştığında kaçınılmaz olarak sönecektir. Bu nedenle MRI, sinyalleri almak için yakın aralıklı yerel bobinler kullanır. Örneğin ortadaki resim tipik bir diz tarama durumunu göstermektedir. Metamalzemeler kullanarak, bir kuş kafesine endüktif olarak bağlanacak bir rezonatör yapmak mümkündür. Böyle bir şeyi hastanın vücudunun istenen bölgesinin yakınına yerleştirmek yeterlidir ve oradan gelen sinyal, yerel bobinden daha kötü bir şekilde alınmayacaktır! Konsept başarılı bir şekilde uygulanırsa, hastaların artık kablolara karışması gerekmeyecek ve MR teşhis prosedürü daha rahat hale gelecek.
Bu tam olarak başlangıçta telleri suyla doldurup bir portakalı taramaya çalışarak yaratmaya çalıştığım türden bir şey. Bu makaledeki ilk resimden itibaren suya batırılmış teller, her biri her radyo amatörünün aşina olduğu en ünlü anten tasarımlarından biri olan yarım dalga dipolü temsil eden meta atomlardan başka bir şey değildir.
MRI'da alev almamaları için değil (bu amaç için de olsa) suya daldırılırlar, ancak suyun yüksek dielektrik sabiti nedeniyle rezonans uzunluklarını tam olarak kareye eşit bir miktarda azaltmak için suyun dielektrik sabitinin kökü.
Bu çip uzun zamandır radyo alıcılarında kullanılıyor, teli bir ferrit parçasına sarıyor - buna sözde. ferrit anteni. Yalnızca ferrit yüksek bir manyetik geçirgenliğe sahiptir ve dielektrik değildir, ancak aynı şekilde çalışır ve antenin rezonans boyutlarının buna göre azaltılmasına izin verir. Ne yazık ki, ferriti MR'a koyamazsınız çünkü... manyetiktir. Su ucuz ve erişilebilir bir alternatiftir.
Tüm bunları hesaplamak için rezonans elemanları, çevresel parametreler ve radyasyon kaynakları arasındaki ilişkiyi hesaba katan karmaşık matematiksel modeller oluşturmanız gerektiği açıktır... veya sayısal elektromanyetik için ilerlemenin ve yazılımın meyvelerinden yararlanabilirsiniz. bir okul çocuğunun bile kolayca anlayabileceği modelleme (en çarpıcı örnekler - CST, HFSS). Yazılım, rezonatörlerin, antenlerin, elektrik devrelerinin 3 boyutlu modellerini oluşturmanıza, bunlara insanları eklemenize olanak tanır - evet, aslında her şey, tek soru hayal gücünüz ve mevcut bilgi işlem gücünüzdür. Oluşturulan modeller, düğüm noktalarında iyi bilinen Maxwell denklemlerinin çözüldüğü ızgaralara bölünmüştür.
Örneğin burada daha önce bahsedilen kuş kafesi anteninin içindeki radyo frekansı manyetik alanının bir simülasyonu verilmiştir:
Alanın nasıl döndüğü hemen anlaşılıyor. Soldaki durum, antenin içinde bir kutu su olduğunda ve sağda - aynı kutu rezonans uzunluğundaki tellerden yapılmış bir rezonatörün üzerindeyken gösterilir. Manyetik alanın teller tarafından nasıl önemli ölçüde artırıldığını görebilirsiniz. CST konusunda uzmanlaştıktan ve tasarımımı orada optimize ettikten sonra, bir kez daha bir metamateryal yaptım, bu da aslında standart bir klinik 1.5T MRI tomografisindeki sinyali yükseltmeyi mümkün kıldı. Yine de su ve bir dizi tel ile dolu bir kutuydu (her ne kadar daha güzel olsa da pleksiglastan yapılmıştı). Bu kez yapı, rezonans koşulları, yani tellerin uzunluğunun, konumlarının ve su miktarının seçimi açısından optimize edildi. İşte domateste yaşananlar:
Domatesin ilk taraması büyük bir antenle gerçekleştirildi. Sonuç, zar zor görülebilen hatları olan sadece gürültüydü. İkinci seferde meyveyi taze pişmiş bir rezonans yapısının üzerine yerleştirdim. Etkisi açık olduğundan renkli haritalar veya buna benzer bir şey oluşturmadım. Böylece kendi tecrübelerime dayanarak çok zaman harcamama rağmen konseptin işe yaradığını kanıtladım.
Ne düşündüğünüz çok açık - portakallar, domatesler - bunların hepsi yanlış, insanlar üzerinde yapılan deneyler nerede?
Gerçekten öyleydiler :
MR çeken bir gönüllünün eli de aynı kutunun üzerinde. Kutudaki gerçek su da hidrojen içerdiğinden açıkça görülebilmektedir. Sinyal, rezonatörün üzerinde bulunan bilek bölgesinde güçlendirilirken, vücudun diğer tüm kısımları çok az görülebilmektedir. Aynı etkinin, hatta belki daha iyisinin, standart klinik bobinler kullanılarak elde edilebileceği açıktır. Ancak bu tür şeyleri, suyu ve kabloları mekansal olarak birleştirerek, doğru şekilde birleştirerek yapabilmeniz gerçekten şaşırtıcı. Daha da şaşırtıcı olanı, bu konudaki bilgi, ışığın kırılması gibi görünüşte ilgisiz olayların incelenmesiyle elde edilebilir.
Henüz yorulmamış olanlar içinŞu anda su kutusunun tasarımı zaten geliştirildi. Artık yakınınızdaki büyük harici bir antenin manyetik alanını belirlemenize olanak tanıyan düz bir baskılı devre kartından başka bir şey değil. Üstelik çalışma alanı önceki tasarıma göre daha büyük:
Renkli şeritler, harici bir elektromanyetik dalga kaynağı tarafından uyarıldığında yapı üzerindeki manyetik alan gücünü gösterir. Düz yapı, radyo mühendisliğinde bilinen tipik bir iletim hattıdır ancak aynı zamanda MRI için bir meta malzeme olarak da düşünülebilir. Bu "kablosuz bobin", taranan nesnede belirli bir derinlikte oluşturulan alanın tekdüzeliği açısından standart bobinlerle zaten rekabet edebilir:
Animasyon, MRI'daki bir kutu su içindeki sinyalin katman katman renkli haritasını gösteriyor. Renk, hidrojen çekirdeğinden gelen sinyallerin yoğunluğunu gösterir. Sol üst köşede, standart bir arka tarama bobininin bir bölümü alıcı olarak kullanılır. Sol alt köşe, kutunun baskılı devre kartı biçiminde bir rezonatörün üzerine yerleştirildiği zamandır. Sağ altta - sinyal, tomograf tüneline yerleştirilmiş büyük bir anten tarafından alınır. Dikdörtgenin çerçevelediği alandaki sinyal tekdüzeliğini karşılaştırdım. Belirli bir yükseklikte metamalzeme, sinyal bütünlüğü açısından bobinden daha iyi performans gösterir. Klinik amaçlar açısından bu çok önemli bir başarı olmayabilir, ancak farelerin tarandığı bilimsel MRI kurulumları söz konusu olduğunda, sinyalde bir artış elde edilmesine ve heyecan verici radyo darbelerinin gerekli gücünde bir azalma sağlanmasına yardımcı olabilir.
Makalenin başındaki "2 kat geliştirildi" konusu - elbette bu da gazetecilerin bilim adamlarına olan karşılıksız sevgisinin bir başka meyvesi, ancak bunun boş bir araştırma olduğunu söylemek de yanlış, bu da ilgiyle destekleniyor. Bu konu dünya çapındaki bilimsel gruplarda tartışılmaktadır. Şaşırtıcı bir şekilde, burada Rusya'da da çalışmalar yürütülüyor, ancak tamamen kişisel deneyimlerime dayanarak bu oldukça nadir bir istisna. MRI'da metamateryallerin kullanımıyla ilgili hala çözülmemiş birçok sorun var. İyi bir resim elde etmek için manyetik alanları lokalize etmenin yanı sıra, doku ısınmasına yol açan elektrik alanlarını ve radyofrekans alan enerjisinin muayeneye giren hastaların dokuları tarafından emilmesini de unutmayın. Bunlar için, klinik kullanımda, alan lokalizasyonlu rezonatörler kullanıldığında çok daha karmaşık hale gelen özel bir kontrolün olması gerekir. Şimdilik, MRI metamateryalleri bilimsel araştırma kapsamında kalıyor, ancak elde edilen sonuçlar zaten çok ilginç ve belki de gelecekte onlar sayesinde MRI prosedürü daha iyiye doğru değişecek, daha hızlı ve daha güvenli hale gelecek.
Kaynak: habr.com