Повз вухо просвистіла викрутка. З гучним дзвоном вона завмерла на корпусі кріостата. Чортнувшись про себе, я вирішив взяти перерву. Відкручувати болти в магнітному полі величиною 1.5 тесла, за допомогою сталевого інструменту - так собі затія. Поле як невидимий противник постійно намагається вирвати інструмент з рук, зорієнтувати його вздовж своїх силових ліній і спрямувати якомога ближче до електронів, що біжать замкненим колом з надпровідника. Однак, якщо дуже потрібно перемогти закислі з'єднання багаторічної давності, особливо вибору немає. Я сів за комп'ютер і звично перегорнув стрічку новин. «Російські вчені покращили МРТ у 2 рази!» — говорив підозрілий заголовок.
Близько року тому, ми і осягали суть його роботи. Перед прочитанням цієї статті рекомендую освіжити в пам'яті той матеріал.
Через різні причини, в тому числі, історичні, в Росії на сьогоднішній день виробництва такого складного обладнання, як високопідлогові магнітно-резонансні томографи. Тим не менш, якщо ви живете в більш-менш великому місті, ви легко знайдете клініки, які надають такого роду послуги. При цьому, парк МРТ сканерів найчастіше представлений вживаним обладнанням, завезеним колись із США та Європи і, якщо вам раптом доведеться відвідати клініку з МРТ, нехай вас не дурить красивий зовнішній вигляд апарату - йому цілком може йти другий десяток років. Як наслідок, таке обладнання буває, що ламається, і я довгий час був одним із тих людей, що повертав зламані томографи в дію, щоб пацієнти й надалі могли проходити діагностику, а власники — отримувати прибуток.
Поки одного з чудових днів, у перерві між небезпечними розвагами з магнітними полями величезної величини, я не натрапив у стрічці новин на цікавий напис: «Російські вчені спільно з голландськими колегами за допомогою метаматеріалів». Чи варто говорити, що сам факт того, що в Росії ведуть дослідження, присвячені обладнанню, виробництво якого так і не було освоєно, здався мені дуже спірним. Я вирішив, що це просто якийсь черговий попив грантів, розбавлений незрозумілими науковими слівцями наче набридлим всім «нанотехнологій». Пошук інформації на тему роботи вітчизняних вчених з МРТ і метаматеріалами, привів мене до статті, що містить опис простого експерименту, який я легко міг би повторити, благо МРТ апарат завжди під рукою.
Картинка з , присвяченої посиленню МРТ сигналу з допомогою так званого «метаматеріалу» У типовий клінічний 1.5 - Тесловий апарат замість пацієнта завантажується метаматеріал, у вигляді тазика з водою, всередині якого розташовані паралельні дроти певної довжини. На дротах лежить об'єкт дослідження – риба (нежива). Картинки справа - це отримані в МРТ зображення риби, з накладеною картою кольорів, що означає інтенсивність сигналу від ядер водню. Видно, що коли риба лежить на дротах, сигнал набагато кращий, ніж без них. Час сканування в обох випадках є однаковим, що доводить підвищення ефективності сканування. У статті також дбайливо було наведено
формула
для розрахунку довжини проводів залежно від робочої частоти томографа, якою я скористався. Я змайстрував свій метаматеріал із кювети та масиву мідних проводів, забезпечивши їх пластиковими кріпленнями, надрукованими на 3d принтері.
Мій перший метаматеріал. Відразу після виготовлення був засунутий в 1-тесловий томограф. Апельсин виступав як об'єкт для сканування.
Однак, замість обіцяного посилення сигналу, я отримав купу артефактів, які абсолютно псують зображення! Обурення моєму не було межі! Доївши випробуваного, я написав листа авторам статті, сенс якого можна звести до питання «Якого…?».
Автори незабаром відповіли мені. Вони були дуже вражені тим, що хтось намагається повторити свої експерименти. Спочатку довго намагалися мені пояснити, як таки працюють метаматеріали, використовуючи терміни «резонанси Фабрі-Перо», «власні моди», і всякі радіочастотні поля в обсязі. Потім, мабуть зрозумівши, що я зовсім не розумію, про що мова, вони вирішили запросити мене до себе в гості, щоб я подивився на їхні розробки наживо і переконався, що це все-таки працює. Я закинув у рюкзак свій улюблений паяльник і поїхав до Санкт-Петербурга, до національного дослідницького університету інформаційних технологій, механіки та оптики (як виявилося, там навчають не лише програмістів).
На місці мене привітно зустріли, і раптово, запропонували роботу, тому що були вражені моєю кюветою з проводами і їм потрібна була людина для створення нових. Натомість обіцяли докладно пояснити все що мене цікавить і пройти курс навчання з радіофізики та МРТ, який стартував завдяки щасливому випадку саме того року. Моя тяга до знань перемогла, і далі, протягом року я навчався, робив проекти і працював, поступово дізнаючись про нові і нові речі про історію магнітного резонансу, а також стан сучасної науки в цій галузі, чим і поділюся тут.
В основі методу передбачуваного удосконалення МРТ і досліджуваного у згаданих наукових статтях лежать так звані «метаматеріали». Метаматеріали, як і ще відкриття, зобов'язані своєю появою несподіваним рішенням, отриманим з урахуванням теоретичних пошуків. Радянський вчений, Віктор Веселаго, 1967 року, працюючи над теоретичною моделлю, припустив існування матеріалів із негативним коефіцієнтом заломлення. Як ви вже зрозуміли, йдеться про оптику, і величина цей коефіцієнт, грубо кажучи, означає, наскільки змінить свій напрямок світло, пройшовши через кордон між різними середовищами, наприклад, повітрям і водою. У тому, що це справді так відбувається, можна легко переконатися самостійно:
Простий експеримент з лазерною указкою та акваріумом, що демонструє заломлення світла.
Цікавий факт, який можна витягти з такого експерименту — промінь не може переломлюватися в той самий бік, звідки він упав на межу розділу, ніби експериментатор не намагався. Такий експеримент проводили з усіма речовинами, що зустрічаються в природі, проте промінь завзято переломлювався тільки в один бік. Математично це означає, що коефіцієнт заломлення, як і його складові, діелектрична і магнітна проникність, позитивні, і жодного разу не спостерігалося іншого. Принаймні, доки В. Веселаго не вирішив вивчити це питання, і показав, що теоретично немає жодної причини, чому не можна бути коефіцієнтом заломлення негативним.
Картинка з Вікі, що показує різницю між середовищами з позитивним та негативним коефіцієнтами заломлення. Як бачимо, світло поводиться зовсім неприродно, проти нашим побутовим досвідом.
В. Веселаго довгий час намагався знайти докази існування матеріалів з негативним коефіцієнтом заломлення, проте пошуки не мали успіху, і його робота була незаслужено забута. Тільки на початку наступного століття були штучно створені композитні структури, що реалізують описувані властивості, але не в оптичному, а в нижчому мікрохвильовому діапазоні частот. Що й стало переломним моментом, оскільки сама можливість існування таких матеріалів відкривала нові перспективи. Наприклад - створення , здатних збільшувати об'єкти навіть менші, ніж довжина хвилі світла. Або ж абсолютних маскуючих покриттів-невидимок, мрії всіх військових. Було внесено серйозні поправки до теорії, що враховують нові дані. Ключем до успіху виявилося використання впорядкованих структур з резонансних елементів — метаатомів, розмір яких набагато менший за довжину хвилі випромінювання, з яким вони взаємодіють. Упорядкована структура з метаатомів – це штучний композит, який називають метаматеріалом.
Практична реалізація метаматеріалів навіть сьогодні технологічно складна, оскільки розмір резонансних частинок повинен бути порівняно меншим за довжину хвилі електромагнітного випромінювання. Для оптичного діапазону (де довжина хвилі – нанометри) подібні технології знаходяться на вістрі можливостей прогресу. Тому, не дивно, що перші представники концепції метаматеріалів були створені для порівняно довших електромагнітних хвиль з радіодіапазону (які мають звичнішу нам довжину від мм до м). Основна фішка і водночас недолік будь-якого метаматеріалу — наслідок резонансної природи складових його елементів. Метаматеріал може виявляти свої чудо-властивості лише на певних частотах.
Обмежені частоти.Тому, наприклад, коли в черговий раз побачите щось на кшталт супер-глушилки звуку на основі метаматеріалів, запитайте, а який діапазон частот вона реально глушить.
Типові приклади метаматеріалів, що дозволяють взаємодіяти з електромагнітними хвилями. Структури з провідників - ні що інше, як малі резонатори, LC-контури, що формуються просторовим положенням провідників.
Трохи часу минуло з появи концепції метаматеріалів, та його перших реалізацій, як люди здогадалися використовувати в МРТ. Основний недолік метаматеріалів — вузький робочий діапазон не є проблемою для МРТ, де всі процеси відбуваються на одній частоті магнітного резонансу ядер, що у радіодіапазоні. Тут ви своїми руками можете створювати метаатоми та одразу дивитися, що вийде на картинках. Одними з перших фіч, які дослідники реалізували в МРТ з використанням метаматеріалів, були суперлінза та ендоскопи.
На лівій частині під літерою а) показана суперлінза, що складається з тривимірних ґрат резонаторів на друкованих платах. Кожен резонатор - це розімкнене металеве колечко з припаяним конденсатором, що утворює LC-контур, налаштований на частоту МРТ. Нижче наведено приклад розміщення даної структури з метаматеріалу між ногами пацієнта, що проходить процедуру томографії і відповідно одержуються після картинки. Якщо ви раніше не погребли порадою прочитати минулу мою статтю про МРТ, то ви вже знаєте, що для отримання зображення будь-якої ділянки тіла пацієнта потрібно зібрати слабкі, швидко загасаючі сигнали ядер за допомогою близько розташованої антени - котушки.
Суперлінза з метаматеріалу дозволяє збільшити дію стандартної котушки. Наприклад, візуалізувати обидві ноги пацієнта одразу замість однієї. З поганих новин - становище суперлінзи має бути підібраним певним чином для найкращого прояву ефекту, а сама суперлінза досить дорога у виготовленні. Якщо ви все ще не зрозуміли, чому ця лінза називається з приставкою супер-то оцініть по фото її розміри, а потім усвідомте, що вона працює з довгою хвилі близько п'яти метрів!
Під літерою б) демонструється конструкція ендоскопу. По суті, ендоскоп для МРТ це масив з паралельних проводів, що грає роль хвилеводу. Він дозволяє просторово рознести регіон, з якого котушка отримує сигнал від ядер і саму котушку на пристойну відстань - аж до того, що приймальна антена може розташовуватися зовсім поза кріостата томографа, далеко від постійного магнітного поля. На нижніх картинках вкладки б) представлені знімки, отримані для спеціальної заповненої рідиною судини - фантома. Різниця між ними в тому, що зображення, підписані «ендоскоп», були отримані, коли котушка знаходилася на пристойній відстані від фантома, де без ендоскопа сигнали від ядер абсолютно неможливо було б задетектувати.
Якщо говорити про одну з найперспективніших областей застосування метаматеріалів у МРТ, і найбільш близьку до своєї практичної реалізації (у яку я і вплутався в результаті) – це створення бездротових котушок. Варто пояснити, що тут зовсім не йдеться про Bluetooth або інший бездротовий технології передачі даних. «Бездротова» у разі означає наявність індуктивної чи ємнісної зв'язку двох резонансних структур – приемопередающей антени, і навіть метаматериала. У концепції це так:
Ліворуч показано, як зазвичай проходить процедура МРТ: пацієнт лежить усередині кріостата в зоні однорідного статичного магнітного поля. У тунелі томографа змонтовано велику антену, звану «пташину клітину». Антена такої конфігурації дозволяє обертати вектор радіочастотного магнітного поля з частотою прецесії ядер водню (для клінічних машин це зазвичай від 40 до 120МГц залежно від величини статичного магнітного поля від 1Т і до 3Т відповідно), змушуючи їх поглинати енергію, а потім випромінювати у відповідь . Сигнал у відповідь від ядер дуже слабкий і поки він дійде до провідників великої антени він неминуче загасне. З цієї причини, в МРТ для прийому сигналів використовують сусідні локальні котушки. На малюнку по центру, наприклад, показано типову ситуацію сканування коліна. За допомогою метаматеріалів можна зробити резонатор, який буде індуктивно пов'язаний із пташиною клітиною. Достатньо помістити таку штуку поряд із потрібною ділянкою тіла пацієнта і сигнал звідти прийматиметься не гірше, ніж локальною котушкою! У разі успіху реалізації концепту пацієнтам більше не доведеться плутатися у проводах, і процедура МРТ діагностики стане комфортнішою.
Саме таку штуку я намагався створити спочатку, заливаючи дроти водою і намагаючись відсканувати апельсин. Проводи, занурені у воду з найпершої картинки в цій статті - ніщо інше як метаатоми, кожен з яких являє собою напівхвильовий диполь - одну з найвідоміших конструкцій антен, знайому кожному радіоаматору.
Занурюють їх у воду не для того, щоб вони не спалахнули в МРТ (хоча і для цього теж)), а для того, щоб завдяки високій діелектричній проникності води скоротити їх резонансну довжину рівно на величину, рівну квадратному кореню з діелектричної проникності води.
Цю фішку вже давно застосовують у радіоприймачах, намотуючи дріт на шматок фериту – т.зв. феритова антена. Тільки ферит має високу магнітну проникність, а не діелектричну що однак працює також, і дозволяє відповідно скоротити резонансні розміри антени. У МРТ на жаль ферит не засунеш, т.к. він магнітний. Вода – це дешева та доступна альтернатива.
Зрозуміло, що для розрахунків усіх цих речей потрібно будувати найскладніші математичні моделі, що враховують взаємозв'язок між резонансними елементами, параметрами середовища та джерелами випромінювання… або ж можна скористатися плодами прогресу та ПЗ для чисельного електромагнітного моделювання, з яким легко розбереться і школяр (найяскравіші приклади - CST, HFSS). ПЗ дозволяє створити 3d моделі резонаторів, антен, електричних схем, додавати туди людей - так, власне, все що завгодно, питання лише у фантазії та доступних обчислювальних потужностях. Побудовані моделі дробляться на сітки, у вузлах яких здійснюється рішення відомих рівнянь Максвелла.
Ось, наприклад, моделювання радіочастотного магнітного поля всередині згаданої раніше антенної типу пташина клітина:
Відразу досить наочно стає, як обертається поле. Зліва показана ситуація коли всередині антени коробка з водою, а праворуч - коли та сама коробка на резонаторі з проводів резонансної довжини. Видно як магнітне поле значно посилюється завдяки дротам. Після освоєння CST та оптимізації там своєї конструкції, я ще раз зробив метаматеріал, який вже справді дозволив посилити сигнал у стандартному клінічному 1.5Т МРТ томографі. Він все також являв собою коробку (щоправда красивішу, з оргскла), що заповнюється водою і масив проводів. Цього разу, структуру було оптимізовано з погляду резонансних умов саме: підбір довжини проводів, їх становища, і навіть кількості води. Ось що вийшло з помідором:
Перше сканування помідора виконувалося велику антену. У результаті вийшов лише шум з ледь-ледь проглядаючи обрисами. Вдруге я помістив плід на нову резонансну конструкцію. Я не став будувати кольорові карти, або щось подібне, тому що ефект очевидний. Тим самим, на своєму досвіді, хоч і згаявши купу часу, я довів, що концепція працює.
Зрозуміло, про що ви думаєте – апельсини, помідори – це все не те, де ж випробування на людях?
Вони справді були :
Рука добровольця, що проходить МРТ лежить на тій же коробці. Власне вода в коробці, оскільки містить водень, також добре видно. Посилення сигналу відбувається в зоні зап'ястя, що лежить на резонаторі, тоді як всі інші частини тіла погано видно. Зрозуміло, що такого ж ефекту, а може й краще, можна досягти і використовуючи стандартні клінічні котушки. Але сам факт того, що можна робити подібні штуки, просто просторово скомбінувавши воду та дроти, належним чином поєднуючи їх, вражає уяву. Ще більш дивно, що знання про це можна отримати завдяки дослідженню, здавалося б, незв'язаних явищ, таких як заломлення світла.
Для тих, хто ще не втомивсяНаразі конструкція коробки з водою вже покращена. Тепер це просто плоска друкована плата, яка дозволяє локалізувати магнітне поле зовнішньої великої антени біля себе. Причому її робоча зона більша ніж у попередньої конструкції:
Кольорові стрічки показують напруженість магнітного поля над структурою при збудженні зовнішнього джерела електромагнітних хвиль. Плоска структура є типовою лінією передачі, відому в радіотехніці, однак одночасно може бути розглянута і як метематеріал для МРТ. Ця «бездротова котушка» вже може позмагатися зі стандартними котушками по однорідності поля, що створюється на певній глибині в об'єкті сканування:
Анімація показує шар за шаром кольорову карту сигналу всередині коробки з водою в МРТ. Колір означає інтенсивність сигналів від ядер водню. У лівому верхньому куті як приймач використовується сегмент стандартної котушки для сканування спини. Лівий нижній кут коли коробка стоїть на резонаторі у вигляді друкованої плати. Справа внизу - сигнал приймає велика антена, вбудована в тунель томографа. Я порівняв однорідність сигналу у зоні, обведеній прямокутником. На деякій висоті, метаматеріал працює краще, ніж котушка в плані однорідності сигналу. Для клінічних завдань це може бути не дуже важливе досягнення, зате коли йдеться про наукові установки МРТ, де сканують щурів, це може допомогти досягти приросту сигналу та зниження необхідної потужності збудливих радіоімпульсів.
Про «покращили в 2 рази» на початку статті — зрозуміло, це черговий плід нерозділеного кохання журналістів до вчених, однак і сказати, що це порожні дослідження теж неправильно, що підкріплюється інтересом до цієї теми в наукових групах по всьому світу. Дивно, але роботи ведуть і в нас у Росії, хоча виходячи з мого суто особистого досвіду, це радше рідкісний виняток. Є ще багато невирішених проблем, пов'язаних із застосуванням метаматеріалів у МРТ. Крім локалізації магнітних полів для отримання гарної картинки, не варто забувати про електричні поля, що призводять до нагрівання тканин, а також про поглинання тканинами пацієнтів, які проходять обстеження енергії радіочастотного поля. За цими речами, при клінічному використанні, повинен бути особливий конроль, який сильно ускладнюється при використанні резонаторів, що локалізують поля. Поки що метаматеріали для МРТ залишаються в рамках наукових досліджень, але одержувані результати вже дуже цікаві і можливо в майбутньому процедура МРТ завдяки їм зміниться на краще, ставши швидшими та безпечнішими.
Джерело: habr.com