一把螺丝刀在我耳边呼啸而过。 随着一声巨响，她僵在了低温恒温器本体上。 我暗暗咒骂自己，决定休息一下。 在 1.5 特斯拉的磁场中使用钢制工具拧松螺栓并不是一个好主意。 场就像一个看不见的敌人，不断地试图从手中夺走仪器，沿着其力线定位它，并引导它尽可能靠近来自超导体的闭合圆圈中运行的电子。 然而，如果你真的需要打败多年前的酸化化合物，那就没有太多选择了。 我坐在电脑前，习惯性地浏览新闻源。 “俄罗斯科学家将核磁共振技术提高了两倍！” - 阅读可疑的标题。
大约一年前，我们 并理解了他工作的本质。 我强烈建议您在阅读本文之前刷新对该材料的记忆。
由于各种原因，包括历史原因，在今天的俄罗斯 生产高场磁共振成像扫描仪等复杂设备。 但是，如果您住在大城市，您可以轻松找到提供此类服务的诊所。 与此同时，核磁共振扫描仪车队通常以二手设备为代表，这些设备曾经从美国和欧洲进口，如果您突然必须去配备核磁共振成像的诊所，请不要被设备的漂亮外观所迷惑 -它很可能已进入第二个十年。 结果，此类设备有时会出现故障，很长一段时间，我都是那些将损坏的断层扫描仪重新投入使用的人之一，这样患者就可以继续接受诊断，而业主也可以从中获利。
直到有一天，在充满巨大磁场的危险娱乐活动间隙，我在新闻推送中看到了一段有趣的题词：“俄罗斯科学家与荷兰同事一起 使用超材料。” 不用说，俄罗斯正在对设备进行研究，但其生产从未被掌握，这一事实在我看来非常非常有争议。 我认为这只是另一轮资助，被难以理解的科学流行语（例如每个人都已经厌倦的“纳米技术”）所稀释。 在搜索有关国内科学家在 MRI 和超材料方面的工作主题的信息时，我找到了一篇文章，其中描述了一个我可以轻松重复的简单实验，因为 MRI 机器总是在手边。
图片来自 ，致力于使用所谓的“超材料”增强 MRI 信号。 在典型的临床1.5-热设备中，不是装载患者，而是装载一盆水形式的超材料，水盆内部放置有一定长度的平行线。 电线上有研究对象——一条鱼（无生命）。 右图是鱼的 MRI 图像，叠加的彩色图表示氢核的信号强度。 可以看到，当鱼躺在电线上时，信号比没有鱼时要好得多。 两种情况下的扫描时间相同，证明扫描效率得到了提高。 文章还精心收录了
公式
根据我使用的断层扫描仪的工作频率来计算电线的长度。 我用一个比色皿和一系列铜线制作了超材料，并为它们提供了 3D 打印的塑料紧固件：
我的第一个超材料。 生产后立即将其放入 1 特斯拉断层扫描仪中。 橙子作为被扫描的物体。
然而，我并没有收到承诺的信号增强，而是收到了一堆完全破坏了图像的伪影！ 我的愤怒无边无际！ 完成主题后，我给文章作者写了一封信，其含义可以简化为“什么……？”的问题。
作者很快就回复了我。 有人试图复制他们的实验，给他们留下了深刻的印象。 起初，他们花了很长时间试图向我解释超材料的实际工作原理，使用术语“法布里-珀罗共振”、“本征模式”以及体积中的各种射频场。 然后，显然意识到我根本听不懂他们在说什么，他们决定邀请我去拜访他们，以便我可以实时查看他们的开发情况并确保它仍然有效。 我把我最喜欢的烙铁扔进背包里，去了圣彼得堡，去了国立信息技术、力学和光学研究大学（事实证明，那里不仅培训程序员）。
我在现场受到热烈欢迎，突然，他们给了我一份工作，因为他们对我的电线沟渠印象深刻，他们需要一个人来创造新的。 作为回报，他们承诺详细解释我感兴趣的一切，并参加放射物理学和核磁共振成像培训课程，幸运的是，该培训课程恰好在当年开始。 我对知识的渴望赢得了，然后，这一年里，我学习、做项目、工作，逐渐了解了越来越多关于磁共振历史的新知识，以及该领域的现代科学状况，我将在这里分享。
上述科学文章中所提出的 MRI 改进方法基于所谓的“超材料”。 与许多其他发现一样，超材料的出现归功于在理论研究的基础上获得的意想不到的解决方案。 1967 年，苏联科学家 Viktor Veselago 在研究理论模型时提出了负折射率材料的存在。 正如你已经了解的那样，我们谈论的是光学，这个系数的值，粗略地说，意味着光在穿过不同介质（例如空气和水）之间的边界时会改变多少方向。 您可以轻松地亲自验证这是否真的发生：
使用激光笔和水族箱来演示光折射的简单实验。
从这样的实验中可以了解到一个有趣的事实是，无论实验者多么努力，光束都不能以与落在界面上的位置相同的方向折射。 这项实验是用所有天然存在的物质进行的，但光束顽固地只在一个方向上折射。 从数学上讲，这意味着折射率及其组成量、介电导率和磁导率都是正值，并且从未以其他方式观察到。 至少在 V. Veselago 决定研究这个问题并表明理论上没有任何理由可以解释为什么折射率不能为负值之前。
图片来自 Wiki，显示了正索引媒体和负索引媒体之间的差异。 正如我们所看到的，与我们的日常体验相比，光线的表现完全不自然。
V. Veselago 长期以来试图寻找负折射率材料存在的证据，但搜索没有成功，他的工作也被不应地遗忘。 直到下世纪初，人工创建的复合结构才实现了所描述的特性，但不是在光学方面，而是在较低的微波频率范围内。 这是一个转折点，因为这种材料的存在的可能性开辟了新的前景。 例如——创作 ，能够放大甚至小于光波长的物体。 或者-绝对迷彩隐形覆盖物，所有军事人员的梦想。 为了考虑新数据，对该理论进行了重大修改。 成功的关键是使用共振元素（元原子）的有序结构，其尺寸远小于与其相互作用的辐射的波长。 元原子的有序结构是一种称为超材料的人造复合材料。
即使在今天，超材料的实际实现在技术上仍然很复杂，因为谐振粒子的尺寸必须小于电磁辐射的波长。 对于光学范围（波长为纳米），此类技术处于进步的最前沿。 因此，超材料概念的第一个代表是为无线电范围内相对较长的电磁波（更熟悉的长度从毫米到米）创建的，这并不奇怪。 任何超材料的主要特征和同时的缺点是其组成元素的共振性质的结果。 超材料只有在特定的频率下才能展现出其神奇的特性。
频率有限。因此，例如，下次当您看到类似基于超材料的超音干扰器之类的东西时，请询问它实际上会干扰什么频率范围。
允许与电磁波相互作用的超材料的典型示例。 导体结构只不过是小型谐振器，由导体的空间位置形成的LC电路。
自从超材料概念出现并首次实现以来，已经有一段时间了，人们弄清楚了如何在 MRI 中使用它们。 超材料的主要缺点是，狭窄的工作范围对于 MRI 来说不是问题，所有过程都发生在几乎相同的核磁共振频率（位于无线电范围内）。 在这里，您可以亲手创建元原子，并立即看到图片中发生的情况。 研究人员使用超材料在 MRI 中实现的首批功能之一是超级透镜和内窥镜。
左侧字母 a) 下方显示了一个超级透镜，由印刷电路板上的三维谐振器阵列组成。 每个谐振器都是一个带有焊接电容器的开放金属环，形成一个调谐到 MRI 频率的 LC 电路。 下面是一个示例，将这种超材料结构放置在接受断层扫描程序的患者的腿之间，并相应地生成图像。 如果您之前没有拒绝阅读我之前关于 MRI 的文章的建议，那么您已经知道，为了获得患者身体任何部位的图像，有必要使用靠近的位置收集微弱、快速衰减的核信号。天线 - 线圈。
超材料超级透镜可让您增加标准线圈的作用范围。 例如，同时想象患者的双腿，而不是仅一条腿。 坏消息是，必须以某种方式选择超级透镜的位置才能获得最佳效果，而且超级透镜本身的制造成本相当昂贵。 如果你还不明白为什么这款镜头被称为超级前缀，那么从照片中估计一下它的大小，然后发现它的工作波长约为五米！
字母 b) 显示了内窥镜的设计。 本质上，MRI 内窥镜是一组充当波导的平行线。 它允许您在空间上将线圈接收来自原子核的信号的区域和线圈本身分开相当大的距离 - 以至于接收天线可以完全位于断层扫描仪的低温恒温器外部，远离恒定磁场场地。 选项卡 b) 的下部图片显示了为特殊的充满液体的容器（模型）获得的图像。 它们之间的区别在于，标记为“内窥镜”的图像是在线圈与体模相距一定距离时获得的，如果没有内窥镜，则完全不可能检测到来自原子核的信号。
如果我们谈论超材料在 MRI 中最有前途的应用领域之一，并且最接近其实际实现（我最终参与其中）的是无线线圈的创建。 值得澄清的是，我们这里讨论的不是蓝牙或其他无线数据传输技术。 在这种情况下，“无线”意味着两个谐振结构（收发器天线以及超材料）存在电感或电容耦合。 从概念上看，它看起来像这样：
左侧显示了 MRI 过程通常如何进行：患者躺在低温恒温器内均匀静态磁场区域中。 断层扫描隧道中安装了一个称为“鸟笼”的大型天线。 这种配置的天线允许您以氢核进动频率旋转射频磁场矢量（对于临床机器，这通常是 40 到 120 MHz，具体取决于 1T 到 3T 的静磁场强度，分别），使它们吸收能量，然后释放能量作为响应。 来自磁芯的响应信号非常微弱，当它到达大型天线的导体时，它不可避免地会衰减。 因此，MRI 使用紧密间隔的局部线圈来接收信号。 例如，中间的图片显示了典型的膝盖扫描情况。 使用超材料，可以制造一个与鸟笼感应耦合的谐振器。 将这样的东西放置在患者身体所需区域附近就足够了，从那里接收到的信号不会比局部线圈差！ 如果这一概念成功实施，患者将不再需要被电线缠住，MRI 诊断过程也会变得更加舒适。
这正是我一开始尝试创建的东西，通过在电线中注满水并尝试扫描橙子。 本文第一张图片中浸入水中的电线只不过是元原子，每个元原子代表一个半波偶极子 - 这是最著名的天线设计之一，为每个无线电爱好者所熟悉。
将它们浸入水中并不是为了在 MRI 中不会着火（尽管也是为了这个目的）），而是为了由于水的高介电常数而将其谐振长度减少恰好等于平方的量水的介电常数的根。
这种芯片长期以来一直用于无线电接收器，将电线缠绕在一块铁氧体上 - 所谓的。 铁氧体天线。 只有铁氧体具有高磁导率，而电介质则不然，但其工作原理相同，并且可以相应减小天线的谐振尺寸。 不幸的是，你不能将铁氧体放入 MRI 中，因为…… 它是有磁性的。 水是一种廉价且容易获得的替代品。
显然，要计算所有这些东西，您需要建立复杂的数学模型，考虑谐振元件、环境参数和辐射源之间的关系……或者您可以利用数值电磁的进步和软件的成果建模，即使是小学生也可以轻松理解（最引人注目的例子 - CST、HFSS）。 该软件允许您创建谐振器、天线、电路的 3D 模型，并向其中添加人员 - 是的，事实上，任何东西，唯一的问题是您的想象力和可用的计算能力。 构建的模型被划分为网格，在网格的节点上求解著名的麦克斯韦方程组。
例如，这里是前面提到的鸟笼天线内部射频磁场的模拟：
磁场如何旋转立即变得非常清楚。 左边的情况是当天线内有一盒水时的情况，右边的情况是当同一个盒子位于由谐振长度的电线制成的谐振器上时。 您可以看到磁场如何通过电线显着增强。 在掌握了 CST 并在那里优化了我的设计之后，我再次制作了一种超材料，它实际上使得在标准临床 1.5T MRI 断层扫描仪中放大信号成为可能。 它仍然是一个盒子（虽然更漂亮，由有机玻璃制成），里面装满了水和一排电线。 这次，在谐振条件方面对结构进行了优化，即：电线长度、位置和水量的选择。 这是番茄发生的事情：
番茄的第一次扫描是用大天线进行的。 结果只是噪音，轮廓几乎看不见。 第二次，我将水果放在新鲜出炉的共振结构上。 我没有构建彩色地图或类似的东西，因为效果很明显。 因此，从我自己的经验来看，虽然我花了很多时间，但我证明了这个概念是有效的。
很明显你在想什么——橙子、西红柿——都是错的，人体试验在哪里？
他们确实是 :
接受核磁共振检查的志愿者的手放在同一个盒子上。 盒子里的实际水由于含有氢气，也清晰可见。 信号在位于谐振器上的手腕区域被放大，而身体的所有其他部位都很难看到。 显然，使用标准临床线圈可以达到相同的效果，甚至更好。 但事实上，你只需通过空间组合水和电线，以正确的方式组合它们就可以做到这些事情，这是令人惊奇的。 更令人惊奇的是，有关这方面的知识可以通过研究看似无关的现象（例如光的折射）来获得。
对于那些还没有累的人目前，水箱的设计已经得到改进。 现在它只是一块平面印刷电路板，可让您定位您附近的外部大型天线的磁场。 而且，它的工作区域比之前的设计更大：
彩色丝带表示受外部电磁波源激励时结构上的磁场强度。 扁平结构是无线电工程中已知的典型传输线，但也可以被视为 MRI 的超材料。 这种“无线线圈”在扫描物体中一定深度处生成的场的均匀性方面已经可以与标准线圈竞争：
该动画显示了 MRI 中一箱水内信号的逐层彩色图。 颜色表示氢核信号的强度。 在左上角，一段标准后扫描线圈用作接收器。 左下角是盒子放置在印刷电路板形式的谐振器上时的情况。 右下角 - 信号由内置于断层扫描隧道中的大型天线接收。 我比较了矩形轮廓区域内的信号均匀性。 在某些高度，超材料在信号均匀性方面表现优于线圈。 出于临床目的，这可能不是一个非常重要的成就，但当涉及到扫描老鼠的科学 MRI 装置时，它可以帮助实现信号的增加和激发无线电脉冲所需功率的降低。
文章开头提到的“提高了2倍”——当然，这是记者对科学家单相思的又一成果，但说这是空洞的研究也是错误的，这是由兴趣支撑的。世界各地的科学团体都在讨论这个话题。 令人惊讶的是，工作也在俄罗斯进行，尽管根据我纯粹的个人经验，这是相当罕见的例外。 在 MRI 中使用超材料仍然存在许多未解决的问题。 除了定位磁场以获得良好的图像外，不要忘记导致组织加热的电场，以及接受检查的患者组织对射频场能量的吸收。 对于这些东西，在临床使用中，必须有特殊的控制，当使用场定位谐振器时，这变得更加复杂。 目前，用于 MRI 的超材料仍处于科学研究范围内，但所获得的结果已经非常有趣，也许在未来，由于它们，MRI 过程将变得更好，变得更快、更安全。
来源： habr.com