一把螺絲刀在我耳邊呼嘯而過。 隨著一聲巨響，她僵在了低溫恆溫器的本體上。 我暗暗咒罵自己，決定休息一下。 在 1.5 特斯拉的磁場中使用鋼製工具擰開螺栓是一個馬馬虎虎的想法。 場作為一個看不見的敵人，不斷地試圖從手中奪走工具，沿著力線定位它，並引導它盡可能靠近來自超導體的惡性循環中的電子。 不過，如果非常有必要打敗多年前的酸味化合物，那就沒有太多選擇了。 我坐在電腦前，習慣性地瀏覽新聞源。 “俄羅斯科學家將核磁共振技術提高了兩倍！” 閱讀可疑的標題。
大約一年前，我們 並理解了他工作的本質。 我強烈建議在閱讀本文之前，刷新一下對該材料的記憶。
由於各種原因，包括歷史原因，在今天的俄羅斯 生產高場磁共振斷層掃描儀等複雜設備。 但是，如果您居住在大城市，您可以輕鬆找到提供此類服務的診所。 同時，MRI 掃描儀機群通常以二手設備為代表，這些設備曾經從美國和歐洲進口，如果您突然必須去 MRI 診所，請不要被設備的漂亮外觀所欺騙 - 它可能我們將迎來第二個十年。 結果，此類設備有時會出現故障，很長一段時間，我都是那些將損壞的斷層掃描儀重新投入使用的人之一，這樣患者就可以繼續接受診斷，而業主也可以從中獲利。
直到最好的日子之一，在巨大磁場的危險娛樂間隙，我在新聞提要中看到了一段有趣的題詞：“俄羅斯科學家與荷蘭同事一起 在超材料的幫助下。 不用說，俄羅斯正在對設備進行研究，但其生產從未被掌握，這一事實在我看來非常非常有爭議。 我認為這只是又一杯補助金，被一些難以理解的科學流行語稀釋了，比如“納米技術”，每個人都已經厭倦了。 在搜索有關俄羅斯科學家在 MRI 和超材料方面的工作信息時，我找到了一篇文章，其中描述了一個我可以輕鬆重複的簡單實驗，因為 MRI 機器總是在手邊。
圖片來自 致力於使用所謂的“超材料”放大 MRI 信號。 超材料不是病人，而是被裝入典型的臨床 1.5 特斯拉裝置中，該裝置呈一盆水的形式，裡面有一定長度的平行電線。 電線上有研究對象 - 魚（無生命）。 右邊的圖片是一條魚的 MRI 圖像，上面覆蓋著一張彩色圖，表示氫核信號的強度。 可以看到，當魚躺在電線上時，信號比沒有魚時要好得多。 兩種情況下的掃描時間相同，證明了掃描效率的提升。 文章還仔細引用了
公式
根據我使用的掃描儀的工作頻率來計算電線的長度。 我用一個電池和一組銅線製作了我的超材料，並配有 3D 打印的塑料支架：
我的第一個超材料。 製造完成後，立即將其放入 1 特斯拉斷層掃描儀中。 橙子作為掃描對象。
然而，我並沒有得到承諾的信號放大，而是得到了一堆完全破壞圖像的偽影！ 我的憤怒無邊無際！ 吃完了這個話題，我給文章作者寫了一封信，其含義可以歸結為“什麼……？”這個問題。
作者很快就回復了我。 有人試圖複製他們的實驗，給他們留下了深刻的印象。 起初，他們花了很長時間試圖向我解釋超材料是如何工作的，使用術語“法布里-珀羅共振”、“本徵模”以及書中的各種射頻場。 然後，顯然意識到我根本不明白它的意思，他們決定邀請我去拜訪他們，以便我可以實時查看他們的開發並確保它仍然有效。 我把我最喜歡的烙鐵扔進背包，去了聖彼得堡，去了國立信息技術、力學和光學研究大學（事實證明，那裡不僅教授程序員）。
我當場受到熱烈歡迎，突然，他們給了我一份工作，因為他們對我的帶有電線的電池印象深刻，他們需要一個人來創建新的。 作為回報，他們承諾詳細解釋我感興趣的一切，並參加放射物理學和核磁共振課程，這門課程是那一年的一次幸運的機會開始的。 我對知識的渴望贏得了，然後，這一年裡，我學習、做項目、工作，逐漸了解了越來越多關於磁共振歷史的新知識，以及該領域的現代科學狀況，我將在這裡分享。
所提出的 MRI 改進方法，並在上述科學文章中進行了研究，是基於所謂的“超材料”。 與許多其他發現一樣，超材料的出現歸功於在理論研究的基礎上獲得的意想不到的解決方案。 1967 年，蘇聯科學家 Victor Veselago 在研究理論模型時提出了負折射率材料的存在。 正如你已經了解的那樣，我們談論的是光學，這個係數的值，粗略地說，意味著光在穿過不同介質（例如空氣和水）之間的邊界時，其方向會改變多少。 您可以輕鬆地親眼看到，情況確實如此：
使用激光筆和水族箱進行的簡單實驗顯示光的折射。
從這樣的實驗中可以了解到一個有趣的事實是，無論實驗者多麼努力，光束都不能沿其落到界面的同一方向折射。 這樣的實驗是用所有天然存在的物質進行的，但光束頑固地只在一個方向上折射。 從數學上講，這意味著折射率及其組成部分、介電導率和磁導率都是正值，並且沒有觀察到其他任何情況。 至少直到 V. Veselago 決定研究這個問題，並表明理論上不存在折射率不能為負的單一原因。
來自 Wiki 的圖片顯示了具有正折射率和負折射率的介質之間的差異。 正如我們所看到的，與我們的日常體驗相比，光線的表現完全不自然。
V. Veselago 長期以來一直試圖尋找負折射率材料存在的證據，但搜索沒有成功，他的工作也被不應地遺忘。 直到下世紀初，人工創建的複合結構才實現了所描述的特性，但不是在光學方面，而是在較低的微波頻率範圍內。 這是一個轉折點，因為這種材料存在的可能性開闢了新的視角。 例如，創建 ，能夠放大甚至小於光波長的物體。 或者-絕對迷彩-隱形塗層，所有軍人的夢想。 考慮到新數據，對該理論進行了認真的修改。 成功的關鍵是使用共振元素（元原子）的有序結構，其尺寸遠小於與其相互作用的輻射的波長。 元原子的有序結構是一種稱為超材料的人造複合材料。
即使在今天，超材料的實際實施在技術上也很困難，因為諧振粒子的尺寸必須小於電磁輻射的波長。 對於光學範圍（波長為納米），此類技術處於進步的最前沿。 因此，超材料概念的第一個代表是為無線電範圍內相對較長的電磁波（我們更熟悉的長度從毫米到米）創建的，這並不奇怪。 任何超材料的主要特徵和同時的缺點是其組成元素的共振性質的結果。 超材料只有在特定的頻率下才能顯現出其神奇的特性。
頻率有限。因此，例如，當你再次看到類似基於超材料的超音干擾器之類的東西時，問問它真正干擾的頻率範圍是多少。
允許與電磁波相互作用的超材料的典型示例。 導體的結構只不過是由導體的空間位置形成的小型諧振器、LC電路。
自從超材料的概念出現以及它們的首次實現，人們猜測如何在 MRI 中使用它們以來，已經有一段時間了。 超材料的主要缺點是，狹窄的工作範圍對於 MRI 來說不是問題，所有過程都發生在幾乎相同的核磁共振頻率（位於無線電範圍內）。 在這裡，您可以親手創建元原子，並立即看到圖片中發生的情況。 研究人員使用超材料在 MRI 中實現的首批功能之一是超級透鏡和內窺鏡。
在字母 a) 下方的左側顯示了一個超級透鏡，由印刷電路板上的三維諧振器陣列組成。 每個諧振器都是一個開放的金屬環，帶有焊接電容器，形成調諧到 MRI 頻率的 LC 電路。 下面是一個將超材料結構放置在接受斷層掃描程序的患者雙腿之間的示例，並相應地在圖片後獲得。 如果您之前沒有拒絕閱讀我上一篇有關 MRI 的文章的建議，那麼您已經知道，為了獲得患者身體任何部位的圖像，有必要使用緊密間隔的核信號來收集微弱、快速衰減的核信號。天線- 線圈。
超材料超級透鏡允許比標準線圈更大的覆蓋面積。 例如，同時想像患者的雙腿而不是一條腿。 壞消息是，必須以某種方式選擇超級透鏡的位置才能最好地體現效果，而且超級透鏡本身的製造成本相當昂貴。 如果你還是不明白為什麼這款鏡頭的名字帶有 super- 前綴，那麼從照片中估計一下它的大小，然後就會發現它的工作波長約為五米！
在字母 b) 下展示了內窺鏡的設計。 本質上，MRI 內窺鏡是一組充當波導的平行線。 它允許您在空間上將線圈接收來自原子核的信號的區域和線圈本身以適當的距離分開 - 直到接收天線可以完全位於斷層掃描儀的低溫恆溫器之外，遠離常數磁場。 選項卡 b) 的下方圖片顯示了為充滿液體的特殊容器（幻影）獲取的圖像。 它們之間的區別在於，標記為“內窺鏡”的圖像是在線圈與體模相距一定距離時獲得的，如果沒有內窺鏡，則完全不可能檢測到來自原子核的信號。
如果我們談論超材料在 MRI 中最有前途的應用領域之一，並且最接近其實際實施（我最終參與其中），那就是無線線圈的創建。 值得澄清的是，這根本與藍牙或其他無線數據傳輸技術無關。 在這種情況下，“無線”意味著兩個諧振結構（收發器天線以及超材料）存在電感或電容耦合。 從概念上看，它看起來像這樣：
左側顯示了典型的 MRI 程序：患者躺在低溫恆溫器內均勻靜磁場區域中。 一個被稱為“鳥籠”的大型天線安裝在掃描儀的隧道中。 這種配置的天線允許您以氫核進動的頻率旋轉射頻磁場矢量（對於臨床機器，這通常是 40 到 120 MHz，具體取決於來自氫核的靜磁場的大小）分別為1T 到3T），使它們吸收能量，然後輻射響應。 來自原子核的響應信號非常微弱，在到達大型天線的導體之前，它將不可避免地衰減。 因此，MRI 使用緊密間隔的局部線圈來接收信號。 例如，中間的圖片顯示了典型的膝蓋掃描情況。 使用超材料，您可以製作一個與鳥籠感應耦合的諧振器。 將這樣的東西放置在患者身體所需部位附近就足夠了，從那裡接收到的信號不會比局部線圈差！ 如果這一概念成功實施，患者將不再需要糾結於電線，MRI 診斷過程也會變得更加舒適。
這正是我一開始想要創造的東西，用水淹沒電線並嘗試掃描橙子。 本文第一張圖片中浸入水中的電線只不過是元原子，每個元原子都是半波偶極子 - 這是最著名的天線設計之一，每個無線電愛好者都熟悉。
將它們浸入水中並不是為了在 MRI 中不會著火（儘管也是如此）），而是為了將其諧振長度減少到水的介電常數的平方根，因為水的介電常數很高。
這種芯片長期以來一直用於收音機，將電線纏繞在一塊鐵氧體上 - 所謂的。 鐵氧體天線。 只有鐵氧體具有高磁導率，而電介質則不然，但其工作原理相同，並且可以相應減小天線的諧振尺寸。 不幸的是，鐵氧體不能插入 MRI 中，因為它是有磁性的。 水是一種廉價且負擔得起的替代品。
顯然，為了計算所有這些事情，有必要建立最複雜的數學模型，考慮諧振元件、環境參數和輻射源之間的關係……或者您可以使用進步和軟件的成果數值電磁建模，即使是小學生也可以輕鬆理解（最聰明的例子- CST、HFSS）。 該軟件允許您創建諧振器、天線、電路的 3D 模型，並在那裡添加人員 - 是的，事實上，任何東西，唯一的問題是幻想和可用的計算能力。 構建的模型被劃分為網格，在網格的節點中執行已知麥克斯韋方程組的求解。
例如，這裡是前面提到的鳥籠天線內部射頻磁場的模擬：
磁場如何旋轉立即變得非常清楚。 左側顯示了當天線內部有一個裝有水的盒子時的情況，右側顯示了當同一個盒子位於由諧振長度的電線製成的諧振器上時的情況。 可以看出磁場是如何通過電線大大增強的。 在掌握了 CST 並在那裡優化了我的設計之後，我再次製作了超材料，這確實使得在標準臨床 1.5T MRI 斷層掃描儀中放大信號成為可能。 它仍然是一個盒子（雖然更漂亮，由有機玻璃製成），裡面裝滿了水和一排電線。 這次，結構在諧振條件方面進行了優化，即電線長度、位置以及水量的選擇。 這是番茄發生的事情：
對番茄的第一次掃描是在一根大天線上進行的。 結果只是噪音，輪廓幾乎看不見。 第二次，我將胎兒放在新鮮出爐的共振結構上。 我沒有構建彩色圖或類似的東西，因為效果很明顯。 因此，根據我的經驗，儘管花費了大量時間，我還是證明了這個概念是有效的。
很明顯你在想什麼——橙子、西紅柿——這還不是全部，對人的測試在哪裡？
他們確實是 :
接受核磁共振檢查的志願者的手放在同一個盒子上。 盒子裡的水本身也清晰可見，因為它含有氫氣。 信號的放大發生在位於諧振器上的手腕區域，而身體的所有其他部位都很難看到。 顯然，使用標準臨床線圈可以達到相同的效果，甚至更好。 但事實是，只需將空間水和電線以正確的方式組合起來，就可以做到這些事情，這是令人驚奇的。 更令人驚奇的是，有關這方面的知識可以通過研究看似無關的現象（例如光的折射）來獲得。
對於那些還沒有累的人目前，水箱的設計已經得到改進。 現在它只是一塊平面印刷電路板，可讓您定位您附近的外部大型天線的磁場。 而且，它的工作區域比之前的設計更大：
彩色絲帶顯示當外部電磁波源激發時結構上的磁場強度。 扁平結構是無線電工程中已知的典型傳輸線，但同時它也可以被視為用於 MRI 的氣象材料。 這種“無線線圈”在掃描物體中一定深度處生成的場的均勻性方面已經可以與標準線圈競爭：
該動畫顯示了 MRI 水箱內信號的逐層彩色圖。 顏色表示氫核信號的強度。 在左上角，一段用於掃描背部的標準線圈被用作接收器。 左下角是當盒子以印刷電路板的形式位於諧振器上時的情況。 右下角 - 信號由內置於斷層掃描隧道中的大型天線接收。 我比較了矩形圈出的區域中信號的均勻性。 在某些高度，超材料在信號均勻性方面表現優於線圈。 對於臨床目的來說，這可能不是一個非常重要的成就，但是當涉及到對老鼠進行掃描的科學 MRI 設施時，這可以幫助實現信號增益並降低興奮性無線電脈衝所需的功率。
文章開頭提到的“提高了2倍”——當然，這是記者們對科學家單相思的又一成果，不過，說這些是空洞的研究也是錯誤的，這是由對科學的興趣而強化的。世界各地的科學團體都在討論這個話題。 令人驚訝的是，工作也在俄羅斯進行，儘管根據我純粹的個人經驗，這是相當罕見的例外。 在 MRI 中使用超材料仍然存在許多未解決的問題。 除了定位磁場以獲得良好的圖像外，不要忘記導致組織加熱的電場，以及接受射頻場能量檢查的患者組織的吸收。 對於這些東西，在臨床使用中，必須有特殊的控制，這在使用場定位諧振器時非常複雜。 到目前為止，用於 MRI 的超材料仍處於科學研究的框架內，但所獲得的結果已經非常有趣，並且未來 MRI 過程可能會因為它們而變得更好，變得更快、更安全。
來源： www.habr.com