Analyse eines Magnetresonanztomographen II: Metamaterialien in der MRT

Ein Schraubenzieher sauste an seinem Ohr vorbei. Mit einem lauten Klingeln erstarrte sie am Kryostatkörper.

Ich fluchte vor mich hin und beschloss, eine Pause einzulegen. Lösen Sie die Schrauben in einem Magnetfeld von 1,5 Tesla mit einem Stahlwerkzeug. Das Feld versucht wie ein unsichtbarer Feind ständig, das Instrument aus seinen Händen zu reißen, es entlang seiner Kraftlinien auszurichten und es so nah wie möglich an die Elektronen zu richten, die in einem geschlossenen Kreis vom Supraleiter laufen. Wenn es jedoch sehr notwendig ist, die angesäuerten Verbindungen von vor vielen Jahren zu besiegen, gibt es keine besondere Wahl. Ich setzte mich an den Computer und blätterte gewöhnlich durch den Newsfeed. "Russische Wissenschaftler haben die MRT um das Zweifache verbessert!" - eine verdächtige Überschrift lesen.

Vor ungefähr einem Jahr haben wir einen Magnetresonanz-Imager zerlegt und die Essenz seiner Arbeit erfasst. Bevor Sie diesen Artikel lesen, empfehle ich dringend, dieses Material zu aktualisieren.

Aus verschiedenen Gründen, auch aus historischen Gründen, werden heute in Russland praktisch keine so komplexen Geräte wie Hochfeld-Magnetresonanztomographen hergestellt. Wenn Sie jedoch in einer mehr oder weniger großen Stadt leben, können Sie leicht Kliniken finden, die diese Art von Dienstleistungen anbieten. Gleichzeitig wird die MRT-Scannerflotte häufig durch gebrauchte Geräte repräsentiert, die irgendwann aus den USA und Europa importiert werden. Wenn Sie plötzlich eine Klinik mit MRT besuchen müssen, lassen Sie sich nicht vom schönen Erscheinungsbild des Geräts täuschen - es kann durchaus die zweiten zehn Jahre dauern. Infolgedessen kommt es vor, dass solche Geräte ausfallen, und ich war lange Zeit einer der Menschen, die kaputte Tomographen an das System zurückgaben, damit die Patienten weiterhin einer Diagnose unterzogen werden konnten und die Eigentümer Gewinne erzielen konnten.

Bisher stieß ich an einem der schönen Tage während einer Pause zwischen gefährlicher Unterhaltung mit riesigen Magnetfeldern nicht auf eine interessante Inschrift in der Nachrichtenzeile: „Russische Wissenschaftler haben zusammen mit ihren niederländischen Kollegen die MRT-Technologie mithilfe von Metamaterialien verbessert .“ Unnötig zu erwähnen, dass die Tatsache, dass Russland an Geräten forscht, deren Herstellung noch nicht beherrscht wurde, mir sehr, sehr kontrovers erschien. Ich entschied, dass es sich nur um ein normales Getränk aus Zuschüssen handelte, das mit obskuren wissenschaftlichen Redewendungen wie den "Nanotechnologien", die alle bereits abgenutzt hatten, verdünnt war. Die Suche nach Informationen zum Thema der Arbeit russischer Wissenschaftler mit MRT und Metamaterialien führte mich zu einem Artikel mit einer Beschreibung eines einfachen Experiments, das ich leicht wiederholen konnte, da das MRT-Gerät immer zur Hand ist.

Ein Bild aus einem Artikel über die Verbesserung eines MRT-Signals mit dem sogenannten „Metamaterial“. In einem typischen klinischen 1,5-Tesla-Gerät wird Metamaterial anstelle des Patienten in Form eines Beckens mit Wasser beladen, in dem sich parallele Drähte einer bestimmten Länge befinden. Auf den Drähten liegt das Untersuchungsobjekt - Fisch (nicht lebend). Die Bilder rechts sind Bilder von Fischen, die im MRT aufgenommen wurden, wobei eine Farbkarte überlagert ist, die die Signalintensität von Wasserstoffkernen angibt. Es ist zu sehen, dass wenn der Fisch auf den Drähten liegt, das Signal viel besser ist als ohne sie. Die Scanzeit ist in beiden Fällen gleich, was die Steigerung der Scaneffizienz belegt. Der Artikel wurde ebenfalls vorsichtig zitiert


um die Länge der Drähte zu berechnen, abhängig von der Betriebsfrequenz des Tomographen, den ich verwendet habe. Ich stellte mein Metamaterial aus einer Küvette und einer Reihe von Kupferdrähten her und versorgte sie mit Kunststoffhalterungen, die auf einem 3D-Drucker gedruckt waren:



Mein erstes Metamaterial. Unmittelbar nach der Herstellung wurde es in einen 1-Teslov-Tomographen geschoben.

Die Orange diente als Objekt zum Scannen.



Anstelle der versprochenen Signalverstärkung habe ich jedoch eine Reihe von Artefakten erhalten, die das Bild vollständig verderben! Meine Empörung kannte keine Grenzen! Nachdem ich das Thema beendet hatte, schrieb ich einen Brief an die Autoren des Artikels, dessen Bedeutung auf die Frage "Was ...?" Reduziert werden kann.

Die Autoren antworteten mir ziemlich bald. Sie waren ziemlich beeindruckt, dass jemand versuchte, ihre Experimente zu wiederholen. Zuerst haben sie lange versucht, mir zu erklären, wie Metamaterialien immer noch funktionieren, indem sie die Begriffe „Fabry-Perot-Resonanzen“, „Eigenmodi“ und alle Hochfrequenzfelder im Volumen verwendeten. Als sie anscheinend bemerkten, dass ich nicht verstand, worüber sie sprachen, beschlossen sie, mich zu einem Besuch einzuladen, damit ich ihre Entwicklungen live verfolgen und sicherstellen konnte, dass dies immer noch funktionierte. Ich steckte meinen Lieblingslötkolben in meinen Rucksack und ging nach St. Petersburg, an die nationale Forschungsuniversität für Informationstechnologien, Mechanik und Optik (wie sich herausstellte, werden dort nicht nur Programmierer ausgebildet).



Sie trafen mich herzlich auf der Baustelle und boten mir plötzlich einen Job an, weil sie von meinem Graben mit Drähten beeindruckt waren und einen Mann brauchten, um neue zu schaffen. Im Gegenzug versprachen sie, alles, was mich interessiert, ausführlich zu erklären und eine Ausbildung in Radiophysik und MRT zu absolvieren, die in diesem Jahr zufällig begann. Mein Wissensdurst hat zugenommen, und dann habe ich im Laufe des Jahres studiert, Projekte durchgeführt und gearbeitet und nach und nach immer mehr Neues über die Geschichte der Magnetresonanz sowie den Stand der modernen Wissenschaft in diesem Bereich gelernt, den ich hier teilen werde.

Die in den genannten wissenschaftlichen Artikeln untersuchte Methode zur angeblichen Verbesserung der MRT basiert auf den sogenannten "Metamaterialien". Metamaterialien verdanken ihr Aussehen wie viele andere Entdeckungen unerwarteten Lösungen, die auf der Grundlage theoretischer Studien erhalten wurden. Der sowjetische Wissenschaftler Victor Veselago schlug 1967 an einem theoretischen Modell die Existenz von Materialien mit einem negativen Brechungsindex vor. Wie Sie bereits verstanden haben, handelt es sich um eine Optik, und dieser Koeffizient bedeutet grob gesagt, wie stark das Licht seine Richtung ändert und die Grenze zwischen verschiedenen Umgebungen wie Luft und Wasser passiert. Die Tatsache, dass dies tatsächlich der Fall ist, kann leicht unabhängig überprüft werden:



Ein einfaches Experiment mit einem Laserpointer und einem Aquarium, das die Lichtbrechung zeigt.

Eine interessante Tatsache, die aus einem solchen Experiment extrahiert werden kann, ist, dass der Strahl nicht in die gleiche Richtung gebrochen werden kann, von der aus er auf die Grenzfläche fällt, egal wie sehr der Experimentator es versucht. Ein solches Experiment wurde mit allen natürlich vorkommenden Substanzen durchgeführt, wobei der Strahl jedoch nur in eine Richtung hartnäckig gebrochen wurde. Mathematisch bedeutet dies, dass der Brechungsindex sowie seine Bestandteile, die dielektrische und magnetische Permeabilität positiv sind und nie zuvor anders beobachtet wurden. Zumindest bis V. Veselago sich entschied, dieses Problem zu untersuchen, und zeigte, dass es theoretisch keinen einzigen Grund gibt, warum der Brechungsindex nicht negativ sein kann.



Wiki-Bild, das den Unterschied zwischen positiven und negativen Brechungsindexmedien zeigt. Wie wir sehen, verhält sich Licht im Vergleich zu unserer täglichen Erfahrung völlig unnatürlich.

V. Veselago versuchte lange Zeit, Beweise für die Existenz von Materialien mit einem negativen Brechungsindex zu finden, aber die Suche war erfolglos und seine Arbeit wurde zu Unrecht vergessen. Erst zu Beginn des nächsten Jahrhunderts wurden künstlich Verbundstrukturen geschaffen, die die beschriebenen Eigenschaften realisierten, jedoch nicht im optischen, sondern im niederfrequenten Mikrowellenfrequenzbereich. Dies war ein Wendepunkt, da die Möglichkeit der Existenz solcher Materialien neue Perspektiven eröffnete. Zum Beispiel die Schaffung von Superlinsen, die Objekte vergrößern können, die noch kleiner als die Wellenlänge des Lichts sind. Oder - absolut maskierende unsichtbare Beschichtungen, die Träume des gesamten Militärs. Unter Berücksichtigung der neuen Daten wurden ernsthafte Änderungen an der Theorie vorgenommen. Der Schlüssel zum Erfolg war die Verwendung geordneter Strukturen resonanter Elemente - Metaatome, deren Größe viel kleiner ist als die Strahlungswellenlänge, mit der sie interagieren. Eine geordnete Struktur von Metaatomen ist ein künstliches Komposit namens Metamaterial.

Die praktische Implementierung von Metamaterialien ist heute sogar technologisch schwierig, da die Größe der Resonanzpartikel mit weniger als der Wellenlänge elektromagnetischer Strahlung vergleichbar sein sollte. Für den optischen Bereich (wo die Wellenlänge Nanometer beträgt) stehen solche Technologien im Vordergrund des Fortschritts. Daher ist es nicht verwunderlich, dass die ersten Vertreter des Konzepts der Metamaterialien für relativ längere elektromagnetische Wellen aus dem Funkbereich (die eine bekanntere Länge von mm bis m haben) geschaffen wurden. Der Hauptchip und gleichzeitig das Fehlen jeglichen Metamaterials ist eine Folge der Resonanz seiner Bestandteile. Ein Metamaterial kann seine wundersamen Eigenschaften nur bei bestimmten Frequenzen manifestieren.




Typische Beispiele für Metamaterialien, die die Wechselwirkung mit elektromagnetischen Wellen ermöglichen. Leiterstrukturen sind nichts anderes als kleine Resonatoren, LC-Schaltungen, die durch die räumliche Position der Leiter gebildet werden.

Seit dem Aufkommen des Konzepts der Metamaterialien und ihrer ersten Implementierung ist ein wenig Zeit vergangen, da die Menschen vermuteten, sie in der MRT zu verwenden. Der Hauptnachteil von Metamaterialien ist, dass der enge Betriebsbereich für die MRT kein Problem darstellt, bei dem alle Prozesse mit nahezu der gleichen Frequenz der im Funkbereich liegenden Kernspinresonanz ablaufen. Hier können Sie Meta-Atome mit Ihren eigenen Händen erstellen und sofort sehen, was auf den Bildern passiert. Eines der ersten Merkmale, das Forscher in der MRT unter Verwendung von Metamaterialien implementierten, waren Superlinsen und Endoskope.



Auf der linken Seite unter dem Buchstaben a) ist eine Superlinse dargestellt, die aus einer dreidimensionalen Anordnung von Resonatoren auf Leiterplatten besteht. Jeder Resonator ist ein offener Metallring mit einem gelöteten Kondensator, der einen LC-Schaltkreis bildet, der auf die Frequenz der MRT abgestimmt ist. Nachfolgend finden Sie ein Beispiel für die Platzierung dieser Struktur aus Metamaterial zwischen den Beinen eines Patienten, der einer Tomographie unterzogen und entsprechend nach dem Bild erhalten wird. Wenn Sie zuvor den Rat nicht verachtet haben, meinen letzten Artikel über MRT zu lesen, wissen Sie bereits, dass es notwendig ist, schwache, schnell abklingende Signale der Kerne mit einer nahe gelegenen Antenne - Spule - zu sammeln, um ein Bild von einem Körperteil des Patienten zu erhalten.

Superlinsen aus Metamaterial ermöglichen es, den Umfang einer Standardspule zu vergrößern. Stellen Sie sich zum Beispiel beide Beine eines Patienten gleichzeitig statt eines vor. Aus den schlechten Nachrichten - die Position des Superobjektivs muss auf eine bestimmte Weise ausgewählt werden, um den Effekt optimal zu manifestieren, und die Herstellung des Superobjektivs selbst ist ziemlich teuer. Wenn Sie immer noch nicht verstehen, warum dieses Objektiv als Superpräfix bezeichnet wird, bewerten Sie seine Größe anhand des Fotos und stellen Sie fest, dass es mit einer Wellenlänge von etwa fünf Metern funktioniert!

Unter dem Buchstaben b) ist das Design des Endoskops dargestellt. Tatsächlich ist ein Endoskop für die MRT eine Anordnung paralleler Drähte, die die Rolle eines Wellenleiters spielen. Sie können den Bereich, von dem die Spule das Signal von den Kernen und der Spule selbst empfängt, in angemessener Entfernung räumlich trennen - selbst in dem Maße, in dem sich die Empfangsantenne vollständig außerhalb des Kryostaten des Tomographen befinden kann, weit entfernt von einem konstanten Magnetfeld. Die unteren Bilder von Tab b) zeigen die Bilder, die für ein spezielles mit Flüssigkeit gefülltes Gefäß - ein Phantom - erhalten wurden. Der Unterschied zwischen ihnen besteht darin, dass die vom „Endoskop“ signierten Bilder erhalten wurden, wenn sich die Spule in einem angemessenen Abstand vom Phantom befand, wo ohne das Endoskop die Signale von den Kernen völlig unmöglich zu erkennen wären.

Wenn wir über einen der vielversprechendsten Anwendungsbereiche von Metamaterialien in der MRT sprechen und der praktischen Umsetzung (an der ich am Ende beteiligt war) am nächsten kommt, ist die Schaffung von drahtlosen Spulen. Es ist erwähnenswert, dass es sich nicht um Bluetooth oder eine andere drahtlose Datenübertragungstechnologie handelt. "Drahtlos" bedeutet in diesem Fall das Vorhandensein einer induktiven oder kapazitiven Kopplung zweier Resonanzstrukturen - einer Transceiverantenne und eines Metamaterials. Im Konzept sieht es so aus:



Links wird gezeigt, wie ein MRT-Verfahren normalerweise abläuft: Der Patient liegt in einem Kryostaten in einer Zone mit einem gleichmäßigen statischen Magnetfeld. Im Tunnel des Tomographen ist eine große Antenne montiert, die als Vogelkäfig bezeichnet wird. Mit einer Antenne dieser Konfiguration können Sie den Vektor des Hochfrequenz-Magnetfelds mit der Frequenz der Präzession von Wasserstoffkernen drehen (bei klinischen Maschinen beträgt diese normalerweise 40 bis 120 MHz, abhängig von der Stärke des statischen Magnetfelds von 1 T bis 3 T), wodurch diese Energie absorbieren und dann als Reaktion strahlen . Das Antwortsignal von den Kernen ist sehr schwach, und wenn es die Leiter einer großen Antenne erreicht, fällt es unvermeidlich ab. Aus diesem Grund werden bei der MRT in der Nähe befindliche lokale Spulen zum Empfangen von Signalen verwendet. Das Bild in der Mitte zeigt beispielsweise eine typische Kniescan-Situation. Unter Verwendung von Metamaterialien kann ein Resonator hergestellt werden, der induktiv an den Vogelkäfig gekoppelt wird. Es reicht aus, so etwas neben dem gewünschten Bereich des Körpers des Patienten zu platzieren, und das Signal von dort wird nicht schlechter empfangen als eine lokale Spule! Wenn das Konzept erfolgreich umgesetzt wird, müssen die Patienten nicht mehr in den Drähten verwechselt werden, und das MRT-Diagnoseverfahren wird komfortabler.

So etwas habe ich am Anfang versucht, indem ich die Drähte mit Wasser gefüllt und versucht habe, eine Orange zu scannen. Drähte, die vom ersten Bild in diesem Artikel an in Wasser getaucht sind, sind nichts anderes als Metaatome, von denen jedes ein Halbwellendipol ist - eines der bekanntesten Antennendesigns, die jedem Funkamateur bekannt sind.

Sie werden in Wasser getaucht, damit sie sich im MRT nicht entzünden (obwohl dies auch der Fall ist), sondern um ihre Resonanzlänge aufgrund der hohen Dielektrizitätskonstante von Wasser um genau die Quadratwurzel der Dielektrizitätskonstante zu reduzieren.



Dieser Chip wird seit langem in Radios verwendet, bei denen Draht auf ein Stück Ferrit gewickelt wird - das sogenannte. Ferritantenne. Nur Ferrit hat eine hohe magnetische Permeabilität und kein Dielektrikum, was jedoch auch funktioniert und dementsprechend die Resonanzabmessungen der Antenne verringern kann. Leider können Sie Ferrit in einer MRT nicht schieben, weil es ist magnetisch. Wasser ist eine billige und erschwingliche Alternative.

Es ist klar, dass es für die Berechnung all dieser Dinge notwendig ist, komplexe mathematische Modelle zu erstellen, die die Beziehung zwischen Resonanzelementen, Umgebungsparametern und Strahlungsquellen berücksichtigen ... oder Sie können die Früchte des Fortschritts und der Software für die numerische elektromagnetische Modellierung verwenden, die der Schüler leicht herausfinden kann (die hellsten Beispiele) - CST, HFSS). Mit der Software können Sie 3D-Modelle von Resonatoren, Antennen und Stromkreisen erstellen und dort Personen hinzufügen - ja, eigentlich alles, die einzige Frage ist die Vorstellungskraft und die verfügbare Rechenleistung. Die konstruierten Modelle sind in Gitter unterteilt, an deren Knoten die bekannten Maxwell-Gleichungen gelöst werden.

Hier zum Beispiel Modellierung eines hochfrequenten Magnetfelds in der bereits erwähnten Käfigantenne des Vogels:



Es wird sofort deutlich, wie sich das Feld dreht. Die Situation links zeigt, wenn sich in der Antenne eine Kiste mit Wasser befindet, und rechts, wenn dieselbe Kiste am Resonator aus Drähten mit Resonanzlänge besteht. Es ist zu sehen, wie das Magnetfeld dank der Drähte stark verstärkt wird. Nachdem ich das CST beherrscht und dort mein Design optimiert hatte, stellte ich erneut ein Metamaterial her, das es bereits ermöglichte, das Signal in einem klinischen 1,5-T-MRT-Tomograph zu verstärken. Es war immer noch eine Schachtel (obwohl schöner, aus Plexiglas), gefüllt mit Wasser und einer Reihe von Drähten. Dieses Mal wurde die Struktur hinsichtlich der Resonanzbedingungen optimiert, nämlich: Auswahl der Länge der Drähte, ihrer Position sowie der Wassermenge. Folgendes ist mit der Tomate passiert:



Der erste Tomatenscan wurde an einer großen Antenne durchgeführt. Infolgedessen erhielten wir nur Rauschen mit kaum sichtbaren Umrissen. Das zweite Mal legte ich den Fötus auf eine frisch gebackene Resonanzstruktur. Ich habe keine Farbkarten oder ähnliches gebaut, da der Effekt offensichtlich ist. Nach meiner Erfahrung habe ich, obwohl ich viel Zeit verbracht habe, bewiesen, dass das Konzept funktioniert.

Es ist klar, woran Sie denken - Orangen, Tomaten - hier finden nicht die Versuche am Menschen statt?
Sie wurden wirklich festgehalten :

Die Hand eines Freiwilligen, der sich einer MRT unterzieht, liegt auf derselben Box. Tatsächlich ist auch das Wasser in der Box, da es Wasserstoff enthält, perfekt sichtbar. Die Signalverstärkung erfolgt in der am Resonator liegenden Handgelenkzone, während alle anderen Körperteile schlecht sichtbar sind. Es ist klar, dass der gleiche oder vielleicht bessere Effekt mit klinischen Standardspulen erzielt werden kann. Aber die Tatsache, dass solche Dinge durch einfaches räumliches Kombinieren von Wasser und Drähten auf die richtige Weise erreicht werden können, ist erstaunlich. Noch überraschender ist, dass das Wissen darüber durch die Untersuchung scheinbar nicht verwandter Phänomene wie der Lichtbrechung gewonnen werden kann.


Ungefähr „2-mal verbessert“ am Anfang des Artikels - dies stellte sich natürlich als eine weitere Frucht der unerwiderten Liebe von Journalisten zu Wissenschaftlern heraus, aber zu sagen, dass dies leere Forschung ist, ist auch falsch, was durch das Interesse an diesem Thema in wissenschaftlichen Gruppen auf der ganzen Welt gestützt wird. Überraschenderweise wird auch in Russland gearbeitet, obwohl dies aufgrund meiner rein persönlichen Erfahrung eher eine seltene Ausnahme ist. Es gibt immer noch viele ungelöste Probleme im Zusammenhang mit der Verwendung von Metamaterialien in der MRT. Neben der Lokalisierung von Magnetfeldern, um ein gutes Bild zu erhalten, sollten nicht die elektrischen Felder vergessen werden, die zur Erwärmung des Gewebes führen, sowie die Absorption durch das Gewebe von Patienten, die sich der Untersuchung der Energie des Hochfrequenzfelds unterziehen. Für diese Dinge sollte im klinischen Einsatz eine spezielle Kontrolle vorhanden sein, die bei Verwendung lokalisierender Resonatorfelder sehr kompliziert ist.Während die Metamaterialien für die MRT im Rahmen der wissenschaftlichen Forschung bleiben, sind die Ergebnisse bereits sehr interessant und es ist möglich, dass sich das MRT-Verfahren in Zukunft zum Besseren ändert und schneller und sicherer wird.

Es gibt auch andere inländische Entwicklungen in diesem Bereich .