Análisis de un generador de imágenes de resonancia magnética II: metamateriales en resonancia magnética

Un destornillador pasó por su oreja. Con un fuerte sonido, se congeló en el cuerpo del criostato.

Maldiciéndome, decidí tomar un descanso. Afloje los tornillos en un campo magnético de 1.5 Tesla, utilizando una herramienta de acero, más o menos aventura. El campo, como un enemigo invisible, intenta constantemente arrancar el instrumento de sus manos, orientarlo a lo largo de sus líneas de fuerza y ​​dirigirlo lo más cerca posible de los electrones que se ejecutan en un círculo cerrado desde el superconductor. Sin embargo, si es muy necesario derrotar a los compuestos acidificados de hace muchos años, no hay una opción particular. Me senté en la computadora y habitualmente hojeé las noticias. "¡Los científicos rusos mejoraron la resonancia magnética en 2 veces!" - Lee un titular sospechoso.

Hace aproximadamente un año, desarmamos una cámara de resonancia magnética y captamos la esencia de su trabajo. Antes de leer este artículo, recomiendo actualizar ese material.

Por diversas razones, incluidas las históricas, hoy en Rusia prácticamente no se producen equipos tan complejos como los escáneres de resonancia magnética de alto campo. Sin embargo, si vive en una ciudad más o menos grande, puede encontrar fácilmente clínicas que brinden este tipo de servicios. Al mismo tiempo, la flota de escáneres de resonancia magnética a menudo está representada por equipos usados ​​importados en algún momento de los EE. UU. Y Europa, y si de repente tiene que visitar una clínica con una resonancia magnética, no se deje engañar por la hermosa apariencia del dispositivo; bien puede pasar los segundos diez años. Como resultado, se produce tal equipo que se descompone, y durante mucho tiempo fui una de esas personas que devolvió los tomógrafos rotos al sistema para que los pacientes pudieran continuar con los diagnósticos y los propietarios para obtener ganancias.

Hasta ahora, en uno de los hermosos días, durante un descanso entre entretenimiento peligroso con enormes campos magnéticos, no encontré una inscripción interesante en la línea de noticias: "Los científicos rusos, junto con sus colegas holandeses, mejoraron la tecnología de resonancia magnética utilizando metamateriales". Huelga decir que el hecho de que Rusia esté realizando investigaciones sobre equipos, cuya producción no ha sido dominada, me pareció muy, muy controvertido. Decidí que era solo una bebida regular de subvenciones, diluida con oscuras frases científicas como las "nanotecnologías" que todos ya habían agotado. La búsqueda de información sobre el tema del trabajo de los científicos rusos con resonancia magnética y metamateriales me llevó a un artículo que contiene una descripción de un experimento simple que podría repetir fácilmente, ya que el dispositivo de resonancia magnética está siempre a mano.

Una imagen de un artículo dedicado a mejorar una señal de resonancia magnética utilizando el llamado "metamaterial". En un aparato clínico típico 1.5 - Tesla, en lugar del paciente, el metamaterial se carga en forma de un recipiente con agua, dentro del cual se ubican cables paralelos de cierta longitud. En los cables se encuentra el objeto de estudio: los peces (no vivos). Las imágenes de la derecha son imágenes de peces obtenidas en MRI, con un mapa de color superpuesto, que indica la intensidad de la señal de los núcleos de hidrógeno. Se puede ver que cuando el pez se encuentra en los cables, la señal es mucho mejor que sin ellos. El tiempo de escaneo en ambos casos es el mismo, lo que demuestra el aumento en la eficiencia de escaneo. El artículo también cita con cautela


para calcular la longitud de los cables, dependiendo de la frecuencia de operación del tomógrafo, que utilicé. Hice mi metamaterial a partir de una cubeta y una serie de cables de cobre, proporcionándoles soportes de plástico impresos en una impresora 3D:



Mi primer metamaterial. Inmediatamente después de la fabricación, se introdujo en un tomógrafo 1-Teslov.

El naranja actuó como un objeto para escanear.



Sin embargo, en lugar de la amplificación de señal prometida, ¡obtuve un montón de artefactos que estropean completamente la imagen! ¡Mi indignación no conocía límites! Una vez terminado el tema, escribí una carta a los autores del artículo, cuyo significado puede reducirse a la pregunta "¿Qué ...?".

Los autores me respondieron muy pronto. Estaban bastante impresionados de que alguien intentara repetir sus experimentos. Al principio, intentaron durante mucho tiempo explicarme cómo los metamateriales aún funcionan, utilizando los términos "resonancias de Fabry-Perot", "modos propios" y cualquier campo de radiofrecuencia en volumen. Luego, al darse cuenta de que no entendía de qué estaban hablando, decidieron invitarme a visitarme para poder ver sus desarrollos en vivo y asegurarse de que esto todavía funcionara. Puse mi soldador favorito en mi mochila y fui a San Petersburgo, a la universidad nacional de investigación de tecnologías de la información, mecánica y óptica (como resultó, no solo los programadores están capacitados allí).



Me conocieron cordialmente en el sitio y, de repente, me ofrecieron un trabajo, porque mi zanja los impresionó y necesitaban un hombre para crear otros nuevos. A cambio, prometieron explicar en detalle todo lo que me interesa y tomar un curso de capacitación en radiofísica y resonancia magnética, que comenzó por una suerte en ese año. Ganó mi sed de conocimiento, y luego, a lo largo del año, estudié, hice proyectos y trabajé, aprendiendo gradualmente más y más cosas nuevas sobre la historia de la resonancia magnética, así como el estado de la ciencia moderna en esta área, que compartiré aquí.

El método de la supuesta mejora de la RM, e investigado en los artículos científicos mencionados, se basa en los llamados "metamateriales". Los metamateriales, como muchos otros descubrimientos, deben su apariencia a soluciones inesperadas obtenidas sobre la base de estudios teóricos. El científico soviético Victor Veselago, en 1967, trabajando en un modelo teórico, sugirió la existencia de materiales con un índice de refracción negativo. Como ya entendió, estamos hablando de óptica, y este coeficiente, en términos generales, significa cuánto cambiará la dirección de la luz, pasando a través de la frontera entre diferentes entornos, como el aire y el agua. El hecho de que este sea el caso puede verificarse fácilmente de forma independiente:



Un experimento simple con un puntero láser y un acuario que muestra la refracción de la luz.

Un hecho interesante que puede extraerse de un experimento de este tipo es que el haz no puede refractarse en la misma dirección desde donde cayó a la interfaz, sin importar cuánto lo intente el experimentador. Tal experimento se llevó a cabo con todas las sustancias naturales, sin embargo, el rayo tercamente refractado solo en una dirección. Matemáticamente, esto significa que el índice de refracción, así como sus cantidades constituyentes, la permeabilidad dieléctrica y magnética, son positivas, y nunca antes se observó lo contrario. Al menos hasta que V. Veselago decidió estudiar este tema y demostró que, en teoría, no hay una sola razón por la cual el índice de refracción no puede ser negativo.



Imagen Wiki que muestra la diferencia entre los medios de índice de refracción positivos y negativos. Como vemos, la luz se comporta de manera completamente antinatural, en comparación con nuestra experiencia cotidiana.

V. Veselago durante mucho tiempo intentó encontrar evidencia de la existencia de materiales con un índice de refracción negativo, pero la búsqueda no tuvo éxito y su trabajo fue inmerecidamente olvidado. Solo a principios del siglo siguiente se crearon artificialmente estructuras compuestas que se dieron cuenta de las propiedades descritas, pero no en el rango de frecuencia óptica, sino en el rango de frecuencia de microondas. Este fue un punto de inflexión, ya que la posibilidad misma de la existencia de tales materiales abrió nuevas perspectivas. Por ejemplo, la creación de súper lentes capaces de ampliar objetos incluso más pequeños que la longitud de onda de la luz. O bien, enmascarar revestimientos invisibles, los sueños de todos los militares. Se hicieron serias modificaciones a la teoría, teniendo en cuenta los nuevos datos. La clave del éxito fue el uso de estructuras ordenadas de elementos resonantes: metaátomos, cuyo tamaño es mucho más pequeño que la longitud de onda de radiación con la que interactúan. Una estructura ordenada de metaatomos es un compuesto artificial llamado metamaterial.

La implementación práctica de metamateriales es incluso tecnológicamente difícil hoy en día, ya que el tamaño de las partículas resonantes debería ser comparable a menos de la longitud de onda de la radiación electromagnética. Para el rango óptico (donde la longitud de onda es nanómetros), tales tecnologías están a la vanguardia del progreso. Por lo tanto, no es sorprendente que los primeros representantes del concepto de metamateriales se hayan creado para ondas electromagnéticas relativamente más largas del rango de radio (que tienen una longitud más familiar de mm a m). El chip principal y al mismo tiempo la falta de cualquier metamaterial es una consecuencia de la naturaleza resonante de sus elementos constituyentes. Un metamaterial puede manifestar sus propiedades milagrosas solo en ciertas frecuencias.




Ejemplos típicos de metamateriales que permiten interactuar con ondas electromagnéticas. Las estructuras conductoras no son más que resonadores pequeños, circuitos LC formados por la posición espacial de los conductores.

Ha pasado un poco de tiempo desde el advenimiento del concepto de metamateriales y sus primeras implementaciones, ya que las personas adivinaron usarlos en MRI. La principal desventaja de los metamateriales es que el rango de operación estrecho no es un problema para la resonancia magnética, donde todos los procesos ocurren casi a la misma frecuencia de resonancia magnética nuclear que se encuentra en el rango de radio. Aquí puede crear metaátomos con sus propias manos e inmediatamente ver lo que sucede en las imágenes. Una de las primeras características que los investigadores implementaron en la resonancia magnética utilizando metamateriales fue superlens y endoscopios.



En el lado izquierdo debajo de la letra a), se muestra una superlente, que consiste en una matriz tridimensional de resonadores en placas de circuito impreso. Cada resonador es un anillo de metal abierto con un condensador soldado, formando un circuito LC sintonizado a la frecuencia de la resonancia magnética. A continuación se muestra un ejemplo de colocación de esta estructura desde metamaterial entre las piernas de un paciente sometido a tomografía y obtenida de forma correspondiente después de la imagen. Si anteriormente no desdeñó el consejo de leer mi último artículo sobre resonancia magnética, entonces ya sabe que para obtener una imagen de cualquier parte del cuerpo del paciente, es necesario recolectar señales débiles y rápidamente en descomposición de los núcleos usando una antena cercana - bobina.

Superlens de metamaterial le permite aumentar el alcance de una bobina estándar. Por ejemplo, visualice ambas piernas de un paciente a la vez en lugar de una. De las malas noticias: la posición de la súper lente debe seleccionarse de cierta manera para la mejor manifestación del efecto, y la súper lente en sí es bastante costosa de fabricar. Si aún no comprende por qué esta lente se llama super prefijo, evalúe su tamaño a partir de la foto y luego comprenda que funciona con una longitud de onda de aproximadamente cinco metros.

Debajo de la letra b) se muestra el diseño del endoscopio. De hecho, un endoscopio para resonancia magnética es una matriz de cables paralelos que desempeña el papel de una guía de ondas. Le permite separar espacialmente la región desde la cual la bobina recibe la señal de los núcleos y la bobina misma a una distancia decente, incluso en la medida en que la antena receptora pueda ubicarse completamente fuera del criostato del tomógrafo, lejos de un campo magnético constante. Las imágenes inferiores de la pestaña b) muestran las imágenes obtenidas para un recipiente especial lleno de líquido, un fantasma. La diferencia entre ellos es que las imágenes firmadas por el "endoscopio" se obtuvieron cuando la bobina estaba a una distancia decente del fantasma, donde sin el endoscopio las señales de los núcleos serían completamente imposibles de detectar.

Si hablamos de una de las áreas más prometedoras de aplicación de metamateriales en MRI, y la más cercana a su implementación práctica (que me involucré al final) es la creación de bobinas inalámbricas. Vale la pena explicar que no estamos hablando de Bluetooth ni de ninguna otra tecnología inalámbrica de transferencia de datos. "Inalámbrico" en este caso significa la presencia de acoplamiento inductivo o capacitivo de dos estructuras resonantes: una antena transceptora y un metamaterial. En concepto, se ve así:



A la izquierda se muestra cómo suele ser un procedimiento de IRM: el paciente se encuentra dentro de un criostato en una zona de campo magnético estático uniforme. Una antena grande llamada jaula de pájaros está montada en el túnel del tomógrafo. Una antena de esta configuración le permite rotar el vector del campo magnético de radiofrecuencia con la frecuencia de la precesión de los núcleos de hidrógeno (para máquinas clínicas, esto generalmente es de 40 a 120 MHz, dependiendo del valor del campo magnético estático de 1 T a 3 T, respectivamente), haciendo que absorban energía y luego irradien en respuesta . La señal de respuesta de los núcleos es muy débil, y siempre que llegue a los conductores de una antena grande, inevitablemente se descompondrá. Por esta razón, en MRI, las bobinas locales cercanas se utilizan para recibir señales. La imagen en el centro, por ejemplo, muestra una situación típica de escaneo de rodilla. Usando metamateriales, se puede hacer un resonador que se acoplará inductivamente a la jaula de pájaros. ¡Es suficiente colocar tal cosa al lado del área deseada del cuerpo del paciente y la señal desde allí no será peor que una bobina local! Si el concepto se implementa con éxito, los pacientes ya no tendrán que confundirse con los cables, y el procedimiento de diagnóstico por resonancia magnética será más cómodo.

Era este tipo de cosas que intenté crear al principio, llenando los cables con agua e intentando escanear una naranja. Los cables sumergidos en el agua desde la primera imagen de este artículo no son más que metaátomos, cada uno de los cuales es un dipolo de media onda, uno de los diseños de antena más famosos familiares para todos los radioaficionados.

Se sumergen en agua para que no se incendien en una resonancia magnética (aunque este también es el caso), pero para reducir su longitud de resonancia exactamente por la raíz cuadrada de la constante dieléctrica debido a la alta constante dieléctrica del agua.



Este chip se ha utilizado durante mucho tiempo en radios, enrollando alambre en un trozo de ferrita, el llamado. antena de ferrita. Solo la ferrita tiene una alta permeabilidad magnética, y no es dieléctrica, lo que, sin embargo, también funciona y, en consecuencia, puede reducir las dimensiones resonantes de la antena. Desafortunadamente, no puedes empujar ferrita en una resonancia magnética, porque Es magnético. El agua es una alternativa barata y asequible.

Está claro que para el cálculo de todas estas cosas es necesario construir modelos matemáticos complejos que tengan en cuenta la relación entre los elementos resonantes, los parámetros ambientales y las fuentes de radiación ... o puede usar los frutos del progreso y el software para el modelado electromagnético numérico, que el alumno puede descubrir fácilmente (los ejemplos más brillantes - CST, HFSS). El software le permite crear modelos 3D de resonadores, antenas, circuitos eléctricos, agregar personas allí, sí, en realidad, cualquier cosa, la única pregunta es la imaginación y la potencia informática disponible. Los modelos construidos se dividen en cuadrículas, en los nodos de los cuales se resuelven las conocidas ecuaciones de Maxwell.

Aquí, por ejemplo, modelando un campo magnético de radiofrecuencia dentro de la antena de la jaula del pájaro mencionado anteriormente:



Inmediatamente se vuelve bastante obvio cómo gira el campo. La situación a la izquierda muestra cuando hay una caja de agua dentro de la antena, y a la derecha, cuando la misma caja en el resonador está hecha de cables de longitud resonante. Se puede ver cómo se mejora enormemente el campo magnético gracias a los cables. Después de dominar el CST y optimizar mi diseño allí, una vez más hice un metamaterial que ya realmente permitía amplificar la señal en un tomógrafo clínico estándar de 1.5T MRI. Todavía era una caja (aunque más hermosa, hecha de plexiglás), llena de agua y una serie de cables. Esta vez, la estructura se optimizó en términos de condiciones de resonancia, a saber: selección de la longitud de los cables, su posición, así como la cantidad de agua. Esto es lo que pasó con el tomate:



La primera exploración de tomate se realizó en una antena grande. Como resultado, solo obtuvimos ruido con contornos apenas visibles. La segunda vez coloqué al feto en una estructura resonante recién horneada. No construí cartas de colores, o algo así, ya que el efecto es obvio. Por lo tanto, en mi experiencia, aunque pasé mucho tiempo, probé que el concepto funciona.

Está claro en qué estás pensando: naranjas, tomates, ¿aquí no es donde están los ensayos en humanos?
Realmente se llevaron a cabo :

La mano de un voluntario sometido a una resonancia magnética se encuentra en la misma caja. En realidad, el agua en la caja, ya que contiene hidrógeno, también es perfectamente visible. La amplificación de la señal ocurre en la zona de la muñeca que se encuentra en el resonador, mientras que todas las otras partes del cuerpo son poco visibles. Está claro que se puede lograr el mismo efecto, o tal vez mejor, utilizando bobinas clínicas estándar. Pero el hecho de que tales cosas se puedan hacer simplemente combinando espacialmente agua y cables, combinándolos de la manera correcta, es sorprendente. Aún más sorprendente, el conocimiento de esto se puede obtener a través del estudio de fenómenos aparentemente no relacionados, como la refracción de la luz.


Alrededor de "2 veces mejorado" al comienzo del artículo, por supuesto, resultó ser otro fruto del amor no correspondido de los periodistas por los científicos, pero decir que esto es una investigación vacía también es incorrecto, lo que está respaldado por el interés en este tema en grupos científicos de todo el mundo. Sorprendentemente, también se está trabajando en Rusia, aunque según mi experiencia puramente personal, esta es una excepción bastante rara. Todavía hay muchos problemas sin resolver asociados con el uso de metamateriales en la resonancia magnética. Además de localizar campos magnéticos para obtener una buena imagen, no se debe olvidar los campos eléctricos que conducen al calentamiento de los tejidos, así como la absorción por los tejidos de los pacientes sometidos a un examen de la energía del campo de radiofrecuencia. Para estas cosas, en el uso clínico, debe haber un control especial, que es muy complicado cuando se utilizan campos de resonancia de localización.Si bien los metamateriales para MRI permanecen dentro del marco de la investigación científica, los resultados ya son muy interesantes y es posible que en el futuro el procedimiento de MRI cambie para mejor, se vuelva más rápido y más seguro.

También hay otros desarrollos domésticos en esta área .