Analyser un imageur à résonance magnétique II: les métamatériaux en IRM

Un tournevis siffla devant son oreille. Avec une forte sonnerie, elle se figea sur le corps du cryostat.

Me maudissant, j'ai décidé de faire une pause. Desserrez les boulons dans un champ magnétique de 1,5 Tesla, à l'aide d'un outil en acier. Le champ, comme un ennemi invisible, essaie constamment de déchirer l'instrument de ses mains, de l'orienter le long de ses lignes de force et de le diriger aussi près que possible des électrons fonctionnant en cercle fermé depuis le supraconducteur. Cependant, s'il est très nécessaire de vaincre les composés acidifiés d'il y a de nombreuses années, il n'y a pas de choix particulier. Je m'assis devant l'ordinateur et feuilletai habituellement le fil d'actualité. "Des scientifiques russes ont amélioré l'IRM de 2 fois!" - lire un titre suspect.

Il y a environ un an, nous avons démonté un imageur à résonance magnétique et saisi l'essence de son travail. Avant de lire cet article, je recommande fortement de rafraîchir ce matériel.

Pour diverses raisons, y compris historiques, il n'y a pratiquement pas aujourd'hui en Russie de production d'équipements aussi complexes que les scanners d'imagerie par résonance magnétique à champ élevé. Cependant, si vous vivez dans une ville plus ou moins grande, vous pouvez facilement trouver des cliniques offrant ces types de services. Dans le même temps, la flotte de scanners IRM est souvent représentée par du matériel d'occasion importé parfois des États-Unis et d'Europe, et si vous devez soudainement vous rendre dans une clinique avec une IRM, ne vous laissez pas berner par la belle apparence de l'appareil - cela pourrait bien durer les dix dernières années. En conséquence, un tel équipement est tombé en panne, et pendant longtemps j'ai été une de ces personnes qui ont renvoyé des tomographes cassés dans le système afin que les patients puissent continuer à subir des diagnostics et que les propriétaires fassent des bénéfices.

Jusqu'à présent, lors d'un des beaux jours, lors d'une pause entre un divertissement dangereux avec d'énormes champs magnétiques, je n'ai pas trouvé une inscription intéressante dans la ligne de nouvelles: "Les scientifiques russes, avec leurs collègues néerlandais, ont amélioré la technologie IRM en utilisant des métamatériaux." Il va sans dire que le fait que la Russie mène des recherches sur des équipements dont la production n'est pas maîtrisée m'a paru très, très controversé. J'ai décidé que c'était juste une boisson régulière de subventions, diluée avec des phrases scientifiques obscures comme les "nanotechnologies" que tout le monde avait déjà épuisées. La recherche d'informations sur le sujet du travail des scientifiques russes avec l'IRM et les métamatériaux m'a conduit à un article contenant une description d'une expérience simple que je pourrais facilement répéter, car le dispositif d'IRM est toujours à portée de main.

Une image d'un article consacré à l'amélioration d'un signal IRM à l'aide du soi-disant «métamatériau». Dans un appareil clinique typique de 1,5 Tesla, au lieu du patient, le métamatériau est chargé sous la forme d'un bassin d'eau, à l'intérieur duquel se trouvent des fils parallèles d'une certaine longueur. Sur les fils se trouve l'objet d'étude - le poisson (non vivant). Les images à droite sont des images de poissons obtenues en IRM, avec une carte couleur superposée, indiquant l'intensité du signal des noyaux d'hydrogène. On peut voir que lorsque le poisson se trouve sur les fils, le signal est bien meilleur que sans eux. Le temps de scan dans les deux cas est le même, ce qui prouve l'augmentation de l'efficacité du scan. L'article cite également avec prudence


pour calculer la longueur des fils, en fonction de la fréquence de fonctionnement du tomographe, que j'ai utilisé. J'ai fabriqué mon métamatériau à partir d'une cuvette et d'un tableau de fils de cuivre, en leur fournissant des supports en plastique imprimés sur une imprimante 3D:



Mon premier métamatériau. Immédiatement après sa fabrication, il a été inséré dans un tomographe à 1 Teslov.

L'orange a agi comme un objet à scanner.



Cependant, au lieu de l'amplification de signal promise, j'ai obtenu un tas d'artefacts qui gâchent complètement l'image! Mon indignation était sans bornes! Ayant terminé le sujet, j'ai écrit une lettre aux auteurs de l'article, dont le sens peut être réduit à la question "Quoi ...?".

Les auteurs m'ont répondu très bientôt. Ils étaient assez impressionnés que quelqu'un essaie de répéter leurs expériences. Au début, ils ont essayé pendant longtemps de m'expliquer comment fonctionnent encore les métamatériaux, en utilisant les termes «résonances de Fabry-Pérot», «modes propres» et tout champ radiofréquence en volume. Puis, réalisant apparemment que je ne comprenais pas de quoi ils parlaient, ils ont décidé de m'inviter à me rendre visite afin que je puisse voir leurs développements en direct et m'assurer que cela fonctionnait toujours. J'ai mis mon fer à souder préféré dans mon sac à dos et je suis allé à Saint-Pétersbourg, à l'université nationale de recherche en technologies de l'information, mécanique et optique (il s'est avéré que non seulement les programmeurs y sont formés).



Ils m'ont rencontré cordialement sur le site, et soudain, ils m'ont proposé un emploi, car ils ont été impressionnés par mon fossé avec des fils et ils avaient besoin d'un homme pour en créer de nouveaux. En retour, ils ont promis d'expliquer en détail tout ce qui m'intéresse et de suivre une formation en radiophysique et IRM, qui a commencé par une chance chanceuse cette année-là. Ma soif de connaissances a gagné, puis, au cours de l'année, j'ai étudié, réalisé des projets et travaillé, en apprenant progressivement de plus en plus de nouvelles choses sur l'histoire de la résonance magnétique, ainsi que sur l'état de la science moderne dans ce domaine, que je partagerai ici.

La méthode de la prétendue amélioration de l'IRM, et étudiée dans les articles scientifiques mentionnés, est basée sur les soi-disant «métamatériaux». Les métamatériaux, comme beaucoup d'autres découvertes, doivent leur apparition à des solutions inattendues obtenues sur la base d'études théoriques. Le scientifique soviétique Victor Veselago, en 1967, travaillant sur un modèle théorique, a suggéré l'existence de matériaux à indice de réfraction négatif. Comme vous l'avez déjà compris, nous parlons d'optique, et ce coefficient, en gros, signifie à quel point la lumière changera de direction, en passant par la frontière entre différents environnements, tels que l'air et l'eau. Le fait que c'est effectivement le cas peut être facilement vérifié indépendamment:



Une expérience simple avec un pointeur laser et un aquarium montrant la réfraction de la lumière.

Un fait intéressant qui peut être extrait d'une telle expérience est que le faisceau ne peut pas être réfracté dans la même direction d'où il est tombé à l'interface, peu importe la difficulté de l'expérimentateur. Une telle expérience a été réalisée avec toutes les substances naturelles, cependant, le faisceau ne s'est réfracté obstinément que dans une seule direction. Mathématiquement, cela signifie que l'indice de réfraction, ainsi que ses quantités constitutives, la perméabilité diélectrique et magnétique, sont positifs et n'ont jamais été observés autrement. Du moins jusqu'à ce que V. Veselago décide d'étudier cette question et montre que, théoriquement, il n'y a pas une seule raison pour laquelle l'indice de réfraction ne peut pas être négatif.



Image wiki montrant la différence entre les milieux d'indice de réfraction positif et négatif. Comme nous le voyons, la lumière se comporte de manière complètement anormale, par rapport à notre expérience quotidienne.

V. Veselago a longtemps essayé de trouver des preuves de l'existence de matériaux ayant un indice de réfraction négatif, mais la recherche a échoué et son travail a été injustement oublié. Ce n'est qu'au début du siècle suivant que des structures composites ont été créées artificiellement qui ont réalisé les propriétés décrites, mais pas dans l'optique, mais dans la gamme de fréquences micro-ondes plus basse fréquence. Ce fut un tournant, car la possibilité même de l'existence de tels matériaux ouvrait de nouvelles perspectives. Par exemple, la création de super-lentilles capables d'agrandir des objets encore plus petits que la longueur d'onde de la lumière. Ou - masquage absolu des revêtements invisibles, les rêves de tous les militaires. De sérieuses modifications ont été apportées à la théorie, en tenant compte des nouvelles données. La clé du succès a été l'utilisation de structures ordonnées d'éléments résonants - des méta-atomes, dont la taille est beaucoup plus petite que la longueur d'onde de rayonnement avec laquelle ils interagissent. Une structure ordonnée de méta-atomes est un composite artificiel appelé métamatériau.

La mise en œuvre pratique des métamatériaux est même technologiquement difficile aujourd'hui, car la taille des particules résonantes doit être comparable à moins que la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique. Pour la gamme optique (où la longueur d'onde est de l'ordre du nanomètre), ces technologies sont à la pointe du progrès. Par conséquent, il n'est pas surprenant que les premiers représentants du concept de métamatériaux aient été créés pour des ondes électromagnétiques relativement plus longues de la gamme radio (qui ont une longueur plus familière de mm à m). La puce principale et en même temps l'absence de tout métamatériau est une conséquence de la nature résonnante de ses éléments constitutifs. Un métamatériau ne peut manifester ses propriétés miraculeuses qu'à certaines fréquences.




Exemples typiques de métamatériaux qui permettent d'interagir avec les ondes électromagnétiques. Les structures conductrices ne sont rien de plus que de petits résonateurs, des circuits LC formés par la position spatiale des conducteurs.

Un peu de temps s'est écoulé depuis l'avènement du concept de métamatériaux et de leurs premières implémentations, les gens ayant deviné les utiliser en IRM. Le principal inconvénient des métamatériaux est que la plage de fonctionnement étroite n'est pas un problème pour l'IRM, où tous les processus se produisent à presque la même fréquence de résonance magnétique nucléaire située dans la plage radio. Ici, vous pouvez créer des méta-atomes de vos propres mains et voir immédiatement ce qui se passe sur les images. Les super-lentilles et les endoscopes ont été l'une des premières fonctionnalités mises en œuvre par les chercheurs en IRM à l'aide de métamatériaux.



Sur le côté gauche sous la lettre a), une super lentille est représentée, consistant en un réseau tridimensionnel de résonateurs sur des cartes de circuits imprimés. Chaque résonateur est un anneau métallique ouvert avec un condensateur soudé, formant un circuit LC réglé sur la fréquence de l'IRM. Ci-dessous est un exemple de placement de cette structure à partir de métamatériau entre les jambes d'un patient subissant une tomographie et obtenu en conséquence après l'image. Si vous n'aviez pas dédaigné les conseils pour lire mon dernier article sur l'IRM, vous savez déjà que pour obtenir une image de n'importe quelle partie du corps du patient, il est nécessaire de collecter des signaux faibles et en décomposition rapide des noyaux en utilisant une antenne proche - une bobine.

Superlens de métamatériau vous permet d'augmenter la portée d'une bobine standard. Par exemple, visualisez les deux jambes d'un patient à la fois au lieu d'une. De la mauvaise nouvelle - la position de la super lentille doit être choisie d'une certaine manière pour la meilleure manifestation de l'effet, et la super lentille elle-même est assez chère à fabriquer. Si vous ne comprenez toujours pas pourquoi cet objectif est appelé un super préfixe, évaluez sa taille à partir de la photo, puis réalisez qu'il fonctionne avec une longueur d'onde d'environ cinq mètres!

Sous la lettre b), la conception de l'endoscope est indiquée. En fait, un endoscope pour IRM est un réseau de fils parallèles qui joue le rôle d'un guide d'onde. Il vous permet de séparer spatialement la région à partir de laquelle la bobine reçoit le signal des noyaux et la bobine elle-même à une distance décente - même dans la mesure où l'antenne de réception peut être située complètement à l'extérieur du cryostat du tomographe, loin d'un champ magnétique constant. Les images inférieures de l'onglet b) montrent les images obtenues pour un récipient spécial rempli de liquide - un fantôme. La différence entre eux est que les images signées par «l'endoscope» ont été obtenues lorsque la bobine était à une distance décente du fantôme, où sans l'endoscope les signaux des noyaux seraient complètement impossibles à détecter.

Si nous parlons de l'un des domaines d'application les plus prometteurs des métamatériaux en IRM, et le plus proche de sa mise en œuvre pratique (que j'ai finalement impliquée) est la création de bobines sans fil. Il convient d'expliquer que nous ne parlons pas de Bluetooth ou de toute autre technologie de transfert de données sans fil. «Sans fil» dans ce cas signifie la présence d'un couplage inductif ou capacitif de deux structures résonantes - une antenne émettrice-réceptrice et un métamatériau. Dans le concept, cela ressemble à ceci:



À gauche, on voit comment se déroule habituellement une IRM: le patient se trouve à l'intérieur d'un cryostat dans une zone de champ magnétique statique uniforme. Une grande antenne appelée cage à oiseaux est montée dans le tunnel du tomographe. Une antenne de cette configuration vous permet de faire pivoter le vecteur du champ magnétique radiofréquence avec la fréquence de la précession des noyaux d'hydrogène (pour les machines cliniques, elle est généralement de 40 à 120 MHz, selon l'amplitude du champ magnétique statique de 1 T à 3 T, respectivement), ce qui les amène à absorber de l'énergie puis à rayonner en réponse . Le signal de réponse des noyaux est très faible, et tant qu'il atteint les conducteurs d'une grande antenne, il va inévitablement se désintégrer. Pour cette raison, en IRM, des bobines locales à proximité sont utilisées pour recevoir des signaux. L'image au centre, par exemple, montre une situation typique de scan du genou. À l'aide de métamatériaux, un résonateur peut être fabriqué qui sera couplé par induction à la cage à oiseaux. Il suffit de placer une telle chose à côté de la zone souhaitée du corps du patient et le signal en provenance de celui-ci ne sera pas pire qu'une bobine locale! Si le concept est mis en œuvre avec succès, les patients n'auront plus à se perdre dans les fils et la procédure de diagnostic par IRM deviendra plus confortable.

C'est ce genre de chose que j'ai essayé de créer au début, remplissant les fils d'eau et essayant de scanner une orange. Les fils immergés dans l'eau de la toute première image de cet article ne sont que des méta-atomes, chacun étant un dipôle demi-onde - l'une des conceptions d'antennes les plus célèbres connues de tous les radio-amateurs.

Ils sont immergés dans l'eau pour ne pas prendre feu dans une IRM (bien que ce soit également le cas)), mais afin de réduire leur longueur de résonance exactement de la racine carrée de la constante diélectrique en raison de la constante diélectrique élevée de l'eau.



Cette puce a longtemps été utilisée dans les radios, enroulant du fil sur un morceau de ferrite - le soi-disant. antenne en ferrite. Seule la ferrite a une perméabilité magnétique élevée, et non diélectrique, qui, cependant, fonctionne également et peut en conséquence réduire les dimensions de résonance de l'antenne. Malheureusement, vous ne pouvez pas pousser de ferrite dans une IRM, car c'est magnétique. L'eau est une alternative bon marché et abordable.

Il est clair que pour calculer toutes ces choses, vous devez construire des modèles mathématiques complexes qui prennent en compte la relation entre les éléments résonnants, les paramètres environnementaux et les sources de rayonnement ... ou vous pouvez utiliser les fruits du progrès et des logiciels pour la modélisation électromagnétique numérique, que l'étudiant peut facilement comprendre (les exemples les plus brillants - CST, HFSS). Le logiciel vous permet de créer des modèles 3D de résonateurs, d'antennes, de circuits électriques, d'y ajouter des gens - oui, en fait, n'importe quoi, la seule question est l'imagination et la puissance de calcul disponible. Les modèles construits sont divisés en grilles, aux nœuds desquels les équations de Maxwell bien connues sont résolues.

Voici, par exemple, la modélisation d'un champ magnétique radiofréquence à l'intérieur de l'antenne de la cage à oiseaux mentionnée précédemment:



Il devient immédiatement assez évident comment le champ tourne. La situation à gauche montre quand il y a une boîte d'eau à l'intérieur de l'antenne, et à droite quand la même boîte sur le résonateur est faite de fils de longueur résonnante. On peut voir comment le champ magnétique est grandement amélioré grâce aux fils. Après avoir maîtrisé le CST et optimisé ma conception là-bas, j'ai encore une fois réalisé un métamatériau qui permettait déjà vraiment d'amplifier le signal dans un tomographe IRM clinique 1,5T standard. C'était toujours une boîte (bien que plus belle, faite de plexiglas), remplie d'eau et d'un réseau de fils. Cette fois, la structure a été optimisée en termes de conditions de résonance, à savoir: sélection de la longueur des fils, de leur position, ainsi que de la quantité d'eau. Voici ce qui s'est passé avec la tomate:



Le premier tomate scan a été réalisé sur une grande antenne. En conséquence, nous n'avons obtenu que du bruit avec des contours à peine visibles. La deuxième fois, j'ai placé le fœtus sur une structure résonnante fraîchement cuite. Je n'ai pas construit de cartes de couleurs, ou quelque chose comme ça, car l'effet est évident. Ainsi, selon mon expérience, même si j'ai passé beaucoup de temps, j'ai prouvé que le concept fonctionne.

Il est clair à quoi vous pensez - oranges, tomates - ce n’est pas là que se déroulent les épreuves humaines?
Ils ont vraiment eu lieu :

La main d'un volontaire subissant une IRM repose sur la même boîte. En fait, l'eau dans la boîte, car elle contient de l'hydrogène, est également parfaitement visible. L'amplification du signal se produit dans la zone du poignet située sur le résonateur, tandis que toutes les autres parties du corps sont mal visibles. Il est clair que le même effet, ou peut-être mieux, peut être obtenu en utilisant des bobines cliniques standard. Mais le fait que de telles choses peuvent être faites en combinant simplement l'eau et les fils dans l'espace, en les combinant de la bonne manière, est incroyable. Encore plus surprenant, la connaissance de cela peut être obtenue grâce à l'étude de phénomènes apparemment sans rapport, tels que la réfraction de la lumière.


À propos de «2 fois amélioré» au début de l'article - bien sûr, cela s'est avéré être un autre fruit de l'amour non partagé des journalistes pour les scientifiques, mais dire que c'est de la recherche vide est également faux, ce qui est soutenu par l'intérêt pour ce sujet dans les groupes scientifiques du monde entier. Étonnamment, le travail se fait également en Russie, bien que, d'après mon expérience purement personnelle, il s'agit plutôt d'une exception rare. Il existe encore de nombreux problèmes non résolus associés à l'utilisation de métamatériaux en IRM. En plus de localiser les champs magnétiques pour obtenir une bonne image, il ne faut pas oublier les champs électriques qui conduisent au réchauffement des tissus, ainsi que l'absorption par les tissus des patients soumis à un examen de l'énergie du champ radiofréquence. Pour ces choses, en utilisation clinique, il devrait y avoir un contrôle spécial, ce qui est très compliqué lors de l'utilisation des champs de résonateurs de localisation.Si les métamatériaux pour l'IRM restent dans le cadre de la recherche scientifique, les résultats sont déjà très intéressants et il est possible qu'à l'avenir la procédure d'IRM évolue pour le mieux, devenant plus rapide et plus sûre.

Il y a également d' autres développements nationaux dans ce domaine .