Parsing a Magnetic Resonance Imager II: Metamaterials dalam MRI

Obeng berdesing melewati telinganya. Dengan dering keras, dia membeku di tubuh cryostat.

Mengutuk diriku sendiri, aku memutuskan untuk istirahat. Longgarkan baut di medan magnet 1,5 Tesla, menggunakan alat baja - usaha yang begitu-begitu. Lapangan, seperti musuh yang tak terlihat, terus-menerus mencoba merobek instrumen dari tangannya, mengarahkannya di sepanjang garis kekuatannya dan mengarahkannya sedekat mungkin ke elektron yang berjalan dalam lingkaran tertutup dari superkonduktor. Namun, jika sangat diperlukan untuk mengalahkan senyawa yang diasamkan bertahun-tahun yang lalu, tidak ada pilihan khusus. Saya duduk di depan komputer dan terbiasa membaca berita. "Ilmuwan Rusia meningkatkan MRI sebanyak 2 kali!" - baca judul yang mencurigakan.

Sekitar setahun yang lalu, kami membongkar pencitraan resonansi magnetik dan memahami esensi kerjanya. Sebelum membaca artikel ini, saya sangat merekomendasikan menyegarkan materi itu.

Untuk berbagai alasan, termasuk yang historis, di Rusia saat ini praktis tidak ada produksi peralatan yang kompleks seperti pemindai pencitraan resonansi magnetik medan-tinggi. Namun, jika Anda tinggal di kota yang kurang lebih besar, Anda dapat dengan mudah menemukan klinik yang menyediakan jenis layanan ini. Pada saat yang sama, armada pemindai MRI sering diwakili oleh peralatan bekas yang diimpor kadang-kadang dari AS dan Eropa, dan jika Anda tiba-tiba harus mengunjungi klinik dengan MRI, jangan tertipu oleh penampilan perangkat yang cantik - itu mungkin akan berjalan selama sepuluh tahun kedua. Akibatnya, peralatan seperti itu rusak, dan untuk waktu yang lama saya adalah salah satu dari orang-orang yang mengembalikan tomografi rusak ke sistem sehingga pasien dapat terus menjalani diagnosa dan pemiliknya mendapatkan keuntungan.

Sejauh ini, pada salah satu hari yang indah, selama jeda antara hiburan berbahaya dengan medan magnet besar, saya tidak menemukan tulisan yang menarik di saluran berita: "Ilmuwan Rusia, bersama dengan rekan-rekan Belanda mereka, meningkatkan teknologi MRI menggunakan metamaterial." Tak perlu dikatakan, fakta bahwa Rusia sedang melakukan penelitian tentang peralatan, yang produksinya belum dikuasai, bagi saya sangat, sangat kontroversial. Saya memutuskan bahwa itu hanyalah minuman hibah biasa, yang diencerkan dengan ungkapan ilmiah yang tidak jelas seperti "teknologi nano" yang sudah usang semua orang. Pencarian informasi tentang topik karya ilmuwan Rusia dengan MRI dan metamaterial membawa saya ke sebuah artikel yang berisi deskripsi eksperimen sederhana yang dapat saya ulangi dengan mudah, karena perangkat MRI selalu ada di tangan.

Gambar dari artikel yang ditujukan untuk meningkatkan sinyal MRI menggunakan apa yang disebut "metamaterial". Dalam peralatan 1,5 - Tesla klinis yang khas, sebagai ganti pasien, metamaterial dimuat dalam bentuk baskom dengan air, di dalam di mana kabel paralel dengan panjang tertentu berada. Di kabel terletak objek studi - ikan (tidak hidup). Gambar di sebelah kanan adalah gambar ikan yang diperoleh dalam MRI, dengan peta warna yang ditumpangkan, menunjukkan intensitas sinyal dari inti hidrogen. Dapat dilihat bahwa ketika ikan berbaring di kabel, sinyalnya jauh lebih baik daripada tanpa mereka. Waktu pemindaian dalam kedua kasus adalah sama, yang membuktikan peningkatan efisiensi pemindaian. Artikel itu juga dikutip dengan hati-hati


untuk menghitung panjang kabel, tergantung pada frekuensi operasi tomograph, yang saya gunakan. Saya membuat metamaterial dari cuvette dan berbagai kabel tembaga, memasok mereka dengan dudukan plastik yang dicetak pada printer 3d:



Metamaterial pertama saya. Segera setelah pembuatan, itu dimasukkan ke dalam tomograph 1-Teslov.

Oranye bertindak sebagai objek untuk pemindaian.



Namun, alih-alih penguatan sinyal yang dijanjikan, saya mendapat banyak artefak yang benar-benar merusak gambar! Kemarahanku tidak mengenal batas! Setelah menyelesaikan subjek, saya menulis surat kepada penulis artikel, yang maknanya dapat direduksi menjadi pertanyaan "Apa ...?".

Penulis segera menjawab saya. Mereka cukup terkesan bahwa seseorang mencoba mengulangi eksperimen mereka. Pada awalnya, mereka mencoba untuk waktu yang lama untuk menjelaskan kepada saya bagaimana metamaterial masih bekerja, menggunakan istilah "Fabry-Perot resonansi", "eigenmodes", dan setiap bidang frekuensi radio dalam volume. Kemudian, tampaknya menyadari bahwa saya tidak mengerti apa yang mereka bicarakan, mereka memutuskan untuk mengundang saya untuk mengunjungi saya sehingga saya dapat melihat perkembangan mereka secara langsung dan memastikan bahwa ini masih berfungsi. Saya memasukkan besi solder favorit saya ke tas punggung dan pergi ke St. Petersburg, ke universitas riset nasional untuk teknologi informasi, mekanik, dan optik (ternyata, tidak hanya programmer yang dilatih di sana).



Mereka bertemu saya dengan ramah di situs itu, dan tiba-tiba, mereka menawari saya pekerjaan, karena mereka terkesan dengan parit saya dengan kabel dan mereka membutuhkan seorang pria untuk membuat yang baru. Sebagai imbalannya, mereka berjanji untuk menjelaskan secara terperinci segala sesuatu yang menarik minat saya dan untuk mengambil kursus pelatihan di bidang radiofisika dan MRI, yang dimulai dengan peluang keberuntungan di tahun itu. Rasa haus saya akan pengetahuan menang, dan kemudian, selama tahun itu, saya belajar, mengerjakan proyek dan bekerja, secara bertahap mempelajari semakin banyak hal baru tentang sejarah resonansi magnetik, serta keadaan ilmu pengetahuan modern di bidang ini, yang akan saya bagikan di sini.

Metode dugaan peningkatan MRI, dan diselidiki dalam artikel ilmiah yang disebutkan, didasarkan pada apa yang disebut "metamaterial". Metamaterial, seperti banyak penemuan lainnya, berhutang penampilan mereka pada solusi tak terduga yang diperoleh berdasarkan studi teoritis. Ilmuwan Soviet Victor Veselago, pada tahun 1967, bekerja pada model teoritis, menyarankan keberadaan bahan dengan indeks bias negatif. Seperti yang sudah Anda pahami, kita berbicara tentang optik, dan koefisien ini, secara kasar, berarti seberapa banyak cahaya akan berubah arah, melewati perbatasan antara lingkungan yang berbeda, seperti udara dan air. Fakta bahwa ini memang kasusnya dapat dengan mudah diverifikasi secara independen:



Eksperimen sederhana dengan laser pointer dan akuarium yang menunjukkan pembiasan cahaya.

Fakta menarik yang dapat diekstraksi dari eksperimen semacam itu adalah bahwa balok tidak dapat dibiaskan ke arah yang sama dari tempat jatuh ke antarmuka, tidak peduli seberapa keras percobaan yang dilakukan. Eksperimen semacam itu dilakukan dengan semua zat yang terjadi secara alami, namun, balok itu dengan keras kepala membiaskan hanya dalam satu arah. Secara matematis, ini berarti bahwa indeks bias, serta jumlah konstituennya, permeabilitas dielektrik dan magnetik, adalah positif, dan belum pernah diamati sebelumnya. Setidaknya sampai V. Veselago memutuskan untuk mempelajari masalah ini, dan menunjukkan bahwa secara teoritis tidak ada satu pun alasan mengapa indeks bias tidak boleh negatif.



Gambar wiki menunjukkan perbedaan antara media indeks bias positif dan negatif. Seperti yang kita lihat, cahaya berperilaku sepenuhnya tidak wajar, dibandingkan dengan pengalaman kita sehari-hari.

V. Veselago untuk waktu yang lama mencoba untuk menemukan bukti keberadaan bahan dengan indeks bias negatif, tetapi pencarian tidak berhasil, dan karyanya dilupakan dengan sepatutnya. Hanya pada awal abad berikutnya struktur komposit dibuat secara buatan yang mewujudkan sifat-sifat yang diuraikan, tetapi tidak dalam optik, tetapi pada frekuensi yang lebih rendah, rentang frekuensi gelombang mikro. Ini adalah titik balik, karena kemungkinan keberadaan material tersebut membuka prospek baru. Misalnya, penciptaan lensa super yang mampu memperbesar objek bahkan lebih kecil dari panjang gelombang cahaya. Atau - pelapis mutlak yang tak terlihat, impian semua militer. Amandemen serius dibuat untuk teori, dengan mempertimbangkan data baru. Kunci keberhasilan adalah penggunaan struktur elemen resonansi yang teratur - metaatom, yang ukurannya jauh lebih kecil daripada panjang gelombang radiasi yang berinteraksi dengannya. Struktur yang teratur dari metaatom adalah komposit buatan yang disebut metamaterial.

Implementasi praktis dari metamaterial bahkan sulit secara teknologi saat ini, karena ukuran partikel resonan harus sebanding dengan kurang dari panjang gelombang radiasi elektromagnetik. Untuk rentang optik (di mana panjang gelombangnya adalah nanometer), teknologi tersebut berada di garis depan kemajuan. Oleh karena itu, tidak mengherankan bahwa perwakilan pertama dari konsep metamaterial dibuat untuk gelombang elektromagnetik yang relatif lebih panjang dari jangkauan radio (yang memiliki panjang yang lebih akrab dari mm ke m). Chip utama dan pada saat yang sama kurangnya metamaterial adalah konsekuensi dari sifat resonansi elemen penyusunnya. Metamaterial dapat memanifestasikan sifat mukjizatnya hanya pada frekuensi tertentu.




Contoh tipikal dari metamaterial yang memungkinkan berinteraksi dengan gelombang elektromagnetik. Struktur konduktor tidak lebih dari resonator kecil, sirkuit LC yang dibentuk oleh posisi spasial dari konduktor.

Sedikit waktu telah berlalu sejak munculnya konsep metamaterial, dan implementasi pertama mereka, karena orang-orang menebak untuk menggunakannya dalam MRI. Kerugian utama dari metamaterial adalah jangkauan operasi yang sempit bukan masalah bagi MRI, di mana semua proses terjadi pada frekuensi resonansi magnetik nuklir yang hampir sama dengan jangkauan radio. Di sini Anda dapat membuat meta-atom dengan tangan Anda sendiri dan segera melihat apa yang terjadi pada gambar. Salah satu fitur pertama yang peneliti terapkan dalam MRI menggunakan metamaterial adalah superlens dan endoskopi.



Di sisi kiri di bawah huruf a), sebuah superlens ditampilkan, terdiri dari susunan resonator tiga dimensi pada papan sirkuit tercetak. Setiap resonator adalah cincin logam terbuka dengan kapasitor yang disolder, membentuk sirkuit LC yang disesuaikan dengan frekuensi MRI. Di bawah ini adalah contoh penempatan struktur ini dari metamaterial di antara kaki-kaki pasien yang menjalani tomografi dan diperoleh setelah gambar. Jika sebelumnya Anda tidak meremehkan saran untuk membaca artikel terakhir saya di MRI, maka Anda sudah tahu bahwa untuk mendapatkan gambar bagian tubuh pasien, perlu untuk mengumpulkan sinyal lemah, cepat membusuk dari inti menggunakan antena terdekat - koil.

Superlens dari metamaterial memungkinkan Anda meningkatkan cakupan koil standar. Misalnya, visualisasikan kedua kaki pasien sekaligus, bukan satu. Dari berita buruk - posisi lensa super harus dipilih dengan cara tertentu untuk manifestasi efek terbaik, dan lensa super itu sendiri cukup mahal untuk diproduksi. Jika Anda masih tidak mengerti mengapa lensa ini disebut awalan super, maka evaluasilah ukurannya dari foto, dan kemudian sadari bahwa lensa ini bekerja dengan panjang gelombang sekitar lima meter!

Di bawah huruf b) desain endoskop diperlihatkan. Faktanya, endoskop untuk MRI adalah array kabel paralel yang memainkan peran sebagai pandu gelombang. Ini memungkinkan Anda untuk secara spasial memisahkan wilayah dari mana koil menerima sinyal dari inti dan koil itu sendiri pada jarak yang layak - bahkan sejauh antena penerima dapat ditempatkan sepenuhnya di luar cryostat tomograph, jauh dari medan magnet konstan. Gambar bawah dari tab b) menunjukkan gambar yang diperoleh untuk kapal khusus yang diisi dengan cairan - hantu. Perbedaan di antara mereka adalah bahwa gambar yang ditandatangani oleh "endoskopi" diperoleh ketika koil berada pada jarak yang layak dari hantu, di mana tanpa endoskop sinyal dari inti tidak akan sepenuhnya dapat dideteksi.

Jika kita berbicara tentang salah satu area aplikasi metamaterial yang paling menjanjikan di MRI, dan yang paling dekat dengan implementasi praktisnya (yang saya terlibat pada akhirnya) adalah pembuatan kumparan nirkabel. Perlu dijelaskan bahwa kita tidak berbicara tentang Bluetooth atau teknologi transfer data nirkabel lainnya. "Nirkabel" dalam hal ini berarti adanya kopling induktif atau kapasitif dari dua struktur resonansi - antena transceiver dan metamaterial. Secara konsep, tampilannya seperti ini:



Di sebelah kiri diperlihatkan bagaimana prosedur MRI biasanya berjalan: pasien berada di dalam cryostat di zona medan magnet statis seragam. Antena besar yang disebut sangkar burung dipasang di terowongan tomograf. Antena konfigurasi ini memungkinkan Anda untuk memutar vektor medan magnet frekuensi radio dengan frekuensi presesi inti hidrogen (untuk mesin klinis, ini biasanya dari 40 hingga 120 MHz, tergantung pada besarnya medan magnet statis dari 1 T ke 3 T, masing-masing), menyebabkan mereka menyerap energi dan kemudian memancarkan sebagai respons . Sinyal respons dari inti sangat lemah, dan selama mencapai konduktor antena besar, pasti akan membusuk. Karena alasan ini, dalam MRI, koil lokal terdekat digunakan untuk menerima sinyal. Gambar di tengah, misalnya, menunjukkan situasi pemindaian lutut yang khas. Menggunakan metamaterial, resonator dapat dibuat yang secara induktif digabungkan ke sangkar burung. Cukup dengan meletakkan benda seperti itu di sebelah area tubuh pasien yang diinginkan dan sinyal dari sana akan diterima tidak lebih buruk daripada lilitan lokal! Jika konsep ini berhasil diimplementasikan, pasien tidak perlu lagi bingung dalam kabel, dan prosedur diagnostik MRI akan menjadi lebih nyaman.

Hal semacam inilah yang saya coba buat di awal, mengisi kabel dengan air dan mencoba memindai jeruk. Kabel yang dicelupkan ke dalam air dari gambar pertama dalam artikel ini tidak lain adalah metaatom, yang masing-masing merupakan dipol setengah gelombang - salah satu desain antena paling terkenal yang dikenal oleh setiap amatir radio.

Mereka dicelupkan ke dalam air sehingga mereka tidak terbakar di MRI (meskipun ini juga terjadi), tetapi untuk mengurangi panjang resonansi mereka dengan tepat akar kuadrat dari konstanta dielektrik karena konstanta dielektrik air yang tinggi.



Chip ini telah lama digunakan dalam radio, melilitkan kawat ke sepotong ferit - yang disebut. antena ferit. Hanya ferit yang memiliki permeabilitas magnetik tinggi, dan tidak dielektrik, yang, bagaimanapun, juga berfungsi dan karenanya dapat mengurangi dimensi resonansi antena. Sayangnya, Anda tidak dapat mendorong ferit di MRI, karena itu magnetis. Air adalah alternatif yang murah dan terjangkau.

Jelas bahwa untuk perhitungan semua hal ini perlu untuk membangun model matematika kompleks yang memperhitungkan hubungan antara elemen resonansi, parameter lingkungan dan sumber radiasi ... atau Anda dapat menggunakan buah dari kemajuan dan perangkat lunak untuk pemodelan elektromagnetik numerik, yang dapat dengan mudah diketahui oleh siswa (contoh-contoh paling cemerlang) - CST, HFSS). Perangkat lunak ini memungkinkan Anda membuat model 3d resonator, antena, sirkuit listrik, menambah orang di sana - ya, sebenarnya, apa saja, satu-satunya pertanyaan adalah imajinasi dan daya komputasi yang tersedia. Model yang dibangun dibagi menjadi kisi-kisi, di titik di mana persamaan Maxwell yang terkenal diselesaikan.

Di sini, misalnya, memodelkan medan magnet frekuensi radio di dalam antena sangkar burung yang disebutkan sebelumnya:



Segera menjadi sangat jelas bagaimana medan berputar. Situasi di sebelah kiri menunjukkan ketika ada kotak air di dalam antena, dan di sebelah kanan - ketika kotak yang sama di resonator terbuat dari kabel dengan panjang resonansi. Dapat dilihat bagaimana medan magnet sangat meningkat berkat kabel. Setelah menguasai CST dan mengoptimalkan desain saya di sana, saya sekali lagi membuat metamaterial yang sudah benar-benar memungkinkan memperkuat sinyal dalam tomograf 1.5T MRI klinis standar. Itu masih sebuah kotak (meskipun lebih indah, terbuat dari kaca plexiglass), diisi dengan air dan berbagai kabel. Kali ini, struktur dioptimalkan dalam hal kondisi resonansi, yaitu: pemilihan panjang kabel, posisi mereka, serta jumlah air. Inilah yang terjadi dengan tomat:



Pemindaian tomat pertama dilakukan pada antena besar. Akibatnya, kami hanya mendapat suara bising dengan garis besar yang hampir tidak terlihat. Kedua kalinya saya meletakkan janin pada struktur resonansi yang baru dipanggang. Saya tidak membuat kartu warna, atau semacamnya, karena efeknya jelas. Jadi, dalam pengalaman saya, walaupun menghabiskan banyak waktu, saya membuktikan bahwa konsep itu berhasil.

Sudah jelas apa yang Anda pikirkan - jeruk, tomat - ini bukan tempat uji coba manusia?
Mereka benar-benar ditahan :

Tangan seorang sukarelawan yang menjalani MRI terletak pada kotak yang sama. Sebenarnya air di dalam kotak, karena mengandung hidrogen, juga terlihat sempurna. Amplifikasi sinyal terjadi di zona pergelangan tangan yang terletak pada resonator, sementara semua bagian tubuh lainnya tidak terlihat dengan jelas. Jelas bahwa efek yang sama, atau mungkin lebih baik, dapat dicapai dengan menggunakan gulungan klinis standar. Tetapi fakta bahwa hal-hal seperti itu dapat dilakukan hanya dengan menggabungkan air dan kabel secara spasial, menggabungkannya dengan cara yang benar, sungguh menakjubkan. Yang lebih mengejutkan, pengetahuan tentang hal ini dapat diperoleh melalui studi tentang fenomena yang tampaknya tidak berhubungan, seperti pembiasan cahaya.


Tentang "2 kali meningkat" di awal artikel - tentu saja, ini adalah buah lain dari cinta tak berbalas dari jurnalis bagi para ilmuwan, tetapi mengatakan bahwa ini adalah penelitian kosong juga salah, yang didukung oleh minat pada topik ini dalam kelompok ilmiah di seluruh dunia. Anehnya, pekerjaan juga dilakukan di Rusia, meskipun berdasarkan pengalaman pribadi saya, ini adalah pengecualian yang jarang terjadi. Masih ada banyak masalah yang belum terpecahkan terkait dengan penggunaan metamaterial di MRI. Selain melokalisasi medan magnet untuk mendapatkan gambar yang baik, orang tidak boleh melupakan medan listrik yang menyebabkan pemanasan jaringan, serta penyerapan oleh jaringan pasien yang menjalani pemeriksaan energi dari medan frekuensi radio. Untuk hal-hal ini, dalam penggunaan klinis, harus ada kontrol khusus, yang sangat rumit ketika menggunakan bidang resonator pelokalan.Meskipun metamaterial untuk MRI tetap dalam kerangka penelitian ilmiah, hasilnya sudah sangat menarik dan ada kemungkinan bahwa di masa depan prosedur MRI akan berubah menjadi lebih baik, menjadi lebih cepat dan lebih aman.

Ada juga perkembangan domestik lainnya di bidang ini .