Analisando um Ressonância Magnética II: Metamateriais na RM

Uma chave de fenda passou zunindo por sua orelha. Com um toque alto, ela congelou no corpo do criostato.

Amaldiçoando a mim mesmo, decidi fazer uma pausa. Solte os parafusos em um campo magnético de 1,5 Tesla, usando uma ferramenta de aço - mais ou menos. O campo, como um inimigo invisível, está constantemente tentando arrancar o instrumento de suas mãos, orientá-lo ao longo de suas linhas de força e direcioná-lo o mais próximo possível dos elétrons que circulam em círculo vicioso do supercondutor. No entanto, se é muito necessário derrotar os compostos acidificados de muitos anos atrás, não há escolha específica. Sentei-me no computador e folheei o feed de notícias. "Cientistas russos melhoraram a ressonância magnética em 2 vezes!" - leia uma manchete suspeita.

Cerca de um ano atrás, desmontamos um gerador de imagens por ressonância magnética e apreendemos a essência de seu trabalho. Antes de ler este artigo, recomendo fortemente atualizar esse material.

Por várias razões, inclusive históricas, hoje na Rússia praticamente não há produção de equipamentos tão complexos como os scanners de ressonância magnética de alto campo. No entanto, se você mora em uma cidade mais ou menos grande, pode encontrar facilmente clínicas que fornecem esses tipos de serviços. Ao mesmo tempo, a frota de scanners de ressonância magnética é frequentemente representada por equipamentos usados ​​importados em algum momento dos EUA e da Europa, e se você precisar visitar uma clínica com uma ressonância magnética, não se deixe enganar pela bela aparência do dispositivo - ele pode durar os próximos dez anos. Como resultado, esse equipamento avaria e, durante muito tempo, eu fui uma daquelas pessoas que devolveu os tomógrafos quebrados ao sistema, para que os pacientes pudessem continuar sendo submetidos a diagnósticos e os proprietários para obter lucro.

Até agora, em um dos belos dias, durante um intervalo entre entretenimento perigoso e enormes campos magnéticos, não encontrei uma inscrição interessante na linha de notícias: "Os cientistas russos, juntamente com seus colegas holandeses, aprimoraram a tecnologia de ressonância magnética usando metamateriais". Desnecessário dizer que o fato de a Rússia estar realizando pesquisas sobre equipamentos, cuja produção ainda não foi dominada, me pareceu muito, muito controverso. Eu decidi que era apenas uma bebida regular de subsídios, diluída com frases científicas obscuras como as "nanotecnologias" que todo mundo já tinha usado. A busca por informações sobre o tema do trabalho de cientistas russos com ressonância magnética e metamateriais levou-me a um artigo contendo a descrição de um experimento simples que eu poderia repetir facilmente, pois o dispositivo de ressonância magnética está sempre à mão.

Uma imagem de um artigo dedicado a melhorar um sinal de ressonância magnética usando o chamado "metamaterial". Em um aparelho clínico típico de 1,5 - Tesla, em vez do paciente, o metamaterial é carregado na forma de uma bacia com água, dentro da qual estão localizados fios paralelos de um determinado comprimento. Nos fios está o objeto de estudo - peixe (não vivo). As figuras à direita são imagens de peixes obtidos na ressonância magnética, com um mapa de cores sobreposto, indicando a intensidade do sinal dos núcleos de hidrogênio. Pode-se ver que quando o peixe está nos fios, o sinal é muito melhor do que sem eles. O tempo de varredura nos dois casos é o mesmo, o que prova o aumento na eficiência da varredura. O artigo também citou cautelosamente


para calcular o comprimento dos fios, dependendo da frequência de operação do tomógrafo, que eu usei. Fiz meu metamaterial a partir de uma cubeta e uma série de fios de cobre, fornecendo-os com montagens de plástico impressas em uma impressora 3D:



Meu primeiro metamaterial. Imediatamente após a fabricação, ele foi empurrado para um tomógrafo 1-Teslov.

A laranja atuou como um objeto para digitalização.



No entanto, em vez da amplificação de sinal prometida, recebi um monte de artefatos que estragam completamente a imagem! Minha indignação não tinha limites! Tendo terminado o assunto, escrevi uma carta aos autores do artigo, cujo significado pode ser reduzido à pergunta "O que ...?".

Os autores me responderam em breve. Eles ficaram bastante impressionados com o fato de alguém estar tentando repetir seus experimentos. No início, eles tentaram por um longo tempo explicar-me como os metamateriais ainda funcionam, usando os termos "ressonâncias de Fabry-Perot", "modos próprios" e quaisquer campos de frequência de rádio em volume. Então, aparentemente percebendo que eu não entendia do que eles estavam falando, eles decidiram me convidar para me visitar, para que eu pudesse ver seus desenvolvimentos ao vivo e garantir que isso ainda funcionasse. Coloquei meu ferro de solda favorito na mochila e fui para São Petersburgo, para a universidade nacional de pesquisa em tecnologias da informação, mecânica e óptica (como se viu, não apenas os programadores são treinados lá).



Eles me conheceram cordialmente no local e, de repente, me ofereceram um emprego, porque ficaram impressionados com minha vala com fios e precisavam de um homem para criar novos. Em troca, eles prometeram explicar em detalhes tudo o que me interessa e fazer um curso de radiofísica e ressonância magnética, que começou com uma chance de sorte naquele ano. Minha sede de conhecimento venceu e, ao longo do ano, estudei, fiz projetos e trabalhei, aprendendo gradualmente mais e mais coisas novas sobre a história da ressonância magnética, bem como o estado da ciência moderna nessa área, que vou compartilhar aqui.

O método da suposta melhora da RM, e investigado nos artigos científicos mencionados, baseia-se nos chamados "metamateriais". Os metamateriais, como muitas outras descobertas, devem sua aparência a soluções inesperadas obtidas com base em estudos teóricos. O cientista soviético Victor Veselago, em 1967, trabalhando em um modelo teórico, sugeriu a existência de materiais com um índice de refração negativo. Como você já entendeu, estamos falando de óptica, e esse coeficiente, grosso modo, significa quanto a luz mudará de direção, passando pela fronteira entre diferentes ambientes, como ar e água. O fato de que esse é realmente o caso pode ser facilmente verificado independentemente:



Um experimento simples com um ponteiro laser e um aquário mostrando refração da luz.

Um fato interessante que pode ser extraído de tal experimento é que o feixe não pode ser refratado na mesma direção de onde caiu para a interface, não importa o quanto o experimentador tente. Tal experimento foi realizado com todas as substâncias que ocorrem naturalmente; no entanto, o feixe refratou teimosamente apenas em uma direção. Matematicamente, isso significa que o índice de refração, bem como suas quantidades constituintes, permeabilidade dielétrica e magnética, são positivos, e nunca antes foi observado de outra forma. Pelo menos até V. Veselago decidiu estudar esta questão, e mostrou que teoricamente não existe uma única razão pela qual o índice de refração não possa ser negativo.



Imagem do Wiki mostrando a diferença entre mídia de índice de refração positiva e negativa. Como vemos, a luz se comporta de maneira totalmente natural, em comparação com a nossa experiência cotidiana.

V. Veselago, por um longo tempo, tentou encontrar evidências da existência de materiais com um índice de refração negativo, mas a pesquisa não teve êxito e seu trabalho foi esquecido sem reservas. Somente no início do século seguinte foram criadas estruturas compostas que realizavam as propriedades descritas, mas não na óptica, mas na faixa de frequência de microondas de frequência mais baixa. Esse foi um momento decisivo, pois a própria possibilidade da existência de tais materiais abriu novas perspectivas. Por exemplo, a criação de super-lentes capazes de ampliar objetos ainda menores que o comprimento de onda da luz. Ou - mascaramento absoluto de revestimentos invisíveis, os sonhos de todos os militares. Emendas sérias foram feitas à teoria, levando em consideração os novos dados. A chave do sucesso foi o uso de estruturas ordenadas de elementos ressonantes - metaátomos, cujo tamanho é muito menor que o comprimento de onda da radiação com o qual eles interagem. Uma estrutura ordenada de metaátomos é um composto artificial chamado metamaterial.

Atualmente, a implementação prática de metamateriais é tecnologicamente difícil, já que o tamanho das partículas ressonantes deve ser comparável a menos do que o comprimento de onda da radiação eletromagnética. Para a faixa óptica (onde o comprimento de onda é em nanômetros), essas tecnologias estão na vanguarda do progresso. Portanto, não surpreende que os primeiros representantes do conceito de metamateriais tenham sido criados para ondas eletromagnéticas relativamente mais longas da faixa de rádio (que têm um comprimento mais familiar de mm a m). O chip principal e, ao mesmo tempo, a falta de qualquer metamaterial é uma consequência da natureza ressonante de seus elementos constituintes. Um metamaterial pode manifestar suas propriedades milagrosas apenas em determinadas frequências.




Exemplos típicos de metamateriais que permitem interagir com ondas eletromagnéticas. As estruturas dos condutores nada mais são do que pequenos ressonadores, circuitos LC formados pela posição espacial dos condutores.

Pouco tempo se passou desde o advento do conceito de metamateriais e suas primeiras implementações, como as pessoas imaginavam usá-los na ressonância magnética. A principal desvantagem dos metamateriais é que a estreita faixa de operação não é um problema para a RM, onde todos os processos ocorrem quase na mesma frequência de ressonância magnética nuclear situada na faixa de rádio. Aqui você pode criar meta-átomos com suas próprias mãos e ver imediatamente o que acontece nas fotos. Uma das primeiras características que os pesquisadores implementaram na ressonância magnética usando metamateriais foram superlentes e endoscópios.



No lado esquerdo, sob a letra a), é mostrado um superlente, consistindo em uma matriz tridimensional de ressonadores em placas de circuito impresso. Cada ressonador é um anel de metal aberto com um capacitor soldado, formando um circuito LC sintonizado com a frequência da ressonância magnética. Abaixo está um exemplo de colocação dessa estrutura a partir de metamaterial entre as pernas de um paciente submetido a tomografia e correspondentemente obtido após a imagem. Se você ainda não desdenha o conselho de ler meu último artigo sobre ressonância magnética, já sabe que, para obter uma imagem de qualquer parte do corpo do paciente, é necessário coletar sinais fracos e em decadência rápida dos núcleos usando uma antena próxima - bobina.

Os superlentes do metamaterial permitem aumentar o escopo de uma bobina padrão. Por exemplo, visualize as duas pernas de um paciente ao mesmo tempo em vez de uma. Das más notícias - a posição da super lente deve ser selecionada de uma certa maneira para a melhor manifestação do efeito, e a super lente em si é bastante cara de fabricar. Se você ainda não entende por que essa lente é chamada de super prefixo, avalie seu tamanho na foto e perceba que ela funciona com um comprimento de onda de cerca de cinco metros!

Sob a letra b) é mostrado o design do endoscópio. De fato, um endoscópio para ressonância magnética é uma série de fios paralelos que desempenham o papel de um guia de ondas. Ele permite que você separe espacialmente a região da qual a bobina recebe o sinal dos núcleos e a própria bobina a uma distância decente - até o ponto em que a antena receptora pode ser localizada completamente fora do criostato do tomógrafo, longe de um campo magnético constante. As figuras inferiores da guia b) mostram as imagens obtidas para um vaso especial cheio de líquido - um fantasma. A diferença entre eles é que as imagens assinadas pelo “endoscópio” foram obtidas quando a bobina estava a uma distância decente do fantasma, onde sem o endoscópio os sinais dos núcleos seriam completamente impossíveis de detectar.

Se falamos de uma das áreas mais promissoras de aplicação de metamateriais na ressonância magnética, e a mais próxima de sua implementação prática (que me envolvi no final) é a criação de bobinas sem fio. Vale a pena explicar que não estamos falando sobre Bluetooth ou qualquer outra tecnologia de transferência de dados sem fio. "Wireless", neste caso, significa a presença de acoplamento indutivo ou capacitivo de duas estruturas ressonantes - uma antena transceptora e metamaterial. Em conceito, fica assim:



À esquerda, é mostrado como costuma ser um procedimento de ressonância magnética: o paciente fica dentro de um criostato em uma zona de um campo magnético estático uniforme. Uma grande antena chamada gaiola de pássaros é montada no túnel do tomógrafo. Uma antena dessa configuração permite que você gire o vetor do campo magnético de radiofrequência com a frequência da precessão dos núcleos de hidrogênio (para máquinas clínicas, geralmente é de 40 a 120 MHz, dependendo da magnitude do campo magnético estático de 1 T a 3 T, respectivamente), fazendo com que absorvam energia e depois irradiem em resposta . O sinal de resposta dos núcleos é muito fraco e, desde que atinja os condutores de uma antena grande, inevitavelmente se deteriorará. Por esse motivo, na ressonância magnética, bobinas locais próximas são usadas para receber sinais. A imagem no centro, por exemplo, mostra uma situação típica de escaneamento do joelho. Usando metamateriais, é possível criar um ressonador que será acoplado indutivamente à gaiola de pássaro. Basta colocar uma coisa dessas próximo à área desejada do corpo do paciente e o sinal de lá não será recebido como uma bobina local! Se o conceito for implementado com sucesso, os pacientes não precisarão mais ficar confusos nos fios, e o procedimento de diagnóstico por ressonância magnética ficará mais confortável.

Foi esse tipo de coisa que tentei criar no início, enchendo os fios com água e tentando escanear uma laranja. Os fios imersos na água desde a primeira foto deste artigo nada mais são do que metaátomos, cada um dos quais é um dipolo de meia onda - um dos mais famosos projetos de antenas familiares a todos os radioamadores.

Eles são imersos em água para não pegar fogo em uma ressonância magnética (embora este também seja o caso)), mas para reduzir seu comprimento de ressonância exatamente pela raiz quadrada da constante dielétrica devido à alta constante dielétrica da água.



Esse chip há muito tempo é usado em rádios, enrolando fios em um pedaço de ferrita - os chamados. antena de ferrite. Somente a ferrita tem uma alta permeabilidade magnética e não dielétrica, que, no entanto, também funciona e pode reduzir as dimensões ressonantes da antena. Infelizmente, você não pode empurrar ferrite em uma ressonância magnética, porque é magnético. A água é uma alternativa barata e acessível.

É claro que, para os cálculos de todas essas coisas, é necessário construir modelos matemáticos complexos que levem em conta a relação entre elementos ressonantes, parâmetros ambientais e fontes de radiação ... ou você pode usar os frutos do progresso e do software para modelagem eletromagnética numérica, que o aluno pode descobrir facilmente (os exemplos mais brilhantes - CST, HFSS). O software permite que você crie modelos 3D de ressonadores, antenas, circuitos elétricos, adicione pessoas lá - sim, na verdade, qualquer coisa, a única questão é a imaginação e o poder computacional disponível. Os modelos construídos são divididos em grades, nos nós dos quais as conhecidas equações de Maxwell são resolvidas.

Aqui, por exemplo, modelando um campo magnético de radiofrequência dentro da antena da gaiola do pássaro mencionada anteriormente:



Torna-se imediatamente óbvio como o campo gira. A situação à esquerda mostra quando há uma caixa de água dentro da antena e à direita - quando a mesma caixa no ressonador é feita de fios de comprimento ressonante. Pode-se ver como o campo magnético é bastante aprimorado graças aos fios. Depois de dominar o CST e otimizar meu design lá, fiz mais uma vez um metamaterial que já realmente permitia amplificar o sinal em um tomógrafo clínico padrão de 1,5T para ressonância magnética. Ainda era uma caixa (embora mais bonita, feita de plexiglás), cheia de água e uma série de fios. Desta vez, a estrutura foi otimizada em termos de condições de ressonância, a saber: seleção do comprimento dos fios, sua posição e a quantidade de água. Aqui está o que aconteceu com o tomate:



A primeira varredura de tomate foi realizada em uma antena grande. Como resultado, recebemos apenas ruído com contornos pouco visíveis. Na segunda vez, coloquei o feto em uma estrutura ressonante recém-assada. Não construí cartões coloridos, ou algo assim, pois o efeito é óbvio. Assim, na minha experiência, apesar de passar muito tempo, provei que o conceito funciona.

Está claro no que você está pensando - laranjas, tomates - não é onde estão os testes em humanos?
Eles realmente foram realizados :

A mão de um voluntário submetido a uma ressonância magnética está na mesma caixa. Na verdade, a água na caixa, pois contém hidrogênio, também é perfeitamente visível. A amplificação do sinal ocorre na zona do pulso, situada no ressonador, enquanto todas as outras partes do corpo são pouco visíveis. É claro que o mesmo efeito, ou talvez melhor, pode ser alcançado usando bobinas clínicas padrão. Mas o fato de que essas coisas podem ser feitas simplesmente combinando espacialmente a água e os fios, combinando-os da maneira correta, é incrível. Ainda mais surpreendentemente, o conhecimento disso pode ser obtido através do estudo de fenômenos aparentemente não relacionados, como a refração da luz.


Cerca de "duas vezes melhorado" no início do artigo - é claro, acabou sendo outro fruto do amor não correspondido de jornalistas por cientistas, mas dizer que isso é uma pesquisa vazia também está errado, o que é apoiado pelo interesse nesse tópico em grupos científicos ao redor do mundo. Surpreendentemente, também está sendo feito trabalho na Rússia, embora, com base em minha experiência puramente pessoal, essa seja uma exceção rara. Ainda existem muitos problemas não resolvidos associados ao uso de metamateriais na RM. Além de localizar os campos magnéticos para obter uma boa imagem, não se deve esquecer os campos elétricos que levam ao aquecimento dos tecidos, bem como a absorção pelos tecidos dos pacientes submetidos ao exame da energia do campo de radiofrequência. Para essas coisas, no uso clínico, deve haver um controle especial, que é muito complicado ao usar os campos de ressonância localizados.Embora os metamateriais da RM permaneçam no âmbito da pesquisa científica, os resultados já são muito interessantes e é possível que, no futuro, o procedimento da RM mude para melhor, tornando-se mais rápido e seguro.

Há também outros desenvolvimentos domésticos nessa área .