解析磁共振成像仪II：MRI中的超材料

一把螺丝刀从他的耳朵里飞过。 她大声响起，冻住了低温恒温器的身体。

诅咒自己，我决定休息一下。 使用钢工具在1.5 Tesla的磁场中松开螺栓-一般。 磁场像一个看不见的敌人一样，一直在试图将其从手中撕下，使其沿力线定向，并使其尽可能靠近超导体在一个闭合的圆周上运行的电子。 但是，如果非常有必要击败许多年前的酸化化合物，则没有特别选择。 我坐在电脑前，习惯性地翻阅新闻源。 “俄罗斯科学家将MRI提高了2倍！” -阅读可疑的标题。

大约一年前，我们拆解了磁共振成像仪并掌握了其工作的本质。 在阅读本文之前，我强烈建议您刷新该材料。

由于各种原因，包括历史原因，今天的俄罗斯几乎没有生产像高场磁共振成像扫描仪这样的复杂设备。 但是，如果您居住在一个或多或少的大城市中，则可以轻松找到提供此类服务的诊所。 同时，MRI扫描仪车队经常以从美国和欧洲进口的二手设备为代表，并且如果您突然不得不使用MRI去诊所，请不要被设备的精美外观所迷惑-它很可能会持续第二十年。 结果，这种设备发生故障，并且很长一段时间以来，我都是那些将断层断层扫描仪返回系统的人之一，这样患者就可以继续进行诊断，而所有者可以从中获利。

到目前为止，在其中一个美好的日子里，在危险的娱乐与巨大的磁场之间的间歇中，我没有在新闻栏中看到一个有趣的题词：“俄罗斯科学家及其荷兰同事一起使用超材料改进了MRI技术 。” 不用说，俄罗斯正在进行设备的研究，但其生产尚未掌握，这一事实在我看来非常有争议。 我认为这只是一些常规赠款，被模糊的科学术语（如“纳米技术”）稀释了，每个人都已经厌倦了。 寻找有关俄罗斯科学家使用MRI和超材料的工作主题的信息后，我找到了一篇文章，其中描述了一个简单的实验，由于MRI装置始终在手，因此我可以轻松重复该实验。

文章中的图片专门使用所谓的“超材料”增强MRI信号。 在典型的临床1.5-Tesla装置中，代替病人的是，超材料以盆的形式装满了水，内部装有一定长度的平行线。 电线上有研究的对象-鱼（非生物）。 右边的图片是在MRI中获得的鱼的图像，上面叠加了彩色图，表示来自氢核的信号强度。 可以看出，当鱼​​躺在电线上时，信号比没有电线时要好得多。 两种情况下的扫描时间都相同，这证明了扫描效率的提高。 文章还谨慎引用


根据我使用的断层扫描仪的工作频率来计算导线的长度。 我用比色杯和铜线阵列制作了超材料，并为它们提供了在3d打印机上打印的塑料底座：



我的第一个超材料。 制造后立即将其推入1-Teslov断层扫描仪中。

橙色用作扫描对象。



但是，除了承诺的信号放大之外，我还有一堆伪像完全破坏了图像！ 我的愤怒无止境！ 完成本主题后，我给文章作者写了一封信，其含义可以简化为“什么……？”问题。

作者很快就回答了我。 他们对有人试图重复他们的实验印象深刻。 最初，他们尝试了很长时间，使用“法布里-珀罗共振”，“本征模”以及任何体积的射频场向我解释超材料如何工作。 然后，他们显然意识到我不明白他们在说什么，他们决定邀请我去拜访我，以便我可以实时查看他们的发展并确保它们仍然有效。 我把最喜欢的烙铁放在背包里，然后去了圣彼得堡，去了信息技术，机械和光学的国立研究大学（事实证明，不仅在那里有程序员受训）。



他们在现场亲切地见了我，突然间，他们给了我一份工作，因为他们对我的电线沟感到印象深刻，他们需要一个人来创造新的东西。 作为回报，他们承诺详细解释我感兴趣的一切，并参加放射物理学和MRI的培训课程，该课程是在当年的一个幸运的机会开始的。 我对知识的渴求赢得了，然后在这一年中，我学习，进行了研究并进行了工作，逐渐学习了关于磁共振历史以及该领域现代科学状况的越来越多的新事物，我将在这里分享。

在所谓的“超材料”的基础上，在提到的科学文章中对所谓的MRI改进的方法进行了研究。 像许多其他发现一样，超材料的出现归因于在理论研究的基础上获得的出乎意料的解决方案。 1967年，苏联科学家Victor Veselago建立了一个理论模型，提出存在负折射率材料。 正如您已经了解的那样，我们正在谈论光学，这个系数从粗略讲是指穿过不同环境（例如空气和水）之间的边界的光线将改变方向的程度。 事实确实如此，可以很容易地独立验证：



一个简单的实验，用激光笔和水族馆展示光的折射。

可以从这样的实验中提取的一个有趣的事实是，无论实验者多么努力，光束都不能从落下到界面的相同方向折射。 对所有天然存在的物质都进行了这样的实验，但是光束仅在一个方向上顽固地折射。 从数学上讲，这意味着折射率及其组成量（介电常数和磁导率）为正，以前从未观察到。 至少直到V. Veselago决定研究这个问题，并表明理论上没有唯一的理由可以使折射率不能为负。



Wiki图像显示了正折射率介质和负折射率介质之间的差异。 如我们所见，与我们的日常经验相比，光的行为完全不自然。

V. Veselago很长时间以来一直试图找到存在负折射率材料的证据，但是搜索失败，他的工作被人们遗忘了。 仅在下个世纪初，才人工创建了具有上述特性的复合结构，但并不是在光学上，而是在较低频率，微波频率范围内。 这是一个转折点，因为这种材料的存在很有可能开辟新的前景。 例如，创建能够放大甚至小于光波长的物体的超透镜 。 或-绝对掩盖无形的涂料，是所有军人的梦想。 考虑到新数据，对该理论进行了认真的修改。 成功的关键是使用共振元素的有序结构-原子，其尺寸远小于它们相互作用的辐射波长。 形而上学的有序结构是一种人造复合材料，称为超材料。

今天，超材料的实际实现甚至在技术上都非常困难，因为谐振颗粒的尺寸应小于电磁辐射的波长。 对于光学范围（波长为纳米），此类技术处于发展的最前沿。 因此，毫微不足道的是，超材料概念的第一个代表是为来自无线电范围（具有从毫米到m的更熟悉的长度）的相对较长的电磁波而创建的。 主芯片以及同时缺少任何超材料是其组成元素共振性质的结果。 超材料只能在某些频率下显示其神奇的特性。




允许与电磁波相互作用的超材料的典型示例。 导体结构无非是小型谐振器，LC电路由导体的空间位置形成。

自从人们想到在MRI中使用超材料的概念及其最初的实现以来，已经过去了一段时间。 超材料的主要缺点是狭窄的工作范围对于MRI来说不是问题，因为所有过程都以几乎相同的频率发生在无线电范围内的核磁共振频率发生。 在这里，您可以用自己的双手创建超原子，并立即查看图片中发生的情况。 研究人员使用超材料在MRI中实现的首批功能之一是超透镜和内窥镜。



在字母a）的左侧，显示了一个超透镜，由印刷电路板上谐振器的三维阵列组成。 每个谐振器是一个带有焊接电容器的开放金属环，形成一个调谐到MRI频率的LC电路。 下面是将这种超材料结构放置在接受断层扫描的患者双腿之间并在成像后相应获得的示例。 如果您以前不反对阅读我关于MRI的上一篇文章的建议，那么您已经知道，为了获取患者身体任何部位的图像，必须使用附近的天线线圈收集微弱，快速衰减的细胞核信号。

超材料制成的超透镜可让您扩大标准线圈的范围。 例如，一次可视化患者的两条腿而不是一条。 坏消息是，必须以某种方式选择超级镜头的位置，以最佳地体现效果，而且超级镜头本身的制造成本很高。 如果您仍然不明白为什么将此镜头称为超级前缀，请从照片中评估其尺寸，然后意识到它可以在大约五米的波长下工作！

在字母b）下显示了内窥镜的设计。 实际上，用于MRI的内窥镜是平行导线的阵列，起着波导的作用。 它使您可以在空间上分开线圈接收来自核的信号的区域和线圈本身的适当距离-甚至可以将接收天线完全置于断层扫描仪低温恒温器的范围内，远离恒定磁场。 选项卡b）的下部图片显示了从装满液体的特殊容器-幻像获得的图像。 它们之间的区别在于，当线圈与体模相距一定距离时，将获得由“内窥镜”签名的图像，如果没有内窥镜，来自核的信号将完全不可能被检测到。

如果我们谈论超材料在MRI中最有前途的应用领域之一，并且最接近其实际实现（最后我已涉及到）的就是无线线圈的创建。 值得说明的是，我们不是在谈论蓝牙或任何其他无线数据传输技术。 在这种情况下，“无线”表示存在两个谐振结构（收发器天线和超材料）的电感或电容耦合。 在概念上，它看起来像这样：



左侧显示MRI程序通常如何进行：患者躺在恒温器中处于均匀静磁场区域中。 断层扫描仪的隧道中装有一个称为鸟笼的大型天线。 使用这种配置的天线，您可以旋转射频磁场的矢量和氢核进动的频率（对于临床机器，通常为40到120 MHz，具体取决于1 T到3 T的静磁场的大小），从而使它们吸收能量，然后响应辐射。 来自磁芯的响应信号非常微弱，只要它到达大型天线的导体，它就会不可避免地衰减。 因此，在MRI中，附近的局部线圈用于接收信号。 例如，中间的图片显示了典型的膝盖扫描情况。 使用超材料，可以制成谐振器，该谐振器将感应耦合到鸟笼。 将这样的东西放在患者身体所需区域的旁边就足够了，并且从那里接收到的信号不会比本地线圈差！ 如果这一概念得以成功实施，患者将不必再为电线混乱而感到困惑，而MRI诊断程序将变得更加舒适。

我一开始就是尝试创建这种东西的，用水填充电线并尝试扫描橙色。 从本文的第一张照片中浸入水中的电线不过是形而上学，每个原子都是一个半波偶极子-每个无线电业余爱好者都熟悉的最著名的天线设计之一。

它们浸入水中，因此不会在MRI中着火（尽管也是这种情况），但是由于水的高介电常数，它们的共振长度恰好减小了介电常数的平方根。



长期以来，这种芯片已用于收音机，将导线缠绕到一块铁氧体上-所谓的。 铁氧体天线。 只有铁氧体具有高的磁导率，而没有电介质，但是它也起作用并且可以相应地减小天线的谐振尺寸。 不幸的是，您不能在MRI中推铁氧体，因为 它是磁性的。 水是一种廉价且负担得起的替代品。

显然，对于所有这些事情的计算，有必要建立一个复杂的数学模型，其中要考虑到共振元素，环境参数和辐射源之间的关系...或者您可以使用进步的成果和软件进行数值电磁建模，学生可以很容易地弄清楚它们（最聪明的例子-CST，HFSS）。 该软件允许您创建谐振器，天线，电路的3D模型，并在那里添加人员-是的，实际上，任何事情，唯一的问题就是想象力和可用的计算能力。 所构建的模型被划分为网格，在网格的节点处求解出著名的麦克斯韦方程。

例如，在此处，对前面提到的鸟笼天线内部的射频磁场进行建模：



磁场旋转的方式立即变得十分明显。 左侧的情况显示了天线内部是否有一盒水，而右侧的情况是谐振器上的同一容器是由谐振长度的导线制成的。 可以看出，由于导线的作用，磁场是如何大大增强的。 掌握了CST并在那里优化设计后，我再次制作了一种超材料，该材料已经可以真正在标准的1.5T MRI断层扫描仪中放大信号。 它仍然是一个装满水和电线的盒子（虽然更漂亮，它是由有机玻璃制成的）。 这次，根据共振条件优化了结构，即：选择导线的长度，其位置以及水量。 这是西红柿发生的事情：



第一次番茄扫描是在大天线上进行的。 结果，我们只得到了几乎看不见的轮廓噪声。 我第二次将胎儿放在刚烘烤的共振结构上。 我没有制作色卡或类似的东西，因为效果很明显。 因此，以我的经验，尽管花费了大量时间，但我证明了该概念有效。

很明显，您在想什么-桔子，西红柿-这不是人体试验的地方吗？
他们确实被关押了 ：

接受MRI检查的志愿者的手躺在同一盒子上。 实际上，盒子中的水由于含有氢，因此也很清晰可见。 信号放大发生在位于谐振器上的手腕区域，而人体的所有其他部分都看不见。 显然，使用标准的临床线圈可以达到相同或更好的效果。 但是，通过简单地在空间上组合水和电线，并以正确的方式将它们组合在一起，就可以完成这样的事情，这一事​​实令人惊讶。 更令人惊讶的是，可以通过研究看似无关的现象（例如光的折射）来获得有关此方面的知识。


在文章的开头大约有2倍的改进-当然，事实证明这是记者对科学家的无私追捧的又一成果，但是说这是空洞的研究也是错误的，这得到了全世界科学界对该主题的兴趣的支持。出乎意料的是，尽管我个人经验很丰富，但俄罗斯也正在开展工作，这是非常罕见的例外。与超材料在MRI中的使用相关的问题仍然有许多尚未解决。除了对磁场进行定位以获得良好的图像外，不应忘记导致组织发热的电场，以及正在检查射频场能量的患者对组织的吸收。对于这些事情，在临床使用中，应该有一个特殊的控制，当使用局部共振器场时，这将非常复杂。尽管用于MRI的超材料仍在科学研究的框架内，但是其结果已经非常有趣，并且也许在将来MRI程序将变得更好，更快，更安全。

国内在这方面也有其他事态发展。