Для чего служит резонатор в мрт

Для чего служит резонатор в мрт

Магниторезонансная томография (МРТ) − способ получения томографических медицинских изображений для исследования внутренних органов и тканей с использованием явления ядерного магнитного резонанса. За изобретение метода МРТ Питер Мэнсфилд и Пол Лотербур получили в 2003 году Нобелевскую премию в области медицины.
Вначале этот метод назывался ядерно-магнитно резонансная томография (ЯМР-томография). Но потом, чтобы не пугать зомбированную радиофобией публику, убрали упоминание о «ядерном» происхождении метода, тем более, что ионизирующие излучения в этом методе не используются.

Ядерный магнитный резонанс

Ядерный магнитный резонанс реализуется на ядрах с ненулевыми спинами. Наиболее интересными для медицины являются ядра водорода ( 1 H), углерода ( 13 C), натрия ( 23 Na) и фосфора ( 31 P), так как все они присутствуют в теле человека. В нем больше всего (63%) атомов водорода, которые содержатся в жире и воде, которых больше всего в человеческом теле. По этим причинам современные МР-томографы чаще всего «настроены» на ядра водорода − протоны.

Рис. 8. а) протоны при отсутствии внешнего поля, б) протоны во внешнем магнитном поле

При отсутствии внешнего поля спины и магнитные моменты протонов ориентированы хаотически (рис. 8а). Если поместить протон во внешнее магнитное поле, то его магнитный момент будет либо сонаправлен, либо противоположно направлен магнитному полю (рис. 8б), причём во втором случае его энергия будет выше.

Частица со спином, помещенная в магнитное поле, напряженностью В, может поглощать фотон, с частотой ν, которая зависит от ее гиромагнитного отношения γ.

В ЯМР величина ν называется резонансной или частотой Лармора. ν = γB и E = hν, поэтому, для того, чтобы вызвать переход между двумя спиновыми состояниями, фотон должен обладать энергией

В состоянии равновесия, вектор суммарной намагниченности параллелен направлению примененного магнитного поля B₀ и называется равновесной намагниченностью M₀. В этом состоянии, Z-составляющая намагниченности M_Z равна M₀. Еще M_Z называется продольной намагниченностью. В данном случае, поперечной (M_X или M_Y) намагниченности нет. Посылая РЧ импульс с ларморовской частотой, можно вращать вектор суммарной намагниченности в плоскости, перпендикулярной оси Z, в данном случае плоскости X-Y.

T1 Релаксация
После прекращения действия РЧ импульса, суммарный вектор намагниченности будет восстанавливаться по Z-оси, излучая радиочастотные волны. Временная константа, описывающая, как M_Z возвращается к равновесному значению, называется временем спин-решеточной релаксации (T ₁ ).

T1 релаксация происходит в объеме, содержащем протоны. Однако связи протонов в молекулах неодинаковые. Эти связи различны для каждой ткани. Один атом 1 H может быть связан очень сильно, как в жировой ткани, в то время как другой атом может иметь более слабую связь, например в воде. Сильно связанные протоны выделяют энергию намного быстрее, чем протоны со слабой связью. Каждая ткань выделяет энергию с различной скоростью, и именно поэтому МРТ имеет такое хорошее контрастное разрешение.

Рис. 9. Спад магнитной индукции

T₂ всегда меньше чем T₁.
Скорость смещения по фазе различна для каждой ткани. Дефазирование в жировой ткани происходит быстрее по сравнению с водой. Еще одно замечание относительно T2 релаксации: она протекает гораздо быстрее T1 релаксации. T2 релаксация происходит за десятки миллисекунд, в то время как T1 релаксация может достигать секунд.
Для иллюстрации в таблице 1 приведены значения времен T₁ и T₂ для различных тканей.

Устройство магнитно-резонансного томографа

Схема магнитнорезонансного томографа показана на рис. 10. В состав МРТ входят магнит, градиентные катушки и радиочастотные катушки.

Кодирование сигнала

Когда пациент находится в однородном магнитном поле B₀, все протоны от головы до пальцев ног выравниваются вдоль B₀. Все они вращаются с Ларморовой частотой. Если сгенерировать РЧ импульс возбуждения для перевода вектора намагниченности в плоскость X-Y, все протоны реагируют и возникает ответный сигнал, но локализации источника сигнала нет.

Рис. 12.

Фазо-кодирующий градиент
Для дальнейшего кодирования протонов на очень короткое время включается градиент G_Y. В течение этого времени в направлении по оси Y создается дополнительное магнитное поле градиента. В этом случае протоны будут иметь немного различающиеся скорости вращения. Они больше не вращаются в фазе. Разность фаз будет накапливаться. Когда градиент G_Y выключен, протоны в срезе будут вращаться с одинаковой частотой, но иметь различную фазу. Это называется кодированием фазы.

Частотно-кодирующий градиент
Для кодирования левого-правого направления включается третий градиент G_X. Протоны с левой стороны вращаются с более низкой частотой, чем с правой. Они накапливают дополнительный сдвиг фазы из-за различий в частотах, но уже приобретенная разность фаз, полученная при кодировании фазы градиента на предыдущем шаге, сохраняется.

Таким образом для локализации источника сигналов, которые принимаются катушкой, используются градиенты магнитного поля.

За один шаг кодирование фазы выполняется только для одной строки. Для сканирования целого среза полный процесс кодирования среза, фазы и частоты должен быть повторен несколько раз.
Таким образом созданы маленькие объемы (вокселы). Каждый воксел имеет уникальную комбинацию частоты и фазы (рис. 12). Количество протонов в каждом вокселе определяет амплитуду РЧ волны. Полученный сигнал, поступающий из различных областей тела, содержит сложное сочетание частот, фаз и амплитуд.

Импульсные последовательности

На рис. 13 показана диаграмма простейшей последовательности. Вначале включается срезо-селективный градиент (1) (Gss ). Одновременно c ним генерируется 90 0 РЧ импульс выбора среза (2), который «переворачивает» суммарную намагниченность в плоскость X-Y. Затем включается фазо-кодирующий градиент (3) (Gpe) для выполнения первого шага кодирования фазы. После этого подается частотно-кодирующий или считывающий градиент (4) (Gro), в течение которого регистрируется сигнал спада свободной индукции (5) (FID). Последовательность импульсов обычно повторяется 128 или 256 раз для сбора всех необходимых данных для построения изображения. Время между повторениями последовательности называется временем повторения (repetition time, TR). С каждым поторением последовательности меняется величина фазо-кодирующего градиента. Однако в этом случае сигнал (FID) был крайне слабый, поэтому результирующее изображение было плохим. Для повышения величины сигнала применяется последовательность спин-эхо.

Последовательность спин-эхо
После применения 90 0 импульса возбуждения суммарная намагниченность находится в плоскости X-Y. Сразу же начинается смещение фаз вследствие T2 релаксации. Именно из-за этого дефазирования сигнал резко снижается. В идеале, необходимо сохранить фазовую когерентность, обеспечивающую лучший сигнал. Для этого через короткое время после 90 0 РЧ импульса применяется 180 0 импульс. 180 0 импульс вызывает перефазирование спинов. Когда все спины восстановлены по фазе, сигнал снова становится высоким и качество изображения значительно выше.
На рис. 14 показана диаграмма импульсной последовательности спин-эхо.

Рис. 14. Диаграмма импульсной последовательности спин-эхо

Сначала включается срезо-селективный градиент (1 ) (G SS ). Одновременно c ним применяется 90º РЧ импульс. Затем включается фазо-кодирующий градиент (3) (Gре) для выполнения первого шага кодирования фазы. Gss ( 4) снова включается во время 180º перефазирующего импульса (5), таким образом, воздействие оказывается на те же протоны, которые были возбуждены 90º импульсом. После этого подается частотно-кодирующий или считывающий градиент (6) (Gro), в течение которого принимается сигнал (7).
TR (Время повторения). Полный процесс должен повторяться неоднократно. TR время между двумя 90ºимпульсами возбуждения. TE (Время эхо). Это время между 90ºимпульсом возбуждения и эхо.

Контраст изображения

При ЯМР сканировании одновременно происходят два процесса релаксации T1 и T2. Причем
T1 >> T2. Контраст изображения сильно зависит от этих процессов и от того, насколько полно каждый из них проявляется при выбранных временных параметрах сканирования TR и TE. Рассмотрим получение контрастного изображения на примере сканирования мозга.

Рис. 15. а) спин-спиновая релаксация и б) спин-решеточная релаксация в различных тканях мозга

Выберем следующие параметры сканирования: TR = 600 мс и TE = 10 мс. То есть T1 релаксация протекает за 600 мс, а T2 релаксация – только за
5 мс (TE/2). Как видно из рис. 15а через 5 мс смещение фаз невелико и оно не сильно отличается у разных тканей. Контраст изображения, поэтому, очень слабо зависит от T2 релаксации. Что касается Т1 релаксации, то через 600 мс жир практически полностью релаксировал, но для CSF необходимо еще некоторое время
(рис. 15б). Это означает, что вклад от CSF в общий сигнал будет незначительным. Контраст изображения становится зависимым от процесса релаксации Т1. Изображение «взвешено по T1» потому, что контраст больше зависит от процесса релаксации Т1. В результирующем изображении CSF будет темной, жировая ткань будет яркой, а интенсивность серого вещества будет чем-то средним между ними.

Рис. 16. а) спин-спиновая релаксация и б) спин-решеточная релаксация в различных тканях мозга

Теперь зададим следующие параметры: TR = 3000 мс и TE = 120 мс, то есть T2 релаксации протекать за 60 мс. Как следует из рис. 16б, практически все ткани подверглись полной T1 релаксации. Здесь TE является доминирующим фактором для контраста изображения. Изображение «взвешено по T2». На изображении CSF будет яркой, в то время как другие ткани будут обладать различными оттенками серого.

Контраст протонной плотности

Существует еще один тип контраста изображения, называемый протонной плотностью (PD).
Зададим следующие параметры: TR = 2000 мс и TE 10 мс. Таким образом, как и в первом случае T2 релаксация вносит незначительный вклад в контраст изображения. С TR = 2000 мс, суммарная намагниченность большинства тканей восстановится вдоль Z-оси. Контраст изображения в PD изображениях не зависит ни от T2, ни от T1 релаксации. Полученный сигнал полностью зависит от количества протонов в ткани: небольшое количество протонов означает низкий сигнал и темное изображение, в то время как большое их количество производит сильный сигнал и яркое изображение.

Рис. 17.

Все изображения имеют сочетания T1 и T2 контрастов. Контраст зависит только от того, за сколько времени позволено протекать T2 релаксации. В спин-эхо (SE) последовательностях наиболее важны для контраста изображения времена TR и TE.
На рис. 17 схематически показано, как TR и TE связаны в терминах контраста изображения в SE последовательности. Короткое TR и короткое TE дают контраст, взвешенный по T1. Длинное TR и короткое TE дают контраст PD. Длинное TR и длинное TE приводят к контрасту, взвешенному по T2.

Рис. 18. Изображения с разными контрастами: взвешенный по T1, протонная плотность и взвешенный по T2. Отметьте различия в интенсивности сигнала тканей. CSF темная на T1, серая на PD и яркая на T2.

Рис. 19. Магниторезонансный томограф

МРТ хорошо отображает мягкие ткани, тогда как КТ лучше визуализирует костные структуры. Нервы, мышцы, связки и сухожилия наблюдаются гораздо более четко в МРТ, чем в КТ. Кроме того, магнитно-резонансный метод незаменим при обследовании головного и спинного мозга. В головном мозге МРТ может различать белое и серое вещества. Благодаря высокой точности и четкости полученных изображений магнитно-резонансная томография успешно используется в диагностике воспалительных, инфекционных, онкологических заболеваний, при исследовании суставов, всех отделов позвоночника, молочных желез, сердца, органов брюшной полости, малого таза, сосудов. Современные методики МРТ делают возможным исследовать функцию органов – измерять скорость кровотока, тока спинномозговой жидкости, наблюдать структуру и активацию различных участков коры головного мозга.

Источник

Разбираем магнитно-резонансный томограф II: Метаматериалы в МРТ

Мимо уха просвистела отвертка. С громким звоном она замерла на корпусе криостата.

Чертыхнувшись про себя, я решил взять перерыв. Откручивать болты в магнитном поле величиной 1.5 тесла, при помощи стального инструмента — так себе затея. Поле как невидимый противник постоянно пытается вырвать инструмент из рук, сориентировать его вдоль своих силовых линий и устремить как можно ближе к электронам, бегущим по замкнутому кругу из сверхпроводника. Однако, если очень нужно победить закисшие соединения многолетней давности, особо выбора нет. Я уселся за компьютер и привычно пролистал ленту новостей. «Российские ученые улучшили МРТ в 2 раза!» — гласил подозрительный заголовок.

Около года тому назад, мы разбирали магнитно-резонансный томограф и постигали суть его работы. Настоятельно рекомендую перед прочтением данной статьи, освежить в памяти тот материал.

В силу различных причин, в том числе, исторических, в России на сегодняшний день практически нет производства такого сложного оборудования, как высокопольные магнитно-резонансные томографы. Тем не менее, если вы живете в более — менее крупном городе, вы без труда найдете клиники, оказывающие такого рода услуги. При этом, парк МРТ сканеров зачастую представлен бывшим в употреблении оборудованием, завезенным когда-то из США и Европы и, если вам вдруг придется посетить клинику с МРТ, пусть вас не обманывает красивый внешний вид аппарата — ему вполне может идти второй десяток лет. Как следствие, такое оборудование бывает, что ломается, и я долгое время был одним из тех людей, что возвращал сломанные томографы в строй, дабы пациенты и дальше могли проходить диагностику, а владельцы — получать прибыль.

Пока в один из прекрасных дней, в перерыве между опасными развлечениями с магнитными полями огромной величины, я не наткнулся в ленте новостей на интересную надпись: «Русские ученые совместно с голландскими коллегами усовершенствовали технологию МРТ при помощи метаматериалов». Стоит ли говорить, что сам факт того, что в России ведут исследования, посвященные оборудованию, производство которого так и не было освоено, показался мне весьма и весьма спорным. Я решил, что это просто какой-то очередной попил грантов, разбавленный непонятными научными словечками вроде уже осточертевших всем «нанотехнологий». Поиск информации по теме работы отечественных ученых с МРТ и метаматериалами, привел меня к статье, содержащей описание простого эксперимента, который я легко мог бы повторить, благо МРТ аппарат всегда под рукой.

Картинка из статьи, посвященной усилению МРТ сигнала при помощи так называемого «метаматериала». В типичный клинический 1.5 — Тесловый аппарат вместо пациента загружается метаматериал, в виде тазика с водой, внутри которого расположены параллельные провода определенной длины. На проводах лежит объект исследования — рыба (неживая). Картинки справа — это полученные в МРТ изображения рыбы, с наложенной цветовой картой, означающей интенсивность сигнала от ядер водорода. Видно, что когда рыба лежит на проводах, сигнал гораздо лучше, чем без них. Время сканирования в обоих случаях одинаково, что доказывает повышение эффективности сканирования. В статье также заботливо была приведена

для расчета длины проводов в зависимости от рабочей частоты томографа, которой я и воспользовался. Я смастерил свой метаматериал из кюветы и массива медных проводов, снабдив их пластиковыми креплениями, напечатанными на 3d принтере:

Мой первый метаматериал. Сразу же после изготовления был засунут в 1-Тесловый томограф.

Апельсин выступал в качестве объекта для сканирования.

Авторы довольно скоро ответили мне. Они были весьма впечатлены тем, что кто-то пытается повторить их эксперименты. Сначала долго пытались мне объяснить как все-таки работают метаматериалы, используя термины «резонансы Фабри-Перо», «собственные моды», и всякие радиочастотные поля в объеме. Потом, видимо поняв, что я совершенно не понимаю, о чем речь, они решили пригласить меня к себе в гости, чтобы я посмотрел на их разработки вживую и убедился, что это все-таки работает. Я закинул в рюкзак свой любимый паяльник и поехал в Санкт-Петербург, в национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (как оказалось, там обучают не только программистов).

На месте меня радушно встретили, и внезапно, предложили работу, так как были впечатлены моей кюветой с проводами и им нужен был человек для создания новых. Взамен обещали подробно объяснить все что меня интересует и пройти курс обучения по радиофизике и МРТ, который стартовал по счастливой случайности именно в тот год. Моя тяга к знаниям победила, и далее, на протяжении года я обучался, делал проекты и работал, постепенно узнавая все новые и новые вещи об истории магнитного резонанса, а также состоянии современной науки в этой области, чем и поделюсь здесь.

В основе метода предполагаемого усовершенствования МРТ, и исследуемого в упомянутых научных статьях, лежат так называемые «метаматериалы». Метаматериалы, как и многие другие открытия, обязаны своим появлением неожиданным решениям, полученным на базе теоретических изысканий. Советский ученый, Виктор Веселаго, в 1967 году, работая над теоретической моделью, предположил существование материалов с отрицательным коэффициентом преломления. Как вы уже поняли, речь идет об оптике, и сей коэффициент, грубо говоря, означает, насколько изменит свое направление свет, пройдя через границу между различными средами, например воздухом и водой. В том, что это действительно так происходит, можно легко убедиться самостоятельно:

Простой эксперимент с лазерной указкой и аквариумом, демонстрирующий преломление света.

Интересный факт, который можно извлечь из такого эксперимента — луч не может преломляться в ту же сторону, откуда он упал на границу раздела, как бы экспериментатор не старался. Такой эксперимент проводили со всеми встречающимися в природе веществами, однако луч упорно преломлялся только в одну сторону. Математически это означает, что коэффициент преломления, как и составляющие его величины, диэлектрическая и магнитная проницаемость, положительны, и ни разу не наблюдалось иного. По крайней мере, до тех пор, пока В. Веселаго не решил изучить этот вопрос, и показал, что теоретически нет ни единой причины почему нельзя быть коэффициенту преломления отрицательным.

Картинка с Вики, показывающая разницу между средами с положительным и отрицательным коэффициентами преломления. Как мы видим, свет ведет себя совершенно неестественно, по сравнению с нашим бытовым опытом.

В. Веселаго долгое время пытался найти доказательства существования материалов с отрицательным коэффициентом преломления, однако поиски не увенчались успехом, и его работа была незаслуженно забыта. Лишь только в начале следующего века были искусственно созданы композитные структуры, реализующие описываемые свойства, но не в оптическом, а в более низкочастотном, микроволновом диапазоне частот. Что и стало переломным моментом, так как сама возможность существования таких материалов открывала новые перспективы. Например — создание суперлинз, способных увеличивать объекты даже меньшие, чем длина волны света. Или же — абсолютных маскирующих покрытий-невидимок, мечты всех военных. Были внесены серьезные поправки в теорию, учитывающие новые данные. Ключом к успеху оказалось использование упорядоченных структур из резонансных элементов — метаатомов, размер которых гораздо меньше длины волны излучения с которым они взаимодействуют. Упорядоченная структура из метаатомов — это искусственный композит, называемый метаматериалом.

Практическая реализация метаматериалов даже сегодня технологически сложна, так как размер резонансных частиц должен быть сопоставимо меньше длины волны электромагнитного излучения. Для оптического диапазона (где длина волны — нанометры) подобные технологии находятся на острие возможностей прогресса. Поэтому, не удивительно, что первые представители концепции метаматериалов были созданы для сравнительно более длинных электромагнитных волн из радиодиапазона (которые имеют более привычную нам длину от мм до м). Основная фишка и одновременно недостаток любого метаматериала — следствие резонансной природы составляющих его элементов. Метаматериал может проявлять свои чудо-свойства только на определенных частотах.

Типичные примеры метаматериалов, позволяющих взаимодействовать с электромагнитными волнами. Структуры из проводников — ни что иное, как маленькие резонаторы, LC-контуры, формируемые пространственным положением проводников.

Немного времени прошло с момента появления концепции метаматериалов, и их первых реализаций, как люди догадались использовать их в МРТ. Основной недостаток метаматериалов — узкий рабочий диапазон не является проблемой для МРТ, где все процессы происходят практически на одной частоте магнитного резонанса ядер, лежащей в радиодиапазоне. Здесь вы своими руками можете создавать метаатомы и сразу смотреть, что получится на картинках. Одними из первых фич, которые исследователи реализовали в МРТ с использованием метаматериалов были суперлинза и эндоскопы.

На левой части под буквой а) показана суперлинза, состоящая из трехмерной решетки резонаторов на печатных платах. Каждый резонатор – это разомкнутое металлическое колечко с припаянным конденсатором, образующее LC-контур, настроенный на частоту МРТ. Ниже приведен пример размещения данной структуры из метаматериала между ног пациента, проходящего процедуру томографии и соответственно получаемые после картинки. Если вы ранее не побрезговали советом прочитать прошлую мою статью об МРТ, то вы уже знаете, что для получения изображения какого-либо участка тела пациента требуется собрать слабые, быстро затухающие сигналы ядер с помощью близко расположенной антенны – катушки.

Суперлинза из метаматериала позволяет увеличить область действия стандартной катушки. Например, визуализировать обе ноги пациента сразу вместо одной. Из плохих новостей — положение суперлинзы должно быть подобрано определенным образом для наилучшего проявления эффекта, а сама суперлинза довольно дорога в изготовлении. Если вы все еще не поняли, почему эта линза называется с приставкой супер- то оцените по фото ее размеры, а потом осознайте, что она работает с длинной волны около пяти метров!

Под буквой б) демонстрируется конструкция эндоскопа. По сути, эндоскоп для МРТ — это массив из параллельных проводов, играющий роль волновода. Он позволяет пространственно разнести регион, из которого катушка получает сигнал от ядер и саму катушку на приличное расстояние – вплоть до того, что приемная антенна может располагаться и вовсе вне криостата томографа, далеко от постоянного магнитного поля. На нижних картинках вкладки б) представлены снимки, полученные для специального заполненного жидкостью сосуда — фантома. Разница между ними в том, что изображения, подписанные «эндоскоп» были получены, когда катушка находилась на приличном расстоянии от фантома, где без эндоскопа сигналы от ядер совершенно невозможно было бы задетектировать.

Если говорить об одной из самых перспективных областей применения метаматериалов в МРТ, и наиболее близкой к своей практической реализации (в которую я и ввязался в итоге) – это создание беспроводных катушек. Стоит пояснить, что речь тут вовсе не идет о Bluetooth либо другой беспроводной технологии передачи данных. «Беспроводная» в данном случае обозначает наличие индуктивной либо емкостной связи двух резонансных структур – приемопередающей антенны, а также метаматериала. В концепции это выглядит так:

Слева показано как обычно проходит процедура МРТ: пациент лежит внутри криостата в зоне однородного статического магнитного поля. В туннеле томографа смонтирована большая антенна, называемая «птичья клетка». Антенна такой конфигурации, позволяет вращать вектор радиочастотного магнитного поля с частотой прецессии ядер водорода (для клинических машин это обычно от 40 до 120МГц в зависимости от величины статического магнитного поля от 1Т и до 3Т соответственно), заставляя их поглощать энергию, а затем излучать в ответ. Ответный сигнал от ядер очень слаб и пока он дойдет до проводников большой антенны он неизбежно затухнет. По данной причине, в МРТ для приема сигналов используют близкорасположенные локальные катушки. На картинке по центру, например, показана типичная ситуация сканирования колена. С помощью метаматериалов можно сделать резонатор, который будет индуктивно связан с птичьей клеткой. Достаточно поместить такую штуку рядом с нужным участком тела пациента и сигнал оттуда будет приниматься не хуже, чем локальной катушкой! В случае успеха реализации концепта, пациентам больше не придется путаться в проводах, и процедура МРТ диагностики станет комфортнее.

Именно такую штуку я и пытался создать вначале, заливая провода водой и пытаясь отсканировать апельсин. Провода, погруженные в воду из самой первой картинки в данной статье — ничто иное как метаатомы, каждый из которых представляет собой полуволновый диполь — одну из самых известных конструкций антенн, знакомую каждому радиолюбителю.

Погружают их в воду не для того, чтобы они не загорелись в МРТ (хотя и для этого тоже)), а для того, чтобы благодаря высокой диэлектрической проницаемости воды, сократить их резонансную длину ровно на величину, равную квадратному корню из диэлектрической проницаемости воды.

Данную фишку уже давно применяют в радиоприемниках, наматывая проволоку на кусок феррита — т.н. ферритовая антенна. Только феррит имеет высокую магнитную проницаемость, а не диэлектрическую что однако, работает также, и позволяет соответственно сократить резонансные размеры антенны. В МРТ к сожалению феррит не засунешь, т.к. он магнитный. Вода — это дешевая и доступная альтернатива.

Понятное дело, что для расчетов всех этих вещей нужно строить сложнейшие математические модели, учитывающие взаимосвязь между резонансными элементами, параметрами среды и источниками излучения… или же можно воспользоваться плодами прогресса и ПО для численного электромагнитного моделирования, с которым без труда разберется и школьник (ярчайшие примеры — CST, HFSS). ПО позволяет создать 3d модели резонаторов, антенн, электрических схем, добавлять туда людей – да, собственно, все что угодно, вопрос лишь в фантазии и доступных вычислительных мощностях. Построенные модели дробятся на сетки, в узлах которых производится решение известных уравнений Максвелла.

Вот, например моделирование радиочастотного магнитного поля внутри упомянутой ранее антенны типа птичья клетка:

Сразу довольно наглядно становится, как вращается поле. Слева показана ситуация когда внутри антенны коробка с водой, а справа — когда та же коробка на резонаторе из проводов резонансной длины. Видно как магнитное поле значительно усиливается благодаря проводам. После освоения CST и оптимизации там своей конструкции, я еще раз сделал метаматериал, который уже действительно позволил усилить сигнал в стандартном клиническом 1.5Т МРТ томографе. Он все также представлял собой коробку (правда более красивую, из оргстекла), заполняемую водой и массив проводов. На этот раз, структура была оптимизирована с точки зрения резонансных условий а именно: подбор длины проводов, их положения, а также количества воды. Вот что получилось с помидором:

Первое сканирование помидора выполнялось на большую антенну. В итоге получился лишь шум с еле-еле проглядывающими очертаниями. Второй раз я поместил плод на свежеиспеченную резонансную конструкцию. Я не стал строить цветные карты, либо что-то подобное, так как эффект налицо. Тем самым, на своем опыте, хоть и потратив кучу времени, я доказал, что концепция работает.

Понятно, о чем вы думаете — апельсины, помидоры — это все не то, где же испытания на людях?
Они действительно были проведены:

Рука добровольца, проходящего МРТ лежит на все той же коробке. Собственно вода в коробке, так как содержит водород, также отлично видна. Усиление сигнала происходит в зоне запястья, лежащего на резонаторе, тогда как все остальные части тела видны плохо. Понятное дело, что такого же эффекта, а может и лучше, можно добиться и используя стандартные клинические катушки. Но сам факт того, что можно делать подобные штуки, просто пространственно скомбинировав воду и провода, нужным образом сочетая их, поражает воображение. Еще более удивительно, что знания об этом можно получить, благодаря исследованию, казалось бы, несвязанных явлений, таких как преломление света.

На данный момент конструкция коробки с водой уже улучшена. Теперь это просто плоская печатная плата, которая позволяет локализовать магнитное поле внешней большой антенны около себя. Причем ее рабочая зона больше чем у предшествующей конструкции:

Цветные ленточки показывают напряженность магнитного поля над структурой при возбуждении от внешнего источника электромагнитных волн. Плоская структура представляет собой типичную линию передачи, известную в радиотехнике, однако одновременно может быть рассмотрена и как метематериал для МРТ. Эта «беспроводная катушка» уже может посоревноваться со стандартными катушками по однородноости создаваемого поля на некоторой глубине в объекте сканирования:

Анимация показывает слой за слоем цветную карту сигнала внутри коробки с водой в МРТ. Цвет означает интенсивность сигналов от ядер водорода. В левом верхнем углу в качестве приемника используется сегмент стандартной катушки для сканирования спины. Левый нижний угол — когда коробка стоит на резонаторе в виде печатной платы. Справа внизу — сигнал принимает большая антенна встроенная в тоннель томографа. Я сравнил однородность сигнала в зоне, обведенной прямоугольником. На некоторой высоте, метаматериал работает лучше чем катушка в плане однородности сигнала. Для клинических задач это может быть не сильно важное достижение, зато когда речь идет о научных установках МРТ, где сканируют лабораторных мышей, это может помочь добиться прироста сигнала и снижения необходимой мощности возбуждающих радиоимпульсов.

Про «улучшили в 2 раза» в начале статьи — разумеется, это оказался очередной плод неразделенной любви журналистов к ученым, однако и сказать что это пустые исследования тоже неправильно, что подкрепляется интересом к данной теме в научных группах по всему миру. Удивительно, но работы ведут и у нас в России, хотя исходя из моего сугубо личного опыта, это скорее редкое исключение. Есть еще много нерешенных проблем связанных с применением метаматериалов в МРТ. Кроме локализации магнитных полей для получения хорошей картинки, не стоит забывать об электрических полях, приводящих к нагреву тканей, а также о поглощении тканями пациентов, проходящих обследование энергии радиочастотного поля. За этими вещами, при клиническом использовании, должен быть особый конроль, который сильно усложняется при использовании локализующих поля резонаторов. Пока метаматериалы для МРТ остаются в рамках научных исследований, но получаемые результаты уже весьма интересны и возможно в будущем процедура МРТ благодаря им изменится в лучшую сторону, став быстрее и безопаснее.

Источник