Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Влияние собственной моды метаповерхности на увеличение чувствительности приемника в высокопольной магнитно-резонансной томографии 15
1.1. Введение 15
1.2. Модель метаповерхности и исследование ее характеристик 17
1.3. Экспериментальное исследование зависимости увеличения отношения сигнал-шум от геометрических размеров объекта исследования, расположенного на метаповерхности 21
1.4. Экспериментальное исследование зависимости увеличения отношения сигнал-шум от пространственного положения объекта исследования на метаповерхности 26
1.5. Выводы 29
Глава 2. Разработка и исследование гибридных метаповерхностей 31
2.1. Введение 31
2.2. Исследование характеристик метаповерхности на основе электромагнитно связанных диэлектрических и металлических элементов 32
2.3. Исследование характеристик метаповерхности на основе массива проводов с емкостными нагрузками 41
2.4. Выводы 49
Глава 3. Объёмная беспроводная катушка на основе двух плоских метаповерхностей 51
3.1. Введение 51
3.2. Модель беспроводной катушки и ее характеризация 53
3.3. Экспериментальное исследование прототипа беспроводной катушки на лабораторном стенде 58
3.4. Численное моделирование радиочастотных полей и удельного коэффициента поглощения электромагнитной энергии 61
3.5. Экспериментальное исследование влияния беспроводной катушки на радиочастотные поля в режиме приема и передачи сигнала 67
3.6. Выводы 70
Глава 4. Применение метаповерхностей для улучшения качества МР изображений 73
4.1. Введение 73
4.2. Повышение эффективности передачи радиочастотного сигнала при помощи метаповерхности на основе параллельных проводов, помещенных внутрь материала с высокой диэлектрической проницаемостью 75
4.3. Улучшение качества МР изображений с помощью гибридных метаповерхностей 82
4.4. Исследование кисти здорового добровольца при помощи объемной беспроводной катушки 90
4.5. Выводы 96
Заключение 98
Список литературы 100
- Экспериментальное исследование зависимости увеличения отношения сигнал-шум от геометрических размеров объекта исследования, расположенного на метаповерхности
- Исследование характеристик метаповерхности на основе массива проводов с емкостными нагрузками
- Экспериментальное исследование влияния беспроводной катушки на радиочастотные поля в режиме приема и передачи сигнала
- Исследование кисти здорового добровольца при помощи объемной беспроводной катушки
Введение к работе
Актуальность темы. Магнитно-резонансная томография (МРТ) на сегодняшний день
является одним из основных инструментов диагностической медицины, что связано с
высокой информативностью и точностью получения данных при неинвазивном и безопасном
для здоровья пациентов методе проведения исследований [1]. Одним из главных критериев,
определяющих качество магнитно-резонансных (МР) изображений, является отношение
сигнал-шум (ОСШ) – отношение уровня полезного сигнала к стандартному отклонению
шумового сигнала [2]. Для получения изображения исследуемую область делят на
элементарные объемы (вокселы): чем меньше воксел, тем выше пространственное
разрешение изображения. Однако при уменьшении размеров воксела уменьшается и уровень
полезного сигнала, получаемого из этого объема. Поэтому при увеличении
пространственного разрешения МР изображения снижается ОСШ. Это приводит к
необходимости искать компромисс между размером воксела и желаемым уровнем ОСШ.
Одним из основных способов повышения ОСШ является увеличение статического
магнитного поля B0. Именно поэтому появились сверхвысокопольные МРТ системы с
напряженностью поля 3 Тл и выше. Тем не менее, увеличение статического магнитного поля
неизбежно требует усложнения конструкции магнита, что, в конечном счете, приводит к
повышению стоимости оборудования и снижает доступность качественных исследований
для пациентов. С другой стороны, повысить ОСШ можно путем увеличения
чувствительности приемной катушки (повышения уровня принимаемого сигнала от спинов и
минимизации принимаемых и внутренних шумов катушки). Поэтому существующие
стандартные приемные катушки, используемые в МРТ, – это, как правило, поверхностные
или объемные катушки, которые располагаются вблизи исследуемой области и
подключаются к томографу с помощью РЧ кабелей [3]. Это приводит к усложнению процедуры МР исследования, так как необходимо правильным образом расположить приемную катушку и избежать попадания РЧ кабеля в область исследования. Кроме того данные катушки имеют высокую стоимость и несовместимы с томографами различных производителей.
С другой стороны, как показывает обзор литературы, перспективной возможностью улучшения характеристик МРТ является использование новых электромагнитных структур на основе метаматериалов [4] и метаповерхностей [5,6]. Данные структуры с субволновой периодичностью состоят из элементарных ячеек с заданной геометрией и позволяют переносить и перераспределять ближнее электромагнитное поле в пространстве. В частности, было продемонстрировано, что эндоскоп на основе системы из параллельных металлических проводов (предельно анизотропного метаматериала) [7,8] и массив на основе спиральных резонаторов (так называемые материалы «швейцарский рулет») [9] могут использоваться для передачи распределения РЧ сигнала, излучаемого объектом исследования внутри томографа, к внешнему приемнику. В этом случае можно использовать более простые и дешевые РЧ приемники с магнитными материалами, так как их можно разместить вне МР томографа. Также в литературе было показано, что метаматериалы и метаповерхности могут быть использованы для увеличения ОСШ стандартных приемных катушек. Так в работах [10,11] для этой цели были применены суперлинзы на основе массива из разомкнутых кольцевых резонаторов, а в работе [12] – метаповерхности на основе резонансных проводов, настроенных на рабочую частоту МР томографа. Таким образом, к моменту начала работы над диссертацией было показано, что структуры на основе метаматериалов и метаповерхностей могут повысить качество МР изображений без увеличения постоянного магнитного поля. Однако оставались недостаточно исследованными физические основы беспроводной передачи МР сигнала внутри томографа при помощи структур на основе метаповерхностей. Кроме того во всех выше перечисленных примерах использовались громоздкие структуры, что ограничивает их применение на практике. В связи с этим разработка и исследование метаповерхностей для улучшения характеристик
высокопольной МРТ за счет пространственного перераспределения ближнего поля внутри томографа является актуальной задачей.
Целью диссертационной работы является создание и исследование свойств метаповерхностей на основе массива параллельных металлических проводов для повышения качества работы систем высокопольной МРТ. В соответствии с заявленной целью ставятся следующие задачи:
-
Разработать модель метаповерхности на основе массива параллельных металлических проводов, помещенных внутрь материала с высокой диэлектрической проницаемостью.
-
Исследовать влияние распределения ближнего электромагнитного поля в плоскости метаповерхности на основе массива параллельных металлических проводов, помещенных внутрь материала с высокой диэлектрической проницаемостью, на увеличение чувствительности приемной РЧ катушки.
-
Исследовать влияние размера объекта исследования и его положения относительно метаповерхности на основе немагнитных проводников, помещенных внутрь материала с высокой диэлектрической проницаемостью, на увеличение ОСШ приемника.
-
Разработать модели гибридных метаповерхностей на основе немагнитных проводников, с краями, частично помещёнными внутрь материала с высокой диэлектрической проницаемостью или соединёнными через емкости, с однородным распределением магнитного поля вдоль проводов.
-
Исследовать принципы перестройки спектрального отклика гибридных метаповерхностей при изменении геометрических параметров их структурных элементов. Проанализировать влияние гибридных метаповерхностей на увеличение ОСШ при настройке их основной собственной моды на разные резонансные частоты.
-
Разработать модель структуры на основе параллельных метаповерхностей из проводов, соединенных емкостями друг с другом, которая позволяет локализовать магнитное поля внешней катушки-источника в пространстве между двумя метаповерхностями. Анализ влияния собственной моды данной структуры на увеличение амплитуды магнитного поля внешней катушки-источника.
-
Исследовать влияние предложенных метаповерхностей на РЧ магнитное поле приемо-передающей катушки типа «птичья клетка» и удельный коэффициент поглощения электромагнитной энергии методами численного моделирования при наличии воксельной модели человека.
-
Провести ряд МР исследований с добровольцами при наличии метаповерхностей и сравнить полученные МР изображения с изображениями для коммерческих приемных катушек, которые подключаются к томографу с помощью РЧ кабеля.
Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые:
-
Экспериментально продемонстрировано, что для получения максимально возможного увеличения ОСШ необходимо располагать объект исследования в области минимального электрического и максимального магнитного поля вблизи метаповерхности. Также показано, что чем больше геометрические размеры метаповерхности по сравнению с размерами объекта исследования, тем большего значения ОСШ можно добиться.
-
Продемонстрирована возможность управлять однородностью РЧ магнитного поля в области интереса путем изменения длины проводов, находящихся внутри диэлектрических блоков.
-
Продемонстрировано, что резонансную частоту гибридных метаповерхностей можно настраивать на рабочую частоту магнитно-резонансного томографа путем изменения количества диэлектрика вокруг проводов, длины проводов или площади полоска.
-
Показано, что объемная беспроводная катушка, состоящая из двух параллельных плоских метаповерхностей на основе металлических проводов, связанных емкостями друг с другом, способна локализовать вблизи себя и однородно усилить в объеме РЧ магнитное поле внешней катушки-источника.
5. Экспериментально продемонстрировано, что созданные на основе
метаповерхностей беспроводные устройства позволяют получить значения ОСШ сравнимые с локальными коммерческими приемными катушками, которые подключаются к томографу с помощью РЧ кабеля, а также значительно уменьшить РЧ нагрузку на человека.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Метаповерхности из параллельных металлических проводов увеличивают отношение сигнал-шум благодаря пространственному перераспределению ближнего электромагнитного поля внутри томографа. Величина локального усиления отношения сигнал-шум растет при уменьшении геометрических размеров объекта исследования относительно размеров метаповерхности и при настройке резонансной частоты метаповерхности на рабочую частоту томографа, а также уменьшается при смещении объекта из центра к краю структуры.
-
Метаповерхности на основе параллельных металлических проводов, края которых помещены в материал с высокой диэлектрической проницаемостью, обеспечивают более однородное распределение магнитного поля в плоскости структуры, по сравнению с метаповерхностями на основе параллельных металлических проводов, которые полностью находятся в материале с высокой диэлектрической проницаемостью. Степенью однородности распределения магнитного поля можно управлять, изменяя длину части провода, находящегося внутри материала с высокой диэлектрической проницаемостью.
-
Две параллельные метаповерхности из металлических проводов, связанные емкостями друг с другом, обеспечивают локализацию радиочастотного магнитного поля внешней катушки-источника в объеме между ними с высокой однородностью. Величина усиления радиочастотного магнитного поля тем выше, чем меньше расстояние между метаповерхностями.
-
Использование внешней катушки-источника в комбинации с объемной беспроводной катушкой на основе двух параллельных метаповерхностей из металлических проводов, связанных емкостями друг с другом, позволяет снизить радиочастотную нагрузку на человека.
Практическая значимость работы заключается в том, что полученные результаты могут быть использованы для создания новых специализированных беспроводных РЧ катушек для решения важных клинических задач в области МРТ (например, в области маммографии, урологии и функциональной МРТ мозга), а также для разработки новых устройств для беспроводной передачи энергии.
Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечены применением
современных методов численного моделирования и экспериментального исследования,
которые всесторонне апробированы и широко используются, а также соответствием
полученных экспериментальных результатов с данными численного моделирования.
Воспроизводимость полученных экспериментальных результатов подтверждается
проведением ряда измерений на различных МР томографах в России (в Национальном медицинском исследовательском центре им. В. А. Алмазова, ООО «С.П. Гелпик») и за рубежом (в Медицинском центре университета города Лейдена и Медицинским центре университета города Утрехта).
Внедрение результатов работы. Экспериментальные образцы, разработанные в ходе диссертационной работы, используются для проведения лабораторных занятий по курсу «Технологии и экспериментальные методы в радиофизике и томографии» в рамках магистерской программы «Радиочастотные системы и устройства» на физико-техническом факультете. Результаты данного исследования в настоящее время используются для разработки беспроводной РЧ катушки для спины по договору с канадско-британской компанией Mediwise . Также следует отметить, что некоторые из разработанных экспериментальных прототипов уже применяются в Национальном медицинском исследовательском центре им. В. А. Алмазова для диагностики заболеваний кистевого сустава.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и обсуждены на следующих международных конференциях: «Days on Diffraction» (Санкт-Петербург, 2015, 2018), «International Microwave and Optoelectronic Conference» (Порту де Галиньяс, 2015), «Radio and Antenna Days of the Indian Ocean (RADIO)» (Маврикий, 2015), «2016 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation» (Фахардо, 2016), «ISMRM 25th Annular Meeting» (Гавайи, 2017), «Progress In Electromagnetics Research Symposium» (Санкт-Петербург, 2017; Тояма, 2018), «The 11th International Congress on Engineered Material Platforms for Novel Wave Phenomena - Metamaterials’2017» (Марсель, 2017), «METANANO» (Владивосток, 2017), «Joint Annual Meeting ISMRM-ESMRMB» (Париж, 2018), «The 12th International Congress on Artificial Materials for Novel Wave Phenomena - Metamaterials’2018» (Эспоо, 2018), а также на семинарах в Университете ИТМО (Санкт-Петербург, 2016) и в Медицинском центрe университета города Утрехт (Нидерланды, 2016).
Работа выполнена при поддержке Минобрнауки России, номер соглашения 14.587.21.0041, уникальный идентификатор соглашения RFMEFI58717X0041.
Публикации. Основные научные результаты диссертационной работы опубликованы в 5 научных статьях в рецензируемых научных журналах, включенных в Перечень изданий, рекомендованных ВАК, и 12 в печатных трудах по материалам международных конференций, 8 из которых входят в международные реферативные базы данных и системы цитирования Scopus и Web of Science.
Личный вклад автора. Автор внес определяющий вклад в выбор методов, проведение теоретических и экспериментальных исследований и получение результатов, а также подготовку научных публикаций по результатам работы.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации - 110 страниц, включая библиографию из 93 наименований. Работа содержит 39 рисунков, размещенных внутри глав.
Экспериментальное исследование зависимости увеличения отношения сигнал-шум от геометрических размеров объекта исследования, расположенного на метаповерхности
Как правило, в высокопольных клинических МРТ системах для передачи РЧ сигнала используется приемо-передающая катушка типа «птичья клетка» [29], которая встроена в корпус томографа и «невидима» для пациента. Данная катушка характеризуется высокой однородностью создаваемого РЧ поля и может также использоваться для приема сигнала. Однако это происходит в очень редких случаях, поскольку катушка типа «птичья клетка» собирает шум со всего своего объема и в результате МР снимки получаются низкого качества: зачастую очень сложно различить сигнал в области интереса на фоне шумов. Вследствие пространственного перераспределения ближних полей внутри МР томографа, вызванного резонансным возбуждением основной собственной моды метаповерхности, возможно увеличить чувствительность катушки типа «птичья клетка». Однако, как было продемонстрировано в параграфе 1.2, расположение вблизи метаповерхности объекта с размерами сравнимыми с размерами самой структуры приводит к сдвигу резонансной частоты основной моды метаповерхности. Чтобы определить, как увеличение ОСШ за счет метаповерхности зависит от геометрических размеров объекта исследования, была проведена серия сканирований в 1.5 Тл клиническом томографе, упомянутом выше.
После настройки резонансной частоты основной моды метаповерхности на рабочую частоту 1.5 Тл МР томографа (синяя кривая на рисунке 1.2б), были получены снимки каждого из пяти объектов исследования, помещенных на метаповерхности, с использованием катушки типа «птичья клетка» в режиме передачи и приема. Для сравнения были проведены измерения с той же катушкой при наличии тех же объектов исследования, но для случая, когда образцы были помещены на верхнюю часть пластиковой коробки, заполненной дистиллированной водой, с размерами идентичными размерам метаповерхности, чтобы учесть дополнительный сигнал, поступающий от дистиллированной воды.
Для определения влияния метаповерхности на эффективность передачи РЧ сигнала (то есть на РЧ магнитное поле В\+) и поиска оптимального уровня подаваемой в систему мощности, была экспериментально вычислена зависимость МР сигнала (5(г)) в объекте от номинального угла поворота вектора суммарной намагниченности (прямо пропорционального уровню мощности), для обоих случаев при наличии метаповерхности и без нее. Для последовательности градиентное эхо данная зависимость описывается следующим выражением [28,52]: где г - координата в пространстве, А(г) - пространственный коэффициент, который пропорционален магнитному полю В{{ г), Ti( г) - время спин-решеточной релаксации, TR - время повторений импульсов; Х{г) соответствует эффективности передачи РЧ сигнала, а в - угол поворота вектора суммарной намагниченности, который устанавливается в параметрах сканирования, и прямо пропорционален входному напряжению передатчика. Если рассмотреть случай, когда приемо-передающая катушка типа «птичья клетка» используется без метаповерхности при наличии объекта исследования с наибольшими размерами (S№5=Sмета\ существует некоторый оптимальный угол поворота, соответствующий оптимальному приложенному уровню РЧ мощности. Данный оптимальный угол соответствует максимально возможному принимаемому РЧ сигналу (синяя кривая на рисунке 1.3). При сканировании того же объекта при наличии метаповерхности график сдвигается влево по горизонтали, что означает что метаповерхность усиливает РЧ магнитное поле В\+ в области интереса при том же уровне мощности (красная кривая на рисунке 1.3). Таким образом, во всех экспериментах, был использован угол поворота, соответствующий максимуму сигнала для каждого из пяти объектов исследования. В случае с метаповерхностью это означает, что амплитуда входного напряжения была уменьшена: в четыре раза для самого большого образца (S№5); более чем в шесть раз для объекта S№4 и почти в десять раз для объектов меньших размеров (S№1, S№2, S№3). С точки зрения практического применения уменьшение входного напряжения приводит к минимизации поглощенной объектом исследования мощности, и таким образом повышает безопасность исследования для пациента [53]. Стоит также обратить внимание, что амплитуды сигналов на самом деле выше (значения, показанные на рисунке 1.3 нормированы на максимумы). Больший сигнал отвечает за повышение ОСШ приёмника. Во всех экспериментах была использована стандартная последовательность градиентное эхо со следующими настройками: TR/TE=450/12 мс, размер матрицы – 256256, размер области сканирования – 450450 мм2. Углы поворота вектора суммарной намагниченности (FA), соответствующие максимальному значению сигнала для каждого объекта исследования при наличии метаповерхности имели следующие значения: FA1= FA2=FA3=40, FA4=60, FA5=90 для S№1, S№2, S№3, S№4, S№5 соответственно. Для случая без метаповерхности при наличии тех же объектов исследования углы имеют следующие значения: FA1=370, FA2=380, FA3=FA4=FA5=400. Значения ОСШ для каждого случая были рассчитаны как среднее значение сигнала по всей площади объекта исследования в корональном срезе на расстоянии 10 мм от проводов (в центральной части объекта), поделенное на стандартное отклонение шума, измеренное отдельно при нулевом значении амплитуды РЧ сигнала. В случае получения МР изображений без метаповерхности значение ОСШ незначительно увеличивается в соответствии с увеличением размеров объекта. Например, значение ОСШ для объекта с наибольшими размерами (S№5=Sмета) в 1.5 раза больше, чем для самого маленького (S№1=0.005Sмета). В то же время для случая, когда катушка типа «птичья клетка» используется совместно с метаповерхностью, значение ОСШ плавно уменьшается в соответствии с увеличением размера объекта. На рисунке 1.4 показаны результаты экспериментального исследования зависимости увеличения ОСШ (ОСШ2/ОСШ1) от геометрических размеров объекта исследования. Для относительно малого объекта с площадью, эквивалентной 0.5% площади проводов, повышение чувствительности приема составляет 16.3 раза. Для данной конструкции метаповерхности увеличение ОСШ в 16.3 раза является максимально достижимым, поскольку в этом случае объект исследования помещается в область минимального электрического поля и максимального магнитного (центр метаповерхности). Для объекта исследования площадью, равной площади занимаемой проводами (S№5=Sмета) соотношение ОСШ2/ОСШ1 составляет только 2.3. Снижение коэффициента увеличения ОСШ происходит по двум причинам. Во-первых, более крупный объект исследования помещается ближе к краям структуры, где сосредоточено электрическое поле, и, следовательно, диссипативные потери внутри объекта увеличиваются. Во-вторых, резонансная частота основной моды отстраивается от ларморовской частоты и поэтому сводит к минимуму вклад метаповерхности в усиление сигнала (см. кривые красного и черного цветов на рис. 1.2б). Таким образом, для достижения максимального повышения ОСШ, крайне важно учитывать наличие объекта исследования при разработке модели метаповерхности и ее настройке на рабочую частоту МР томографа, а также правильно размещать исследуемый объект относительно структуры (в области минимального электрического поля и максимуме магнитного).
Исследование характеристик метаповерхности на основе массива проводов с емкостными нагрузками
Поскольку общий принцип повышения ОСШ с помощью метаповерхностей состоит в том, чтобы возбуждать конкретную собственную моду метаповерхности, пространственные размеры структуры играют важную роль. Ранее метаповерхности на основе параллельных металлических проводов помещались в материалы с высокой диэлектрической проницаемостью, чтобы сделать их более компактными для использования в высокопольной и сверхвысокопольной МРТ [42,43]. Это ограничивало эффективность работы метаповерхности в увеличении ОСШ либо из-за увеличения расстояния между метаповерхностью и объектом исследования [42], либо из-за потерь в диэлектрике [43]. Данная проблема частично была решена при разработке гибридной метаповерхности на основе электромагнитно связанных диэлектрических и металлических элементов [61], описанной в параграфе 2.2. Однако, даже в этом случае из-за использования дистиллированной воды в качестве материала с высокой диэлектрической проницаемостью, прототип метаповерхности получился достаточно громоздким для использования в повседневной клинической практике. Таким образом, следующим шагом явилась разработка новой компактной метаповерхности с использованием печатных емкостных нагрузок. Настройка на резонансную частоту в этом случае происходит благодаря соединению концов соседних проводов в массиве при помощи подобранных емкостей. На рисунке 2.7 приводится сравнение резонаторов на основе двух проводов: полуволновый резонатор с разомкнутыми проводами (слева), а также резонатор с проводами, нагруженными на емкость (справа). За счет нагрузки проводов на емкости резонансные размеры проводов существенно уменьшаются по сравнению с половиной длины волны. На частоте 63.6 МГц резонансные размеры резонатора без заполнения водой составляют около 2.35 м (1 = /2), что недопустимо при использовании внутри томографа. Для уменьшения размеров метаповерхности из проводов оконечная емкость нагрузки должна быть сравнительно велика. Так резонансная длина проводов, нагруженных на емкости, для основной моды определяется выражением [62]:
На основе данного выражения может быть рассчитана оценочная величина емкости, необходимая для настройки метаповерхности на резонансную частоту 63.6 МГц при заданной длине проводов. Аналогичный принцип настройки двухпроводного резонатора может быть применен и для метаповерхности в виде массива из большого числа проводов. При этом емкость печатного прямоугольного полоска можно оценить, пользуясь следующим выражением: С = , (2.2) где w и / - ширина и длина полоска соответственно, є - проницаемость диэлектрической подложки, t - толщина подложки.
Модель новой субволновой метаповерхности была образована массивом 101 параллельных немагнитных металлических проводов, которые были расположены с периодом а=20 мм и соединены с емкостными нагрузками (рисунок 2.8). Как было отмечено выше, емкостные нагрузки позволяют добиться высокой миниатюризации пространственных размеров структуры, и делают ее резонансной при размерах намного меньше половины длины волны в свободном пространстве. Прямоугольные медные полоски имели следующие размеры: ширина w=18 мм, длина /=11 мм, и были напечатаны на общей заземленной диэлектрической подложке (см. рисунок 2.8б). Диэлектрические подложки были выполнены из материала c =10.2 и тангенсом угла потерь tg=0.0023 на частоте 10 ГГц (Arlon AD1000) и имели следующие геометрические параметры: толщина t=1.27 мм, длина b=199 мм и ширина 12 мм. Пластина заземления реализована в виде большого медного полоска, перекрывающего десять полосков меньшего размера на передней стороне, чтобы увеличить эффективную емкость между каждой парой проводов (см. рисунок 2.8в). Таким образом, резонансная частота основной собственной моды метаповерхности зависит как от длины проводов, определяющих индуктивные свойства структуры, так и от емкости нагрузок, и может быть точно настроена на рабочую частоту МР томографа путем изменения длины проводов и/или размеров медных пластин на диэлектрической подложке.
Для того чтобы проанализировать данные зависимости было проведено электромагнитное моделирование в программном пакете CST Microwave Studio 2017. Непосредственно на метаповерхность был установлен однородный объект исследования со следующими геометрическими параметрами: высота 46 мм, ширина 62 мм, длина 162 мм; диэлектрическая проницаемость объекта составила =78, а проводимость =0.7 См/м. Модель метаповерхности вместе с объектом исследования была помещена внутрь металлического экрана с внутренним диаметром 700 мм и длиной 1200 мм для имитации влияния РЧ экрана МР томографа. Для определения резонансной частоты основной моды метаповерхности использовалась рамочная антенна, с размерами сторон по 100 мм и диаметром провода, равным 2 мм. Антенна была помещена под метаповерхностью на расстоянии 37.5 мм. Минимум кривой коэффициента отражения (S11) рамочной антенны достигался, когда сигнал эффективно передавался от порта антенны к метаповерхности, нагруженной на объект исследования, на частоте соответствующей возбуждению основной собственной моды структуры. На рисунке 2.9а представлена зависимость резонансной частоты от размеров металлических полосков, при фиксированной длине проводов, равной 300 мм. Были получены три кривые при следующих длинах пластин (l): 11 мм, 13 мм и 15 мм. Следует отметить, что длина полосков (l) оказывает большее влияние на сдвиг резонансной частоты, чем ширина (w), так как при ее увеличении одновременно увеличивается, как емкость нагрузки, так и общая длина резонатора, а следовательно и индуктивность. Это означает, что резонансная частота для данной модели метаповерхности зависит не только от площади металлических пластин, но и от их формы. Зависимость резонансной частоты основной моды от длины провода (L) при фиксированном размере полосков: l=11 мм и w=18 мм показана на рисунке 2.9б. Уменьшение длины проводов приводит к увеличению резонансной частоты. Важно отметить, что оптимальная длина проводов для данного случая (L=299 мм) намного меньше, чем рабочая длина волны 1.5 Тл МР томографа. Кроме того, как уже было упомянуто выше, для основной моды метаповерхности РЧ поле перераспределено в пространстве таким образом, чтобы максимум магнитного поля и минимум электрического достигались в области интереса, близкой к центру метаповерхности (см. вставки на рисунке 2.9б). Поскольку ОСШ определяется отношением амплитуды РЧ магнитного поля в сканируемой области к квадратному корню из поглощенной мощности (1.1), такое пространственное перераспределение ближнего поля из-за резонансного возбуждения собственной моды метаповерхности приводит к увеличению ОСШ.
Чтобы подтвердить результаты численного моделировании и провести экспериментальные исследования метаповерхности в МРТ был изготовлен прототип согласно геометрическим параметрам, полученным в ходе численного моделирования. Для того чтобы иметь возможность регулировать резонансную частоту основной моды метаповерхности в экспериментальном прототипе использовались телескопические провода, с механически изменяемой длиной L в диапазоне 230–340 мм. Телескопические провода имели радиус 1.5 мм в
толстой части и 1 мм в тонкой. Провода, с обоих концов припаивались к прямоугольным медным полоскам, напечатанных на диэлектрической подложке. Для настройки метаповерхности на рабочую частоту МР томографа, длина проводов (L) постепенно изменялась, и измерялся коэффициент отражения рамочной антенны, расположенной над метаповерхностью, как функция L. Рисунок 2.10a демонстрирует возможность настройки резонансной частоты метаповерхности. Точная настройка частоты основной собственной моды на 63.6 МГц была достигнута при L=291 мм, что согласуется с результатами численного моделирования. Небольшое отклонение от резонансной длины, полученной в численном моделировании, можно объяснить дополнительной емкостью в скользящем контакте между двумя частями каждого телескопического провода.
Экспериментальное исследование влияния беспроводной катушки на радиочастотные поля в режиме приема и передачи сигнала
Для экспериментального подтверждения эффекта локализации РЧ магнитного поля B1+ приемо-передающей катушки типа «птичья клетка» в области интереса с помощью объемной беспроводной катушки была проведена серия МР исследований. Изображения были получены с использованием клинического томографа Siemens MAGNETOM Espree с величиной поля 1.5 Тл (в Национальном медицинском исследовательском центре им. В. А. Алмазова, г. Санкт-Петербург). Для приема и передачи сигнала использовалась катушка типа «птичья клетка» встроенная в корпус МР томографа. Изображения небольшого однородного объекта исследования (GE Medical Systems), описанного в параграфе 3.2, были получены с помощью последовательности градиентное эхо со следующими настройками: TR/TE=1010/13.5 мс, матрица 256192, размер области сканирования 180180 мм2, толщина среза 4 мм. Величина угла поворота вектора суммарной намагниченности варьировалась от 1 до 90 градусов в измерениях без беспроводной катушки, и от 1 до 30 градусов в измерениях, когда катушка типа «птичья клетка» работала в комбинации с объемной беспроводной катушкой. Диапазон изменения номинального угла поворота был уменьшен в случае беспроводной катушки, чтобы величина реального угла поворота не превысила 180 градусов, и не появилось артефактов в изображении. Таким образом, зависимость принятого РЧ сигнал как функция номинального угла поворота была построена на основе экспериментальных данных и аппроксимирована выражением (1.3) с использованием программного пакета MATLAB 2016b (см. рисунок 3.10). В случае, когда катушка типа «птичья клетка» использовалась для приема и передачи сигнала без беспроводной катушки, процедура автоматической калибровки мощности передатчика позволяла получить реальный угол поворота вектора суммарной намагниченности равный номинальному значению, которое задается в настройках протокола. Таким образом, максимум сигнала соответствует углу Эрнста [82], равному, в данном случае, 90 градусам (см. синяя кривая на рисунке 3.10). Однако при добавлении в систему беспроводной катушки, для того же напряжения передатчика, максимум кривой сдвигается в сторону меньших номинальных углов (см. зеленая кривая на рисунке 3.10). В данном случае значение номинального угла поворота, соответствующего максимуму сигнала уменьшилось в 7.5 раз. Это означает, что при использовании беспроводной катушки напряжение передатчика необходимо понизить в 7.5 раз, чтобы обеспечить такое же значение угла Эрнста в области интереса. В то же время коэффициент ( ) из выражения (1.3), соответствующий эффективности передачи РЧ сигнала, увеличился в 8.6 раз. Кроме того, полученные МР изображения для углов, соответствующих углу Эрнста, позволяют корректно сравнивать значения ОСШ при наличии беспроводной катушки и без нее. Так, в стандартном исследовании без беспроводной катушки ОСШ составило 38, однако с беспроводной катушкой данный коэффициент вырос до 562 (т.е. увеличился в 14.7 раза), благодаря тому, что беспроводная катушка эффективно локализует РЧ магнитное поле внешней катушки-источника в области интереса. Разницу между увеличением эффективности передачи сигнала (8.6 раз) и повышением ОСШ (14.7 раз), которая составляет 1.7 раз, можно объяснить разницей между принимающей и передающей цепями катушки типа «птичья клетка». Действительно, в режиме передачи прикладываемая мощность распределяется поровну между двумя портами катушки для создания круговой поляризации. Однако беспроводная катушка является линейно поляризованной и поэтому изменяет только одну из компонент РЧ магнитного поля B1+. Более того, поскольку круговая поляризация взаимодействует со спинами, в конечном итоге, используется только четверть переданной мощности. При приеме сигнала два порта катушки типа «птичья клетка» соединяются с отдельными предусилителями. Поэтому половина полезной мощности сигнала теряется из-за линейной поляризации беспроводной катушки. Таким образом, следует ожидать в 2 раза более низкое увеличение поля B1+ на единицу принятой мощности, чем улучшение ОСШ. Измерения дали немного меньший коэффициент 1.7, что можно объяснить отражением мощности передатчика от портов катушки типа «птичья клетка». Кроме того, это несоответствие может быть вызвано низкой точностью используемого метода вычисления ОСШ, в котором среднее значение сигнала и стандартное отклонение шума были вычислены, пользуясь одним МР изображением [83].
Далее, зависимость сигнала от номинального угла поворота была построена для каждого воксела, и таким образом, были получены карты РЧ магнитного поля B1+ в плоскости zy для обоих экспериментов (см. рисунок 3.11). Обе карты были нормированы на максимальное значение сигнала, взятое для беспроводной катушки, и полностью согласуются с результатами численного моделирования, продемонстрированными на рисунке 3.6. Полученные карты также показывают хорошую однородность поля B1+ (максимальное отклонение от среднего значения составило 9% по объему объекта исследования).
Исследование кисти здорового добровольца при помощи объемной беспроводной катушки
Качественное МРТ исследование кистевого сустава, в частности хряща, является важной задачей в радиологии и активно исследуется в последние годы [88,89]. Объемная беспроводная катушка, предложенная и описанная в третьей главе, за счет возможности однородно усилить РЧ магнитное поле в объеме, прекрасно подходит для решения данной задачи. В настоящем параграфе приводятся результаты сравнения объемной беспроводной катушки и стандартной проводной катушки с точки зрения достижимого ОСШ в области интереса с участием здорового добровольца.
МР исследования также как и исследования, описанные в предыдущем параграфе, проводились в Национальном медицинском исследовательском центре им. В. А. Алмазова (г. Санкт-Петербург) и были одобрены местным этическим комитетом. Сканирование проводилось для двух положений добровольца, схематически показанных на рисунке 3.5. В первом положении доброволец лежал на спине с рукой согнутой в локте и расположенной сверху поперек тела, при этом кисть располагалась в центре объемной беспроводной катушки или в центре стандартной гибкой катушки (размером 516224 мм2), последняя была обернута вокруг кисти. Таким образом, сканирование производилось для двух случаев: (1) с объемной беспроводной катушкой индуктивно связанной с катушкой типа «птичья клетка», работающей в режиме передачи и приема РЧ сигнала; (2) с использованием приемной стандартной гибкой четырехканальной катушки фирмы Siemens, в то время как катушка типа «птичья клетка» работала только в режиме передачи.
Для того, чтобы продемонстрировать эффект локализации поля в области интереса с помощью объемной беспроводной катушки были сняты МР изображения для последовательности градиентное эхо в поперечной плоскости при большой области сканирования, охватывающей руку добровольца вместе с животом. В частности, использовались следующие настройки протокола: TR/TE=5000/4.8 мс, толщина среза 5 мм, размер матрицы сканирования 184256, размер области сканирования 287400 мм2, угол поворота 30 градусов. Результаты данного исследования представлены на рисунке 4.9. Объемная беспроводная катушка полностью локализует РЧ магнитное поле в области интереса, что приводит к локальному увеличению ОСШ, а также снижению уровня подаваемой РЧ мощности за счет повышения эффективности передачи. Чтобы оценить величину локального увеличения ОСШ были получены МР изображения для двух импульсных последовательностей: градиентное эхо: TR/TE=417/9.53 мс, угол поворота 70 градусов, размер матрицы 512512, размер области сканирования 120120 мм2, толщина среза мм и спин-эхо: TR/TE=644/17 мс, угол поворота 90 градусов, размер матрицы 512512, размер области сканирования 9090 мм2, толщина среза 3 мм. Данное исследование также было проведено для второй позиции, когда доброволец лежал на животе, а его рука, слегка согнутая в локте, располагалась над головой (позиция «Супермен»), для обоих случаев с объемной беспроводной катушкой и со стандартной гибкой проводной катушкой. Фотографии всех исследований добровольца при наличии объемной беспроводной катушки и со стандартной катушкой показаны на рисунке 4.10а-г. Стоит отметить, что во всех экспериментах номинальный угол поворота вектора намагниченности соответствовал реальному углу, так как была выполнена процедура ручной калибровки мощности передатчика. Стоит отметить, что амплитуда напряжения передатчика была в 6.7 раза ниже во всех исследованиях при наличии беспроводной катушки, когда доброволец находился в положении «лежа на спине» и в 8 раз ниже – в положении «Супермен». Полученные в ходе МР исследования однородные изображения сустава (см. рисунок 4.10д-м) были проанализированы в программе RadiAnt DICOM Viewer. ОСШ было вычислено, как среднее значение сигнала в области интереса, обозначенной зеленой окружностью на рисунках 4.10д-м к стандартному отклонению шума в зоне без сигнала (красная окружность). Так, когда доброволец находился в позиции «лежа на спине» (см. рисунок 4.10а,б) при использовании объемной беспроводной катушки было достигнуто увеличение ОСШ в области интереса на 50% для последовательности градиентное эхо и на 64% для последовательности спин-эхо по сравнению со случаем, когда для приема РЧ сигнала использовалась локальная поверхностная катушка. Однако для положения добровольца «Супермен» ОСШ увеличилось на 136% для последовательности градиентное эхо и на 110% для спин-эхо. Меньшее увеличение ОСШ в первой позиции добровольца вызвано следующими причинами. Во-первых, в положении «лежа на спине» внутри МР томографа находится достаточно большая часть человеческого тела, а поскольку катушка типа «птичья клетка» собирает шум со всего объема, ОСШ в этом положении ниже, чем в позиции «Супермен». Второй и самый главной причиной является то, что торс добровольца находится достаточно близко к емкостным печатным платам объемной катушки и за счет этого уменьшается добротность последней. Поэтому следует избегать размещения объемной беспроводной катушки слишком близко к телу. Например, в описанном выше эксперименте, был использован специальный держатель из пенополистирола толщиной 3 см, который помещался между объемной беспроводной катушкой и торсом добровольца, чтобы уменьшить влияние потерь человеческого тела на беспроводную катушку. Тем не менее, чтобы обеспечить максимальную эффективность работы беспроводной катушки, положение «Супермен» остается более предпочтительным для ее использования.
Для более точной характеристики увеличения ОСШ катушки типа «птичья клетка» с помощью объемной беспроводной катушки по сравнению со стандартной четырехканальной приемной катушкой, были сняты карты ОСШ (см. рисунок 4.11) с помощью последовательности спин-эхо со следующими настройками: TR/TE=1010/30 мс, угол поворота 90 градусов, размер матрицы 256256, размер области сканирования 9090 мм2, толщина среза 5 мм [90].
Чтобы подтвердить корректность процедуры ручной калибровки мощности передатчика, а также проведенного сравнения ОСШ для двух катушек, экспериментально были получены карты РЧ магнитного поля B1+ для обеих позиций добровольца. Карты поля B1+ были получены с помощью метода двойного угла поворота [91,92] для следующих параметров последовательности градиентное эхо: углы поворота 30 градусов и 60 градусов, TR/TE=5000/4.8 мс, толщина среза 5 мм, размер матрицы сканирования и области сканирования для позиции «лежа на спине» составили 184256 и 287400 мм2, соответственно, а для позиции «Супермен» 128256 и 60120 мм2. Как следует из результатов, представленных на рисунке 4.12, расчетный средний угол для объемной беспроводной катушки имеет отклонение в 5% по сравнению со стандартной гибкой катушкой для обоих положений, что подтверждает правильность проведенной калибровки и рассчитанных значений ОСШ.
Таким образом, на основе проведенного анализа можно заключить, что приемо-передающая катушка типа «птичья клетка», работающая в сочетании с разработанной беспроводной катушкой, обеспечивает сопоставимое или лучшее качество МР изображений лучезапястного сустава здорового добровольца по сравнению со стандартной локальной приемной катушкой, которая подключается к томографу с помощью РЧ кабеля.