Новые композитные материалы: от фундаментальных исследований к непосредственному использованию в клинической практике

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 18-79-10167

НазваниеНовые композитные материалы: от фундаментальных исследований к непосредственному использованию в клинической практике

Руководитель Мельчакова Ирина Валерьевна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" , г Санкт-Петербург

Конкурс №30 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-609 - Автоматизированные комплексы для биологии и медицины

Ключевые слова Композитные материалы, метаматериалы, материалы с высокой диэлектрической проницаемостью, МРТ (Магнитно-резонансная томография), радиочастотные приемо-передающие катушки, керамические резонаторы, повышение соотношения сигнал-шум

Код ГРНТИ76.13.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Магнитно-резонансная томография (МРТ) является одним из основных неинвазивных методов исследования и используется как в клинической диагностике, так и в доклинических исследованиях, позволяя оценить распространение заболеваний, эффективность терапии и осуществлять фундаментальные исследования мозга. За последние несколько десятилетий благодаря внедрению высокочувствительных многоканальных приёмников качество получаемых МР-изображений значительно выросло. Тем не менее, приемники разрабатываемые с использованием стандартных материалов уже достигли максимальной эффективности и не могут привести к дальнейшему улучшению характеристик клинических МР-томографов. С другой стороны, возможность ранней диагностики различных заболеваний зависит напрямую от пространственного разрешения МР-изображений которое ограниченно максимально доступным значением соотношения сигнал-шум - эффективностью приёмной катушки. В конечном счете, именно соотношение сигнал-шум определяет время, затрачиваемое на МР-исследование, так как при его низком значении требуется повторять сканирование, пока не будет достигнуто диагностически приемлемое качество изображения. Также важным фактором, определяющим предельную скорость МРТ исследования, является возможный нагрев исследуемых тканей вследствие поглощения энергии электромагнитного поля, что приводит к ограничению частоты повторения радиочастотных (РЧ) импульсов, для того чтобы максимальный локальный коэффициент поглощения электромагнитной энергии оставался в пределах допустимой нормы. Повышение эффективности РЧ катушек на передачу сможет снизить поглощаемую в теле пациента мощность, таким образом, позволяя увеличить частоту повторения РЧ-последовательности и ускорить проведение МР-исследования, не подвергая при этом пациента дополнительному риску. Основной научной целью данного проекта является значительное улучшение характеристик клинических (от низкопольных до сверхвысокопольных) МР-томографов путём применения новых композитных материалов, таких как метаматериалы и диэлектрические материалы с очень высокой диэлектрической проницаемостью и низкими потерями. На данный момент эта область научных исследований находится в мире на стадии раннего развития, однако первичные результаты, частично полученные нашим коллективом, выглядят весьма многообещающими. В рамках данного проекта, мы планируем заполнить существенный пробел между теоретическими исследованиями вышеуказанных материалов (выполненными нашим и другими исследовательскими коллективами), и их непосредственным применением в клинической МР-томографии. Использование подобных композитных материалов дает беспрецедентные возможности контроля над электромагнитными полями внутри томографов, что, в свою очередь, позволит значительно увеличить локальное соотношение сигнал-шум, снизить локальный нагрев тканей пациента и существенно ускорить процедуру сканирования. Мы ожидаем, что использование нового класса материалов, будет очень полезно как в сверхвысокопольных томографах, так и в классических клинических и низкопольных томографах. В сверхвысокопольных МРТ в следствие того, что длина волны внутри исследуемого объекта уже сравнима с его размерами, образуются стоячие волны с узлами и пучностями, в результате чего на МР-изображениях проявляются чередующиеся области высокого и низкого сигнала. С помощью новых композитных материалов мы будем стремится добиться максимально однородного распределения РЧ поля создаваемого в области исследования передающей катушкой, что приведет к равномерности контраста и соотношения сигнал-шум в получаемых МР-изображениях. В классических томографах новые материалы планируется применять в первую очередь для повышения эффективности РЧ передающих катушек, что должно привести к уменьшению поглощаемой в теле пациента электромагнитной энергии, а следовательно повысить эффективность МРТ. В низкопольных томографах, какими оснащены многие российские больницы, с помощью применения новых материалов планируется значительно повысить соотношение сигнал-шум, что существенно улучшит производительность томографов данного типа. Более конкретно, в этом проекте мы будем разрабатывать различные материалы с уникальной функциональностью, в том числе, выключаемые и регулируемые структуры, новые компактные МР-приемники на основе высокодобротных диэлектрических резонаторов с высокой эффективностью, а также ультратонкие и гибкие структуры. Конечной целью проекта является интеграция всех этих функциональных возможностей в несколько устройств на основе искусственных материалов и использование таких устройств в повседневных клинических исследованиях для улучшения характеристик уже установленных в учреждениях здравоохранения МР-томографов. Все разработанные в этом проекте устройства будут тестироваться в реальных клинических условиях, вначале с использованием фантомов для проверки концепции, а далее с участием волонтеров. Критически важным шагом данного проекта будет осуществление непосредственных клинических МР-исследований с участием волонтеров и разработанных устройств. Мы будем нацелены на получение изображений позвоночника, спинового мозга, головного мозга и конечностей, либо изображений с пространственным разрешением превосходящим текущее, либо с получением изображений аналогичного качества, но гораздо быстрее. В краткосрочной перспективе результатом данного проекта должно стать обеспечение более ранней и эффективной МР-диагностики распространенных заболеваний, а в долгосрочной перспективе послужить первым шагом к кардинальному изменению и усовершенствованию радиочастотных технологий используемых сейчас в низкопольных, высокопольных и сверхвысокопольных МР-томографах.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Бруй Е.А., Щелокова А.В., Соколов А.В., Слобожанюк А.П., Андрейченко А.Е., Фокин В.А,, Белов П.А,, Мельчакова И.В. Magnetic Resonance Spectroscopy at 1.5 T with a Hybrid Metasurface JETP Letters, Vol. 108, No. 6, pp. 423–427. (год публикации - 2018)
10.1134/S0021364018180017

2. Сергей Косульников, Виктор Залипаев, Алена Щелокова, Ирина Мельчакова, Станислав Глыбовский, Алексей Слобожанюк и Павел Белов Mode hopping in arrays of resonant thin wires over a dielectric interface PHYSICAL REVIEW B, Том: 98 Выпуск: 17 Номер статьи: 174302 (год публикации - 2018)
10.1103/PhysRevB.98.174302

3. Авдиевич Н.И., Соломаха Г., Рум Л., Шеффлер К., Хеннинг А. Evaluation of Short Folded Dipole Antennas as Receive Elements of UltraHigh Field Human Head Array Magnetic Resonance in Medicine, 1-14 (год публикации - 2019)
10.1002/mrm.27754

4. В. Залипаев, С. Косульников, С. Глыбовский, А. Щелокова, А. Слобожанюк, П. Белов Mode Hopping in 1D Arrays of Resonant PEC Thin Wires over an Interface Between Two Dielectric Media IEEE, Номер статьи 8534051, Pages 460-462 (год публикации - 2018)
10.1109/MetaMaterials.2018.8534051

5. Муссу М. А.С., Чобану Л., Курдюмов С., Ненашева Е., Джемаи Б., Дюбуа М., Уэбб А., Енох С., Белов П., Абдеддаим Р., Глыбовский С. Systematic Analysis of the Improvements in Magnetic Resonance Microscopy with Ferroelectric Composite Ceramics Advanced Materials (год публикации - 2019)

6. Е А. Бруй, Ш Ш Ахметзянов, А.Е. Андрейченко High-amplitude radiofrequency pulses for metadevice-assisted MRI Journal of Physics: Conference Series (год публикации - 2019)
10.1088/1742-6596/1461/1/012019

7. Егор И. Кретов, Алена В. Щелокова, Алексей П. Слобожанюк Control of the magnetic near-field pattern inside MRI machine with tunable metasurface Applied Physics Letters, Том: 115 Выпуск: 6 Номер статьи: 061604 (год публикации - 2019)
10.1063/1.5099413

8. Е. Кретов , А. Щелокова, А. Слобожанюк Control of the RF magnetic field pattern by tunable metasurface in 1.5 T MRI Journal of Physics: Conference Series, 1461, 012075 (год публикации - 2020)
10.1088/1742-6596/1461/1/012075

9. Е.А. Корешин, М.А. Зубков, С.Б. Глыбовский RF-resonator for clinical MR imaging in urology and andrology Journal of Physics: Conference Series, 1461,012069 (год публикации - 2020)
10.1088/1742-6596/1461/1/012069

10. Е.Бруй, А.Я. Ефимцев, В. А. Фокин, Р. Фернандес, А. Г. Левчук, А. С. Ожье, А. А. Самсонов, Ж.П. Маттей, И.В. Мельчакова, Д. Бендахан, А. Андрейченко. Deep learning-based fully automatic segmentation of wrist cartilage in MR images NMR IN BIOMEDICINE (год публикации - 2020)
10.1002/nbm.4320

11. Евгений Корешин, Александр Ефимцев, Александр Гулько, Сергей Попов, Игорь Орлов, Геннадий Труфанов, Михаил Зубков Design of a RF-resonant set improving locally the B1+ efficiency. Applications for clinical MRI in andrology and urology JOURNAL OF MAGNETIC RESONANCE, Том: 317 Номер статьи: 106774 (год публикации - 2020)
10.1016/j.jmr.2020.106774

12. Всеволод Воробьев, Алена Щелокова, Ирена Живкович, Алексей Слобожанюк, Хуан Д. Баэна, Хуан П. дель Риско, Редха Абдеддаим, Эндрю Уэбб, Станислав Глыбовски An artificial dielectric slab for ultra high-field MRI: Proof of concept JOURNAL OF MAGNETIC RESONANCE, Том: 320 Номер статьи: 106835 (год публикации - 2020)
10.1016/j.jmr.2020.106835

13. Екатерина Бруй, Анна Лепехина, Дарья Чегина, Татьяна Буккиева, Александр Ефимцев, Анна Андрейченко Benefits of a wireless metamaterial-based radiofrequency coil for clinical wrist MRI AIP Conference Proceedings (год публикации - 2020)
10.1063/5.0032077

14. В. Воробьев, А. Щелокова, И. Живкович, А. Слобожанюк, Дж. Д. Баэна, Х. П. дель Риско, Р. Абдеддаим, А. Уэбб, С. Глыбовский Artificial dielectric for 7T MRI AIP Conference Proceedings (год публикации - 2020)
10.1063/5.0032015

Публикации