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 18-19-00482

НазваниеАнтенны магнитно-резонансных томографов на основе искусственных магнитных экранов

РуководительСимовский Константин Руфович, Доктор физико-математических наук

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

Период выполнения при поддержке РНФ

2018 г. - 2020 г.

Конкурс№28 - Конкурс 2018 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

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

Ключевые словаантенна, радиочастотная катушка, искусственный магнитный экран, магнитно-резонансная томография

Код ГРНТИ47.45.29

СтатусУспешно завершен

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Магнитно-резонансная томография (МРТ) является одним из наиболее информативных и безопасных методов неинвазивной диагностики заболеваний и одним из важнейших инструментов биомедицинских исследований. Технология МРТ быстро развивается в направлении повышения разрешающей способности и контраста изображений. Оба этих фактора определяются постоянным полем магнита. В настоящее время для диагностики пациентов в России и Европе разрешены высокопольные томографы, в которых сверхпроводящий магнит создает постоянное поле от 1.5 до 3.0 Тл. Дальнейшее повышение поля магнита позволило бы повысить разрешение за счет повышения соотношения сигнал-шум и уменьшить время сканирования, однако использование томографов для всего тела человека с уровнем поле более 3 Тл на данный момент невозможно ввиду повышенной опасности воздействия на организм пациентов как сильного магнитостатического поля, так и сильного радиочастотного электрического полей. Улучшение качества изображений без повышения поля магнита может быть достигнуто лишь путем повышения чувствительности радиочастотной (РЧ) системы клинического томографа, которая включает передающие и приемные антенны (РЧ катушки), работающие на Ларморовой частоте от 64 до 128 МГц. Исследование и экспериментальная реализация совершенно новых видов РЧ катушек является актуальной задачей т.к. эффективное управление распределением РЧ поля в томографе позволит повысить КПД РЧ системы в режиме передачи и ее чувствительность в режиме приема, что в конечном счете позволит повысить качество и скорость процедуры МРТ. Целью проекта является исследование, разработка и практическая реализация совершенно нового типа приемопередающей РЧ катушки для клинической томографии всего тела пациента, обеспечивающей соотношение сигнал-шум выше, чем у используемых в МРТ катушках. Научная новизна предлагаемого подхода заключается в использовании в составе томографа искусственного магнитного экрана - резонансной периодической структуры, окружающей отсек пациента и изолирующей его в РЧ диапазоне от внешних систем (градиентной системы и магнита). В отличие от классического решения - металлического РЧ экрана, необходимое присутствие которого в целях экранирования на порядок ухудшает КПД передающих и чувствительность приемных РЧ катушек, магнитный экран не обладает данным недостатком при той же экранирующей способности. В ходе данного проекта впервые в мире будет разработан и экспериментально протестирован магнитный экран для клинического высокопольного томографа, который позволит повысить КПД РЧ системы и повысить соотношение сигнал-шум получаемых изображений. Для достижения цели проекта будет последовательно решен ряд задач от теоретического исследования предложенной структуры до ее изготовления и тестирования в различных режимах сканирования высокопольного томографа. В частности, будут исследованы свойства магнитного экрана, используемого в составе РЧ катушки для всего тела человека типа birdcage ("птичья клетка") вместо металлического экрана путем как аналитического, так и численного электродинамического моделирования. Затем будет выбрана практическая реализация магнитного экрана для полноразмерной катушки клинического томографа, разработан экспериментальный образец катушки и проведено его тестирование как "на стенде", так и в составе действующего томографа (путем проведения сканирования специальных "фантомов") с целью демонстрации повышения соотношения сигнал-шум и снижения затрачиваемой мощности РЧ системы. Таким образом, в результате проекта будет создано совершенно новое техническое решение, имеющее перспективу внедрения в современные клинические МР-томографы.

Ожидаемые результаты
В результате проекта будут последовательно решены задачи, необходимые для достижения цели проекта - экспериментальной реализации РЧ катушки нового поколения на основе магнитного экрана для сканирования всего тела пациента в клиническом томографе с повышенным соотношением сигнал-шум, а также ее тестирования на фантомах в различных режимах томографа. Для достижения цели проекта будут последовательно решены отдельные задачи, начиная с теоретического рассмотрения предложенной конфигурации РЧ катушки с идеальным магнитным экраном в ее составе, и заканчивая тестированием экспериментального образца в различных режимах сканирования действующего высокопольного томографа. В ходе проекта предполагается впервые получить следующие научные результаты: 1) Будет построена аналитическая модель корпуса (РЧ экрана) высокопольного МР-томографа в виде идеализированного цилиндрического магнитного экрана, описываемого импедансными граничными условиями. Данная модель магнитного экрана позволит рассчитывать распределения полей внутри томографа при заданной мощности генератора и заданной геометрии передающей РЧ катушки. Кроме того, она позволит произвести оценку соотношения сигнал-шум заданной РЧ катушки в режиме приема. Также модель позволит выбирать геометрические параметры РЧ катушек работающих в томографе с магнитным экраном в первом приближении. 2) Будет построена аналитическая модель приемопередающей катушки типа birdcage ("птичья клетка"), имеющая цилиндрический экран с заданным поверхностным импедансом. При этом конфигурация проводников РЧ катушки соответствует используемой в большинстве клинических высокопольных томографов катушке в виде периодической структуры из проводников на цилиндрической поверхности, нагруженных на сосредоточенные емкости. Данная модель позволит рассчитать собственные моды катушки birdcage в зависимости от поверхностного импеданса магнитного экрана и геометрических размеров катушки. Будут рассчитаны собственные частоты и распределения полей различных собственных мод. Будет выбрана фундаментальная мода, имеющая однородное магнитное поле круговой поляризации внутри РЧ экрана и произведена оценка необходимых значений параметров для настройки на рабочую частоту клинического томографа. 3) Будет построена детальная численная компьютерная модель катушки типа birdcage с идеализированным магнитным экраном, включающая в себя детальную электромагнитную модель тела человека. Важность данной модели заключается в возможности уточнения достижимых значений КПД в режиме передачи и соотношения сигнал-шум в режиме приема, а также параметров, необходимых для точной настройки фундаментальной собственной моды на рабочую частоту клинического томографа. При помощи модели будут получены результаты численного моделирования по расчету РЧ полей катушки с металлическим экраном и катушки с магнитным экраном, а также результаты сравнения их достижимых характеристик в передаче (включая уровень поглощения в тканях) и в приеме. 4) Будет предложена практическая реализация искусственного магнитного экрана в виде периодической структуры элементов с магнитным откликом и возможностью индуктивной связи с катушкой типа birdcage, имеющих резонанс на Ларморовой частоте клинического томографа (64 МГц для магнита 1.5 Тл и 128 МГц для магнита 3.0 Тл). При этом выбранная структура будет удовлетворять специфическим требованиям высокопольной МРТ по частотной полосе, отсутствию магнитной восприимчивости на постоянном токе, минимальной площади металлических деталей и возможности тонкой подстройки резонансной частоты в условиях реального томографа. Выбранная на данном шаге реализация будет соответствовать будущему экспериментальному образцу и позволит точно спрогнозировать характеристики последнего. 5) Будут получены результаты детального численного моделирования практической реализации катушки с магнитным экраном в форме разработанной периодической структуры в присутствии модели тела человека, а также результаты сравнительного анализа ее характеристик и характеристик стандартной катушки с металлическим экраном. Данные результаты должны количественно подтвердить улучшение соотношения сигнал-шум в режиме приема и повышение КПД в режиме передачи по сравнению со стандартным решением, используемым в томографах рассматриваемого типа. 6) Будет создан экспериментальный образец катушки типа birdcage с искусственным магнитным экраном, работающий на частоте высокопольного клинического МРТ. Таким образом, впервые искусственный магнитный экран будет реализован в диапазоне частот клинического МРТ. 7) Будут получены результаты сравнительного тестирования экспериментального образца новой катушки с магнитным экрaном, как "на стенде" (с использованием векторного анализатора цепей в условиях имитации корпуса томографа), так и в условиях действующего высокопольного томографа (наборы МРТ изображений фантомов, полученные в различных режимах сканирования). В качестве катушки для сравнения будет использована стандартная катушка типа birdcage с металлическим экраном. Данные результаты покажут выигрыш в использовании предложенной катушки на основе магнитного экрана и перспективность ее внедрения в новые высокопольные клинические МР-томографы. Все вышеуказанные результаты соответствуют мировому уровню исследований в области новых технологий магнитно-резонансной томографии. Схожие исследования по возможности интеграции сложный резонансных периодических структур в конструкции РЧ катушек МРТ с целью улучшения их характеристик в данный момент ведутся несколькими ведущими научными группами, а также исследовательскими отделами производителей систем МРТ. Планируемые результаты приведут к созданию новой интеллектуальной собственности, которую планируется защитить посредством подачи заявок на изобретение и полезные модели. Результаты проекта непосредственно продемонстрируют целесообразность применения искусственных магнитных экранов в технике высокопольной МРТ и внедрения в перспективные клинические томографы. В связи с активно проводимой в последние несколько лет в России работой по созданию отечественных высокопольных клинических томографов 1.5 Тл, в результате выполнения предлагаемого проекта появится возможность улучшения радиочастотного аппарата последующих моделей подобных систем. Работы по тестированию разрабатываемого экспериментального образца в условиях действующего высокопольного томографа 1.5Т будут проводиться в сотрудничестве с отечественной компанией производителем техники МРТ. В каждом году выполнения работ планируется публикация в наиболее авторитетных журналах по теме МРТ, антенн и радиочастотных устройств, входящих в Q1: - Magnetic Resonance in Medicine (IF=3.9) - NMR in Biomedicine (IF=3.0) - IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques (IF=2.2). Всего за 3 года выполнения проекта среди запланированных публикаций планируется подготовить не менее 6 журнальных статей в вышеперечисленных журналах, либо им аналогичных.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---