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 18-79-10167

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

РуководительМельчакова Ирина Валерьевна, Кандидат 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

07.2018 - 06.2021

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 словаКомпозитные 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

СтатусУспешно завершен

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.

Ожидаемые результаты
Практически во всех МР-экспериментах и исследованиях, оборудование используемое для детектирования очень слабых сигналов (радиочастотные (РЧ) катушки) состоит из простых конструкций, изготовленных из медных проводников. Предлагались различные подходы для улучшения характеристик магнитно-резонансной томографии (МРТ). Основным методом является оптимизация структур, состоящих из множества (обычно от 8 до 96) малых радиочастотных (РЧ) приёмных катушек, подключенных каждая к своему приёмному РЧ каналу. Внедрение многоканальных приёмных катушек позволило значительно повысить соотношение сигнал-шум, а также ускорить процедуру проведения МР-сканирования (в ущерб соотношению сигнал-шум) путём использования методов получения параллельных изображений. С другой стороны, альтернативной областью исследований, которая только сейчас начинает изучаться, является использование новых композитных материалов в МРТ. Подобные идеи непосредственно связанны с изучением, разработкой и использованием композитных материалов для различных приложений, что является одной из наиболее динамично развивающихся областей современной науки о материалах. В рамках данного исследовательского проекта мы планируем существенно улучшить характеристики МРТ посредством применения двух типов новых материалов: метаматериалов и материалов с высокой диэлектрической проницаемостью. Используя данные материалы мы нацелены разработать новое поколение МР-устройств для усиления и перераспределения электромагнитных полей в пространстве, что предоставит возможность решить фундаментальную проблему увеличения соотношение сигнал-шум, тем самым позволит улучшить разрешение получаемых изображений или уменьшить время сканирования в МРТ. В частности мы планируем разработать следующие устройства: (1) Метаповерхность интегрируемая в стол томографа для улучшения качества изображений при исследовании позвоночника. В современных МР томографах, элементы приемной РЧ катушки встраиваются в стол и их можно независимо помещать внутрь или за пределы стола. Это создает дополнительное пространство между катушкой и пациентом по сравнению с ситуацией, когда катушка находится в прямом контакте с пациентом. Последнее приводит к неоптимальному соотношению сигнал-шум. Мы предлагаем разработать стол на основе метаповерхности (мета-стол), которая будет размещена между приемным массивом и пациентом. Таким образом удастся повысить чувствительность приемной РЧ катушки (соотношение сигнал-шум) и улучшить качество изображений получаемых при МР-исследовании всего тела, позвоночника и спинного мозга. (2) МР-сенсоры на основерезонаторов выполненных из материалов с очень высокой диэлектрической проницаемостью. Мы изучим, изготовим и охарактеризуем новые высокодобротные диэлектрические резонаторы и диэлектрические подкладки для улучшения характеристик МР-томографии. Большинство устройств, которые планируется разработать в рамках в данного проекта – пассивные устройства, которые могут быть напрямую интегрированы в состав уже существующих МР-томографов, установленных в учреждениях здравоохранения Российской Федерации, путём закрепления их на столе для пациента или установки между телом пациента и уже имеющимися приёмными катушками. При размещении пациента поверх или вблизи данных устройств появляется возможность либо сократить время МР-исследования или значительно повысить качество получаемых изображений. Все разработанные устройства будут использованы для МРТ человека. В частности, мы планируем провести целый комплекс МР-исследований с участием волонтеров и получить посредством разработанных устройств более информативные изображения (с лучшей детализацией за счет увеличения соотношения сигнал-шум) спины, конечностей и головного мозга. При успешной коммерциализации данных устройств они могут быть предложены частным и государственным учреждениям здравоохранения с целью расширения спектра проводимых МР-исследований путём увеличения чувствительности имеющихся аппаратов МРТ или посредством сокращения времени МР-исследования.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Основной научной целью данного проекта является улучшение характеристик клинических (от низкопольных до сверхвысокопольных) МР-томографов посредством применения метаматериалов и диэлектрических материалов с очень высокой диэлектрической проницаемостью и низкими потерями. В ходе первого года работ по проекту были исследованы различные прототипы метаповерхностей, позволяющие локально усиливать соотношение сигнал-шум в МРТ 1.5 Тл. В частности, разработана ультратонкая метаповерхность, так называемый в проекте мета-стол, которую можно помещать на стол для пациента и использовать для МРТ спины. Также в проекте была впервые показана возможность улучшения МР-спектроскопии в условиях 1.5 Тл томографа. Демонстрация была основана на сравнении спектров метаболитов, содержащихся в фантоме простаты, и было показано что, соотношение сигнал-шум было увеличено более чем в 7 раз используя метаповерхность. Также в первый год была продемонстрирована нелинейная метаповерхность, которая не влияет на поле катушки источника. Был продемонстрирован экспериментально эффект перескока собственных мод метаповерхности из проводов и проведен анализ влияния данного эффекта в задачах МРТ. Была реализована катушка на основе нового материала с очень высокой диэлектрической проницаемостью и малыми потерями для задач МР-микроскопии в условиях томографа 17.2 Тл. Также была реализована численная модель многоканальной катушки для МРТ головного мозга в условиях томографа 9.4 Тл.

Публикации

1. 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) https://doi.org/10.1002/mrm.27754

2. 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) https://doi.org/10.1134/S0021364018180017

3. 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)

4. 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) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.98.174302

5. 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) https://doi.org/10.1109/MetaMaterials.2018.8534051

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Основной научной целью данного проекта является улучшение характеристик клинических (от низкопольных до сверхвысокопольных) МР-томографов посредством применения метаматериалов и диэлектрических материалов с очень высокой диэлектрической проницаемостью и низкими потерями. В ходе второго года работ по проекту были проведены численные и экспериментальные исследования (в том числе с участием волонтеров) разработанных структур на основе метаматериалов. В частности, были получены МРТ-изображения фантома и волонтера с помощью мета-стола на основе диэлектрических подкладок и приемной катушкой. Был разработан радиочастотный резонатор для МРТ-визуализации полового члена в условиях 1.5 Тл. Полученные экспериментальные данные показывают, что среднее отношение сигнал-шум было увеличено на 51% (от 20% до 90%) с использованием резонатора по сравнению с локальной катушкой на Т2-взвешенных изображениях и на 52% средний рост (от 36% до 63%) в Т1-взвешенных изображениях. Были получены МР-изображения лучезапястного сустава волонтеров, с помощью импульсных последовательностей VIBE и быстрого спинового эха для двух коммерческих катушек и разработанной катушки на основе метаматериала. На примере двух базовых импульсных последовательностей для мышечно-скелетной МРТ, продемонстрировано, что катушка на основе метаматериала показывает наилучшую чувствительность (более 20% выигрыш в отношении сигнал-шум) по сравнению с тремя коммерчески доступными катушками, с помощью которых в клинической практике может быть произведено сканирование рук. Используя преимущества высокой чувствительности разработанной катушки на основе матерматериала, была проведена сегментация хрящевой ткани на 1.5 Тл МР изображениях лучезапястного сустава. Также мы численно продемонстрировали возможность сократить время определенных МР-сканирований на 22% за счет использовать наиболее эффективных высокоселективных РЧ-импульсов (SLR-импульсы) в клинической МРТ, оставаясь при этом в установленных пределах РЧ безопасности благодаря возможности разработанных катушек на основе метаматериалов значительно уменьшать РЧ нагрузку на организм человека.

Публикации

1. 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) https://doi.org/10.1002/nbm.4320

2. 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) https://doi.org/10.1063/1.5099413

3. 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) https://doi.org/10.1088/1742-6596/1461/1/012019

4. 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) https://doi.org/10.1088/1742-6596/1461/1/012075

5. 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) https://doi.org/10.1088/1742-6596/1461/1/012069

6. - Ученые разработали новые зонды для магнитно-резонансной микроскопии на основе уникальной керамики Новости Университета ИТМО, - (год публикации - )

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Основной научной целью данного проекта является улучшение характеристик клинических (от низкопольных до сверхвысокопольных) МР-томографов посредством применения метаматериалов и диэлектрических материалов с очень высокой диэлектрической проницаемостью и низкими потерями. В ходе третьего года работ по проекту были проведены численные и экспериментальные исследования (в том числе, с участием волонтеров) разработанных структур на основе искусственных диэлектриков. В частности, была разработана МРТ-подкладка на основе искусственного диэлектрика для сверхвысокопольного МРТ 7 Тл. Полученные экспериментальные данные показали, что подкладка, выполненная из искусственного диэлектрика, может усиливать локальное радиочастотное магнитное поле внутри фантома в области, соответствующей теменным долям человеческого мозга при исследовании на 7 Тл МРТ. Улучшение поля составило более 10% в сравнении с случаем без подкладки, что аналогично обычной диэлектрической подкладке с такими же размерами. Однако разработанная подкладка из искусственного диэлектрика не обладает недостатками, свойственными обычной диэлектрической подкладке: значительный вес, изменение материальных свойств со временем (деградация эффективности) и содержание биологически несовместимых материалов. Более того, разработанная подкладка из искусственного диэлектрика может быть выполнена из доступных и дешевых материалов, в отличие от обычной подкладки на основе относительно дорогой керамики. В результате повышенная доступность и снижение стоимости являются одними из преимуществ разработанной подкладки из искусственного диэлектрика. (ссылка на статью: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1090780720301531). Была разработана подкладка на основе искусственного диэлектрика для 3 Тл МРТ и проведены измерения на клиническом МРТ в присутствии трех добровольцев. В случае отсутствия подкладки в верхней части живота у всех трех добровольцев наблюдался артефакт - темная область. Полученные изображения с участием подкладок подтверждают, что и диэлектрическая подкладка, и подкладка из искусственного диэлектрика перераспределяют ближнее поле и позволяют полностью убрать темную область. Таким образом, мы успешно заменили достаточно тяжелую диэлектрическую подкладку на еще более тонкую, двумерную и гибкую периодическую структуру, то есть искусственный диэлектрик. (ссылка на препринт статьи: https://arxiv.org/abs/2102.01384). Мы полагаем, что предлагаемые подкладки из искусственного диэлектрика станут разумной альтернативой подкладкам из обычного диэлектрика в клинической и исследовательской МРТ.

Публикации

1. 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) https://doi.org/10.1016/j.jmr.2020.106835

2. 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) https://doi.org/10.1016/j.jmr.2020.106774

3. 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) https://doi.org/10.1063/5.0032015

4. 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) https://doi.org/10.1063/5.0032077

Возможность практического использования результатов
Среди результатов, имеющих особенно высокий потенциал практического применения, следует выделить следующие: 1) Создание МРТ-подкладки на основе искусственных диэлектриков позволит улучшит однородность радиочастотного магнитного поля при исследованиях в МРТ с силой поля 3 Тл и 7 Тл. 2) Созданная метаповерхности для МРТ с силой поля 1.5 Тл позволит локального усиливать соотношение сигнал-шум, в применении для МРТ-спектроскопии и для получения МР-изображений. 3) Разработана беспроводная катушка на основе метаматериала с высоким соотношением сигнал-шум для МРТ-визуализации полового члена при 1.5 Тл МРТ. 4) Электромагнитная модель многоканальной катушки для МРТ головного мозга в условиях 9.4 Тл томографа. Данная разработка, помимо очевидных преимуществ, которые дают высокое отношение сигнал-шум (повышение разрешения изображений, за счет которого может быть повышена детализация структур головного мозга), может значительно улучшить качество МР спектроскопии по ядрам водорода (соотношение сигнал-шум), которая на данным момент считается очень перспективным методом неинвазивной диагностики опухолей головного мозга, поскольку может заменить биопсию. 5) Была разработана катушка на основе диэлектрического резонатора для МР-микроскопии в томографе 17.2 Тл. Устройство имеет большой потенциал для использования в исследованиях функциональных и структурных особенностей тканей на микроуровне в ex-vivo условиях.