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 15-19-20054

НазваниеРазработка метаповерхностей для магнитно-резонансной томографии

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

2015 г. - 2017 г.

Конкурс№8 - Конкурс 2015 года на получение грантов по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований в небольших группах под руководством ведущих российских и зарубежных ученых».

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-608 - Инженерно-технические и информационные автоматизированные системы мониторинга биоресурсов, биосферы и технических систем

Ключевые словаМетаповерхности, магнитно-резонансная томография, ближнее электромагнитное поле, развязка, экранирование, соотношение сигнал-шум

Код ГРНТИ47.00.00

СтатусУспешно завершен

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящее время технология магнитно-резонансной томографии (МРТ) предоставляет собой один из наиболее информативных и безопасных методов неинвазивного исследования в медицине. Данная технология активно развивается в направлении повышения качества получаемых изображений. Под этим подразумевается повышение соотношения сигнал-шум и разрешающей способности томографов. Повышение уровня полезного сигнала и снижение уровня шумов является на сегодняшний день также одной из важнейших задач в магнитно-резонансной спектроскопии. Сегодня данная задача активно решается за счет повышения уровня постоянного поля, увеличения времени сканирования, а также применения катушек с повышенным числом приемопередающих каналов, чему посвящено большое число научных работ опубликованных в последние годы. Однако, указанные методы имеют существенные недостатки и ограничения. Так увеличение постоянного магнитного поля в томографе свыше 3 Тл на данный момент не разрешено в клиниках как в России и в Европе, т.к. действие столь сильных полей на здоровье пациентов не изучено в полной мере, а также растет опасность проведения исследований для пациентов и персонала. Увеличение времени сканирования также недопустимо ввиду ограничения на длительное воздействие неионизирующего радиочастотного излучения, а также появления артефактов изображения ввиду движения пациента. Повышение числа передающих каналов также приводит к повышению вредного воздействия излучения и ограничено эффектами взаимного влияния каналов (как для передающих, так и для приемных). Что немаловажно все указанные подходы неизбежно приводят к увеличению стоимости оборудования (как магнита томографа, так и катушек), а также к повышению стоимости его содержания и технического обслуживания. В конечном счете улучшение качества изображений снижает доступность технологии для пациентов. В данном проекте мы предлагаем альтернативный путь повышения соотношения сигнал-шум и разрешения в МР-томографии и спектроскопии, не требующий увеличения постоянного магнитного поля и числа каналов. Идеей является оптимальное перераспределение ближнего электромагнитного поля внутри сканера, при котором в области исследования локально повышается уровень высокочастотного магнитного поля, в то время как уровень высокочастотного электрического поля снижается. В результате повышается отклик ядерного магнитного резонанса (полезный сигнал), и снижаются тепловые потери в тканях организма (уровень шума). Для этого в ходе работы над проектом будут разработаны и изготовлены специальные плоские периодические структуры с резонансным электромагнитным откликом - метаповерхности. Подобные структуры, работающие как в радио диапазоне, так и в оптическом, активно изучаются ведущими научными центрами мира, при этом наиболее значимые результаты были получены лишь недавно - с 2013 по 2015 гг. Метаповерхности позволяют управлять распределением электромагнитного поля (амплитудой, фазой и поляризацией) уже на расстоянии порядка собственного периода, даже если это расстояние мало по сравнением с длиной волны. Благодаря этому метаповерхности способны перераспределять высокочастотное электромагнитное поле вблизи источников на сравнительно низких частотах МРТ (от десятков до сотен МГц). Поэтому предлагаемый нами подход позволит повысить разрешение как высокопольных (1.5-3 Тл), так и низкопольных томографов (0.1-0.4 Тл) уже имеющихся на рынке. Применение метаповерхностей в конечном счете позволит снизить себестоимость МРТ-исследований при сохранении качества получаемых изображений. Кроме того, в проекте будет рассмотрено применение метаповерхностей для других способов повышения производительности МРТ: снижения взаимного влияния элементов приемных и передующих катушек и экранирование объектов в поле МР-томографа. В ходе проекта будут проведены теоретические исследования перераспределения поля в МР-томографе при помощи метаповерхностей, компьютерное моделирование, будут разработаны и изготовлены действующие образцы метаповерхностей. Кроме того, будут проведены измерения образцов на действующих томографах, подтверждающие повышение качества изображений.

Ожидаемые результаты
В ходе проекта будут разработаны и созданы метаповерхности для перераспределения высокочастотного электромагнитного поля с целью улучшения характеристик изображений низкопольных, высокопольных и сверхвысокопольных МР-томографов. Будет построена численно-аналитическая модель для расчета эффектов взаимодействия электромагнитного поля с метаповерхностями в условиях МР-томографа, а также проведено численное моделирование с целью точного выбора параметров и оптимизации метаповерхностей для работы при заданном постоянном магнитном поле томографа. На основании расчетов и численного моделирования будут разработаны следующие метаповерхности: 1. Метаповерхности из тонких нагруженных проводов для повышения соотношения сигнал-шум и разрешающей способности в низкопольной и высокопольной МР-томографии и спектроскопии; Пассивные резонансные метаповерхности на основе тонких непересекающихся проводов, нагруженных на реактивные нагрузки для настройки на заданную частоту, позволят улучшить характеристики получаемого МРТ-изображения при их расположении вблизи исследуемого отдела организма пациента (головного мозга, сердца, брюшной полости, суставов, стопы и т.д.). Использование разработанных метаповерхностей позволит в несколько раз повысить соотношение сигнал-шум в сканируемой области за счет резонансного увеличения амплитуды высокочастотного магнитного поля и снижения амплитуды электрического поля. Также использование данных устройств повысит разрешение изображения, определяемое уровнем шумов при заданном размере области сканирования. 2. Метаповерхности для развязки близкорасположенных элементов многоканальных катушек сверхвысокопольных томографов; Метаповерхности с запрещенной зоной, лежащей в диапазоне частот сверхвысокопольных МР-томографов позволят добиться развязки отдельных элементов многоканальных приемных и передающих катушек, которые должны быть расположены близко друг к другу в сравнении с длиной волны. Развязка элементов позволит увеличить разрешение изображения при том же числе каналов, а также позволит уменьшить уровень поглощения (SAR), т.к. даст возможность увеличить расстояние между катушками и сканируемым объектом при сохранении уровня полезного сигнала. 3. Метаповерхности для управления распределением высокочастотного электромагнитного поля внутри томографа; Метаповерхности с пространственной и частотной селекцией позволят эффективно управлять распределением поля на расстоянии порядка длины волны и меньше за счет заданного взаимодействия их элементарных ячеек с полем передающих катушек. В частности, будут разработаны метаповерхности для эффективного экранирования произвольных объектов заданных размеров от воздействия высокочастотного поля внутри МР-томографа. Решение подобной задачи электромагнитной совместимости позволит исключить нагрев отдельных предметов, вносимых в томограф, а также отдельных областей организма пациента за счет сильного поглощения радиочастотной энергии. Кроме того, подобные экраны сделают возможным работу электронных имплантатов внутри тела пациента во время проведения МРТ исследования смежных отделов организма, позволят располагать внутри томографа дополнительное электронное оборудование. Также будет разработана высокоимпедансная метаповерхность, представляющая собой композитную обшивку, не влияющую на работоспособность приемных нательных катушек при их близком поднесении к стенкам внутреннего пространства томографа. Это позволит снизить неоднородность радиочастотного магнитного поля при выносе приемной катушки из изоцентра томографа. Все разработанные метаповерхности будут изготовлены в виде работающих образцов. Для их настройки и конечной оптимизации в эксперименте будут проведены измерения в условиях безэховой камеры. Также разработанные устройства будут протестированы в условиях действующих томографов с различным уровнем магнитного поля. В результате будет экспериментально продемонстрировано улучшение характеристик МРТ-изображения за счет применения метаповерхностей. Все научные результаты проекта являются новыми и соответствуют мировому уровню исследований. Тема проекта является крайне актуальной в свете быстрорастущего интереса к метаповерхностям в последние два года. Технология МРТ в силу узкой рабочей полосы частот является одним из немногих потенциальных приложений метаповерхностей, где могут быть реализованы практически все возможности последних по управлению распределением электромагнитного поля. За счет повышения соотношения сигнал-шум при помощи разработанных метаповерхностей можно будет снизить требуемое время проведения МРТ-исследования при сохранении качества получаемых изображений, либо повысить качество получаемых изображений без увеличения уровня постоянного магнитного поля. В результате использование разработок данного проекта потенциально сможет повысить доступность технологии МРТ в клиниках.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2015 году
Данный проект посвящен теоретическому и экспериментальному изучению свойств метаповерхностей, работающих в условиях магнитно-резонансных томографов с различным уровнем постоянного магнитного поля, а также исследованию их влияния на получаемые изображения. В ходе проекта разрабатываются и создаются метаповерхности, оказывающие положительный эффект на основные характеристики МРТ, такие как соотношение сигнал-шум, уровень поглощенной мощности, коэффициент полезного действия катушек (антенн), а также время проведения сканирования. Первая часть работ, проведенных в 2015 году посвящена исследованию метаповерхностей на основе периодически расположенных тонких немагнитных проводов определенной длины, обеспечивающих резонансное усиление радиочастотного магнитного поля передающей катушки, а также снижение уровня электрического поля в области сканирования пациента. Применение нескольких различных разработанных метаповерхностей, как было экспериментально показано, приводит к повышению локального соотношения сигнал-шум в 2.7-3.5 раза. Это позволяет добиться того же качества изображения при сниженной мощности генератора либо при укороченном времени сканирования. Были разработаны и исследованы: плоская метаповерхность из разомкнутых проводов с заполнением диэлектриком с высокой диэлектрической проницаемостью; плоская метаповерхность в печатной реализации с нагруженными на емкости проводами; цилиндрическая метаповерхность из разомкнутых проводов для сканирования головы пациента. Вторая часть работ посвящена возможности повышения коэффициента полезного действия многоканальных катушек МРТ с уровнем поля 7 Тл путем развязки их соседних элементов при помощи метаповерхностей с запрещенной зоной. Повышение коэффициента полезного действия при помощи подобной метаповерхности было продемонстрировано экспериментально на примере нательного приемопередающего массива из шести согласованных дипольных антенн.

Публикации

1. Alexey P. Slobozhanyuk, Alexander N. Poddubny, Alexander J. E. Raaijmakers, Cornelis A. T. van den Berg, Alexander V. Kozachenko, Irina A. Dubrovina, Irina V. Melchakova, Yuri S. Kivshar, Pavel A. Belov Enhancement of Magnetic Resonance Imaging with Metasurfaces Advanced Materials, - (год публикации - 2015) https://doi.org/10.1002/adma.201504270

2. A.V. Shchelokova, A.P. Slobozhanyuk, I.V. Melchakova, A.N. Poddubny, Yu.S. Kivshar, P.A. Belov, A.J.E. Raaijmakers, C.A.T. van den Berg Annular Wire Metamaterial Resonators for Magnetic Resonance Imaging 2015 SBMO/IEEE MTT-S International Microwave and Optoelectronics Conference (IMOC), - (год публикации - 2015)

3. T.A. Derzhavskaya, S.B. Glybovski, A.A. Hurshkainen, I.V. Melchakova, A.J.E. Raaijmakers, C.A.T. van den Berg Decoupling Capabilities of Mushroom-Type High-Impedance Metasurfaces in 7T MRI Applications 2015 SBMO/IEEE MTT-S International Microwave and Optoelectronics Conference (IMOC), - (год публикации - 2015)

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
На данном этапе выполнения Проекта было проведено дальнейшее теоретическое и экспериментальное изучение свойств метаповерхностей, работающих в условиях МР-томографов и их влияния на получаемые изображения. Поскольку в ходе предыдущего этапа были обоснованы перспективы улучшения качества изображений в различных задачах МРТ, в ходе данного этапа было решено сконцентрироваться на более детальном численном и экспериментальном исследовании эффекта применения пассивных метаповерхностей в рамках конкретных задач клинической и доклинической томографии. Также были построены экспериментальные образцы новых радиочастотных пассивных катушек МРТ на основе метаповерхностей – устройств, пригодных для практического применения в рассмотренных приложениях. Для этого были исследованы метаповерхности на основе элементарных ячеек нескольких видов. Полученные численные и экспериментальные результаты демонстрируют улучшение эффективности методов МРТ и повышение качества изображений. В частности, были рассмотрены следующие структуры: 1) метаповерхности нескольких типов и устройства на их основе для повышения локального соотношения сигнал-шум (для высокопольных и сверхвысокопольных томографов); 2) метаповерхности с запрещенной зоной для развязки соседних элементов многоканальных приемных и передающих катушек сверхвысокопольных МРТ; 3) метаповерхности для настройки и улучшения характеристик антенн исследовательских томографов для небольших животных.

Публикации

1. Анна Хуршкайнен, Татьяна Державская, Станислав Глыбовский, Ингмар Фоогт, Ирина Мельчакова, Корнелис ван ден Берг, Александр Рааймайкерс Element decoupling of 7 T dipole body arrays by EBG metasurface structures: Experimental verification Journal of Magnetic Resonance, 269 (2016) 87–96 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1016/j.jmr.2016.05.017

2. Станислав Глыбовский, Сергей Третьяков, Павел Белов, Константин Симовский Metasurfaces: From microwaves to visible Physics Reports, vol. 634, pp. 1-72 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.04.004

3. А. Никулин, С. Глыбовский, И. Мельчакова, П. Белов, С. Энох, Р. Абдеддайм A Dual-Frequency MRI Coil for Small Animal Imaging at 7 Tesla Based on Metamaterial-Inspired Wire Structures Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics (METAMATERIALS), 2016 10th International, pp. 241-243, 2016 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1109/MetaMaterials.2016.7746502

4. А. Щелокова, А. Слобожанюк, С. Глыбовский, И. Мельчакова, П. Белов Safety Aspects of the Metamaterial Resonator for Application in Magnetic Resonance Imaging Antennas and Propagation Society International Symposium (APSURSI), pp. 1397-1398, 2016 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1109/APS.2016.7696405

5. Алексей Слобожанюк, Юрий Кившарь, Александр Поддубный, Павел Белов Metasurfaces provide a new way for building magnetic resonance imaging scanners Antennas and Propagation Society International Symposium (APSURSI), pp. 375-376, 2016 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1109/APS.2016.7695896

6. Анна Хуршкайнен, Станислав Глыбовский, Ирина Мельчакова, Ингмар Фоогт, Корнелис ван ден Берг, Александр Рааймакерс Decoupling of antennas with wire metasurface structures: MRI applications Days on Diffraction (DD), pp. 193-197, 2016 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1109/DD.2016.7756840

7. Никулин А.В., Глыбовский С.Б., Мельчакова И.В., Белов П.А., Энох С., Абдеддайм Р. Настройка и согласование антенны двухчастотного 7 Тл магнитно-резонансного томографа при помощи метаповерхностей Сборник статей Пятой всероссийский конференции "Электроника и микроэлектроника СВЧ 2016", Том 2, стр. 213-216 (год публикации - 2016)

8. Слобожанюк А.П, Поддубный А.Н., Белов П.А. Магнитно-резонансный томограф -, 2015126987/14(042016) (год публикации - )

9. Слобожанюк А.П., Поддубный А.Н., Белов П.А. Магнитно-резонансный томограф Патент на изобретение, Заявки № 2015126987/14(042016) (год публикации - 2016)

10. - Метаматериалы сделали томограф прозорливее N+1, 18.01.2016 (год публикации - )

11. - Совершенствуя технологии МРТ: от развязки антенн до открытия неизвестных эффектов ITMO.NEWS, 16.06.2016 (год публикации - )

12. - Metamaterials boost sensitivity of MRI machines Science Daily, 14.01.2016 (год публикации - )

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
На данном этапе выполнения Проекта было продолжено теоретическое и экспериментальное изучение свойств метаповерхностей, предназначенных для перераспределения радиочастотного поля в магнитно-резонансных томографов с различным уровнем постоянного поля магнита с целью улучшения характеристик получаемых изображений. За два предшествующие года выполнения Проекта была теоретически и экспериментально продемонстрирована работоспособность метаповерхностей нескольких типов, позволяющих локально усиливать/подавлять радиочастотное (РЧ) магнитное поле в заданной области интереса как внутри, так и снаружи сканируемого объекта. При этом были выработаны требования к материальным и геометрическим параметрам элементарных ячеек метаповерхностей, обеспечивающих требуемый их электромагнитный отклик на Ларморовой частоте МРТ. В ходе данного (заключительного) этапа коллектив исполнителей сконцентрировался на экспериментальной демонстрации практического использования электромагнитных свойств метаповерхностей на основе металлических периодически расположенных проводов и включений из диэлектрических резонаторов с высокой диэлектрической проницаемостью в конкретных задачах МРТ. Целью работ за последний год была демонстрация возможности использования изученных ранее метаповерхностей как составных частей новых радиочастотных катушек для томографии и спектроскопии в высокопольной и сверхвысокопольной МРТ. При этом были рассмотрены как подключаемые кабелем приемопередающие катушки, так и «беспроводные» катушки, питаемые за счет индуктивной связи с внешней катушкой. Полученные за отчетный год результаты являются промежуточным шагом, необходимым для планируемой в будущем работы по практическому применению устройств на основе метаповерхностей в клинической и исследовательской томографии, а также по внедрению подобный устройств в отечественные и зарубежные системы МРТ. В 2017 году были рассмотрены следующие пути применения метаповерхностей в практических задачах МРТ: 1) пассивные РЧ-подложки (беспроводные катушки МРТ) на основе метаповерхностей для клинической высокопольной томографии человека, а также – для подавления радиочастотного сигнала от заданной области интереса в высокопольной томографии; 2) дипольные приемопередающие радиочастотные катушки для сверхвысокопольной томографии брюшной полости человека; 3) активные РЧ-катушки на основе метаповерхностей для проведения исследовательской сверхвысокопольной томографии и спектроскопии.

Публикации

1. R. Schmidt, А. Слобожанюк, П. Белов и A. Webb Flexible and compact hybrid metasurfaces for enhanced ultra high field in vivo magnetic resonance imaging Scientific Reports, 7, Article number: 1678 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1038/s41598-017-01932-9

2. Алена Щелокова, Алексей Слобожанюк, Paul de Bruin, Irena Zivkovic, Efthymios Kallos, Павел Белов, Andrew Webb Experimental investigation of a metasurface resonator for in vivo imaging at 1.5 T Journal of Magnetic Resonance, № 286, стр. 78-81 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1016/j.jmr.2017.11.013

3. Алена Щелокова, Алексей Слобожанюк, Ирина Мельчакова, Станислав Глыбовский, Andrew G. Webb, Юрий Кившарь и Павел Белов Locally Enhanced Image Quality with Tunable Hybrid Metasurfaces Physical Review Applied, - (год публикации - 2017)

4. Дмитрий Жирихин, Константин Симовский, Павел Белов и Станислав Глыбовский Mushroom High-Impedance Metasurfaces for Perfect Absorption at Two Angles of Incidence IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Volume 16, Номер статьи 8003278, Pages 2626-2629 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1109/LAWP.2017.2736506

5. А. Хуршкайнен, А. Никулин, С. Глыбовский, R. Abdeddaim, C. Vilmen, S. Enoch, И. Мельчакова, П. Белов и D. Bendahan A metamaterial-inspired MR antenna independently tunable at two frequencies Engineered Materials Platforms for Novel Wave Phenomena (Metamaterials), 2017 11th International Congress on, стр. 115-117 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1109/MetaMaterials.2017.8107858

6. А. Хуршкайнен, А. Никулин, С. Глыбовский, И. Мельчакова, П. Белов, B. Larrat, E. Georget, S. Enoch, L. Neves, P. Sabouroux и R. Abdeddaim Hybridized Eigenmodes of Periodic Wire Arrays and Their Application in Radiofrequency Coils for Preclinical MRI PIERS 2017 in St Petersburg, Progress In Electromagnetics Research Symposium, - (год публикации - 2017)

7. А.В. Щелокова, А.П. Слобожанюк, S. Saha, I. Sotiriou, M. Koutsoupidou, G. Palikaras, E. Kallos, П.А. Белов и A. Webb In Vivo Magnetic Resonance Imaging of Human Knee with Metasurface PIERS 2017 in St Petersburg, Progress In Electromagnetics Research Symposium, - (год публикации - 2017)

8. А.В. Щелокова, Д.А. Добрых, С.Б. Глыбовский, И.В. Мельчакова, П.А. Белов A metasolenoid-like resonator for MRI applications Engineered Materials Platforms for Novel Wave Phenomena (Metamaterials), 2017 11th International Congress on, стр. 82-84 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1109/MetaMaterials.2017.8107846

9. Алексей Слобожанюк, Юрий Кившарь, Алена Щелокова, Ирина Мельчакова, Станислав Глыбовский, Павел Белов, Andrew Webb Tunable hybrid metasurfaces for image quality enhancement Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting, 2017 IEEE International Symposium on, стр. 1497-1498 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1109/APUSNCURSINRSM.2017.8072791

10. Д. Жирихин, К. Симовский, П. Белов, С. Глыбовский Mushroom-type HIS as a perfect absorber for two angles of incidence Engineered Materials Platforms for Novel Wave Phenomena (Metamaterials), 2017 11th International Congress on, стр. 397-399 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1109/MetaMaterials.2017.8107826

11. Георгий Соломаха, Станислав Глыбовский, Константин Симовский, Ирина Мельчакова, Павел Белов Двухканальная радиочастотная катушка для магнитно-резонансного томографа Заявка на полезную модель, 2017129665 (год публикации - 2017)

12. - Минус миллион. Ученые знают, как снизить стоимость томографа в 10 раз Российская газета, Российская газета - Федеральный выпуск №6958 (90) (год публикации - )

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта представляют собой совершенно новые технические решения задачи повышения качества изображений в клинических и исследовательских приложениях МРТ. Использование результатов проекта позволит производителям устройств для МРТ создать новые продукты на рынке медицинского оборудования - радиочастотные катушки, отличающиеся от существующих решений сниженной стоимостью изготовления и обеспечивающие повышенное соотношение сигнал-шум и однородность изображения. Кроме того, предложенные катушки на основе метаповерхностей позволят инженерам научно-исследовательских лабораторий создать уникальные инструменты для биомедицинских исследований. Использование подобных катушек позволит повысить информативность клинических и доклинических биомедицинских исследований, а также снизить стоимость технологии МРТ для пациентов за счет возможности получения изображения за более короткое время без изменения качества изображения. 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 внедрения новых радиочастотных катушек в последующие модели подобных систем.