Federal Targeted Programme

"FTP Horizon 2020"

Stage 1

Research report

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 17.07.2017 г. № 14.587.21.0041 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014- 2020 годы» на этапе № 1 в период с 17.07.2017 г. по 29.12.2017 г. выполнялись следующие работы: 

Описание результатов работ, выполненных за счет средств субсидии: 

    • ​Проведен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках проекта, в том числе обзор научных информационных источников: статьи в ведущих зарубежных и (или) российских научных журналах, монографии и (или) патенты).
    • Проведены патентные исследования в соответст​вии с ГОСТ Р 15.011-96. 
    • Проведено численное моделирование плоского метаматериала с запрещенной зоной в диапазоне частот сверх-высокопольного томографа 7 Тесла. 
    • Численное моделирование массива дипольных антенн с плоской периодической структурой в виде метаматериала с запрещенной зоной.

Описание результатов работ, выполненных (выполняемых) за счет внебюджетных средств: 

    • Проведено численное моделирование антенны на основе вырожденных мод резонатора из метаматериала.
    • Проведен численный расчет РЧ поля и выбраны параметры геометрии антенны на основе вырожденных мод резонатора из метаматериала.
    • Разработаны методики экспериментального исследования антенны на основе вырожденных мод резонатора из метаматериала.
    • Измерение S-параметров миниатюрной РЧ катушки для доклинических исследований на основе метаматериала.
    • Проведено тестирование миниатюрной РЧ катушки для доклинических исследований на основе метаматериала в присутствии эквивалента объекта исследования (фантома) на лабораторном МР-томографе с полем магнита 7-17 Тесла путем получения МРТ изображений.
    • Проведено численное моделирование искусственного магнитного экрана на основе плоского метаматериала, работающего в диапазоне высокопольного МР-томографа.

На первом этапе выполнения работ был выполнен детальный обзор научно-технической литературы по теме метаповерхностей – двумерных матаматериалов для управления радиочастотными электромагнитными полями и свойствами антенн. Был проведен анализ и сравнение известных типов метаповерхностей на основе их функций по преобразованию радиочастотного электромагнитного поля и требований ко практическому применению в радиодиапазоне. Акцент был сделан на возможных применениях в области МРТ, включающих в себя новые РЧ-катушки для сверхвысокопольной исследовательской МРТ с уровнем постоянного поля 7 Тл. Были собраны и проанализированы данные об известных в литературе технических решениях катушек для МРТ на основе метаповерхностей. В результате были выделены наиболее перспективные пути использования метаповерхностей: развязка элементов фазированных антенных решеток МРТ, искусственный магнитный экран для обшивки радиочастотного экрана томографа, а также новые РЧ-катушки, основанные на резонаторах в виде метаповерхностей. Была построена численная модель плоского метаматериала с запрещенной зоной в диапазоне частот сверхвысокопольного томографа 7 Тл. Была предложена и изучена схема развязки близко расположенных электрических дипольных антенн, работающих в режиме параллельной передачи или в приемопередающем режиме, нацеленная на использование в МРТ всего тела пациента с уровнем постоянного поля 7 Тл, либо в задаче сканирования простаты. Развязка в предложенной модели выполняется с использованием паразитных металлических резонансных элементов, которые могут образовывать при их периодическом расположении между элементами антенной решетки так называемую структуру (метаматериал) с запрещенной зоной. Впервые в мире была разработана теоретическая модель системы из двух дипольных РЧ катушек МРТ в присутствии структуры для развязки, на основании которой получено строгое доказательство возможности идеальной пассивной развязки. Были сформулированы рекомендации по практическому проектированию структуры для развязки. Было показано, что очень плотно расположенная плоская решетка резонансных тонкопроволочных рассеивателей (называемая матаматериалом) может выполнять функцию развязки без искажения формы распределения РЧ поля антенн внутри сканируемого объекта. Новизна предложенного подхода заключается в сложности обеспечения развязки на столь близком расстоянии между антеннами как 1/30 от длины волны в воздухе, что требуется для повышения качества изображения сверхвысокопольных томографов за счет увеличения числа приемопередающих элементов антенной решетки. Были изучены два типа метаповерхностей с запрещенной зо но й в диапазоне частот сверхвысокопольного томографа 7 Тл - массив параллельных резонансных диполей и массив параллельных разомкнутых петлевых резонаторов.
Оптимизация вышеуказанных структур была достигнута за счет детального численного моделирования. В частности, были численно исследована периодическая структура, основанная на метаповерхности, которая включает в себя так называемые разомкнутые петлевые резонаторы. Было показано путем численного расчета коэффициентов матрицы рассеяния системы из двух дипольных антенн что данная метаповерхность подходят для развязки близкорасположенных дипольных антенн в МРТ, но при этом более проста в изготовлении и настройке в МРТ эксперименте по сравнению с известной ранее в литературе грибовидной структурой, использовавшейся для развязки антенн в СВЧ диапазоне. Численно были рассчитаны ветви дисперсионной характеристики бесконечной метаповерхности, показывающие существование запрещенной зоны в диапазоне частот сверхвысокопольного томографа 7 Тл (в окрестности Ларморовой частоты протонов в поле 7 Тл – 298 МГц). Далее были рассчитаны коэффициенты матрицы рассеяния системы из двух дипольных антенн в присутствии метаповерхности. Был показан выигрыш в использовании метаповерхности, заключающийся в снижении коэффициента взаимной связи согласованных диполей S12 в сравнении с теми же диполями без метаповерхности. Численные расчеты были проведены с учетом присутствия фантома и радиочастотного экрана томографа. Было показано, что развязка и согласование, обеспечиваемые предложенной метаповерхностью на основе петлевых резонаторов, сопровождается улучшением уровня РЧ магнитного поля на глубине фантома при сохранении однородного распределения без искажений, что важно для получения изображений МРТ с высокой однородностью и коэффициентом сигнал-шум по сравнению с отсутствием развязывающей метаповерхности. В сравнении с метаповерхностью, состоящей из резонансных диполей, метаповерхность из петлевых резонаторов обеспечивают более
высокий уровень РЧ магнитного поля в глубине фантома, и, что более важно, позволяет избежать искажения распределения поля. В результате проведенных численных расчетов впервые было показано, что метаповерхность может улучшить развязку на 10 дБ при расстоянии между диполями всего лишь 1/30 от длины волны в воздухе, что достигается в достаточном для приложений сверхвысокопольного МРТ диапазоне частот 0.2 МГц.

Подана заявка на полезную модель "Радиочастотная катушка магнитно-резонансного томографа"(заявка № 20173512 от 25.12.2017, Россия), а также опубликованы 2 статьи (см. вложения ниже).

В результате проводимых в рамках проекта работ будут разработаны антенны МРТ, способные существенным образом улучшить характеристики МРТ изображений, получаемых при помощи сверхвысокопольных томографов, что будет важным шагом к применению их наивысшей разрешающей способности и контраста изображений в клиниках. Данные результаты будут непосредственно применимы в разработке промышленных образцов перспективных антенн МРТ ведущими производителями диагностического оборудования как в России (НПФ "Аз", "RTI Криомагнитные системы", "С.П. Гелпик"), так и за рубежом (Phillips, GE, Siemens, Intera, и т.д.).

Применение разрабатываемых антенн поможет снизить время проведения МРТ исследования в разы при сохранении характеристик изображения, что повысит производительность и высокопольных томографах на МРТ станциях и в клиниках. Поэтому применение разрабатываемых антенн, является выгодным и при эксплуатации уже существующих на рынке МР-томографов с полем 1.5 Тл. Использование разработанных антенн на основе метаматериалов также позволит расширить возможности исследовательской сверхвысокопольной МРТ в задачах биологии и медицины. 

На данный момент подана одна патентная заявка на полезную модель. В дальнейшем планируется предоставлять заинтересованным компаниям-производителям лицензии на производство аналогичных продуктов, что будет возможно благодаря своевременной защите прав на интеллектуальную собственность. В целом, стратегией коммерциализации разработок, созданных в рамках настоящего проекта будет демонстрация преимуществ проведения МРТ-исследований с использованием разработанных антенн. Так все планируемые к разработке типы антенн на
основе метаматериалов в конечном счете должны быть исследованы путем сканирования живых объектов и демонстрации возможностей улучшения качества изображения в рамках актуальных биомедицинских задач. Для привлечения внимания заинтересованных компаний планируется участие в специализированных выставках и конференциях, а также публикация полученных результатов в СМИ.

Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на отчетном этапе исполненными надлежащим образом.

Papers
  1. A mechanically tunable and efficient ceramic probe for MR-microscopy at 17 Tesla
    Sergei Kurdjumov, Stanislav Glybovski, Anna Hurshkainen, Andrew Webb, Redha Abdeddaim, Luisa Ciobanu, Irina Melchakova, and Pavel Belov
    AIP Conference Proceedings, vol. 1874, p. 30011, 2017
    [DOI: 10.1063/1.4998040] [SJR: 0.163]

  2. Decoupling capabilities of split-loop resonator structure for 7 Tesla MRI surface array coils
    A. Hurshkainen, S. Kurdjumov, C. Simovski, S. Glybovski, I. Melchakova, C. A. T. van den Berg, A. Raaijmakers, and P. Belov
    AIP Conference Proceedings , vol. 1874, p. 20007, 2017
    [DOI: 10.1063/1.4998028] [SJR: 0.163]

Stage 2

Research report

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 17.07.2017 г. № 14.587.21.0041 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014- 2020 годы» на этапе № 2 в период с 01.01.2018 г. по 31.12.2018 г. выполнялись следующие работы:

Описание результатов работ, выполненных за счет средств субсидии:

    • Проведены дополнительные патентные исследования.
    • Проведено численное моделирование, расчет резонатора из метаматериала для беспроводной катушки высокопольного томографа, изготовлен экспериментальный образец.
    • Измерены поля передающей РЧ катушки томографа в присутствии пассивной подложки для пациента на основе резонатора из метаматериала в условиях реального томографа и ее тестирование в присутствии эквивалента тела пациента(фантома) на лабораторном МР-томографе.

Описание результатов работ, выполненных (выполняемых) за счет внебюджетных средств:

    • Получены результаты тестирования миниатюризированной антенны.
    • Численное моделирование, сравнительный анализ 4 типов метаматериалов для использования в составе РЧ-катушек сверх-высокопольных томографов.
    • Разработан программный пакет и проведен расчет РЧ поля томографа в присутствии метаматериалов.
    • Разработаны методика изготовления, измерительный стенд, процедуры для РЧ-катушек на основе метаматериалов.
    • Проведены численные расчеты и моделирование РЧ поля разработанной катушки.
    • Проведен численный расчет РЧ поля передающей катушки томографа в присутствии разработанной катушки, эквивалента тела пациента(фантома), также детальной модели тела человека и РЧ экрана томографа.
    • Проведена пост-обработка полученных изображений.

В ходе работ на данном этапе были проведены численное моделирование и выполнены численные расчеты электродинамических характеристик беспроводных катушек различных видов на основе плоских аналогов метаматериалов – метаповерхностей. Беспроводные катушки предназначены для эффективной «фокусировки» поля внешней катушки, расположенной на корпусе клинического томографа. В ходе численного моделирования и расчетов было проведено сравнение резонатора на основе метаповерхности с обычным резонатором в виде рамочной антенны с сосредоточенными конденсаторами, а также сравнение плоской и объемной беспроводных катушек на основе метаповерхностей между собой на основе сопоставления их рассчитанных характеристик. Кроме того, были численно исследованы два метода точной настройки резонансной частоты резонатора беспроводной катушки на основе метаповерхности (частоты резонанса фундаментальной собственной моды метаповерхности), а также был численно исследован метод пассивного отключения беспроводной катушки на основе нелинейной метаповерхности в режиме передачи импульсной последовательности внешней катушкой. Наконец, был изготовлен экспериментальный образец беспроводной катушки для высокопольного клинического томографа на основе плоской нелинейной метаповерхности и методом точной настройки резонансной частоты путем изменения заполнения объема, прилегающего к проводникам метаповерхности дистиллированной водой.

Работы второго этапа были направлены на создание и изучение беспроводных радиочастотных катушек нового типа на основе метаповерхностей, которые являются крайне востребованными устройствами в клинических приложениях МРТ. Резонаторы на основе метаповерхностей обеспечивают большую эффективность локальной «фокусировки» поля внешней катушки, а также более однородное магнитное поле и сниженное отношение поля B1 к квадратному корню из SAR. Кроме того, на данном этапе были численно промоделированы, рассчитаны и экспериментально реализованы радиочастотные катушки сверхвысокопольного томографа с уровнем поля 7 Тл: доклиническая катушка на основе метаповерхности с возможностью многомодового возбуждения на нескольких Ларморовых частотах, а также двухканальный резонатор из двух печатных диполей, соединенных посредством миниатюризированного гибридного делителя для сканирования тела человека в составе фазированной антенной решетки. Для всех трех экспериментальных образцов были проведены измерения характеристик радиочастотного магнитного поля (либо сигнала МРТ) средствами МР-томографов, а также получены изображения тестовых объектов, среди которых фрукты, лабораторные мыши и здоровый доброволец.

Сравнительный анализ плоской катушки на основе метаповерхности и обычной петлевой катушки показывает выигрыш первой до 42% по уровню РЧ магнитного поля на поверхности фантома при заданной воспринятой мощности передающего устройства, при чуть более низкой нагруженной добротности и более широкой полосе согласования импеданса. Сравнительное исследование показало перспективы применения предлагаемой катушки на основе метаматериала из резонансных проволок со структурной емкостью для томографии небольших животных в биомедицинских исследованиях при помощи МРТ. Преимущества предложенной катушки заключаются в более высокой эффективности в режиме передачи и простоты проектирования без использования дорогостоящих немагнитных конденсаторов с сосредоточенными характеристиками.

Также в ходе работ было показано, что:

    • Плоская беспроводная катушка имеет более сильную фокусирующую способность по отношению к магнитному полю внешней катушка, чем объемная беспроводная катушка. Поле катушки типа «птичья клетка» увеличивается в 8.9 раза в присутствии плоской беспроводной катушки и в 6.6 раз в присутствии объемной беспроводной катушки.
    • Распределение амплитуды поля циркулярной поляризации B1+ остается весьма однородным в области интереса в случае объемного резонатора. В случае плоского резонатора поле сосредоточено вблизи плоскости проволок. Достижимое соотношение уровня магнитного поля к квадратному корню из максимального значения SAR выше для объемной беспроводной катушки.
    • Две исследованные конструкции метаповерхности (с регулируемым заполнением диэлектриком) и с телескопическими проволоками позволяют точно настраивать частоту резонанса фундаментальной собственной моды в пределах полосы в 10 МГц вокруг Ларморовой частоты 63.8 МГц клинического магнитно-резонансного томографа.
    • Нелинейная метаповерхность на основе тонких проводников с включенными последовательно парами встречно включенных диодов позволяет беспроводной радиочастотной катушке практически не взаимодействовать с внешней катушкой типа «птичья клетка» в режиме передачи, однако, увеличивать чувствительность последней в режиме приема.
    • При помощи доклинической катушки на основе метаповерхности без дальнейшей подстройки возможно получить изображения анатомии мыши под наркозом по водороду, совмещенные с изображениями по фтору. При этом было экспериментально показано, что при правильном подборе возбужденных собственных мод можно контролировать глубину проникновения в объект сканирования, т.е. эффективно возбуждать все тело или только определенную область маленького животного.
    • Предложенная доклиническая катушка может быть настроена на Ларморовы частоты фтора 19 и водорода 1 при уровне поля в 7 Тл и согласована по импедансу без использования сосредоточенных конденсаторов.

Двухканальный резонатор из двух печатных диполей, соединенных посредством миниатюризированного гибридного делителя, может заменить комбинацию из двух антенн в каждой позиции массива: диполь и поверхностная рамку, достигающих тех же эффективности передачи и уровня связи между элементами, а также качества МРТ изображений при существенно сниженном SAR при сканировании тела человека при уровне поля 7 Тл.

Подана заявка на полезную № 2018145655 от 20.12.2018 "Радиочастотная катушка для магнитно-резонансного томографа", получены Свидетельство о государственной регистрации № 2018663149 от 22.20.2018 "Решение задачи моментов методом разложения по полиномам Лежандра для декодирования сигнала с антенны на основе метаматериалов для сверх-высокопольной магнитно-резонансной томографии", Свидетельство о государственной регистрации № 2018663151 от 22.20.2018 "Расчет характеристик антенн на основе метаматериалов для сверх-высокопольной магнитно-резонансной томографии методом граничных интегральный уравнений", Патент № 183997 от 11.10.2018 "Радиочастотная катушка магнитно-резонасного томографа".

Также опубликованы 3 статьи:
    • Anna Hurshkainen, Anton Nikulin, Elodie Georget, Benoit Larrat, Djamel Berrahou, Ana Luisa Neves, Pierre Sabouroux, Stefan Enoch, Irina Melchakova, Pavel Belov, Stanislav Glybovski, Redha Abdeddaim "A Novel Metamaterial-Inspired RF-coil for Preclinical Dual-Nuclei MRI"
    • Georgiy Solomakha, Carel van Leeuwen, Alexander Raaijmakers, Constantin Simovski, Alexander Popugaev, Redha Abdeddaim, Irina Melchakova, Stanislav Glybovski "The dual-mode dipole: A new array element for 7T body imaging with reduced SAR"
    • M. Zubkov, A.A. Hurshkainen, E. A. Brui, S.B. Glybovski, M.V. Gulyaev, N.V. Anisimov, D. V. Volkov, Y.A. Pirogov, I.V. Melchakova "Small animal large field of view magnetic resonance imaging with metamaterial-inspired resonator".

На основе полученных в ходе реализации проекта результатов защищена кандидатская диссертация А.В. Щелоковой «Метаповерхности для локального усиления радиочастотного поля в высокопольной магнитно –резонансной томографии».