Бывает так, что в науке или инженерном деле утвердилась концепция, которую практически не подвергают сомнению. Кажется, что внести в нее улучшения или полностью изменить уже нельзя. Однако в какой-то момент исследователи доказывают, что это все же возможно. Так, исследовательская группа, основу которой составили сотрудники Университета ИТМО, решила поспорить с целым рядом устоявшихся представлений относительно конструкции существующих МРТ-аппаратов.

В общем виде магнитно-резонансный томограф состоит из камеры, куда помещается пациент, постоянного сверхпроводящего магнита с градиентной системой и так называемых радиочастотных катушек ― антенн, создающих циркулярно-поляризованное радиочастотное магнитное поле (возбуждение), отклик тканей тела пациента на которое (при наличии также сильного постоянного магнитного поля) создает томографическое изображение. Этот отклик принимается либо другими катушками, либо той же самой катушкой, работающей в приемо-передающем режиме.

В большинстве существующих аппаратов МРТ со сверхпроводящим магнитом для возбуждения сигнала ядерного магнитного резонанса используется катушка типа «птичья клетка», которая представляет собой два металлических кольца, периодически соединенных при помощи параллельных проводников. Этот проволочный цилиндр размещается концентрично в МРТ-камере.

Чтобы катушка работала и обеспечивала однородные изображения, ее необходимо экранировать от внешних систем сверхпроводящего магнита. Поэтому стенки камеры аппарата обшиты специально структурированными медными листами, выполняющими функцию электрического экрана. Проволочный цилиндр катушки типа «птичья клетка», расположен внутри металлического цилиндра камеры, так что между ними обычно имеется существенное расстояние, что сужает и без того узкое пространство для пациента. При этом катушка создает максимально однородное радиочастотное магнитное поле, что необходимо для формирования правильного изображения. Но у нее есть и довольно существенные недостатки.

«Внутренняя поверхность МРТ-камеры сделана из металла. На гладкой металлической поверхности электрическое поле равно нулю. Это означает, что, если вы вставите в эту цилиндрическую камеру цилиндрическую же проволочную катушку с диаметром, равным диаметру экрана, она не будет излучать, ― рассказывает главный научный сотрудник Нового физтеха Университета ИТМО Константин Симовский. ― Если вы сократите ее диаметр, так, чтобы провода катушки отстояли от металлического цилиндра камеры на несколько сантиметров, такая катушка начнет излучать, но плохо. До тех пор, пока вы не отнесете ее от экрана на расстояние, равное одной четвертой длины волны, влияние металлического цилиндра камеры на излучение будет оставаться негативным».

Как отмечает ученый, устроить столь большой зазор при том, что длина волны на частотах ядерного магнитного резонанса равна нескольким метрам, конструктивно невозможно. Обычно этот зазор составляет 4-5 см по радиусу. При этом влияние камеры остается негативным, но более или менее приемлемым.

«Пациент, как нетрудно понять, помещается внутрь катушки. В результате компромисса между комфортом пациента и эффективностью радиочастотной катушки и пространство для пациента получается довольно узким, и эффективность катушки оказывается невысокой. Это касается обычных томографов, где постоянное магнитное поле равно 3 Тл. А в перспективных магнитных томографах с более высоким постоянным полем (7 Тл) «птичья клетка» и вовсе перестает работать», ― говорит Константин Симовский.

Магнитный экран вместо электрического

Но что если заменить электрический экран на какой-то другой, который также изолировал бы катушку от магнита, и при этом не мешал бы ее работе? К примеру, заменить его на такой экран, на поверхности которого отсутствует не электрическое, а магнитное поле. Именно такую идею предложили ученые из Университета ИТМО, подавая заявку на грант РНФ.

«Когда писалась заявка, среди ученых, которые занимаются улучшением "птичьей клетки", бытовало мнение, что магнитный экран вреден для этого типа катушек, ― поясняет Константин Симовский. ― Численные симуляции показывали, что, если мы заменим металлическую внутреннюю поверхность на так называемый идеальный магнитный экран, свойства которого не зависят от частоты, то вместо улучшения мы получим ухудшение антенны ― увеличение излучения будет сопровождаться увеличением вредных потерь энергии излучаемого сигнала. Однако мы в нашей команде поняли, что, коль скоро идеальная магнитная стенка ― это абстракция, делать выводы о работе антенны в присутствии реализуемого на практике магнитного экрана, исходя из параметров идеального, неправильно».

В результате ученые просчитали взаимодействие «птичьей клетки» и цилиндрической гофрированной поверхности, заполненной высококачественной керамикой, которая представляя собой метаповерхность с частотно-зависимыми свойствами. Однако на частоте МРТ она имеет свойства магнитного экрана и по сравнению с обычным экраном позволяет добиться как увеличения излучения, так и увеличения диаметра катушки. При этом потери растут незначительно, а эффективность катушки повышается. Эта идея и легла в основу проекта.

Предложенная учеными структура ввиду малой толщины (2 см при длинах волн от метра и более) называется искусственной метаматериальной поверхностью, сокращенно ― метаповерхностью. Метаповерхности уже применяются в современных радиолокаторах, направленных антеннах для 5G и в других технологиях. Теперь их впервые предложено применять в составе самой популярной катушки МРТ.

Больше места для пациента

Применение экрана в виде метаповерхности поможет не только улучшить работу катушки, но и сделать само исследование более комфортным. Ведь камера для пациента такая узкая, поскольку диаметр сверхпроводящего магнита ограничен существующими технологиями. Кроме того, для поддержания работы катушки необходимо сохранить технологическое расстояние между ней и экраном.

«Возможность расширения пространства пациента ― это важнейшая задача, и разработчики борются за каждый сантиметр и миллиметр, чтобы подвинуть катушки к экрану, ― рассказывает старший научный сотрудник Нового физтеха Университета ИТМО Станислав Глыбовский. ― Но чем больше мы расширяем катушку, придвигая ее провода к металлическим стенкам камеры МРТ, тем хуже она работает. Покрытие стенок метаповерхностью сулило возможность максимально расширить катушку, сохранив ее эффективность».

Исследователи провели необходимые расчеты, затем ученым удалось разработать и создать нужную метаповерхность. Для этого были использованы кольца из высококачественной СВЧ-керамики на основе титаната кальция производства петербургской компании ООО «Керамика». Далее структуру необходимо было испытать в реальных томографах, в чем помогли коллеги из Франции.

Эксперименты в Париже

Экспериментальную площадку для проверки петербургской разработки предоставили партнеры из Франции в рамках международного проекта M-Cube, поддержанного программой «Горизонт-2020». Сам экран был собран в Институте Френеля в Марселе, а его испытания прошли в научно-исследовательском институте Neurospin в Париже.

«Я сделала необходимые расчеты и моделирование, затем был проведен эксперимент с катушкой небольшого размера, идентичной по принципу работы с катушкой для больших МРТ-аппаратов для исследования человека, ― рассказывает студентка Университета ИТМО Ксения Леженникова. ― Изготовленные части катушки были собраны в Марселе мною совместно с французскими коллегами, а затем готовый экран был перевезен в Париж. Были проведены исследования в семитесловом томографе с нашим искусственным экраном и для сравнения ― с обычным металлическим экраном. При этом внутри находились образцы, имитирующие свойства живого объекта. Результаты хорошо сошлись с нашим расчетами».

Испытания на небольшой катушке показали, что предложенная метаповерхность работает как надо, улучшая характеристики работы томографа.

«В зависимости от размера образца, помещенного в катушку, мы можем поднять КПД на 20-100%. Чем меньше образец по сравнению с диаметром катушки, тем больше выигрыш: так, в катушке для ноги или руки увеличение эффективности может доходить до двукратного. Либо с применением аналогичного подхода при сохранении эффективности мы можем расширить камеру для тела пациента, приблизив катушку вплотную к экрану ― диаметр камеры может увеличиться на шесть сантиметров», ― поясняет Станислав Глыбовский.

Еще одна проблема, которую можно решить ― использование томографов для небольших пациентов, добавляет он. Если в обычный МРТ поместить ребенка вместо взрослого, то характеристики катушки ухудшаются. По словам Глыбовского, с использованием экрана, разработанного специалистами Университета ИТМО, в этом случае они практически не меняются

Результаты работы были описаны в статье в журнале Physical Review Applied, которая была отмечена выбором редактора.

Планы

На очереди ― работы по увеличению размеров катушки для сканирования человека, в частности ― катушки для головы. Эти работы уже активно ведутся исследователями.

«Сейчас мы работаем со следующей катушкой, уже имеющей клиническое применение, ― рассказывает Ксения Леженникова. ― Наш экран позволяет сделать катушку на 30% больше в диаметре, что намного комфортнее, и при этом КПД катушки не снизился, а оказался выше благодаря нашему экрану. Результат будет описан в следующей статье, которую мы планируем опубликовать до конца года».