Что совершенствовали и почему
В рамках стажировки в Нидерландах Анна Хуршкайнен работала над усовершенствованием приемопередающих антенн аппаратов МРТ, чтобы минимизировать ряд не самых приятных для пациентов и врачей эффектов. Дело в том, что антенны в аппарате МРТ излучают радиочастотный сигнал и принимают другой сигнал, представляющий собой эхо от возбужденных ядер атомов водорода исследуемого тела, что в итоге создает картинку органов внутри него. По словам аспирантки кафедры нанофотоники и метаматерилов, в настоящее время в области МРТ-исследований есть тенденция к увеличению постоянного магнитного поля томографов. Она связана с повышением соотношения сигнал/шум при переходе от низкопольных аппаратов к высокопольным. С увеличением постоянного магнитного поля томографа растет резонансная частота функционирования аппарата МРТ. Эти два фактора продуцируют побочные явления, усложняющие процесс получения качественных изображений. Так, длина волны радиочастотного сигнала в организме человека уменьшается из-за того, что в нем показатели диэлектрической проницаемости гораздо выше, чем в воздухе. Соответственно, за счет этого появляется неравномерность магнитного поля, которое распределяется в организме в результате воздействия импульса.
«По итогам такого МРТ-исследования получается неоднородная картина органов исследуемого, плохо поддающаяся анализу. Несмотря на то, что локально увеличить разрешающую способность можно, улучшение изображения будет неравномерным — в каком-то участке изображение будет четкое, а в другом — размытое. Разумеется, при клинических исследованиях — а МРТ применяется при диагностике серьезных заболеваний — это неприемлемо, что и побуждает ученых исследовать и бороться с этими факторами. Кроме того, в настоящее время ученые и инженеры трудятся над созданием высокопольных аппаратов МРТ, которые в будущем хотят применять в клинических исследованиях. Однако при переходе от низкопольных к высокопольным возникает проблема: при увеличении магнитного поля также происходит рост удельного коэффициента поглощения (SAR) в организме человека, что потенциально может привести к нагреву отдельных участков тела. Это одна из проблем, которую нам надо решить, чтобы высокопольные томографы были насколько эффективными, настолько и безопасными», — поясняет Анна Хуршкайнен.
По ее словам, используемые в МРТ антенны работают не по отдельности, а в совокупности, образуя структуру решетки. Это делается для повышения разрешающей способности, а также для снижения неравномерности магнитного поля внутри объекта исследования. Однако близкое соседство решеток также создает определенные проблемы. Если антенные элементы расположены слишком близко друг к другу, у них появляется сильная электромагнитная связь. Из-за этого они буквально наводят токи друг на друга, а это порождает некий паразитный сигнал. Он, в свою очередь, проникает в передающее устройство и создает помехи для формирования требуемого радиочастотного импульса. Как следствие, КПД самих антенн и аппарата МРТ падает.
Волшебные «грибы» метаповерхностей
Группа ученых международной лаборатории «Прикладная радиофизика» под руководством Ирины Мельчаковой в Петербурге работают над метаматериалами, которые доказано снижают электромагнитную связь между антеннами в МРТ. Они представляют собой так называемую «грибовидную» двумерную структуру, которая состоит из двух слоев металлических патчей. Если смотреть на структуру одиночной ячейки метаповерхности в сечении, она напоминает своеобразный гриб с плоской шляпкой и ножкой. Одиночные элементарные ячейки такой структуры представляют собой резонансный (колебательный) контур, схема которого многим известна еще со школы. Таким образом, метаповерхность из одиночных контуров образует собой большой резонатор. Он, в свою очередь, при взаимодействии с антеннами уменьшает электромагнитную связь между ними. Этому эффекту и посвящена статья петербургских и нидерландских ученых, опубликованная в Journal of Magnetic Resonanse.
«Если расположить такую структуру между антеннами, то между ними возникает так называемая развязка. Если вдаваться в подробности, все несколько сложнее — структура в данной полосе частот уменьшает электромагнитную связь между антеннами», — рассказывает Анна Хуршкайнен.
Несмотря на то, что в настоящее время грибная структура вполне в состоянии «развязать» две антенны, теперь необходимо проецировать этот эффект и на антенные решетки. Возможно, для этого придется применять метаповерхность иного характера, так как метаповерхность с грибной структурой сложна в изготовлении. К слову, несмотря на то, что она относительно давно известна в радиофизике, применять ее для совершенствования технологии магнитно-резонансной томографии еще никто не догадывался. Например, ту же дипольную антенну, изобретенную довольно давно, в МРТ стали применять около восьми лет назад, после предложения одного из утрехтских коллег Анны Хуршкайнен Александра Раймейкерса.
Трудности и радости перевода
По словам специалиста кафедры, во время первой стажировки в Утрехте в прошлом году были и трудности, связанные с адаптацией к новому рабочему языку, а также к иной культуре. В этом году поездка далась намного проще. Как рассказывает Анна Хуршкайнен, утрехтские ученые оказались людьми трудолюбивыми, открытыми, прямолинейными и по-хорошему предсказуемыми. Члены коллектива всегда приходили ей на помощь и помогали советом.
«Когда я жила в общежитии в одной из поездок, у нас был интернациональный коллектив и там, и в медцентре. По моим примерным представлениям, половина людей приехала из других стран. Однако я познакомилась и с двумя девушками из России, которые были для меня чем-то вроде русского тыла. Очень радует, что наша лаборатория имеет возможность отправлять своих сотрудников в такие командировки», — заключила аспирант.
Новый эффект и Сингапур
Практически сразу после поездки в Нидерланды Анна Хуршкайнен посетила конференцию ISMRM в Сингапуре. Помимо круглых столов и докладов, в рамках мероприятия также прошла крупная международная научная школа с мастер-классами и обучающей программой, в которой девушке удалось поучаствовать.
В рамках конференции Анна Хуршкайнен также стала участницей постерной сессии, где представляла свою работу, над которой ранее трудилась в сотрудничестве с коллегами из Утрехта и Александром Раймейкерсом в частности. Она рассказала о том, что совместно им удалось обнаружить необычный эффект: так, исследуя развязку для разных положений антенной системы на близком и большом расстояниях, они поняли, что качество изображения при увеличении расстояния от антенн до объекта не ухудшается. Это показалось исследователям удивительным и обрадовало их, так как при незначительном увеличении расстояния при сохранении прочих показателей удельный коэффициент поглощения (SAR) уменьшался.
«Когда мы можем уменьшить удельный коэффициент поглощения, мы можем подать импульс большей амплитуды и тем самым повысить качество картинки безопасно для пациента. Это интересный результат, который мы планируем опубликовать в одном из тематических научных журналов», — заключила исследователь.
