Магнитно-резонансная томография имеет сразу несколько применений. Все знают о значении МРТ в медицине, где ее используют для высокоточной диагностики. Однако эта технология также играет большую роль в науке — ученые исследуют в томографе добровольцев, чтобы лучше понять работу того или иного органа или проследить за механизмом развития болезней и синдромов.
Врачи, как правило, используют томографы со сравнительно небольшим постоянным магнитным полем. Этот показатель измеряется в единицах «Тесла», названных так по имени знаменитого ученого. В медицинских МРТ-установках величина постоянного магнитного поля составляет 1,5-3 Тесла, чего вполне хватает для большинства диагностических процедур. Но для научных задач этого поля недостаточно — поэтому исследователи используют аппараты с полем 7 и более Тесла. Благодаря этому соотношение сигнал-шум становится лучше, а стало быть, картинка получается более «чистой». Однако здесь возникает проблема, связанная с самим принципом работы томографа.
Технология МРТ построена на том, что специальная антенна облучает пациента электромагнитными волнами определенной частоты. В теле человека, который находится внутри установки, возникают резонансы, регистрируемые приемником. На основе этого сигнала строится изображение, которое видит оператор. Частота электромагнитных волн, используемых в МРТ, прямо пропорциональна величине постоянного магнитного поля. Проблема в том, что чем выше частота, тем короче электромагнитные волны — это физический закон. При этом тело человека является, на языке физиков, оптически плотным веществом. Проще говоря, попадая внутрь пациента, волны становятся еще короче.
«В поле 3 Тесла, это показатель хороших медицинских установок, длина волны составляет около 0,4 метра. В поле 7 Тесла в воздухе длина волны составляет метр, а попадая в тело человека она укорачивается до 10-12 сантиметров, — объясняет аспирант Нового физтеха Университета ИТМО Георгий Соломаха. — Стандартное оборудование для клинических томографов перестает работать — распределение поля становится неравномерным, что приводит к снижению качества изображений и снижению безопасности процедуры для волонтёров».
Новые антенны
Из-за того, что длина электромагнитной волны в теле человека так сильно сокращается, в исследовательских томографах используют не одну большую антенну, излучающую и принимающую сигнал, а несколько. Они размещаются на теле человека и работают вместе как единая антенная решетка. Однако и тут существует сложность — рядом с электромагнитным полем данных антенн существует не только магнитное поле, возбуждающее магнитный резонанс в теле волонтеров, но и электрическое поле. Оно не приводит к тому, что человека бьет током, но вызывает нагрев, который может оказаться весьма сильным.
Чтобы у человека внутри трубы томографа не было ожогов, на оборудование подается меньше напряжения, чем это было бы возможно. Это также сказывается на качестве изображения. Получается, что возможности очень дорогого прибора используются не полностью.
Ученые Университета ИТМО, работая с иностранными коллегами по научному консорциуму M-Cube, предложили выход из сложившейся ситуации. Вместо дипольных антенн, которые используются сейчас, они предложили другую конструкцию.
«Сейчас используют классические дипольные антенны, похожие на те, что стоят в телефонах, роутерах, телевизорах. На длине этой антенны укладывается половина длины волны, происходит резонанс и антенна хорошо излучает, — рассказывает Георгий Соломаха, который является основным автором работы. — Но это не единственный подход — для радиопеленгации и радиолокации используют антенны вытекающих волн. Идея заключается в том, что у нас много маленьких антенн, последовательно соединенных между собой, и по ним распространяется волна. Каждый элемент излучает часть мощности, что вместе формирует общее излучение. За счет нерезонансного излучения удается снизить нагрев. В рамках нашей работы мы разработали и исследовали первую в мире антенну вытекающих волн для МРТ».
Конструкция антенны специально адаптирована именно для МР-томографии. Для этого ученые сконструировали особым образом каждую ячейку (т.е. маленькую антенну), из которых она состоит. При этом образец произвели с помощью стандартной технологии печатных плат, что снижает его стоимость и трудоемкость производства. По словам создателей технологии, она может открыть новую страницу в истории применения МРТ в исследовательских целях. Ведь так как нагрев становится заметно меньше, то можно повысить мощность, подаваемую на томограф. Это, в свою очередь еще улучшит качество изображения.
Статья: G. Solomakha, J. T. Svejda, C. van Leeuwen, A. Rennings, A. J. Raaijmakers, S. Glybovski, D. Erni A self-matched leaky-wave antenna for ultrahigh-field magnetic resonance imaging with low specific absorption rate. Nature Communications, 2021/0.1038/s41467-020-20708-w
