Комфортнее для пациентов, удобнее для персонала

Работа ведется в рамках гранта мега РНФ «Управляемые метаповерхности для беспроводных технологий». Его конечная цель — создать устройства нового поколения для 5G, беспроводной передачи энергии и для аппаратов МРТ: более безопасные, удобные, компактные и, самое главное, беспроводные.

Ряд устройств (например, специальные антенны ― локальные катушки) используются для улучшения диагностики в МРТ, сокращая время сканирования и повышая качество изображений. Однако классические варианты локальных катушек подключаются к источнику питания через кабели ― и это зачастую крайне неудобно для пациента, ведь провода во время процедуры буквально лежат на нем. К тому же некоторые из этих устройств ― например, те, которые используются для обследования спины, коленей или молочных желез, достаточно тяжелые и маломобильные, что осложняет работу медперсонала. Отказ от громоздких конструкций и проводов сильно бы облегчил и упростил процесс сканирования.      

В то же время сейчас активно развиваются технологии беспроводного питания ― это связано с тенденцией к миниатюризации современной электроники и ее большей энергоэффективностью. Например, в научной литературе достаточно хорошо описан метод energy harvesting — то есть сбора энергии из внешнего электромагнитного поля. Разработка ученых ИТМО основана именно на нем, но при этом исследователи учли специфику работы клинических томографов.

«Поле возбуждения в томографе создается очень короткими и при этом очень интенсивными импульсами. Большая часть компонентов силовой электроники на это не рассчитана, к тому же они не ориентированы на работу в аппарате МРТ, ведь очень важно, чтобы вносимое устройство не искажало постоянное магнитное поле в томографе. Вообще, нам пришлось считаться с целым рядом компромиссов: нужно было придумать решение, которое бы не требовало изменения конструкции томографа, не ухудшало распределение поля в нем и при этом было безопасным для человека», — рассказывает автор статьи, младший научный сотрудник Нового физтеха ИТМО Павел Серегин.

Круговая поляризация

Предложенная исследователями конструкция состоит из приемной структуры (это антенна, которая работает в ближнем поле) и преобразователя радиочастотных колебаний в постоянное напряжение. Принцип работы устройства основан на сборе энергии из поля круговой поляризации — именно это и позволило повысить эффективность системы практически в два раза по сравнению с аналогами, которые в основном используют только линейную поляризацию.     

 «У переменного магнитного поля в МРТ есть вектор, который имеет определенное направление в каждый момент времени. В существующих концептах систем беспроводной передачи энергии принимается линейная поляризация. В таком случае направление вектора меняется только вдоль одной линии (например, вверх и вниз). Мы предложили использовать круговую поляризацию (когда вращение вектора напоминает ход часов). Она точно соответствует движению вектора поля внутри аппарата МРТ — это позволило повысить эффективность системы. Наша разработка способна принимать почти в два раза больше энергии по сравнению с ранее представленными устройствами», — объясняет один из авторов статьи, аспирант Нового физтеха ИТМО Олег Бурмистров.

Первый шаг к созданию беспроводных устройств

Как отмечают авторы работы, во время экспериментов с устройством им удалось получить мощность порядка тысячи мВт, что уже достаточно для небольшой электроники, например нагрудных кардиодатчиков или сенсоров дыхания. Также устройство можно использовать в качестве вторичного источника питания. И хотя оно уже готово для внедрения в системы питания беспроводных локальных антенн, в планах исследователей — увеличить это значение, чтобы максимально охватить весь класс устройств, применяемых во время процедуры МРТ.

«С помощью численного моделирования мы удостоверились в безопасности системы и также убедились, что наша антенна не влияет на однородность полей, то есть не ухудшает качество МР-изображений. Проверив устройство на фантомах (сосудах с жидкостью, имитирующих организм человека) внутри клинических томографов, мы подтвердили работоспособность и безопасность разработки на практике», — говорит Павел Серегин.

В работе приняли участие магистранты и аспиранты Нового физтеха. Как подчеркивает Павел Серегин, специальные дисциплины, связанные с МРТ, преподают на образовательной программе магистратуры ИТМО «Физика радиочастотных технологий», что позволяет, с одной стороны, привлекать студентов к перспективным разработкам, а с другой ― готовить кадры для развития этого направления в ИТМО.

Статья о разработке была отмечена редакторами журнала Physical Review Applied и опубликована в специальном разделе Editors' Suggestion.

Подробнее об исследовании: Pavel Seregin, Oleg Burmistrov, Georgiy Solomakha, Egor Kretov, Nikita Olekhno, Alexey Slobozhanyuk Energy-Harvesting Coil for Circularly Polarized Fields in Magnetic Resonance Imaging (Physical Review Applied, 2022).