РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2014, том 59, № 6, с. 615-624
НОВЫЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ И ЭЛЕМЕНТЫ
УДК 537.86
ЭНДОСКОП НА ОСНОВЕ ПРЕДЕЛЬНО АНИЗОТРОПНЫХ МЕТАМАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНОЙ ТОМОГРАФИИ
© 2014 г. А. П. Слобожанюк1, И. В. Мельчакова1, А. В. Козаченко1, Д. С. Филонов1,
К. Р. Симовский1, 2, П. А. Белов1
1Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий,
механики и оптики, Российская Федерация, 197101 Санкт-Петербург, Кронверкский просп., 49 2Университет Аалто, Школа инженеров по электротехнике Финляндская Республика, 02150, Эспоо, Отакаари, 7 E-mail: a.slobozhanyuk@phoi.ifmo.ru Поступила в редакцию 13.02.2013 г.
Рассмотрена возможность переноса пространственного распределения ближнего радиочастотного магнитного поля, регистрируемого приемными катушками в магнитно-резонансной томографии, при помощи эндоскопа, выполненного на основе предельно анизотропного метаматериала, что может привести к повышению разрешения изображений и/или сокращению времени сканирования объекта в томографе. Теоретически изучены возможности эндоскопа для неискажающего переноса пространственного распределения переменного магнитного поля на значительное расстояние, и экспериментально продемонстрирован перенос различных пространственных распределений поля из изоцентра томографа в область со слабым статическим магнитным полем. Исследована зависимость качества получаемых изображений от места расположения приемных катушек в эндоскопе. Установлено, что помимо переноса изображения с малым искажением возможно значительное увеличение отношения сигнал/шум за счет накачки стоячих волн в среде из параллельных проводов.
DOI: 10.7868/S0033849414040111
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время магнитно-резонансная томография (МРТ) — один из наиболее информативных методов диагностики, который позволяет реконструировать плоские и объемные изображения срезов тканей и органов в различных плоскостях. Метод МРТ в настоящее время считается наиболее безопасным для здоровья человека по сравнению с другими методами диагностики [1]. В основе данного метода лежит физический эффект ядерного магнитного резонанса (ЯМР) — резонансное поглощение и излучение электромагнитной энергии веществом, содержащим атомные ядра с ненулевым спином (в МРТ — протоны). В МРТ регистрируется излучение протонов на частоте ЯМР, обусловленное их прецессией [2]. Представим краткий обзор принципов действия МРТ, основанный на работах [1—5].
Современный магнитно-резонансный томограф можно представить как комплекс, состоящий из отдельных систем (рис. 1). Эти системы можно разделить на три группы: основные, вспомогательные и дополнительные. Основные си-
стемы присутствуют, в том или ином виде, в составе любого МРТ и необходимы для получения томографических изображений. Вспомогательные системы в процессе получения изображений не участвуют, но они необходимы для обеспечения работоспособности томографа. Дополнительные системы необходимы для расширения диагностических возможностей томографа и упрощения его использования. К основным системам томографа относятся следующие:
1) основной магнит, позволяющий разместить внутри исследуемый объект. Эта система отвечает за создание необходимого уровня намагниченности внутри образца;
2) градиентная система: блок управления градиентами статического магнитного поля ("градиент-процессор"), градиентные усилители (3 единицы), градиентные катушки (3 пары). Эта система отвечает за выделение в исследуемом образце элементарного локального объема, сигнал ЯМР от которого регистрируется в данный момент времени;
3) радиочастотная (РЧ) система: блок формирования импульсов, передающие катушки, при-
Рис. 1. Схема устройства магнитно-резонансного томографа.
емные катушки, РЧ-усилитель. Эта система отвечает за возбуждение ларморовской прецессии протонов в заданном элементарном объеме образца и регистрацию сигналов ЯМР, приходящего от этого объема;
4) система регистрации и обработки данных, представляющая собой специализированный компьютер, реконструирующий томографическое сечение по накопленным сигналам ЯМР;
5) консоль управления, предназначенная для управления всеми системами и отображения результатов исследований.
К вспомогательным и дополнительным системам томографа можно отнести стол пациента, системы электромагнитного экранирования, электропитания, охлаждения, контроля микроклимата и т.д.
Для получения информации о внутреннем строении образца (например, части тела пациента) образец помещают внутрь основного магнита таким образом, что центр исследуемой области располагается в его изоцентре, т.е. в области наибольшей однородности поля (степень неоднородности 5 ррт). Магнитные моменты протонов, находящихся внутри исследуемого объекта, в основном выстраиваются параллельно статическому магнитному полю, и образец приобретает ориентированную намагниченность. В основе явления ЯМР лежит способность магнитного момента ядра прецессировать вокруг направления статического магнитного поля В0 с ларморовской частотой ю0 = уД0, где у — так называемое гиромагнитное отношение. Соответствующее излучение из данной области образца пропорционально концентрации протонов в ней, а частота и поляризация излучения из разных частей образца могут быть различными. Градиентные катушки позволяют создавать дополнительные квазистатические (достаточно длительные) магнитные поля,
т.е. варьировать статическое магнитное поле относительно вектора В0, определяемого основным магнитом. Система градиентных катушек позволяет выделить в исследуемом объекте малые объемы, которые различаются положением относительно изоцентра магнита и характеризуются своей фазой и частотой ларморовской прецессии. Компьютер МРТ управляет градиент-процессором, т.е. направлением и величиной каждого из трех градиентных магнитных полей, а также обработкой данных для визуализации изображений.
Система РЧ-катушек позволяет облучить образец радиоимпульсами с перестраиваемой частотой. В течение времени облучения протоны того объема, для которого частота облучения является их ларморовской частотой, резонансно поглощают энергию. После выключения РЧ-импульса протоны возвращаются в исходное состояние, испустив избыточную энергию в виде РЧ-волн (эхо-сигнала), а также в виде паразитного тепла. Варьируя длительность возбуждающих РЧ-импульсов и фиксируя время прихода и величину эхо-сигнала данной частоты, можно оценить, из какого элементарного объема исследуемого объекта пришел эхо-сигнал и какова плотность протонов в этом объеме. Эхо-сигналы принимаются при помощи антенн магнитного типа — приемных катушек. Зарегистрированные РЧ-сигналы после усиления и последующей математической обработки (в основе которой, как правило, лежат пространственные преобразования Фурье), служат источником информации для построения томографических изображений. Поскольку излучаемые РЧ-волны быстро рассеиваются и затухают в пространстве, то для получения качественного изображения приемные катушки приходится располагать в непосредственной близости к объекту.
Для достижения приемлемого соотношения сигнал/шум необходимо накапливать сигнал от исследуемой области, что приводит к увеличению
времени обследования. Как правило, длительность типичного МР-исследования составляет от 20 до 40 мин. Такая длительность нахождения пациента внутри магнита может вызвать дискомфорт, что является одним из серьезных недостатков метода, так как одно из условий получения качественных изображений — неподвижность исследуемого объекта.
В последние 20 лет методы исследований внутренней структуры объектов при помощи МРТ непрерывно совершенствуются, но в основном в направлении создания более сильных постоянных магнитных полей (от 0.02 Тл — томограф Acutscan фирмы Instrumentarium [4] 1983 г. до 15.2 Тл — исследовательский томограф BioSpec 152/11 US R/R фирмы Bruker [5], 2012 г.), более быстрых и мощных градиентных магнитных полей, более эффективных РЧ приемных и приемо-передающих катушек. Связано это с тем, что чем выше напряженность магнитного поля, тем более высокого соотношения сигнал/шум, контрастности и высокого пространственного и/или временного разрешения, необходимых для ряда приложений, можно достигнуть [6]. Увеличение отношения сигнал/шум (ОСШ) необходимо для более быстрого сбора данных (сокращения времени сканирования объекта) или для более точной визуализации мелких деталей.
В зависимости от силы магнитного поля существует несколько типов МР-томографов: сверх-низкопольные (меньше 0.2 Тл), низкопольные (от 0.2 до 0.4 Тл), среднепольные (от 0.5 до 1.4 Тл), высокопольные (от 1.5 до 3 Тл) и сверхвысоко-польные (свыше 4 Тл) [7]. Уже сегодня все ведущие мировые производители выпускают высоко-польные и сверхвысокопольные МР-томографы. Применение высокопольных МР-томографов позволяет значительно расширить диагностические возможности метода МРТ. Однако они имеют ряд недостатков, поэтому их использование ограничено [8]. В качестве примера можно отметить в первую очередь значительное энергопотребление, что в свою очередь приводит к повышенной теплоотдаче и связанным с необходимостью отвода тепла проблемам. Также для повышения информативности томографических изображений требуется высокая однородность магнитного поля в достаточно большом рабочем объеме, в результате чего конструкция томографа значительно усложняется. Кроме того, влияние столь сильных статических магнитных полей на организм человека в достаточной степени не исследовано. В итоге, как указывается в [9], задача повышения качества изображения без увеличения постоянного магнитного поля является одной из актуальных для МРТ.
1. МЕТАМАТЕРИАЛЫ ДЛЯ МРТ
В данной работе исследуем возможность получения более высокого разрешения и контрастности изображений и/или сокращения времени сканирования объектов за счет использования метаматериалов. Метаматериалы — это искусственные композитные структурированные среды, электрические и магнитные свойства которых обусловлены в основном не материалом составляющих его элементов, а геометрией структуры [10, 11]. Возможность создания материал
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.