Метаповерхности для локального усиления радиочастотного поля в высокопольной магнитно-резонансной томографии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат наук Щелокова Алёна Вадимовна

• Щелокова Алёна Вадимовна
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Щелокова Алёна Вадимовна

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ВЛИЯНИЕ СОБСТВЕННОЙ МОДЫ МЕТАПОВЕРХНОСТИ НА УВЕЛИЧЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ПРИЕМНИКА В ВЫСОКОПОЛЬНОЙ МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНОЙ ТОМОГРАФИИ

1.1. Введение

1.2. Модель метаповерхности и исследование ее характеристик

1.3. Экспериментальное исследование зависимости увеличения отношения сигнал-шум от геометрических размеров объекта исследования, расположенного на метаповерхности

1.4. Экспериментальное исследование зависимости увеличения отношения сигнал-шум от пространственного положения объекта исследования на метаповерхности

1.5. Выводы

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ГИБРИДНЫХ МЕТАПОВЕРХНОСТЕЙ

2.1. Введение

2.2. Исследование характеристик метаповерхности на основе электромагнитно связанных диэлектрических и металлических элементов

2.3. Исследование характеристик метаповерхности на основе массива проводов с емкостными нагрузками

2.4. Выводы

ГЛАВА 3. ОБЪЁМНАЯ БЕСПРОВОДНАЯ КАТУШКА НА ОСНОВЕ ДВУХ ПЛОСКИХ МЕТАПОВЕРХНОСТЕЙ

3.1. Введение

3.2. Модель беспроводной катушки и ее характеризация

3.3. Экспериментальное исследование прототипа беспроводной катушки на лабораторном стенде

3.4. Численное моделирование радиочастотных полей и удельного коэффициента поглощения электромагнитной энергии

3.5. Экспериментальное исследование влияния беспроводной катушки на радиочастотные поля в режиме приема и передачи сигнала

3.6. Выводы

ГЛАВА 4. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТАПОВЕРХНОСТЕЙ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА МР ИЗОБРАЖЕНИЙ

4.1. Введение

4.2. Повышение эффективности передачи радиочастотного сигнала при помощи метаповерхности на основе параллельных проводов, помещенных внутрь материала с высокой диэлектрической проницаемостью

4.3. Улучшение качества МР изображений с помощью гибридных метаповерхностей

4.4. Исследование кисти здорового добровольца при помощи объемной беспроводной катушки

4.5. Выводы 96 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 98 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метаповерхности для локального усиления радиочастотного поля в высокопольной магнитно-резонансной томографии»

ВВЕДЕНИЕ

Настоящая диссертационная работа посвящена одному из наиболее активно развивающихся направлений в современной электродинамике -исследованию метаповерхностей. Метаповерхности представляют собой структуры с субволновой периодичностью, которые можно рассматривать ведут себя как тонкие искусственные границы, преобразующие поле заданного источника [1,2]. Существенным преимуществом метаповерхностей по сравнению с объемными метаматериалами является простота реализации при сохранении способности управлять отраженными и прошедшими волнами, а также распределением электромагнитного поля (амплитудой, фазой, поляризацией) уже на расстоянии порядка собственного периода, даже если это расстояние мало по сравнению с длиной волны [3-5]. Благодаря этому метаповерхности и устройства на их основе уже используются для различных приложений, включая антенные устройства [6-10] поглотители [11-13], поляризаторы [14,15], создание ультратонких линз [16-19], устройства оптической обработки информации [20], голограммы [21-22] и др. Как было недавно показано в обзорной работе [3], метаповерхности как составные части антенн позволяют управлять распределением поля не только в зоне излучения, но и в промежуточной и ближней зонах в отличие от классических типов антенн. Кроме того, одним из важных применений метаповерхностей является повышение качества изображений [19,23], что имеет решающее значение в различных областях биологии, медицины и нанотехнологий. Более того, возможность динамически управлять спектральным откликом метаповерхностей делает их исключительной платформой для разработки новых электромагнитных устройств [4]. В этих условиях задача внедрения метаповерхностей в радиочастотную (РЧ) технику сама по себе становится актуальной, что подтверждается стремительным ростом числа научных работ в последние несколько лет.

Магнитно-резонансная томография (МРТ) [24] является одной из наиболее перспективных областей применения метаповерхностей, так как работает в узком частотном диапазоне вблизи ларморовской частоты [25]. Рабочую частоту МРТ системы можно определить, как /=уВ0, где у -гиромагнитное отношение, а В0 - напряженность статического магнитного поля. Например, для протонов гиромагнитное отношение равно 42.6 МГц/Тл, таким образом, рабочая частота 1.5 Тл магнитно-резонансного (МР) томографа составляет примерно 64 МГц. В целом, МРТ на сегодняшний день является основным инструментом диагностической медицины, что связано с высокой информативностью и точностью получения данных при неинвазивном и безопасном для здоровья пациентов методе проведения исследований [26-27].

Принцип работы МРТ основан на явлении ядерного магнитного резонанса - физическом эффекте резонансного поглощения и испускания радиоволн ядрами атомов с полуцелыми массовыми числами в магнитном поле высокой напряженности [25]. В основном в МРТ для формирования изображения используют атомы водорода. При помещении человека внутрь постоянного магнитного поля, например с напряженностью В0=1.5 Тл, протоны выстраиваются параллельно и антипараллельно полю В0, и начинают прецессировать вокруг направления В0 с ларморовской частотой [25]. Для построения изображения заданной области в МРТ применяют градиентные катушки. Градиентные катушки создают квазистатические магнитные поля с изменяющейся в пространстве напряженностью, которые накладываются на основное магнитное поле В0, за счет этого частоты различных областей объекта имеют несколько разные значения, что позволяет в дальнейшем получать изображение конкретной области исследования. В целом для кодирования радиочастотного (РЧ) сигнала используется сразу несколько градиентных катушек, которые позволяют выделить в исследуемом объекте малые объемы, каждый из которых характеризуется уникальной комбинацией фазы и частоты. Для того чтобы перевести протоны в области интереса в состояние

возбуждения, необходимо подать РЧ импульс (РЧ поле В1) на заданной частоте с помощью передающей катушки. После выключения РЧ импульса протоны стремятся перейти в исходное состояние и излучают поглощенную энергию в виде радиоволн. Для того чтобы «собрать» эти волны используются приемные РЧ катушки, которые располагаются, как правило, близко к области исследования. Затем принятый сигнал поступает на компьютер и после специальной математической обработки (двумерного преобразования Фурье) магнитно-резонансное (МР) изображение появляется на экране монитора.

Одним из главных критериев, отвечающих за качество МР изображений, является отношение сигнал-шум (ОСШ), которое определяется как отношение уровня полезного сигнала к стандартному отклонению шумового сигнала [28]. Для получения изображения исследуемую область делят на элементарные объемы (вокселы): чем меньше воксел, тем выше пространственное разрешение изображения и наоборот. Однако при уменьшении размеров воксела уменьшается и уровень полезного сигнала, получаемого из этого объема. Поэтому при увеличении пространственного разрешения МР изображения снижается ОСШ. Это приводит к необходимости искать компромисс между размером воксела и необходимым уровнем ОСШ. Увеличение полезного сигнала, получаемого от воксела, достигают путем усреднения сигнала от серии идентичных сканирований. Однако это существенно увеличивает время исследования, что затрудняет использование данного подхода в ежедневной практике сканирования пациентов и приводит к повышению стоимости процедуры в сравнении с компьютерной томографией и рентгеном.

Другим подходом для увеличения ОСШ является повышение величины статического магнитного поля В0. Так, в большинстве современных клиник России и Европы используются высокопольные томографы (с силой поля В0=1.5 Тл), практически полностью вытеснившие низкопольные системы (0.10.4 Тл). Они позволяют получить заметно более детальное изображение, хотя не применимы в полной мере для проведения детальных исследований мозга и

быстрого сканирования пациентов. Появившиеся относительно недавно сверхвысокопольные системы (3 Тл и 7 Тл) позволяют значительно улучшить разрешение МР снимков и уже успешно эксплуатируются в больницах и медицинских центрах по всему миру. Однако увеличение статического магнитного поля неизбежно требует усложнения конструкции магнита, что, в конечном счете, также приводит к повышению стоимости оборудования и снижает доступность качественных исследований для пациентов. Кроме того на сверхвысоких полях ухудшается однородность РЧ магнитного поля, поскольку длина волны электромагнитного излучения становится сравнима с размерами человеческого тела, что приводит к появлению артефактов на МР изображениях и необходимости их устранять. Также в связи с повышением РЧ мощности на сверхвысоких полях остро стоит проблема контроля безопасности исследования.

С другой стороны, повысить ОСШ можно путем увеличения чувствительности приемной катушки (повышения уровня принимаемого сигнала от спинов и минимизации принимаемых и внутренних шумов катушки). Поэтому существующие стандартные приемные катушки, используемые в МРТ, - это, как правило, поверхностные или объемные катушки, которые располагаются вблизи исследуемой области и подключаются к томографу с помощью РЧ кабелей [29]. Это приводит к усложнению процедуры МР исследования, так как необходимо правильным образом расположить приемную катушку и избежать попадания РЧ кабеля в область исследования. Кроме того данные катушки имеют высокую стоимость и несовместимы с томографами различных производителей.

С другой стороны, как показывает обзор литературы, перспективной возможностью улучшения характеристик МРТ является использование новых материалов, таких как метаматериалы и материалы с высокой диэлектрической проницаемостью. Например, в ряде научных работ было продемонстрировано, что использование стандартных приемных катушек совместно со

специальными подкладками из диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью: дистиллированной или дейтерированной водой, титанатом кальция, титанатом бария-стронция и пр., позволяет уменьшить неоднородность РЧ магнитного поля и удельный коэффициент поглощения электромагнитной энергии, а также улучшить ОСШ в сверхвысокопольных МРТ и МР спектроскопии [30-34]. В работах [32,35,36] для увеличения ОСШ использовались квадратурные беспроводные РЧ катушки, выполненные из резонаторов на основе материалов с высокой диэлектрической проницаемостью. Однако такие пассивные диэлектрические подкладки и резонаторы, как правило, применяются в сверхвысоких магнитных полях (3 Тл и выше), это определяется величиной диэлектрической проницаемости и физическими размерами резонатора, которые ограничены размерами свободного пространства внутри томографа.

В свою очередь, главная особенность метаматериалов и метаповерхностей заключается в том, что они позволяют переносить и перераспределять ближнее электромагнитное поле в пространстве и могут применяться для МР томографов с любой индукцией постоянного магнитного поля, в том числе для среднепольной и высокопольной МРТ, которая в основном используется в повседневной клинической практике. В частности, было продемонстрировано, что электромагнитный эндоскоп на основе системы из параллельных металлических проводов (предельно анизотропного метаматериала) [37,38] и массив на основе спиральных резонаторов (так называемые материалы «швейцарский рулет») [39] позволяют передавать распределение РЧ сигнала, излучаемого объектом внутри томографа, к внешнему приемнику. В этом случае можно использовать более простые и дешевые РЧ приемники с магнитными материалами, так как их можно разместить вне МР томографа. Также было продемонстрировано, что массивы из разомкнутых кольцевых резонаторов [40,41] могут быть использованы для увеличения ОСШ стандартных приемных катушек. Таким образом, к моменту

начала работы над диссертацией было показано, что структуры на основе метаматериалов могут повысить качество МР изображений без увеличения постоянного магнитного поля. Однако во всех выше перечисленных примерах использовались громоздкие структуры, что ограничивает их применение на практике. В связи с этим разработка новых тонких двумерных структур, таких как метаповерхности, для увеличения ОСШ является актуальной задачей.

Использование метаповерхностей на основе резонансных проводов для улучшения характеристик МРТ было впервые предложено в работе [42]. Было показано, что данная метаповерхность может увеличить ОСШ стандартной приемной катушки более чем в два раза за счет пространственного перераспределения электромагнитного поля внутри томографа. Кроме того, этот подход был применен для сверхвысокопольной МРТ и МР спектроскопии человеческого мозга [43], а также использовался для мульти ядерной МРТ [44]. Однако метаповерхности на основе параллельных металлических проводов были недостаточно исследованы. В частности, не были изучены физические основы беспроводной передачи МР сигнала внутри томографа при помощи структур на основе метаповерхностей.

Целью диссертационной работы является создание и исследование метаповерхностей на основе массива параллельных металлических проводов для повышения качества работы систем высокопольной МРТ. В соответствии с заявленной целью ставятся следующие задачи:

1. Разработать модель метаповерхности на основе массива параллельных металлических проводов, помещенных внутрь материала с высокой диэлектрической проницаемостью.

2. Исследовать влияние распределения ближнего электромагнитного поля в плоскости метаповерхности на основе массива параллельных металлических проводов, помещенных внутрь материала с высокой диэлектрической проницаемостью, на увеличение чувствительности приемной РЧ катушки.

3. Исследовать влияние размера объекта исследования и его положения относительно метаповерхности на основе немагнитных проводников, помещенных внутрь материала с высокой диэлектрической проницаемостью, на увеличение ОСШ приемника.

4. Разработать модели гибридных метаповерхностей на основе немагнитных проводников, с краями, частично помещёнными внутрь материала с высокой диэлектрической проницаемостью или соединёнными через емкости, с однородным распределением магнитного поля вдоль проводов.

5. Исследовать принципы перестройки спектрального отклика гибридных метаповерхностей при изменении геометрических параметров их структурных элементов. Проанализировать влияние гибридных метаповерхностей на увеличение ОСШ при настройке их основной собственной моды на разные резонансные частоты.

6. Разработать модель структуры на основе параллельных метаповерхностей из проводов, соединенных емкостями друг с другом, которая позволяет локализовать магнитное поля внешней катушки-источника в пространстве между двумя метаповерхностями. Анализ влияния собственной моды данной структуры на увеличение амплитуды магнитного поля внешней катушки-источника.

7. Исследовать влияние предложенных метаповерхностей на РЧ магнитное поле приемо-передающей катушки типа «птичья клетка» и удельный коэффициент поглощения электромагнитной энергии методами численного моделирования при наличии воксельной модели человека.

8. Провести ряд МР исследований с добровольцами при наличии метаповерхностей и сравнить полученные МР изображения с изображениями для коммерческих приемных катушек, которые подключаются к томографу с помощью РЧ кабеля.

Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые:

1. Экспериментально продемонстрировано, что для получения максимально возможного увеличения ОСШ необходимо располагать объект исследования в области минимального электрического и максимального магнитного поля вблизи метаповерхности. Также показано, что чем больше геометрические размеры метаповерхности по сравнению с размерами объекта исследования, тем большего значения ОСШ можно добиться.

2. Продемонстрирована возможность управлять однородностью РЧ магнитного поля в области интереса путем изменения длины проводов, находящихся внутри диэлектрических блоков.

3. Продемонстрировано, что резонансную частоту гибридных метаповерхностей можно настраивать на рабочую частоту магнитно -резонансного томографа путем изменения количества диэлектрика вокруг проводов, длины проводов или площади полоска.

4. Показано, что объемная беспроводная катушка, состоящая из двух параллельных плоских метаповерхностей на основе металлических проводов, связанных емкостями друг с другом, способна локализовать вблизи себя и однородно усилить в объеме РЧ магнитное поле внешней катушки-источника.

5. Экспериментально продемонстрировано, что созданные на основе метаповерхностей беспроводные устройства позволяют получить значения ОСШ сравнимые с локальными коммерческими приемными катушками, которые подключаются к томографу с помощью РЧ кабеля, а также значительно уменьшить РЧ нагрузку на человека.

Научные положения, выносимые на защиту:

1.Метаповерхности из параллельных металлических проводов увеличивают отношение сигнал-шум благодаря пространственному перераспределению ближнего электромагнитного поля внутри томографа. Величина локального усиления отношения сигнал-шум растет при уменьшении геометрических размеров объекта исследования относительно размеров

метаповерхности и при настройке резонансной частоты метаповерхности на рабочую частоту томографа, а также уменьшается при смещении объекта из центра к краю структуры.

2.Метаповерхности на основе параллельных металлических проводов, края которых помещены в материал с высокой диэлектрической проницаемостью, обеспечивают более однородное распределение магнитного поля в плоскости структуры, по сравнению с метаповерхностями на основе параллельных металлических проводов, которые полностью находятся в материале с высокой диэлектрической проницаемостью. Степенью однородности распределения магнитного поля можно управлять, изменяя длину части провода, находящегося внутри материала с высокой диэлектрической проницаемостью.

3.Две параллельные метаповерхности из металлических проводов, связанные емкостями друг с другом, обеспечивают локализацию радиочастотного магнитного поля внешней катушки-источника в объеме между ними с высокой однородностью. Величина усиления радиочастотного магнитного поля тем выше, чем меньше расстояние между метаповерхностями.

4.Использование внешней катушки-источника в комбинации с объемной беспроводной катушкой на основе двух параллельных метаповерхностей из металлических проводов, связанных емкостями друг с другом, позволяет снизить радиочастотную нагрузку на человека.

Практическая значимость работы заключается в том, что полученные результаты могут быть использованы для создания новых специализированных беспроводных РЧ катушек для решения важных клинических задач в области МРТ (например, в области маммографии, урологии и функциональной МРТ мозга), а также для разработки новых устройств для беспроводной передачи энергии.

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечены применением современных методов численного моделирования и

экспериментального исследования, которые всесторонне апробированы и широко используются, а также соответствием полученных экспериментальных результатов с данными численного моделирования. Воспроизводимость полученных экспериментальных результатов подтверждается проведением ряда измерений на различных МР томографах в России (в Национальном медицинском исследовательском центре им. В. А. Алмазова, ООО «С.П. Гелпик») и за рубежом (в Медицинском центре университета города Лейдена и Медицинским центре университета города Утрехта).

Внедрение результатов работы. Экспериментальные образцы, разработанные в ходе диссертационной работы, используются для проведения лабораторных занятий по курсу «Технологии и экспериментальные методы в радиофизике и томографии» в рамках магистерской программы «Радиочастотные системы и устройства» на физико-техническом факультете. Результаты данного исследования в настоящее время используются для разработки беспроводной РЧ катушки для спины по договору с канадско-британской компанией Mediwise (http://www.mediwise.co.uk). Также следует отметить, что некоторые из разработанных экспериментальных прототипов уже применяются в Национальном медицинском исследовательском центре им. В. А. Алмазова для диагностики заболеваний кистевого сустава.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и обсуждены на следующих международных конференциях: «Days on Diffraction» (Санкт-Петербург, 2015, 2018), «International Microwave and Optoelectronic Conference» (Порту де Галиньяс, 2015), «Radio and Antenna Days of the Indian Ocean (RADIO)» (Маврикий, 2015), «2016 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation» (Фахардо, 2016), «ISMRM 25th Annular Meeting» (Гавайи, 2017), «Progress In Electromagnetics Research Symposium» (Санкт-Петербург, 2017; Тояма, 2018), «The 11th International Congress on Engineered Material Platforms for Novel Wave Phenomena - Metamaterials'2017» (Марсель, 2017), «METANANO» (Владивосток, 2017), «Joint Annual Meeting ISMRM-

ESMRMB» (Париж, 2018), «The 12th International Congress on Artificial Materials for Novel Wave Phenomena - Metamaterials'2018» (Эспоо, 2018), а также на семинарах в Университете ИТМО (Санкт-Петербург, 2016) и в Медицинском ^rnpe университета города Утрехт (Нидерланды, 2016).

Публикации. Основные научные результаты диссертационной работы опубликованы в 5 научных статьях в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК, и 12 печатных трудах по материалам международных конференций, 8 из которых входят в международные реферативные базы данных и системы цитирования Scopus и Web of Science.

Личный вклад автора. Автор внес определяющий вклад в выбор методов, проведение теоретических и экспериментальных исследований и получение результатов, а также подготовку научных публикаций по результатам работы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации -110 страниц, включая библиографию из 93 наименований. Работа содержит 39 рисунков, размещенных внутри глав.

Диссертационная работа выполнена при поддержке Минобрнауки России, номер соглашения 14.587.21.0041, уникальный идентификатор соглашения RFMEFI58717X0041.

ГЛАВА 1. ВЛИЯНИЕ СОБСТВЕННОЙ МОДЫ МЕТАПОВЕРХНОСТИ НА УВЕЛИЧЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ПРИЕМНИКА В ВЫСОКОПОЛЬНОЙ МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНОЙ ТОМОГРАФИИ

1.1. Введение

В МРТ качество получаемого изображения принято характеризовать, так называемым отношением сигнал-шум (ОСШ). В течение последних нескольких десятилетий было предложено множество различных подходов, нацеленных на повышение ОСШ. Часть исследований была направлена на создание конструкций аппаратов с большей напряженностью статического магнитного поля [45]. Однако в то же время решающую роль в достижимом уровне ОСШ играет чувствительность стандартных приемных элементов (РЧ катушек). Идеальная приемная катушка в МРТ должна позволять принимать сигнал из интересующего региона, и при этом быть нечувствительной к тепловому шуму, исходящему от исследуемого объекта [46]. Другими словами, зависимость ОСШ от РЧ параметров МРТ системы может быть представлена отношением напряжения в катушке, создаваемого отдельным вокселом к тепловому шуму системы [28,47]:

ОСШ - /МоВ- , (1.1)

где /- ларморовская частота (Гц), М0 - продольная намагниченность, V - объем воксела, с которого принимается сигнал, Б- - РЧ магнитное поле, которое по принципу взаимности могла бы создавать приемная катушка, если бы была источником, кв - константа Больцмана, Л/ - ширина полосы пропускания приемной катушки, Т - абсолютная температура катушки и объекта исследования, Я - суммарное сопротивление катушки и объекта исследования. Для клинических томографов потери в системе определяются в основном сопротивлением объекта исследования [28], которое прямо пропорционально

диссипативным потерям (Р) в образце, зависящим от РЧ электрического поля (Е) и проводимости объекта исследования (а):

Р = (1.2)

Поэтому для заданной системы можно считать, что шум в первую очередь определяется величиной электрического поля (Е). Отсюда следует, что для увеличения ОСШ приемной катушки, необходимо повысить чувствительность катушки или РЧ магнитное поле В{ в области интереса и уменьшить электрическое поле в этой же области.

Как было впервые продемонстрировано в работе [42], метаповерхность из параллельных немагнитных проводов способна перераспределить ближнее электромагнитное поле внутри томографа таким образом, что магнитное поле локализуется в центральной части структуры, а электрическое на краях. Это происходит за счет того, что резонансная частота основной моды метаповерхности совпадает с рабочей частотой МР томографа. Поскольку длина каждого провода была настроена на полуволновой резонанс, советующий рабочей частоте 1.5 Тл томографа и провода находятся друг от друга на расстоянии намного меньше длины волны между ними возникает сильное электромагнитное взаимодействие и образуется несколько собственных мод (так называемый эффект гибридизации [48]). Каждая собственная мода имеет свою резонансную частоту и отличное от других распределение РЧ магнитного поля, создаваемого определенным распределением токов, текущих в противоположных направлениях вдоль проводов. Подобные собственные моды также были изучены в сверхмалых оптических резонаторах [49] и электрически-тонких линзах конечного размера на основе метаматериалов [50], [51]. Для приложений МРТ наибольший интерес представляет самая низкочастотная мода (или основная мода), которая характеризуется наибольшей глубиной проникновения электромагнитного поля. Для данной собственной моды магнитное поле локализовано в центре структуры и его

профиль имеет форму косинуса, при этом электрическое поле сосредоточено на краях проводов.

В данной главе приводится подробный анализ влияния основной собственной моды метаповерхности, состоящей из массива немагнитных параллельных проводников, помещенных внутрь материала с высокой диэлектрической проницаемостью на чувствительность приемника в 1.5 Тл МРТ.

1.2. Модель метаповерхности и исследование ее характеристик

Моделируемая метаповерхность была сформирована массивом из 14*2 латунных проводов. Длина каждого провода была настроена на полуволновой резонанс, соответствующий частоте 63.6 МГц. Однако, поскольку для данной частоты длина волны составляет около 4.7 м, для уменьшения длины, провода были помещены в материал с высокой диэлектрической проницаемостью, а именно дистиллированную воду с е=78+0.2/. Период структуры, равный 10 мм, и количество проводов были выбраны исходя из размеров области пространства, где необходимо локализовать магнитное поле. Геометрия метаповерхности показана на рисунке 1.1. Длина проводов (lw=372 мм) и размеры пластиковой коробки (L=414 мм, D=200 мм, H=73 мм), которая заполнялась дистиллированной водой, были подобраны таким образом, чтобы сделать структуру компактной, а также настроить резонансную частоту основной моды метаповерхности на рабочую частоту томографа (63.6 МГц). Провода были смещены к верхней части коробки (на расстоянии 5 мм от крышки), чтобы усилить электромагнитную связь с объектом исследования. Все численные расчеты проводились в программном пакете CST Microwave Studio 2017. В частности, для определения резонансной частоты метаповерхности, анализировался коэффициент отражения (|S11|) небольшой рамочной антенны, выполненной в виде кольца из идеального проводника с

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Щелокова Алёна Вадимовна, 2018 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[1] An overview of the theory and applications of metasurfaces: The two-dimensional equivalents of metamaterials / C. Holloway, E.F. Kuester, J. Gordon et al. // IEEE Antennas and Propagation Magazine. - 2012. - Vol. 54, no. 2. - P. 10-35.

[2] Engheta N., Ziolkowski R.W. Metamaterials: physics and engineering explorations. - Hoboken: Wiley-IEEE Press, 2006. - 440 p.

[3] Metasurfaces: from microwaves to visible / S.B. Glybovski, S.A. Tretyakov, P.A. Belov et al. // Physics Reports. - 2016. - Vol. 634. - P. 1-72.

[4] Chen H.-T., Taylor A.J., Yu N. A review of metasurfaces: physics and applications // Reports on Progress in Physics. - 2016. - Vol. 79, no. 7. - P. 076401.

[5] Estakhri N., А1й A. Recent progress in gradient metasurfaces // Journal of the Optical Society of America B. - 2016. - Vol. 33, no. 2. - P. A21-A30.

[6] High-impedance electromagnetic surfaces with a forbidden frequency band / D. Sievenpiper, L. Zhang, R. Broas et al. // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 1999. - Vol. 47, no 11. - P. 2059-2074.

[7] Kim J., Rahmat-Samii Y. Low-profile loop antenna above EBG structure // IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium. - 2005. - P. 570-573.

[8] Патент США № US7202818B2, 16.10.2001.

Multifrequency microstrip patch antenna with parasitic coupled elements // Патент США № US7202818B2. 2001. / Pros J., Ballarda C.

[9] Симовский К.Р., Сочава А.А., Мельчакова И.В. Аналитическое и численное исследование свойств поверхности с высоким импедансом // Радиотехника. - 2007. - № 12. - C. 50-55.

[10] Симовский К.Р., Сочава А.А., Мельчакова И.В. Поверхность с высоким импедансом и стабильным низкочастотным резонансом // Радиотехника и Электроника. - 2008. - T. 53, № 5. - C. 527-536.

[11] Tretyakov S.A., Maslovski S.I. Thin absorbing structure for all incidence angles based on the use of a high-impedance surface // Microwave and Optical Technology Letters. - 2003. - Vol. 38, no 3. P. 175-178.

[12] THz-metamaterial absorbers / V.T. Pham, J.W. Park, D.L. Vu et al. // Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology. - 2013. - Vol. 4, no 1. -P. 015001.

[13] Infrared perfect absorber and its application as plasmonic sensor / N. Liu, M. Mesch, T. Weiss et al. // Nano Letters. - 2010. - Vol. 10, no 7. - P. 2342-2348.

[14] A W-band polarization converter and isolator / C. Dietlein, A. Luukanen, Z. Popovic, E. Grossman // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. -2007. - Vol. 55, no 6. - P. 1804-1809.

[15] Anisotropic impedance surfaces for linear to circular polarization conversion / E. Doumanis, G. Goussetis, J. Gomez-Tornero et al. // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - 2012. - Vol. 60, no 1. - P. 212-219.

[16] Light propagation with phase discontinuities: generalized laws of reflection and refraction / N. Yu, P. Genevet, M.A. Kats et al. // Science. - 2011. - Vol. 334, no. 6054. - P. 333-337.

[17] Broadband light bending with plasmonic nanoantennas / X. Ni, N.K. Emani, A.V. Kildishev et al. // Science. - 2012. - Vol. 335, no. 6067. - P. 427.

[18] Dielectric gradient metasurface optical elements / D. Lin, P. Fan, E. Hasman, M.L. Brongersma // Science. - 2014. - Vol. 345, no. 6194. - P. 298-302.

[19] Metalenses at visible wavelengths: Diffraction-limited focusing and subwavelength resolution imaging / M. Khorasaninejad, W.T. Chen, R.C. Devlin et al. // Science. - 2016. - Vol. 352, no. 6290. - P. 1190-1194.

[20] Performing mathematical operations with metamaterials / A. Silva, F. Monticone, G. Castaldi et al. // Science. - 2014. - Vol. 343, no 6167. - P. 160163.

[21] Ni X., Kildishev A.V., Shalaev V.M. Metasurface holograms for visible light // Nature Communications. - 2013. - Vol. 4. - P. 2807.

[22] Metasurface holograms reaching 80% efficiency / G. Zheng, H. Mühlenbemd, M. Kenney et al. // Nature Nanotechnology. - 2015. - Vol. 10. - P. 308-312.

[23] Monticone F., Valagiannopoulos C.A., Alü A. Parity-time symmetric nonlocal metasurfaces: all-angle negative refraction and volumetric imaging // Physical Review X. - 2016. - Vol. 6. - P. 041018.

[24] Hendee W.R. Physics and applications of medical imaging // Reviews of Modern Physics. - 1990. - Vol. 71. - P. S444.

[25] Ринк П.А. Магнитный резонанс в медицине. - Москва: ГЭОТАР-МЕД,

2003. - 228 c.

[26] Методы магнитно-резонансной томографии в биомедицинских исследованиях / Н.В. Анисимов, Л.В. Губский, Д.А. Куприянов, Ю.А. Пирогов // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. - 2005. - № 4-5. - C. 73-82.

[27] Magnetic resonance and its applications / V. I. Chizhik, Y. S. Chernyshev, A. V. Donets et al.- New York: Springer International Publishing, 2014. - 782 p.

[28] Magnetic resonance imaging: physical principles and sequence design / R. W. Brown, Y.-C. N. Cheng, E. M. Haacke et al. - New York:Wiley-Blackwell,

2004. - 1008 p.

[29] Vaughan J.T., Griffiths J. R. RF Coils for MRI. - Chichester: John Wiley & Sons Ltd, 2012. - 468 p.

[30] Webb A.G. Dielectric Materials in Magnetic Resonance // Concepts in Magnetic Resonance Part. - 2011. - Vol. 38A, no 4. - P. 148-184.

[31] Manipulation of image intensity distribution at 7.0 T: passive RF shimming and focusing with dielectric materials / Q.X. Yang, W. Mao, J. Wang et al. // Journal of Magnetic Resonance Imaging. - 2006. - Vol. 24, no 1. - P. 197-202.

[32] Haines K., Smith N.B., Webb A.G. New high dielectric constant materials for tailoring the B1+ distribution at high magnetic fields // Journal of Magnetic Resonance. - 2010. - Vol. 203, no 2. - P. 323-327.

[33] Brink W.M., Webb A.G. High permittivity pads reduce specific absorption rate, improve B1 homogeneity, and increase contrast-to-noise ratio for functional cardiac MRI at 3 T: high permittivity pads for cardiac MRI // Magnetic Resonance in Medicine. - 2014. - Vol. 71, no 4. - P. 1632-1640.

[34] Improvements in high-field localized MRS of the medial temporal lobe in humans using new deformable high-dielectric materials / J.E. Snaar, W.M. Teeuwisse, M.J. Versluis et al. // NMR in Biomedicine. - 2011. - Vol. 24, no 7. - P. 873-879.

[35] The evaluation of dielectric resonators containing H2O or D2O as RF coils for high-field MR imaging and spectroscopy / H. Wen, F.A. Jaffer, T.J. Denison et al. // Journal of Magnetic Resonance, Series B. - 1996. - Vol. 110, no 2. - P. 117-123.

[36] Aussenhofer S.A., Webb A.G. High-permittivity solid ceramic resonators for high-field human MRI // NMR in Biomedicine. - 2013. - Vol. 26, no 11. - P. 1555-1561.

[37] Radu X., Garray D., Craeye C. Toward a wire medium endoscope for MRI imaging // Metamaterials. - 2009. - Vol. 3, no. 2. - P. 90-99.

[38] An endoscope based on extremely anisotropic metamaterials / A.P. Slobozhanyuk, I.V. Melchakova, A.V. Kozachenko et al. // Journal of Communications Technology and Electronics. - 2014. - Vol. 59, no 6. - P. 562570.

[39] Microstructured magnetic materials for RF flux guides in magnetic resonance imaging / M.C.K. Wiltshire, J.B. Pendry, I.R. Young et al. // Science. - 2001. -Vol. 291, no 5505. - P. 849-851.

[40] On the applications of ^r=-1 metamaterial lenses for magnetic resonance imaging / M.J. Freire, L. Jelinek, R. Marques, M. Lapine // Journal of Magnetic Resonance. - 2010. - Vol. 203, no. 1. - P. 81-90.

[41] Nonlinear split-ring metamaterial slabs for magnetic resonance imaging / M.A. Lopez, M.J. Freire, J.M. Algarin et al. // Applied Physics Letters. - 2011. -Vol. 98, no 13. - P. 133508.

[42] Enhancement of magnetic resonance imaging with metasurfaces / A. P. Slobozhanyuk, A. N. Poddubny, A. J. E. Raaijmakers et al.// Advanced Materials. - 2016. - Vol. 28. - P. 1832-1838.

[43] Flexible and compact hybrid metasurfaces for enhanced ultra high field in vivo magnetic resonance imaging / R. Schmidt, A. Slobozhanyuk, P. Belov, A. Webb // Scientific Reports. - 2017. - Vol. 7., no 1678.

[44] Schmidt R., Webb A. Metamaterial combining electric- and magnetic-dipole-based configurations for unique dual-band signal enhancement in ultrahigh-field magnetic resonance imaging // ACS Applied Materials & Interfaces. - 2017. -Vol. 9, no 40. - P. 34618-34624.

[45] 1.5 Tesla magnetic resonance imaging scanners compared with 3.0 Tesla magnetic resonance imaging scanners: systematic review of clinical effectiveness / R. Wood, K. Bassett, V. Foerster et al. - Ottawa: Canadian Agency for Drugs and Technologies in Health, 2011.

[46] Ocali O., Atalar E. Ultimate instrincic signal-to-noise ratio in MRI // Magnetic Resonance in Medicine. - 1998. - Vol. 39, no 3. - P. 462-473.

[47] Hoult D.I., Richards R.E. The signal-to-noise ratio of the nuclear magnetic resonance experiment // Journal of Magnetic Resonance. - 1976. - Vol. 24. - P. 71-85.

[48] Volume coil based on hybridized resonators for magnetic resonance imaging / C. Jouvaud, R. Abdeddaim, B. Larrat et al. // Applied Physics Letters. - 2016. -Vol. 108. - P. 023503.

[49] Three-dimensional nanometer-scale optical cavities of indefinite medium / J. Yao, X. Yang, X. Yin et al. // Proceedings of the National Academy of Sciences. - 2011. - Vol. 108. - P. 11327.

[50] Exact modelling method for discrete finite metamaterial lens / M. Lapine, L. Jelinek, R. Marques, M. J. Freire // IET Microwaves, Antennas & Propagation. -2010. - Vol. 4, no 8. - P. 1132-1139.

[51] Realistic metamaterial lenses: limitations imposed by discrete structure / M. Lapine, L. Jelinek, M.J. Freire, R. Marques // Physical Review B. - 2010. -Vol. 82. - P. 165124.

[52] Bartels L.W., Bakker C.J.G., Viergever M.A. Improved lumen visualization in metallic vascular implants by reducing RF artifacts // Magnetic Resonance in Medicine. - 2002. - Vol. 47. - P. 171-180.

[53] Experimental investigation of a metasurface resonator for in vivo imaging at 1.5T / A.V. Shchelokova, A.P. Slobozhanyuk, P. de Bruin et al. // Journal of Magnetic Resonance. - 2018. - Vol. 286. - P. 78-81.

[54] An efficient, highly homogeneous radiofrequency coil for whole-body NMR imaging at 1.5 T / C.E. Hayes, W.A. Edelstein, J.F. Schenck et al. // Journal of Magnetic Resonance. - 1985. - Vol. 63. - P. 622-628.

[55] Resonant metalenses for breaking the diffraction barrier / F. Lemoult, G. Lerosey, J. Rosny, M. Fink // Physical Review Letters. - 2010. - Vol. 104, no. 20. - P. 203901.

[56] Lemoult F., Fink M., Lerosey G. Revisiting the wire medium: an ideal resonant metalens // Waves in Random and Complex Media. - 2011. - Vol. 21, no. 4. -P. 591-613.

[57] Lemoult F., Fink M., Lerosey G. Far-field sub-wavelength imaging and focusing using a wire medium based resonant metalens // Waves in Random and Complex Media. - 2011. - Vol. 21, no 4. - P. 614-627.

[58] Lemoult F., Fink M., Lerosey G. A polychromatic approach to far-field superlensing at visible wavelengths // Nature Communications. - 2012. - Vol. 3.

- P. 889.

[59] Magnetic Purcell factor in wire metamaterials / A.P. Slobozhanyuk, A.N. Poddubny, A.E. Krasnok, P.A. Belov // Applied Physics Letters. - 2014. -Vol. 104. - P. 161105.

[60] Vahala K. Advanced Series in Applied Physics: Optical Microcavities. -Singapore: World Scientific Publishing Company, 2005. - 516 p.

[61] Locally enhanced image quality with tunable hybrid metasurfaces / A.V. Shchelokova, A.P. Slobozhanyuk, I.V. Melchakova et al. // Physical Review Applied. - 2018. - Vol. 9. - P. 014020.

[62] A Novel Metamaterial-Inspired RF-coil for Preclinical Dual-Nuclei MRI / А. Hurshkainen, A. Nikulin, E. Georget et al. // Scientific Reports. - 2018. - Vol. 8.

- P. 9190.

[63] Kretov E.I., Shchelokova A.V., Slobozhanyuk A.P. Impact of wire metasurface eigenmode on the sensitivity enhancement of MRI system // Applied Physics Letters. - 2018. - Vol. 112 (3). - P. 033501.

[64] Westbrook C. Handbook of MRI technique, 3rd Edition. - Oxford: Wiley-Blackwell, 2008. - 425 p.

[65] Identification and mitigation of interference sources present in SSB-based wireless MRI receiver arrays: interference sources in SSB-based MRI receiver arrays / M.J. Riffe, M.D. Twieg, N. Gudino et al. // Magnetic Resonance in Medicine. - 2013. - Vol. 70. - P. 1775-1786.

[66] Патент США № US20030206019, 02.05.2002.

Wireless RF module for an MR imaging system // Патент США № US10063550. 2002. / Boskamp E.B.

[67] Wireless local coil signal transmission using a parametric upconverter / S. Martius, O. Heir, M. Vester et al. // Proceedings of the International Society for Magnetic Resonance in Medicine. - 2009. - Vol. 17. - P. 2934.

[68] Cutting the cord - wireless coils for MRI / O. Heid, M. Vester, P. Cork et al. // Proceedings of the International Society for Magnetic Resonance in Medicine. -2009. - Vol. 17. - P. 100.

[69] B1 homogenization in MRI by Multilayer Coupled Coils / W. Shumin, J. Murphy-Boesch, H. Merkle et al. // IEEE Transactions on Medical Imaging. -2009. - Vol. 28, no 4. - P. 551-554.

[70] Hoult D.I., Tomanek B. Use of mutually inductive coupling in probe design // Concepts in Magnetic Resonance Part A. - 2002. - Vol. 15. - P. 262-285.

[71] Inductively coupled wireless RF coil arrays / S. Bulumulla, E. Fiveland, K.J. Park et al. // Magnetic Resonance Imaging. - 2015. - Vol. 33, no 3. - P. 351-357.

[72] Dental MRI using wireless intraoral coils / U. Ludwig, A.-K. Eisenbeiss, C. Scheifele et al. // Scientific Reports. - 2016. - Vol. 6. - P. 23301.

[73] Application of inductively coupled wireless radio frequency probe to knee joint in magnetic resonance image / S. Hashimoto, T. Sahara, H. Tsutsui et al. // Journal of Systemics, Cybernetics & Informatics. - 2009. - Vol. 7, no 5. - P. 610.

[74] Transmit B1-field correction at 7 T using actively tuned coupled inner elements / H. Merkle, J. Murphy-Boesch, P. van Gelderen et al. // Magnetic Resonance in Medicine. - 2011. - Vol. 66, no 3. - P. 901-910.

[75] Применение беспроводных катушек в магнитно-резонансной томографии на ядрах фтора-19 / Н. В. Анисимов, М. В. Гуляев, Д. В. Волков и др. // Журнал радиоэлектроники. - 2016. - Т. 11. - С. 1-11.

[76] Wright S.M., Wright R.M. Bilateral MR imaging with switched mutually coupled receiver coils // Radiology. - 1989. - Vol. 170, no 1. - P. 249-255.

[77] An inductively coupled coil designed for clinical use with a limb positioning platform / M. Rea, H. Elhawary, Z. Tse et al. // Proceedings of the International Society for Magnetic Resonance in Medicine. - 2010. - Vol. 18. - P. 1512.

[78] Патент США № US4680549A, 20.01.1984.

NMR coil arrangement // Патент США № US06690303. 1984. / Tanttu J.

[79] Artificial magnetic materials based on the new magnetic particle: metasolenoid / S.I. Maslovski, P.M.T. Ikonen, I. Kolmakov et al.// Progress In Electromagnetics Research. - 2005. - Vol. 54. - P. 61-81.

[80] Jylha L., Maslovski S., Tretyakov S. High-order resonant modes of a metasolenoid // Journal of Electromagnetic Waves and Applications. - 2005. -Vol. 19. - P. 1327-1342.

[81] Whole-body and local RF absorption in human models as a function of anatomy and position within 1.5T MR body coil / M. Murbach, E. Neufeld, W. Kainz et al. // Magnetic Resonance in Medicine. - 2014. - Vol. 71, no 2. - P. 839-845.

[82] Ernst R.R., Anderson W.A. Application of Fourier Transform Spectroscopy to Magnetic Resonance // Review of Scientific Instruments. - 1966. - Vol. 37. - P. 93.

[83] Measurement of signal-to-noise ratios in MR images: influence of multichannel coils, parallel imaging, and reconstruction filters / O. Dietrich, J.G. Raya, S.B. Reeder et al. // Journal of Magnetic Resonance. - 2007. - Vol. 26. - P. 375-385.

[84] Nazarian S., Beinart R., Halperin H.R. Magnetic resonance imaging and implantable devices // Circulation: Arrhythmia and Electrophysiology. - 2013. -Vol. 6, no 2. - P. 419-428.

[85] Yu Z., Xin X., Collins C.M. Potential for high-permittivity materials to reduce local SAR at a pacemaker lead tip during MRI of the head with a body transmit coil at 3 T // Magnetic Resonance in Medicine. - 2017. - Vol. 78, no 1. - P. 383386.

[86] Adjustable subwavelength metasurface-inspired resonator for magnetic resonance imaging / E.A. Brui, A.V. Shchelokova, M. Zubkov et al. // Physica Status Solidi A. - 2018. - Vol. 1700788. - P. 1-6.

[87] Volumetric wireless coil based on periodically coupled split-loop resonators for clinical wrist imaging / A.V. Shchelokova, C.A.T. van den Berg, D.A. Dobrykh et al. // Magnetic Resonance in Medicine. - 2018. - Vol. 80. - P. 1726-1737.

[88] Magnetic resonance imaging of the wrist in early rheumatoid arthritis reveals a high prevalence of erosions at four months after symptom onset / F.M. McQueen, N. Stewart, J. Crabbe et al. // Annals of the Rheumatic Diseases. -1998. - Vol. 57, no 6. - P. 350-356.

[89] MR imaging of the wrist: effect on clinical diagnosis and patient care / J.L. Hobby, A.K. Dixon, P.W.P. Bearcroft et al. // Radiology. - 2001. - Vol. 220, no 3. - P. 589-593.

[90] National Electrical Manufacturers Association. NEMA Standards Publication MS 1-2008 (R2014): Determination of signal-to-noise ratio in diagnostic magnetic resonance imaging. - Rosslyn: National Electrical Manufacturers Association, 2008. - 13 p.

[91] RF-field mapping in vivo / R. Stollberger, P. Wach, G. McKinnon et al. // Proceedings of the International Society for Magnetic Resonance in Medicine. -1988. -P. 106.

[92] Cunningham C.H., Pauly J.M., Nayak K.S. Saturated double-angle method for rapid B1+ mapping // Magnetic Resonance in Medicine. - 2006. - Vol. 55. - P. 1326-1333.

[93] Sihvola A. Mixing Rules with Complex Dielectric Coefficients // Subsurface Sensing Technologies and Applications. - 2000. - Vol. 1, no. 4. - P. 393-415.