Субволновые объемные резонаторы для перераспределения радиочастотного поля в высокопольной магнитно-резонансной томографии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Пучнин Виктор Михайлович

• Пучнин Виктор Михайлович
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Пучнин Виктор Михайлович

Реферат

Synopsis

Введение

Глава 1. Электромагнитные свойства объемного резонатора на основе массива разомкнутых кольцевых резонаторов и его влияние на передающие характеристики РЧ системы аппарата МРТ

1.1 Электромагнитные характеристики субволновых резонаторов: массива разомкнутых кольцевых резонаторов, катушки Гельмгольца, соленоида

1.2 Взаимодействие объемных субволновых резонаторов с катушкой-источником

1.3 Выводы

Глава 2. Управление распределением амплитуды магнитного

поля в массиве разомкнутых кольцевых резонаторов

2.1 Численное исследование влияния количества резонансных элементов на однородность распределения амплитуды переменного магнитного поля

2.2 Экспериментальные измерения распределения амплитуды магнитного поля

2.3 Экспериментальные измерения на аппарате МРТ

2.4 Выводы

Глава 3. Топологически защищенное краевое состояние в

объемном массиве разомкнутых кольцевых резонаторов

3.1 Изучение собственных колебаний объемного резонатора на

основе цепочки Су-Шиффера-Хиггера

3.2 Повышение локализации магнитного поля вблизи крайнего элемента за счет изменения димеризации

Стр.

3.3 Сравнение распределения амплитуды магнитного поля краевого

состояния набора разомкнутых кольцевых резонаторов с основным резонансным состоянием той же структуры и одиночного рамочного элемента

3.4 Взаимодействие объемного резонатора на основе цепочки Су-Шиффера-Хиггера с катушкой-источником

3.5 Экспериментальное исследование концепции возбуждения краевого состояния в массиве разомкнутых кольцевых резонаторов116

3.6 Выводы

Глава 4. Влияние комбинации объемных резонаторов на амплитуду и поляризацию магнитного поля катушки-источника

4.1 Исследование объемного резонатора на основе комбинации резонаторов: катушки Гельмгольца и массива разомкнутых кольцевых резонаторов

4.2 Взаимодействие парных объемных резонаторов с катушкой-источником

4.3 Экспериментальное исследование подхода к повышению локализации магнитного поля с помощью комбинированных объемных резонаторов

4.4 Усовершенствование геометрии системы из комбинированных резонаторов для повышения диагностической ценности

4.5 Выводы

Заключение

Список обозначений

Список рисунков

Список таблиц

Список литературы

Приложение А. Основные публикации автора по теме

диссертации

Реферат

Общая характеристика диссертационной работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Субволновые объемные резонаторы для перераспределения радиочастотного поля в высокопольной магнитно-резонансной томографии»

Актуальность.

В наши дни замедляющие структуры в виде субволновых резонаторов [1] представляют собой объект повышенного внимания научного сообщества. Они позволяют управлять распределением электромагнитного поля и имеют размеры много меньше длины волны в свободном пространстве, что открывает возможность разрабатывать компактные компоненты для различных технологий. В частности, в микроволновом диапазоне использование субволновых резонаторов позволяет создавать частотные фильтры, повышать эффективность устройств за счет высоких добротностей и изменять пространственное распределение ближнего электромагнитного поля [2]. В сфере беспроводной передачи энергии субволновые резонаторы позволяют питать несколько устройств одновременно в относительно большом пространстве, например, в плоскости стола [3] или комнате [4].

Одно из направлений исследований субволновых резонаторов связано с изучением возможности их применения в области магнитно-резонансной томографии (МРТ) [5—7]. Благодаря неионизирующему методу получения изображений внутренних органов и тканей человека, а также обширному набору различных анатомических и функциональных контрастов МРТ является одним из наиболее надежных и активно применяемых методов медицинской визуализации. В настоящее время магнитно-резонансные (МР) исследования человека становятся все более узкоспециализированными, с заранее определенной и часто относительно небольшой областью интереса. Одним из важных компонентов аппарата МРТ являются радиочастотные (РЧ) катушки, которые необходимы для возбуждения и приема сигнала ядерного магнитного резонанса от органа или части тела, представляющей интерес. В большинство клинических аппаратов МРТ встроена РЧ приемо-передающая катушка типа "птичья клетка" (катушка-источник) [8]. Геометрия катушки позволяет возбудить в ней поперечное РЧ магнитное поле круговой поляризации с высокой однородностью распределения амплитуды во всем внутреннем объеме. Однако за счет своих больших размеров она обладает низкой чувствительностью к приему сигнала

ядерного магнитного резонанса. Поэтому, для получения детализированных МР изображений используются локальные приемные РЧ катушки, которые подключаются к РЧ системе аппарата МРТ с помощью электрических кабелей. Как правило, в МРТ с индукцией постоянного поля 1,5 или 3 Тл катушки представляют собой массивы электромагнитно развязанных рамочных элементов [9] в виде плоских, либо объемных резонансных структур. Коммерческие клинические локальные катушки обладают рядом ограничений, таких как громоздкость из-за электрических схем отстройки и развязки и неуниверсальность, что выражается в невозможности использовать устройства одних производителей в аппаратах МРТ других.

Недавно было продемонстрировано, что в качестве альтернативы можно применять беспроводные субволновые резонаторы [10]. Они индуктивно связываются с катушкой-источником, что позволяет локализовать магнитное поле в объекте исследования. Это повышает передающие и приемные характеристики катушки-источника, позволяя получать МР изображения сравнимые по качеству со специализированными коммерческими проводными аналогами. Были продемонстрированы резонаторы на основе диэлектрических материалов [7, 11—13] и металлические резонансные структуры [6, 10, 14]. Однако, применение диэлектрических резонаторов ограничено на частотах клинической МРТ с индукцией поля 1,5 Тл (63,68 МГц) и менее. Это связано с тем, что необходимы материалы с экстремально высокими значениями диэлектрической проницаемости (более тысячи) при сохранении низких потерь. Такие материалы сложны в производстве и имеют относительно высокую стоимость. Еще одним недостатком применения диэлектрических резонаторов является жесткость материала, что ограничивает их применение для создания гибких устройств, огибающих область интереса. Чаще всего диэлектрические материалы используют в комбинации с металлическими резонансными структурами для повышениях их компактности [15, 16].

Металлические резонаторы для улучшения характеристик МРТ были ранее продемонстрированы в виде плоских резонансных структур, в том числе на основе метаповерхностей [6, 14, 17—20], и объемных резонаторов [5, 21, 22] состоящих из рамочных элементов, соединенных с помощью проводников, либо индуктивно. Ограничением плоских резонаторов является малая (до 10 см) глубина проникновения индуцированного РЧ магнитного поля [6]. В свою очередь объемные резонаторы характеризуются распределением амплитуды индуциро-

ванного РЧ магнитного поля с высокой однородностью во всем внутреннем объеме [22], что делает их исследование и разработку перспективным направлением для решения задач МРТ, например, связанных с конечностями человека. Кроме того, разработка и исследование новых концепций в электродинамике может потенциально улучшить электромагнитные свойства таких устройств. Например, недавно было продемонстрировано применение концепции искусственного магнитного материала для создания объемного резонатора для МРТ. Материал, называемый в литературе метасоленоидом [23], представляет собой периодически расположенные разомкнутые кольцевые резонаторы. При его размещении в переменном электромагнитном поле возбуждается набор резонансных состояний. Вблизи самой низкой резонансной частоты токи во всех резонаторах совпадают по фазе, что позволяет сконцентрировать магнитный поток в объеме, ограниченном кольцевыми резонаторами [24]. В работе [25] это свойство использовалось для создания объемного резонатора на основе ме-тасоленоида для улучшения визуализации кисти. Было продемонстрировано, что при расположении набора из двадцати разомкнутых кольцевых резонаторов в середине катушки-источника, возбуждаемое магнитное поле локализуется внутри этого набора, что характеризуется повышением амплитуды в его внутреннем объеме. Кроме того, за счет оптимизации размеров была получена высокая однородность распределения амплитуды в части внутреннего объема, где размещается кисть. Изменение емкостей конденсаторов или длины проводников разомкнутых кольцевых резонаторов обеспечивает изменение резонансных частот, что позволяет настроить объемный резонатор для применения в различных аппаратах МРТ, где величина постоянного магнитного поля может различаться. Кроме того, преимуществами такого объемного резонатора являются простота конструкции, ее изготовления и относительно низкая стоимость.

В данной работе впервые приводится сравнение разных типов объемных резонаторов, что позволяет сформулировать преимущества использования периодической структуры из электромагнитно связанных разомкнутых кольцевых резонаторов над известными в литературе объемными резонаторами на основе соединенных проводящих витков. За счет нарушения периодичности расположения элементов в такой структуре демонстрируются новые геометрии объемных резонаторов, которые характеризуются изменением локализации РЧ магнитного поля её основного колебания во внутреннем объеме. По сравнению с резонатором с эквидистантно расположенными элементами, эти объемные резо-

наторы позволяют либо повысить однородность распределения РЧ магнитного поля во всем внутреннем объеме, либо повысить его локализацию вблизи крайнего элемента. Наконец, впервые исследуется взаимодействие пар двух типов объемных резонаторов, чувствительных к ортогональным компонентам магнитного поля, и взаимодействие их комбинации с магнитным полем круговой поляризации, создаваемым катушкой-источником.

Размеры всех обсуждаемых объемных резонаторов оптимизированы для возможности их применения для сканирования молочных желез методом МРТ. Это связано с тем, что рак молочной железы является самым частым видом онкологии среди женщин. Ранняя диагностика этого заболевания значительно повышает шансы на выздоровление [26]. В большинстве клиник в стандартном наборе аппарата МРТ часто отсутствует специализированная катушка для таких исследований и их проводят с помощью поверхностных массивов рамочных элементов, что не позволяет получить высококачественные МР изображения с достаточной диагностической ценностью [27]. Беспроводные катушки на основе объемных резонаторов за счет своих преимуществ в простоте использования и низкой стоимости изготовления могут стать решением для многих клиник, повысив доступность и качество сканирования молочных желез.

Цель исследования.

Целью данной диссертационной работы является применение современных физических концепций управления ближними электромагнитными полями для создания субволновых объемных резонаторов, позволяющих реализовывать повышение эффективности передачи и приема в магнитно-резонансной томографии.

Научные задачи.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Исследовать электромагнитные характеристики распределения амплитуды магнитного поля в объемных резонаторах на основе массива разомкнутых кольцевых резонаторов, катушки Гельмгольца и соленоида в условиях МРТ.

2. Исследовать возможность повышения однородности распределения амплитуды магнитного поля в объеме за счет создания субволновых

резонаторов с апериодическим расположением разомкнутых кольцевых резонаторов.

3. Исследовать возможность повышения локализации магнитного поля вблизи краевого элемента массива разомкнутых кольцевых резонаторов, расположенных с двумя чередующимися периодами.

4. Исследовать эффект изменения локализации магнитного поля, создаваемого катушкой-источником, во внутреннем объеме комбинации объемных резонаторов с сохранением исходной поляризации.

Методы исследования.

1. Численные исследования проводились в специализированном для решения задач в РЧ диапазоне пакете CST Microwave Studio с использованием конечно-разностного метода в частотной области, конечно-разностного метода во временной области и метода расчета собственных колебаний резонансных структур.

2. Создание корпусов однородных фантомов, а также корпусов для объемных резонаторов проводилось с использованием принтера Raise 3D Pro2. Печатные платы изготавливались в компании "Резонит".

3. Измерения спектральных характеристик проводилось путем получения ¿л и S12 параметров с помощью рамочных антенн радиусами 1 см и 5 см, подключенных к векторному анализатору цепей Planar s5048.

4. Измерения распределений ближних электромагнитных полей проводились в безэховой камере лабораторного комплекса Университета ИТМО с помощью сканера ближнего поля.

5. МР исследования были выполнены на клиническом 1,5 Тл аппарате МРТ MAGNETOM Espree в Национальном медицинском исследовательском центре им. В. А. Алмазова и на 1,5 Тл аппарате МРТ MAGNETOM Essenza в Медицинском институте им. Березина Сергея. Перед проведением измерений напряжение аппаратов МРТ было откалибровано для угла поворота 180 градусов при каждом сканировании. МР-изображения были получены с использованием стандартных импульсных последовательностей, таких как быстрое спин эхо [28], градиентное эхо [29] и трехмерное градиентное эхо с подавлением жира по Диксону [30].

6. Для обработки результатов численных исследований и экспериментальных измерений использовался пакет МаШЬ Я2020Ь.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Объемный резонатор из набора периодических связанных разомкнутых кольцевых резонаторов, основное собственное колебание которого настроено на рабочую частоту возбуждающей его катушки-источника, обеспечивает оптимизацию локализации её электромагнитного поля, увеличивая его амплитуду в своем внутреннем объеме. За счет индуктивной связи между кольцевыми резонаторами достигается их более плотное расположение, относительно расстояния между элементами объемных резонаторов таких же размеров из соединенных проводящих витков, что способствует меньшему стандартному отклонению амплитуды магнитного поля во внутреннем объеме.

2. Однородность распределения амплитуды магнитного поля основного собственного колебания структуры из набора электромагнитно связанных разомкнутых кольцевых резонаторов зависит от расстояния между резонаторами. Увеличение расстояния между внутренними кольцевыми резонаторами, при сохранении изначальных размеров структуры, позволяет дополнительно повысить однородность во внутреннем объеме до уровня 96%.

3. При возбуждении с помощью катушки-источника объемной структуры, состоящей из нечетного количества разомкнутых кольцевых резонаторов, расположенных с двумя различными чередующимися расстояниями между ними, магнитное поле одного из собственных колебаний структуры локализуется вблизи краевого элемента. Величина амплитуды магнитного поля вблизи краевого элемента повышается при увеличении отношения этих расстояний.

4. Использование комбинации набора разомкнутых кольцевых резонаторов и объемного резонатора в виде катушки Гельмгольца, проводящие витки которого расположены ортогонально кольцевым резонаторам, позволяет обеспечить локализацию магнитного поля катушки-источника в образце с сохранением поляризации поля.

Научная новизна.

В работе впервые были продемонстрированы и сформулированы преимущества использования объемного резонатора на основе периодически расположенных индуктивно связанных резонансных элементов в виде разомкнутых кольцевых резонаторов по сравнению с многовитковыми резонаторами, катушкой Гельмгольца и соленоидом с такими же внутренними объемами, при их возбуждении внешней катушкой-источником. Основным отличием является возможность получать большую однородность распределения амплитуды магнитного поля на периферии его внутреннего объема. Кроме того, было продемонстрировано численно и подтверждено экспериментально, что за счет частотной отстройки центральных разомкнутых кольцевых резонаторов однородность распределения амплитуды магнитного поля во внутреннем объеме резонатора выше, чем для набора из кольцевых резонаторов, имеющих одинаковую частотную настройку. Также впервые было численно и экспериментально показано, что краевое состояние возбуждается в объемном резонаторе на основе массива разомкнутых кольцевых резонаторов внешним РЧ магнитным полем, создаваемым катушкой-источником, что позволяет понизить амплитуду магнитного поля во внутреннем объеме и повысить вблизи краевого резонатора. Наконец, было показано, что за счет комбинирования объемных резонаторов в виде метасоленоида и катушки Гельмгольца можно получить структуру, которая локализует РЧ магнитное поле круговой поляризации катушки-источника в малом объеме, сохраняя его поляризацию и повышая амплитуду более 10 раз в тканях образца.

Научная значимость работы заключается в изучении и демонстрации возможностей перераспределения электромагнитных полей за счет использования объемных резонаторов для улучшения приемо-передающих характеристик в задачах клинической МРТ.

Теоретическая значимость.

Теоретическая значимость исследования заключается в описании электромагнитных свойств объемных резонаторов различных геометрий, что позволяет расширить понимание происходящих в них волновых процессов и механизмов их взаимодействия. Изучение принципов работы резонаторов может привести к улучшению современных технологий в радиосвязи, медицинской технике, сенсорах и других областях.

Практическая значимость.

Практическая значимость заключается в возможности использования предложенных концепций для создания беспроводных РЧ катушек для МР визуализации различных частей тела человека, как альтернативу проводным катушкам.

Переход от традиционных проводных катушек к беспроводным предлагает уникальные преимущества, такие как удобство использования медицинским персоналом, повышение безопасности исследования и отсутствие необходимости проводить какие-либо изменения в программном обеспечении. Такие инновации могут значительно улучшить доступность и качество диагностики, способствуя раннему выявлению патологий и более точному и персонализированному подходу к лечению пациентов.

Достоверность.

Достоверность результатов, полученных в ходе численного моделирования, не противоречит описанным ранее в научной литературе. Результаты, полученные в ходе экспериментального исследования, подтверждают достоверность результатов, полученных численно.

Аппробация работы.

Основные результаты исследований докладывались на следующих международных конференциях: Международная школа-конференция Spinus "Магнитный резонанс и его приложения" (2022); Conference on Metamaterials and Nanophotonics (METANANO 2020, 2021); International Society for Magnetic Resonance in Medicine Annual Meeting & Exhibition (ISMRM 2022); International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA 2022), The European Society for Magnetic Resonance in Medicine Annual Meeting (ESMRMB 2021). Также результаты были продемонстрированы на конференциях Университета ИТМО (Комитет молодых ученых, Научная и учебно-методическая конференция ИТМО) и внутрифакультетских семинарах.

Личный вклад автора.

Вклад автора в данную работу заключается в получении, либо участии в получении, численных и экспериментальных результатов, анализе и обработке полученных данных. Вклад автора по всем главам следующий:

1. В Главе 1 автор провел численный анализ электромагнитных свойств объемных резонаторов на основе массива разомкнутых кольцевых резонаторов, соленоида и катушки Гельмгольца. Анализ включал в себя исследования распределений амплитуды магнитного поля основных собственных колебаний, а также характеристик передачи при возбуждении РЧ системой аппарата МРТ.

2. В Главе 2 автор численно исследовал влияние количества элементов в массиве разомкнутых кольцевых резонаторов на однородность распределения амплитуды магнитного поля во внутреннем объеме. Также было проведено численное и экспериментальное исследование подхода повышения однородности распределения амплитуды магнитного поля в массиве разомкнутых кольцевых резонаторов за счет частотной отстройки центральных элементов. Автором были проведены сканирования на клиническом аппарате МРТ с использованием разработанных геометрий резонаторов и проведены сравнения с коммерческой РЧ катушкой.

3. В Главе 3 автор провел исследование возможности возбуждения краевого состояния в массиве разомкнутых кольцевых резонаторов с помощью РЧ системы аппарата МРТ. Численно были изучены электромагнитные свойства резонатора на основе разомкнутых рамочных элементов, формирующих цепочку Су-Шиффера-Хиггера, а также возможность возбуждения краевого состояния с помощью катушки-источника. Автор экспериментально подтвердил полученные численно результаты, путем проведения сканирования на клиническом аппарате МРТ.

4. В Главе 4 автор провел численное и экспериментальное исследование структуры на основе комбинации объемных резонаторов: массива разомкнутых кольцевых резонаторов и катушки Гельмгольца. Автор численно изучил взаимодействие этих типов объемных резонаторов между собой и с катушкой-источником. На основе численных результатов автор провел экспериментальные исследования, включающие сканирования фантомов и добровольцев на клиническом аппарате МРТ с использованием прототипа разработанной структуры.

Объём и структура работы.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и 1 приложения. Полный объём диссертации составляет 251 страницу, включая 53 рисунка и 1 таблицу. Список литературы содержит 104 наименования.

Основное содержание работы

Во введении диссертационной работы представлено описание основных физических принципов работы метода МРТ. В основе этого метода лежит возбуждение двух типов магнитных полей: постоянное и переменное. Постоянное магнитное поле В0 формируется с использованием магнитов или сверхпроводящих катушек. Силовые линии этого поля имеют фиксированное направление, что заставляет спины атомов в исследуемом объекте ориентироваться и пре-цессировать вокруг этих линий. Для создания переменного поля используются РЧ катушки, которые возбуждают спины атомов. Это поле обозначают В\ и его возбуждают перпендикулярно полю В0. РЧ катушки также отвечают за детектирование сигналов, испускаемых атомами, что важно для последующей обработки и формирования изображения. Затем в работе формулируется необходимость повышения передающих и приемных характеристик РЧ катушек, а также преимущества катушек, поддерживающих магнитное поле круговой поляризации, которые позволяют снизить требуемую мощность для получения необходимого для диагностики уровня сигнала. Вводятся основные параметры РЧ катушек, такие как эффективность передачи, добротность, однородность распределения амплитуды поля, глубина проникновения и отношение сигнал-шум (ОСШ). В заключительной части главы приводится литературный обзор, включающий в себя современные подходы к решению поставленной проблемы за счет использования субволновых резонаторов для изменения локализации электромагнитных полей в МРТ. Приводятся примеры, показывающие большое количество исследований в области плоских резонансных структур и диэлектрических резонаторов, а также малое число исследований по изучению объемных металлических резонаторов. Таким образом формулируется цель данной диссертационной работы, которая заключается в применении современных физических концепций управления ближними электромагнитными полями для создания субволновых объемных резонаторов, позволяющих реализовывать повышение эффективности передачи и приема в магнитно-резонансной томографии.

В первой главе представлены результаты численного исследования электромагнитных свойств объемных резонаторов. Рассматривались объемные резонаторы следующих типов: массив разомкнутых кольцевых резонаторов (ме-

тасоленоид), катушка Гельмгольца и соленоид с идентичными внутренними объемами. Геометрии этих резонаторов представляют собой набор металлических витков, количество которых ограничивается необходимостью настройки основного резонансного состояния на рабочую частоту — 63,68 МГц и геометрическими размерами, соответствующими выбранной области интереса.

В начале исследования рассматривался метасоленоид — геометрия на основе индуктивно связанных разомкнутых кольцевых резонаторов (Рисунок 1 (а)). Идея такого резонатора впервые была предложена, как новый магнитный материал для микроволновых применений [31]. Каждый из кольцевых резонаторов имел прямоугольную форму и состоял из немагнитных проводников. В углах резонаторов располагались емкостные нагрузки, за счет чего достигались размеры всей структуры много меньше длины волны. Емкостные нагрузки были выполнены в виде немагнитных проводящих пластин, образующих плоскопараллельные конденсаторы, расположенные по двум сторонам печатной платы на основе диэлектрического материала с низкими потерями. При возбуждении такой структуры внешним РЧ магнитным полем было обнаружено, что распределение амплитуды магнитного поля основного резонансного состояния имеет косинусоидальный характер как вдоль центральной оси внутреннего объема (проходящей через центры разомкнутых кольцевых резонаторов), так и на периферии внутреннего объема (Рисунок 1 (б, в)). Вторым рассматриваемым объемным резонатором была катушка Гельмгольца. Её геометрия состояла из двух металлических витков, соединенных с помощью проводников (Рисунок 1 (г)). В витках находились конденсаторы с возможностью изменения емкости для точной частотной настройки резонансного состояния на рабочую частоту РЧ системы аппарата МРТ. При возбуждении данного объемного резонатора была обнаружена дискретизация распределения амплитуды магнитного поля на периферии внутреннего объема вблизи проводников (Рисунок 1 (д, е)), что вносит негативный вклад в однородность распределения амплитуды во всем внутреннем объеме. Третьим рассматриваемым случаем являлась мно-говитковая металлическая структура, называемая в работе соленоидом. Было обнаружено, что для настройки основного резонансного состояния соленоида на рабочую частоту невозможно использовать более трех витков, размеры которых идентичны для всех рассматриваемых объемных резонаторов. В противном случае частота основного резонансного состояния будет находиться ниже рабочей частоты [32]. Поэтому для соленоида использовались три равноудаленных вит-

(а) Метасоленоид (г) Катушка Гельмгольца (ж) Соленоид

(б) (Д) (3)

Координата у, мм Координата у, мм Координата у, мм

Рисунок 1 — Изображения моделей рассматриваемых объемных резонаторов: (а) массива разомкнутых кольцевых резонаторов (метасоленоида), (г) катушки Гельмгольца и (ж) соленоида. (б, д, з) Карты распределения РЧ магнитного поля основного резонансного состояния каждого объемного резонатора и (в, е, и) графики распределения амплитуды РЧ магнитного поля вдоль центральной оси — синим цветом и вдоль периферии — розовым цветом

ка (Рисунок 1 (ж)). В данном случае однородность распределения амплитуды РЧ магнитного поля также нарушается на периферии за счет дискретности амплитуды магнитного поля вблизи проводников (Рисунок 1 (з, и)).

Из-за ограничений расположения резонаторов относительно возбуждающего РЧ поля и для решения актуальной клинической задачи [26] в качестве области интереса была выбрана молочная железа. В результате проведения численного исследования рассматриваемых объемных резонаторов, располо-

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Пучнин Виктор Михайлович, 2024 год

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1. Агеева Л.И., Александрова Г.А., Зайченко Н.М. и др. Здравоохранение в России. 2019. М.: Стат. Сб. Росстат, 2019. 170 с.

2. Захарова Н.А., Семиглазов В.Ф., Duffy S.W. Скрининг рака молочной железы: проблемы и решения. М: ГЭОТАР-Медиа, 2011. 176 с.

3. Серебрякова С.В., Труфанов Г.Е., Юхно Е.А. Магнитно-резонансная семиотика рака молочной железы // Опухоли женской репродуктивной системы. 2009. № 3-4. С. 20-25.

4. Bakker M.F., de Lange S.V., Pijnappel R.M., et al. Supplemental MR1 Screening for Women with Extremely Dense Breast Tissue // New England Journal of Medicine. 2019. V.381, No. 22. P. 2091-2102.

5. Александрова Л.М., Калинина А.М., Ипатов П.В. и др. Выявление рака молочной железы: состояние проблемы, пути решения // Онкология. Журнал им. П.А. Герцена. 2016. Т. 5, № 2. С. 34-39.

6. Gao Y., Reig B., Heacock L., et al. Magnetic Resonance Imaging in Screening of Breast Cancer // Radiologic Clinics. 2021. V.59, No. 1. P. 85-98. DO1: 10.1016/j.rcl.2020.09.004.

7. Chiarelli A.M., Blackmore K.M., Muiadali D., et al. Performance Measures of Magnetic Resonance Imaging Plus Mammography in the High Risk Ontario Breast Screening Program // Journal of the National Cancer Institute. 2020. V.112, No. 2. P. 136-144.

8. Onishi N., Sadinski M., Hughes M.C., et al. Ultrafast Dynamic Contrast-Enhanced Breast MRI May Generate Prognostic Imaging Markers of Breast Cancer // Breast Cancer Research. 2020. V.22, No. 1. P. 1-13. DOI: 10.1186/s13058-020-01292-9.

9. Saadatmand S., Geuzinge H.A., Rutgers E.J., et al. MRI Versus Mammography for Breast Cancer Screening in Women with Familial Risk (FaMRIsc): a Multicentre, Randomised, Controlled Trial // The Lancet Oncology. 2019. V.20, No. 8. P. 1136-1147. DOI: 10.1016/S1470-2045(19)30275-X.

10. Strigel R.M., Rollenhagen J., Burnside E.S., et al. Screening Breast MRI Outcomes in Routine Clinical Practice: Comparison to BI-RADS Benchmarks // Academic Radiology. 2017. V.24, No. 4. P. 411-417.

Лучевая диагностика

Radiation diagnostics

11. Lehman C.D., Lee J.M., DeMartini W.B., et al. Screening MRI in Women with a Personal History of Breast Cancer // Journal of the National Cancer Institute. 2016. V.108, No. 3. P. djv349.

12. Clauser P., Dietzel M., Weber M., et al. Motion Artifacts, Lesion Type, and Parenchymal Enhancement in Breast MRI: what Does Really Influence Diagnostic Accuracy? // Acta Radiologica. 2019. V.60, No. 1. P. 19-27. DOI: 10.1177/0284185118770918.

13. Shchelokova A., Ivanov V., Mikhailovskaya A., et al. Ceramic Resonators for Targeted Clinical Magnetic Resonance Imaging of the Breast // Nature Communications. 2020. V.11, No. 1. P. 1-7.

14. Ivanov V., Shchelokova A., Andreychenko A., Slobozhanyuk A. Coupled Very-High Permittivity Dielectric Resonators for Clinical MRI // Applied Physics Letters. 2020. V.117, No. 10. P. 103701.

15. Puchnin V., Solomakha G., Nikulin A., et al. Metamaterial Inspired Wireless Coil for Clinical Breast Imaging // Journal of Magnetic Resonance. 2021. No. 322. P. 106877.

16. Bickelhaupt S., Laun F.B., Tesdorff J., et al. Fast and Noninvasive Characterization of Suspicious Lesions Detected at Breast Cancer X-Ray Screening: Capability of Diffusion-Weighted MR Imaging with MIPs // Radiology. 2016. V.278, No. 3. P. 689-697.

17. Zhang S., Seiler S., Wang X., et al. CEST-Dixon for Human Breast Cancer Characterization at 3T: a Preliminary Study // Magnetic Resonance in Medicine. 2018. V.80, No. 3. P. 895-903.

18. Sánchez-González J., Luna A. Diffusion MRI Outside the Brain: A Case-Based Review and Clinical Applications / Eds Luna A., Ribes R., Soto J.A. Springer Science & Business Media, 2011. P. 51-72.

19. Vinogradov E., Sherry A.D., Lenkinski R.E. CEST: from Basic Principles to Applications, Challenges and Opportunities // Journal of Magnetic Resonance. 2013. No. 229. P. 155-172.

REFERENCES

1. Ageyeva L.I., Aleksandrova G.A., Zaychenko N.M., et.al. Zdravookhra-neniye v Rossii. 2019 = Health Care in Russia. 2019. Moscow Publ., 2019. 170 p. (In Russ.).

2. Zakharova N.A., Semiglazov V.F., Duffy S.W. Skrining Raka Molochnoy Zhelezy: Problemy i Resheniya = Breast Cancer Screening: Problems and Solutions. Moscow, GEOTAR-Media Publ., 2011. 176 p. (In Russ.).

3. Serebryakova S.V., Trufanov G.Ye., Yukhno Ye.A. Magnetic Resonance Semiotics of Breast Cancer. Opukholi Zhenskoy Reproduktivnoy Sistemy = Tumors of Female Reproductive System. 2009;3-4:20-25 (In Russ.).

4. Bakker M.F., de Lange S.V., Pijnappel R.M., et al. Supplemental MRI Screening for Women with Extremely Dense Breast Tissue. New England Journal of Medicine. 2019;381;22:2091-2102.

5. Aleksandrova L.M., Kalinina A.M., Ipatov P.V., et al. Detection of Breast Cancer: State of the Problem, Solutions. Onkologiya. Zhurnal im. P.A. Gertsena = P.A. Herzen Journal of Oncology. 2016;5;2:34-39 (In Russ.).

6. Gao Y., Reig B., Heacock L., et al. Magnetic Resonance Imaging in Screening of Breast Cancer. Radiologic Clinics. 2021;59;1:85-98. DOI: 10.1016/j.rcl.2020.09.004.

Chiarelli A.M., Blackmore K.M., Muradali D., et al. Performance Measures of Magnetic Resonance Imaging Plus Mammography in the High Risk Ontario Breast Screening Program. Journal of the National Cancer Institute. 2020;112;2:136-144.

Onishi N., Sadinski M., Hughes M.C., et al. Ultrafast Dynamic Contrast-Enhanced Breast MRI May Generate Prognostic Imaging Markers of Breast Cancer. Breast Cancer Research. 2020;22;1:1-13. DOI: 10.1186/s13058-020-01292-9.

Saadatmand S., Geuzinge H.A., Rutgers E.J., et al. MRI Versus Mam-mography for Breast Cancer Screening in Women with Familial Risk (FaMRIsc): a Multicentre, Randomised, Controlled Trial. The Lancet Oncology. 2019;20;8:1136-1147. DOI: 10.1016/S1470-2045(19)30275-X.

7.

8.

10. Strigel R.M., Rollenhagen J., Burnside E.S., et al. Screening Breast MRI Outcomes in Routine Clinical Practice: Comparison to BI-RADS Benchmarks. Academic Radiology. 2017;24;4:411-417.

11. Lehman C.D., Lee J.M., DeMartini W.B., et al. Screening MRI in Women with a Personal History of Breast Cance. Journal of the National Cancer Institute. 2016;108;3:djv349.

12. Clauser P., Dietzel M., Weber M., et al. Motion Artifacts, Lesion Type, and Parenchymal Enhancement in Breast MRI: what Does Really Influence Diagnostic Accuracy? Acta Radiologica. 2019;60;1:19-27. DOI: 10.1177/0284185118770918.

13. Shchelokova A., Ivanov V., Mikhailovskaya A., et al. Ceramic Resonators for Targeted Clinical Magnetic Resonance Imaging of the Breast. Nature Communications. 2020;11;1:1-7.

14. Ivanov V., Shchelokova A., Andreychenko A., Slobozhanyuk A. Coupled Very-High Permittivity Dielectric Resonators for Clinical MRI. Applied Physics Letters. 2020;117;10:103701.

15. Puchnin V., Solomakha G., Nikulin A., et al. Metamaterial Inspired Wireless Coil for Clinical Breast Imaging. Journal of Magnetic Resonance. 2021;322:106877.

16. Bickelhaupt S., Laun F.B., Tesdorff J., et al. Fast and Noninvasive Characterization of Suspicious Lesions Detected at Breast Cancer X-Ray Screening: Capability of Diffusion-Weighted MR Imaging with MIPs. Radiology. 2016;278;3:689-697.

17. Zhang S., Seiler S., Wang X., et al. CEST-Dixon for Human Breast Cancer Characterization at 3T: a Preliminary Study. Magnetic Resonance in Medicine. 2018;80;3:895-903.

18. Sánchez-González J., Luna A. Diffusion MRI Outside the Brain: A Case-Based Review and Clinical Applications / Eds Luna A., Ribes R., Soto J.A. Springer Science & Business Media, 2011. P. 51-72.

19. Vinogradov E., Sherry A.D., Lenkinski R.E. CEST: from Basic Principles to Applications, Challenges and Opportunities. Journal of Magnetic Resonance. 2013;229:155-172.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Финансирование. Российским научным фондом (проект № 18-75-10088). Участие авторов. Статья подготовлена с равным участием авторов. Поступила: 17.04.2022. Принята к публикации: 06.05.2022.

Conflict of Interest. The authors declare no conflict of interest. Financing. The Russian Science Foundation (Project No. 18-75-1008). Contribution. Article was prepared with equal participation of the authors. Article received: 17.04.2022. Accepted for publication: 06.05.2022

Journal of Physics: Conference Series

PAPER • OPEN ACCESS

You may also like

Comparison of different wireless coils for 1.5 T bilateral breast MRI

To cite this article: Viktor Puchnin et ai 2021 J. Phys.: Conf. Ser. 2015 012116

View the article online for updates and enhancements.

- A practical realization of an artificial magnetic shield for preclinical birdcage RF coils

K. Lezhennikova, A. Hurshkainen, C. Simovski et al.

- Comparison and evaluation of mouse cardiac MRI acquired with open birdcage, single loop surface and volume birdcage coils

Xiaobing Fan, Erica J Markiewicz, Marta Zamora et al.

- Small animal large field of view magnetic resonance imaging with metamaterial-inspired resonator

M Zubkov, A A Hurshkainen, E A Brui et al.

This content was downloaded from IP address 77.234.216.168 on 23/11/2021 at 11:07

6th International Conference on Metamaterials and Nanophotonics METANANO 2021 IOP Publishing

Journal of Physics: Conference Series 2015 (2021) 012116 doi:10.1088/1742-6596/2015/1/012116

Comparison of different wireless coils for 1.5 T bilateral breast MRI

Viktor Puchnin1a, Anton Nikulin1b, Anna Hurshkainen1c, Georgiy Solomakha1d, Anna Andreychenko2 e and Alena Shchelokova1f

1School of Physics and Engineering, ITMO University, Saint Petersburg, Russia

2Research and Practical Clinical Center of Diagnostics and Telemedicine Technologies, Department of

Health Care of Moscow, Moscow, Russia

E-mail:

a) [e-mail]

b) [e-mail]

c) [e-mail]

d) [e-mail]

e) [e-mail]

f) [e-mail]

Abstract.

This work compares three types of transceive wireless coils: Helmholtz-type coil, metamaterial-inspired coil, and quadrature coil based on their combination. Each transceive coil is electromagnetically coupled to a body "birdcage" type coil of a 1.5 T magnetic resonance scanner and improves bilateral breast imaging performance. While Helmholtz-type coil and metamaterial-inspired coil based on coupled split loop resonators are linearly polarized, their combination allows to couple with both linear components of the radiofrequency magnetic field, providing a more significant effect of a local boosting of the body coil's transmit efficiency and radiofrequency safety in comparison with birdcage coil only.

1. Introduction

Magnetic resonance imaging (MRI) is becoming an increasingly common and affordable method. The main advantages of this method are safety, noninvasiveness, and the diagnostic value of the examination. The most common systems in clinics with a field strength of 1.5 T generally use the transceive radiofrequency (RF) body coil built into the magnetic resonance (MR) scanner to excite electromagnetic signal and dedicated local coils to receive MR signal from the area of interest. However, this approach does not fully match the modern requirements for the quality of the obtained MR images for specific tasks, e.g., for early diagnosis of breast cancer. Therefore, specialized MRI of individual organs is now gaining popularity when the signal is transmitted and received only in a certain area where the human organ of interest is located. Nevertheless, mostly local transceive coils for head and extremities imaging are developed and used at clinical field strength (i.e., 1.5 and 3 T). These coils have proven themselves to investigate fine structures, i.e., knee cartilage; however, their design restricts their application for other parts of the body. Moreover, its construction includes RF cables positioned close to the patient and can potentially breach the RF safety of the MRI study during high-current transmission mode.

Recently, the targeted MRI concept was proposed [1]. This concept includes a passive focusing of the body coil's RF magnetic field to maximize its efficiency for small areas using the resonant structure

© I Content from this work may be used under the terms of the Creative Commons Attribution 3.0 licence. Any further distribution K^HH of this work must maintain attribution to the author(s) and the title of the work, journal citation and DOI. Published under licence by IOP Publishing Ltd 1

6th International Conference on Metamaterials and Nanophotonics METANANO 2021 IOP Publishing

Journal of Physics: Conference Series 2015 (2021) 012116 doi:10.1088/1742-6596/2015/1/012116

located around the area of interest. In our previous work [2] it was demonstrated that the metamaterial-inspired resonant structure could be realized by using a system of coupled split-loop resonators, so-called metasolenoid coil (M-coil) [3], that could improve the transmit and receive efficiency of the 1.5 T body birdcage coil more than 4 times. However, this wireless coil supports linear polarization only, interacting only with the Hy-component of the transverse RF magnetic field produced by the body coil, which may limit its efficiency by a factor of \/2 [4].

In this work, we propose a new quadrature bilateral breast coil design based on the combination of a Helmholtz pair and metasolenoid pair. Also, via electromagnetic simulation with a realistic female voxel model, we compare its performance in terms of transmit efficiency and RF safety with the linearly polarized Helmholtz pair and metasolenoid pair, respectively.

2. Methods

All electromagnetic simulations were performed in CST Studio Suite 2020. Fig. 1(a) demonstrates designs of the considered wireless coils: Helmholtz pair (HH-coil), metasolenoid pair (MM-coil), and quadrature coil based on their combination - HHMM-coil. Each Helmholtz coil consists of connected pair of three turns of copper wire forming three loops with the following dimensions: 124 x 105 mm2, 114 x 95 mm2, and 104 x 85 mm2. A distance of 134 mm separates two pairs of turns. These dimensions lead to tuning an HH-coil to 63.68 MHz - a Larmor frequency of 1.5 T MR scanner. Each of the coils of the MM-system consisted of 10 split-loop resonators containing two parallel telescopic brass tubes (to perform resonant frequency fine-tuning to a specific load) connected by two PCB capacitors at their ends. The capacitors are implemented as the copper strips printed on the top and bottom layers of the dielectric substrate (Rogers R04250B material) with e = 3.5, tan § = 0.0004 at 64 MHz with the following dimensions 164 x 114 x 1 mm3. The outer strips dimensions are 9 x 160 mm2 and the inner ones 9 x 58 mm2. These dimensions were also chosen to tune MM-coil's fundamental eigenmode with homogeneous field distribution to the Larmor frequency. A quadrature HHMM-coil was implemented as MM-coil and HH-coil combination, which do not electrically connect. Each of the four wireless coils was tuned to the same resonant frequency.

Due to the electromagnetic coupling between two resonant structures in each pair, these systems have several eigenmodes in the operating frequency range. The set of the modes for each design was evaluated using a non-resonant loop probe [schematically shown with blue lines in Fig. 1(b)] placed above one of the M-coils (in xz-plane) and between Helmholtz coils (in yz-plane). Each setup was loaded to the breast voxel model. We have used a realistic female body model based on Ella from the Virtual Family [5] and modified it by adding breast phantom no. 1 from the UWCEM Numerical Breast Phantom Repository [6].

To estimate the transmit efficiency and RF safety, we used a shielded high-pass body birdcage coil with 16 legs, 350 mm inner diameter, and 650 mm length. We compared four setups: (1) a voxel model placed inside the body coil without any wireless coil; the same system with HH-coil (2), MM-coil (3), and HHMM-coil (4) placed around the breast. The calculated B+-field and specific absorption rate (SAR) averaged over 10g of tissue mass distributions were normalized to 1 W of total accepted power. Transmit efficiency, and RF safety was evaluated as the root mean squared value (RMS) of the transmit magnetic field - |B+ |RMS in the breast area per 1 W of accepted power, and |B+ |RMS in the area of interest per square root of maximum local SAR (maxSARav10g), respectively. Transmit efficiency was calculated in the breast tissues limited by the volume of each wireless coil, respectively.

3. Results

Figure 1b shows the numerically obtained spectra of the magnetic field in the range of 40-80 MHz. The HH-coil has a single peak in this range, which corresponds to a co-directional magnetic field in both coils polarized in the x direction. This is a symmetric fundamental mode. It is associated with the greatest uniformity of the magnetic field within the coil volume. The anti-symmetric mode and the higher-order modes are outside the frequency range. As for MM-coil, two maxima correspond to the excitation of anti-symmetric and symmetric modes within the operating frequency range. They differ in

6th International Conference on Metamaterials and Nanophotonics METANANO 2021 IOP Publishing

Journal of Physics: Conference Series 2015 (2021) 012116 doi:10.1088/1742-6596/2015/1/012116

(a) HH-coil

MM-coil

HHMM-coil

(b)

5

60

Frequency, MHz

1 Tll 11

60

Frequency, MHz

60

Frequency, MHz

Figure 1. a) Schematic view of the Helmholtz pair (HH-coil), metasolenoid pair (MM-coil), and quadrature coil based on their combination - HHMM-coil. b) Numerically calculated spectra of the magnetic field in the middle of the left breast of the female voxel model on the frequency for each coil type correspondingly. The insets schematically demonstrate the magnetic field orientation within each coil: Hx-component for HH-coil; Hy-component for MM-coil, the opposite direction of red arrows indicates anti-symmetric and symmetric modes; circular arrow shows interaction with both Hx- and Hy-components for HHMM-coil. Blue lines depicted the position of the loop coils used for excitation.

the anti-directional and co-directional magnetic fields in separate M-coils polarized in the y direction. The symmetric mode is optimal because it is characterized by a more uniform transverse RF magnetic field distribution in the area of interest. The third spectrum, for the quadrature HHMM-coil, shows three modes. These are the symmetric and anti-symmetric MM-coil modes and the symmetric HH-coil mode. Due to the magnetic fields' orthogonality created by different coils, the electromagnetic coupling is minimal. Therefore, there is no additional mode splitting. When each type of coil's symmetric mode is adjusted to the operating frequency of 1.5 T MRI, a magnetic field with circular polarization is induced in the volume.

Since the HHMM-coil interacts with both components of the body coil's RF magnetic field, a greater transmit efficiency gain is observed than HH-coil and MM-coil. Fig. 2 demonstrates simulated |B+|RMS and SARav.10g maps inside the body coil without and with the proposed wireless coils designs placed around the breasts. Strong localization of the |B+|-field in the breast area in the presence of the wireless coil leads to a 3.7, 4.3, and 9.7-fold enhancement in body coil's transmit efficiency for HH-, MM- and HHMM-coils, respectively. Although the magnetic field distribution in all cases is almost completely symmetric, SARav.10g maps have an asymmetric distribution in the human body for the wireless coils that support linear polarization only. This could be explained by the complex interaction of the electric field produced by two feeding ports (with 90-degree phase shift) of the body with the HH- and MM-coils; it is not fully focused within the wireless coil's volume, and due to the arbitrary shape of the body model has asymmetric distribution. The maximum of SARav.10g (depicted as a red circle in Fig. 2b) for body coil used alone located in the muscles of the back, while in the presence of wireless coils, it occurs in the breast or abdominal muscle areas. At the same time, the maximum SARav10g in the body model for the same 1 W total accepted power is increased by 3.8, 1.8, and 3 times for HH-, MM- and HHMM-coils, correspondingly, in comparison with a reference case (body coil used alone). Table 1 summarizes the results of transmit efficiency and RF safety for all the cases. The highest RF safety improvement (5.6-fold) compared to the reference case was achieved for the HHMM-coil.

40

80 40

80 40

80

6th International Conference on Metamaterials and Nanophotonics METANANO 2021 IOP Publishing

Journal of Physics: Conference Series 2015 (2021) 012116 doi:10.1088/1742-6596/2015/1/012116

(a) Birdcage coil

Power accepted = 1 W

Birdcage coil & HH-coil

Power accepted = 1 W

Birdcage coil & MM-coil Birdcage coil & HHMM-coil

Power accepted = 1 W

Power accepted = 1 W

maxSARav10g = 0.12 W/kg

maxSARav10g = 0.46 W/kg

maxSAR_10g = 0.21 W/kg maxSARav10g = 0.36 W/kg

Figure 2. Numerically calculated |B+|RMS maps (a) and SARav10g maps (b) for the voxel model placed inside the birdcage coil without and with the WLC. The |B+|RMS value was calculated only for the volume of the resonator in the breast area (ROI). SARav10g distributions are build up through the local maximum plane. Local SARav10g maxima are indicated with red circles.

Table 1. Numerically calculated results of transmit and SAR efficiencies for different types of wireless coils.

Body coil HH-coil MM-coil HHMM-coil Units

|B+|/VPÜC maxSARav10g 0.3 0.12 0.86 1.1 0.46 1.62 1.3 0.21 2.84 2.9 0.36 4.83 [M T/VW] [W/kg]

|B+|/^/ maxSARav.iog Im t/v w/kg

4. Conclusion

In this work, we proposed and compared three designs of the wireless coil, which can be used for targeted bilateral breast imaging at 1.5 T. Two of them are linearly polarized coils based on pair of Helmholtz coils or volumetric metamaterial-inspired coils, another one is quadrature coil based on the combination of these linearly polarized coils. The combined coil interacts with the both (B1x and B1y) components of the transverse RF magnetic field generated by the body coil and focuses it in the region of interest within its volume with circular polarization. Due to this fact, electromagnetic studies with the female voxel model of the quadrature HHMM-coil have shown more than a 2.5-fold increase in transmit efficiency and a 1.7-fold increase in SAR efficiency compared to the linearly polarized MM-coil and HH-coil (Table 1). Future work includes the experimental realization of the HHMM-coil, in vivo imaging and comparison coil's receive performance with dedicated cable-connected coils.

Acknowledgments

This work was supported by the grant of the Russian Science Foundation (№ 18-75-10088). References

[1] Shchelokova A et al. 2020 Nat Commun. 11 3840

[2] Puchnin V et al. 2021 J. Magn. Reson. 322 106877

[3] Maslovski S et al. 2005 Prog. Electromagn. Res. 54 61-68

[4] Glover G et al. 1969 J. Magn. Reson. 64(2) 255-270

[5] Christ A et al. 2010 Phys. Med. Biol. 55 23-38

[6] Burfeindt M J et al. 2012 IEEE Antennas Wirel. Propag. Lett. 11 1610-1613

Bilateral quadrature wireless coil for breast MRI

Viktor Puchnin

Department of Physics and Engineering ITMO University Saint Petersburg, Russia [e-mail]

Aigerim Jandaliyeva Department of Physics and Engineering ITMO University Saint Petersburg, Russia [e-mail]

Georgiy Solomakha Department of Physics and Engineering ITMO University Saint Petersburg, Russia [e-mail]

< <

w

o

Anna Hurshkainen

Department of Physics and Engineering ITMO University Saint Petersburg, Russia [e-mail]

Alena Shchelokova Department of Physics and Engineering ITMO University Saint Petersburg, Russia [e-mail]

O Q

w w w

< <

w

o

< . s

Abstract— In this paper, we demonstrate a quadrature radiofrequency wireless coil to improve breast MRI at 1.5 T. The coil is based on the combination of the metamaterial-inspired resonator and Helmholtz-type resonator. Numerical and experimental studies of the bilateral quadrature coil have shown that it increases the transmit efficiency of the whole-body birdcage coil by 7-fold and radiofrequency safety by 4.3 times.

Keywords—MRI, breast cancer, radiofrequency coils, wireless coils, metamaterials, Helmholtz coil

I. Introduction

Magnetic resonance imaging (MRI) is one of the recommended methods for the diagnosis of breast cancer [1]. This is since this method has the greatest sensitivity and specificity, compared to other methods such as mammography and ultrasound [2]. In clinics, MR scanners with a static magnetic field of 1.5 and 3 T are most common. In such systems, the whole-body coil is usually used to excite MR signal, while the local radiofrequency (RF) receive coils [3] are usually used to improve the quality of breast imaging. Such coils are located near the area of interest and provide a high signal-to-noise ratio. However, these coils are usually bulky, have a high cost, and are not universal, i.e., coils of some companies cannot be used in scanners of others. In addition, the RF cable contains fragile elements that require careful handling each time when the coil is connected or disconnected to the scanner. Moreover, the high cost may lead to the fact that such specialized coils may be unavailable in some clinics, especially in low-income countries.

As an alternative, it was proposed to use wireless RF coils based on metamaterials [4, 5, 6]. Their production is much cheaper because it does not require the use of a large number of electronics. Such devices can effectively focus the electromagnetic field created by the whole-body birdcage coil in the breast area. Thus, it is possible to increase both transmit and receive performance of the RF system. As a result, the obtained MR images have a similar quality to commercial coils. However, the previously proposed designs had several disadvantages. Firstly, the proposed structures of volumetric wireless coils supported only the linear polarization of the transverse RF magnetic field (B1). It can be decomposed into two equal-amplitude circular polarizations Bi+ and Bi-, rotating in different directions. The received signal is affected only by the Bi+ component [7], so when using linearly polarized devices, half of the amplitude of the focused RF magnetic field is lost. Secondly, the proposed wireless coils

did not increase the signal in the chest wall and axillary areas, which are important in the diagnosis of breast cancer.

Recently, a wireless coil based on metamaterials was demonstrated, which includes a combination of two types of volumetric resonators [8]: a 'metasolenoid' resonator - an array of strongly coupled split-ring resonators and a Helmholtz resonator. This design operates in quadrature mode and improves both components of the transverse RF magnetic field, significantly increasing the transmit efficiency of the whole-body coil.

This study demonstrates the optimized design of quadrature wireless coil to increase the diagnostic value. We extended the outer parts of the Helmholtz resonators so that the resonant elements encircle the chest. It allowed one to expand the focus area of the RF magnetic field, including the chest wall and axillary areas. In addition, we increased the spatial coverage of the quadrature coil so that it was possible to scan people of different complexions. The effectiveness of the proposed optimized design was demonstrated numerically and experimentally via a study of a healthy volunteer.

II. Methods

A. Electromagnetic .simulations

The numerical study was carried out in the CST Microwave Studio 2021 software package. The whole-body birdcage coil model with a diameter of 750 mm was tuned and matched to the operating frequency of 1.5 T MRI - 63.68 MHz. A voxelized female model was used as a load. The wireless coil consisted of 4 volumetric resonators (a pair of metasolenoid-type resonators and a pair of Helmholtz-type resonators). Metasolenoid-type coil consists of 10 split-ring resonators (SRRs). Each SRR includes two parallel telescopic brass tubes connected by two capacitors at their ends. The capacitors are implemented as the copper strips printed on the top and bottom layers of the dielectric substrate (Rogers RO4250B material) with £=3.5, tan 5=0.0004. Each Helmholtz resonator includes two connected copper rings printed on dielectric substrates (FR-4). The rings located in the center of the whole bilateral coil and had dimensions of 112 x 131 mm2, outside the coil - 172 x 131 mm2. Each ring also

182

978-1-6654-8111-3/22/$31.00 ©2022 IEEE Authorized licensed use limited to: St Petersburg Natl Uni of Info Tech Mech & Optics. Downloaded on October 18,2022 at 11:52:40 UTC from IEEE Xplore. Restrictions apply.

Figure 1. A) Schematic view for the voxel model placed inside the birdcage coil with the wireless coil.

B) Experimental setup including body-sized birdcage coil with healthy volunteer

had a gap for a variable capacitor, for the possibility of fine-tuning. Both types of volumetric resonators were tuned to 63.68 MHz. The considered structures have orthogonal linear polarizations of the RF magnetic field. The combination of two linear coils allows obtaining quadrature polarization.

Two setups were compared: whole-body birdcage coil without and with the bilateral quadrature wireless coil (Fig.1 A). In each case, the B1+-field and specific absorption rate (SAR) were calculated for the 1 W of total accepted power. The investigation was carried out in terms of comparing transmit efficiency and SAR efficiency. The transmit efficiency was calculated as the ratio of the transverse RF magnetic field B1+ to the square root of the accepted power. Therefore, with the normalization used initially, gain in transmit efficiency is equivalent to the gain of the B1+ amplitude in the area of interest. The B1+ amplitude was calculated in the tissues of the voxel model inside the volume limited by the size of the wireless coil. The SAR was calculated by averaging per 10 g of tissues. The SAR efficiency (RF safety) was defined as the ratio of the amplitude B1+ to the root of the maximum local SAR.

B. In vivo imaging

The experimental study was conducted at the 1.5T Siemens MAGNETOM Espree clinical system at Federal Almazov North-West Medical Research Centre (Saint Petersburg, Russia). Scan of a healthy volunteer (age 23, weight 54 kg, height 183 cm) in a prone position was performed (Fig.1 B). Before taking measurements, the voltage (Uref) of the MR scanner was calibrated for flip angle of 180 degrees for each configuration (without and with wireless coil). MR images were acquired using a T1-weighted, 3D GRE sequence: flip angle = 120, TR/TE = 10.5/4.8 ms, voxel size = 0.8 x 0.8 x 0.8 mm3, acquisition matrix = 224 x 224 x 256 pixels, FoV = 416 x 334 mm2.

III. Results

Simulated B1+ maps in the central slice of the breast of voxel model for the body-sized birdcage coil without and with the wireless coil are shown at Fig..2 A, B. The calculated distribution of the RF amplitude of the B1+ magnetic field showed an increase in the transmit efficiency of birdcage coil by 7 times when using a wireless coil and the same accepted power. At the same time, the local maximum SAR increased 2.6 times (Fig.2 C, D). The local maximum of SAR moved from the muscles of the back to the chest in the case of using a wireless coil. RF safety has increased 4.4 times (0.8 without wireless coil, 3.75 with wireless coil).

An experimental study showed that the calibration voltage decreases 6.3 times when using a wireless coil (Fig.3 A, B). This means that the RF system of the MR scanner needs to be supplied with 39.7 times less power. To make a fair signal-to-noise comparison, the RF transmit voltage was adjusted for each measurement to produce the same flip angle within the ROI The obtained MR images showed that the signal-to-noise ratio increases more than 7 times (Fig.3 C, D).

Birdcage-coil only Birdcagc-coil & wireless coil Power aeecptcd = I W Power acccpled = 1 W <B> ^^^^^

'l.uT

[8,1*0=0.3 |iT

IBfWai nT

5A.II, U'kc

maxSARilU0| = 0.12 W/kg maxSAR,l l0j(= 0.31 W/kg

Figure 2. Numerically calculated B1+ maps and SAR maps for the voxel model placed inside the birdcage coil without (A, C) and with the wireless coil (B, D).

183

Authorized licensed use limited to: St Petersburg Natl Uni of Info Tech Mech & Optics. Downloaded on October 18,2022 at 11:52:40 UTC from IEEE Xplore. Restrictions apply.

ßirdcftge toil only

11^= 384 V

Birdcage coil & wireless coil

U„r-61V

Figure 3. The obtained in-vivo MR images and SNR maps for the birdcage coil without (A, C) and with the wireless coil (B, D).

References

IV. Discussion

The calculated B1+ maps showed that the RF magnetic field focuses not only in the breast, but also near the axillary and chest wall areas. It is also confirmed by experimentally obtained MR images: the signal is present in the entire area of interest. This significantly increases the diagnostic value of the device, compared to previously proposed wireless designs. An increase in the transmit efficiency of more than 6.3 times allows one to lower the power supplied to the MR scanner by more than 40 times. The SAR value is proportional to the power, so an increase of the local maximum by 2.6 times with the same accepted power ceases to be a problem. The limitations of the proposed structure are the inhomogeneity of the RF magnetic field in the region of interest. The solution to this problem can be further optimization of the geometry of the resonators [10] or adjustment of the excitation RF pulse shapes for some sequences.

The proposed wireless coil can also be optimized to be used at other static magnetic field strength. In addition, one can adjust one of the types of volumetric resonators to the Larmor frequency of other nuclei. Thanks to this, heteronuclear research can be carried out. In addition, the proposed design can be used in any clinical MR scanner.

Acknowledgment

This work was supported by the grant of the Russian Science Foundation (Project № 18-75-10088).

[1]

Houser, M., Barreto, D., Mehta, A., & Brem, R. F. (2021). Current and Future Directions of Breast MRI. Journal of Clinical Medicine, 10(23), 5668.

Wasif, N., Garreau, J., Terando, A., Kirsch, D., Mund, D. F., & Giuliano, A. E. (2009). MR! versus Ultrasonography and Mammography for Preoperative Assessment of Breast Cancer. The American Surgeon, 75(10), 970-975.

Hendrick, R. E. (2014). High-Quality Breast MRI. Radiologic Clinics of North America, 52(3), 547-562.

Ivanov, V., Shchelokova, A., Andreychenko, A., & Slobozhanyuk, A. (2020). Coupled very-high permittivity dielectric resonators for clinical MRI. Applied Physics Letters, 117(10), 103701. Shchelokova, A., Ivanov, V., Mikhailovskaya, A., Kretov, E., Sushkov, I., Serebryakova, S., Nenasheva, E., Melchakova, I., Belov, P., Slobozhanyuk, A., & Andreychenko, A. (2020). Ceramic resonators for targeted clinical magnetic resonance imaging of the breast. Nature Communications, 11(1).

Puchnin, V., Solomakha, G., Nikulin, A., Magill, A. W., Andreychenko, A., & Shchelokova, A. (2021). Metamaterial inspired wireless coil for clinical breast imaging. Journal of Magnetic Resonance, 322, 106877.

Glover, G., Hayes, C., Pelc, N., Edelstein, W., Mueller, O., Hart, H., Hardy, C., O'Donnell, M., & Barber, W. (1985). Comparison of linear and circular polarization for magnetic resonance imaging. Journal of Magnetic Resonance (1969), 64(2), 255-270. Puchnin, V., Nikulin, A., Hurshkainen, A., Solomakha, G., Andreychenko, A., & Shchelokova, A. (2021). Comparison of different wireless coils for 1.5 T bilateral breast MRI. Journal of Physics: Conference Series, 2015(1), 012116. [10] Jandaliyeva, A., Puchnin, V., Slobozhanyuk, A., & Shchelokova, A. (2022). Control of the near magnetic field pattern uniformity inside metamaterial-inspired volumetric resonators. Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications, 48, 100989.

[2]

[6]

[7]

[8]

[9]

184

Authorized licensed use limited to: St Petersburg Natl Uni of Info Tech Mech & Optics. Downloaded on October 18,2022 at 11:52:40 UTC from IEEE Xplore. Restrictions apply.

2 CD <D C

RESEARCH ARTICLE | DECEMBER 08 2020

Metamaterial inspired resonator for targeted breast MRI at 1.5 T. 0

Viktor Puchnin S; Anna Hurshkainen; Georgiy Solomakha; Anna Andreychenko; Alena Shchelokova

AIP Conf. Proc. 2300, 020100 (2020) https://doi.org/10.1063/5.0031918

^ D

View Export Online Citation

Articles You May Be Interested In

Cylindrical resonators in penile magnetic resonance imaging: Solenoids versus birdcage

AIP Conference Proceedings (December 2020)

Benefits of a wireless metamaterial-based radiofrequency coil for clinical wrist MRI

AIP Conference Proceedings (December 2020)

Coupled ceramic resonators for clinical MRI applications

AIP Conference Proceedings (December 2020)

/, AIP

Publishing

Challenge us.

What are your needs for periodic signal detection?

Zurich Instruments

Find out more

1 iifiiiLh; mm-

l I 1 1 IIIIIIIJJIIII ■!. ÜIIII1LIJI IfflilLF ~

I Î

C I t

Metamaterial inspired resonator for targeted breast MRI at

1.5 T.

Viktor Puchnin1' a), Anna Hurshkainen1^, Georgiy Solomakha1^, Anna Andreychenko1,2'd), and Alena Shchelokova1'^

lDepartment of Physics and Engineering, ITMO University, Saint Petersburg, Russia. 2 Research and Practical Clinical Center of Diagnostics and Telemedicine Technologies, Department of Health Care

of Moscow, Moscow, Russia

a)Corresponding author: [e-mail]

b) [e-mail]

c) [e-mail] d) [e-mail]

e) [e-mail]

Abstract. In this work, we show an improvement of the transmit efficiency and receive sensitivity of the conventional birdcage body coil by using a volumetric self-resonant periodic structure of the inductively coupled split-loop resonators. This concept can be implemented to enhance the quality of breast clinical magnetic resonance imaging. Phantom study with the proposed self-resonant structure showed a 10-fold higher signal-to-noise ratio and 60-fold reduced input power compared to the standard birdcage body coil used without the resonator.

INTRODUCTION

Inductively coupled resonators based on high-permittivity materials [1,2] or metamaterial inspired structures [3,4] provide specific benefits for clinical MRI. Therefore, they are extensively investigated and compared to the standard cable-connected radiofrequency (RF) coils used at the clinical field strength (i.e., 1.5 and 3T). These resonators are coupled to the body-sized birdcage coil focusing its magnetic flux in the region of interest (ROI), thus locally boosting birdcage coil transmit efficiency and receive sensitivity. In the present study, we developed and tested on a phantom a metamaterial inspired volumetric coil, so-called 'metasolenoid' [5], for breast imaging at 1.5T. The structure consisted of periodic inductively coupled split-loop resonators (SLRs) made of telescopic brass tubes loaded at their ends with copper strips on two printed circuit boards (PCBs). A fundamental eigenmode of this resonator is characterized by highly homogeneous RF magnetic field distribution, allowing a substantial increase of signal-to-noise ratio (SNR) and reduction of the input power compared to a conventional excitation and reception with the birdcage coil alone.

ELECTROMAGNETIC SIMULATIONS

All electromagnetic calculations were performed in CST Microwave Studio 2017. Figure 1a demonstrates the metamaterial inspired coil design that consists of 10 SLRs. Every SLR contains two parallel telescopic brass tubes connected at the ends by two structural capacities implemented as overlapping copper strips printed on the opposite sides of the dielectric substrate with £=2.5, loss tg 8=0.0013 (Arlon 255C) and the following dimensions 164x114x1

5th International Conference on Metamaterials andNanophotonics METANANO 2020 AIP Conf. Proc. 2300, 020100-1-020100-4; https://doi.Org/10.1063/5.0031918 Published by AIP Publishing. 978-0-7354-4034-0/$30.00

mm3. The width and length of the capacitive strips are 9x69 mm2 correspondingly. The resonator has a set of eigenmodes [6]. In this study, we used the fundamental mode, which has homogeneous magnetic field distribution inside the resonator's cavity, while the electric field is mostly confined inside PCB capacitors. Thus, the size of the capacitive strips and the wire length were optimized to tune the fundamental mode (see inset in Fig. 1b) to Larmour frequency of 1.5 T MRI - 63.68 MHz while keeping the resonator size suitable to perform breast MRI. The estimated suitable sizes of the resonator should be no less than 100x100x100 mm3 to fit the average breast volume of 320 ml [7]. Moreover, it is possible to fine-tune the resonance frequency of the resonator's eigenmode by mechanically adjusting the length of the tubes (Fig. 1b).

FIGURE 1. a) Schematic view of the metamaterial inspired coil based on an array of 10 split-loop resonators. b) Numerically calculated dependence of the resonator fundamental eigenmode frequency on the length of the tubes. c) General view of the numerical setup: birdcage coil together with the resonator placed around the breast.

To excite the system, we used the high-pass cylindrical birdcage coil with 16 legs, 350 mm inner diameter and 650 mm length, and quadrature stimulation by two feeding ports. We compared two setups: (1) a homogeneous phantom that mimicked the body with breast placed in a body-sized birdcage coil (tuned to 63.68 MHz) without the resonator; (2) the same model inside the birdcage coil together with the resonator placed around the breast (Fig. 1C). A homogeneous body phantom had the following dimensions 600x420x180 mm3 and electrical parameters: £=78. a=0.45 S/m, while the breast parameters were £=70, a=0.19 S/m.

Figures 2 (a,b) show the distributions of the transmitting RF magnetic field component B1+ in the axial plane passing through the center of the breast without and with the proposed resonator, correspondingly. The B1+ field distributions in both cases were normalized to 1 W of the total accepted power. Strong localization of the B1+ field in the breast area with the resonator led to 6.6-fold enhancement in transmit efficiency. The latter means that to obtain the same B1+ value with the resonator as, without it, one can reduce input RF power by 45 times. Thus, the proposed metamaterial inspired resonator makes MRI examination safer than with the birdcage alone in terms of the specific absorption rate. According to the reciprocity theorem, the resonator also affects the SNR of the birdcage coil, which can be indirectly estimated (for the two studied setups) as a ratio of B1 divided to the square root of power dissipated within the sample. Figures 2 (c,d) demonstrate that SNR calculated in the area of the breast phantom was increased by 6.6 times.

PHANTOM IMAGING

MRI experiments were performed on a 1.5 T Siemens MAGNETOM Espree clinical scanner at Federal Almazov North-West Medical Research Centre (Saint Petersburg, Russian Federation). We used a massive water phantom that mimicked a body (Fig. 3a) and a breast-shaped phantom with a permittivity £=70 and conductivity a=0.19 S/m (Fig. 3b). MR images (Fig. 3c,e) were acquired using a gradient echo sequence: field of view 129x143 mm2, acquisition matrix 128x116, slice thickness 3 mm, repetition time 2000 ms, echo time 4.8 ms. A noise level was calculated as the standard deviation of pixel values in the images acquired with no RF excitation (i.e., noise-only images). The calculated SNR maps (Fig. 3d,f) demonstrated that the resonator substantially improved receive performance of the birdcage coil. We obtained SNR gain 10.6-fold, while the power required to provide the same actual flip angle was 60 times lower in the presence of the resonator.

FIGURE 2. Numerically calculated B1+ maps (in the transverse plane) for a homogeneous phantom placed inside the birdcage coil without (a) and with (b) the resonator. The mean value of the B1+ field was calculated only in the breast area. Numerically estimated SNR maps (in the sagittal plane) for a breast phantom without (c) and with (d) the resonator.

FIGURE 3. (a) Photograph of the experimental setup with body-sized birdcage coil, body phantom, breast phantom. and resonator (b). MR images and SNR maps acquired (c,d) with the birdcage coil only and (e,f) with the birdcage coil in combination with the metamaterial inspired resonator using gradient-echo sequence.

CONCLUSION

In this work, we have developed and experimentally investigated the metamaterial inspired resonator for targeted breast MRI at 1.5T. Due to the strong localization of the RF magnetic field in the ROI, the proposed design enhances the imaging performance of the birdcage coil and, at the same time, allows for decreasing input power level, improving the safety of the procedure. The results of electromagnetic simulations are in good agreement with the experimental data. Indeed, the measured SNR enhancement was 1.5 times higher than in modeling. This mismatch can be explained by slightly different interactions of the resonator with the birdcage coil feeding ports in simulations and experimental settings. The proposed concept for targeted MRI with metamaterial inspired resonator can be directly integrated into an existing clinical system for 1.5 T breast imaging. Future work includes electromagnetic modeling of a voxelized human model and volunteer studies.

ACKNOWLEDGMENTS

This work was supported by the grant of the Russian Science Foundation (№ 18-75-10088). The authors thank Dr. Alexander Efimtcev for assistance with MRI experiments and Anton Nikulin for assistance with numerical simulations.

REFERENCES

1. H. Wen, F. Jaffer, T. Denison, S. Duewell, A. Chesnick, and R. Balaban, J. Magn. Reson. 110, 117-123 (1996).

2. A.A. Mikhailovskaya, A. Shchelokova, D. Dobrykh, I. Sushkov, A. Slobozhanyuk, and A. Webb, J. Magn. Reson. 291, 47-52 (2018).

3. A. Slobozhanyuk, A. Poddubny, A. Raaijmakers, C. van den Berg, A. Kozachenko, I. Dubrovina, I. Melchakova, Y. Kivshar, and P. Belov, Adv. Mater. 28, 1832-1838 (2016).

4. A. Shchelokova, C. van den Berg, D. Dobrykh, S. Glybovski, M. Zubkov, E. Brui, D. Dmitriev, A. Kozachenko, A. Efimtcev, A. Sokolov, V. Fokin, I. Melchakova, and P. Belov, Magn. Reson. Med. 80, 17261737 (2018).

5. S. Maslovski, P. Ikonen, I. Kolmakov, S. Tretyakov, and M.Kaunisto, Prog. Electromagn. Res. 54, 6181 (2005).

6. L. Jylha, S. Maslovski, S. Tretyakov, J. Electromagn. Waves Appl. 19, 1327-1342 (2005).

7. S. Itsukage, Y. Sowa, M. Goto, T. Taguchi, and T. Numajiri. Eplasty. 17, e39 (2017).

(19)

Евразийское

патентное

ведомство

(11) 046384

(13) Б1

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИИСКОМУ ПАТЕНТУ

(45) Дата публикации и выдачи патента 2024.03.07

(21) Номер заявки 202300066

(22) Дата подачи заявки 2023.02.20

(51) ы. а.

А61В 5/055 (2006.01) G01R 33/3415 (2006.01) G01R 33/36 (2006.01)

(54) БЕСПРОВОДНАЯ РАДИОЧАСТОТНАЯ КАТУШКА ДЛЯ МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНОЙ ТОМОГРАФИИ МОЛОЧНЫХ ЖЕЛЕЗ

Б

4 8

3 6

4 0

(31) 2022110383

(32) 2022.04.18

(33) RU

(43) 2023.12.04

(86) РСТ/ДШ023/000039

(87) WO 2023/204730 2023.10.26

(71)(73) Заявитель и патентовладелец: ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИТМО" (УНИВЕРСИТЕТ ИТМО)

(ДЦ)

(72) Изобретатель:

Пучнин Виктор Михайлович, Хуршкайнен Анна Александровна, Щелокова Алена Вадимовна, Соломаха Георгий Алексеевич (ДЦ), Джандалиева Айгерим (KZ), Слобожанюк Алексей Петрович (ДЦ)

(56)

RU-U1-190567

RU-U1-198926

RU-U1-200143

RU-U1-195653

US-B1-7715895

US-A-5363845

CN-U-202437119

О

4-

<*>

00 4-

(57) Изобретение относится к медицинской технике и представляет собой беспроводную радиочастотную катушку для магнитно-резонансной томографии молочных желез, содержащую два массива немагнитных металлических кольцевых резонаторов прямоугольной формы из параллельных телескопических проводов, соединенных с обоих концов через емкости, расположенные на печатных платах. В устройство дополнительно включены два резонатора, состоящие из двух одинаковых электрически замкнутых проводников в виде соосных плоских спиралей, в виток каждого из которых включен конденсатор, при этом ось спиралей ортогональна осям кольцевых резонаторов. Техническим результатом является обеспечение высокого уровня амплитуды обеих ортогональных компонент индукции РЧ магнитного поля в области исследования - молочных железах человека.

046384

Область техники

Изобретение относится к медицинской технике и предназначено для возбуждения ядер атомов в области исследования - молочных железах человека - на резонансной частоте магнитно-резонансного томографа (МРТ).

Предшествующий уровень техники

Известна катушка для магнитно-резонансной томографии молочных желез (полезная модель РФ № 190567Ш, МПК А61В 5/00, дата приоритета 27.12.2018, дата публикации 03.07.2019), представляющая собой резонансные элементы, состоящие из диэлектрических материалов с высоким значением относительной диэлектрической проницаемости. Катушка возбуждается объемной передающей катушкой МРТ и позволяет получать изображения внутренней структуры тканей молочных желез человека без подключения РЧ кабелем к системам аппарата МРТ. Недостатком существующего решения является температурная зависимость значения диэлектрической проницаемости резонансных элементов, которая может изменяться в ходе проведения МР исследования и влиять на настройку резонансной частоты катушки, и, как следствие, приводит к снижению качества получаемых изображений.

Наиболее близким к предлагаемому устройству техническим решением, принятым за прототип, является беспроводная РЧ катушка на основе объемных резонаторов для визуализации молочных желёз (полезная модель РФ № 198926Ш, МПК А61В 5/00, дата приоритета 30.03.2020, дата публикации 03.08.2020). Данная беспроводная РЧ катушка состоит из массива немагнитных металлических кольцевых резонаторов с распределенными емкостными нагрузками, образующими систему, рабочая частота которой не зависит от температуры внешней среды.

Существенный недостаток прототипа заключается в недостаточно высоком качестве изображения из-за того, что беспроводная РЧ катушка увеличивает амплитуду только одной из двух ортогональных компонент индукции РЧ магнитного поля объемной передающей катушки МРТ.

Сущность изобретения

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является улучшение качества визуализации молочных желез в клинических аппаратах МРТ.

Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в повышении чувствительности в режиме приема.

Данный технический результат достигается благодаря тому, что беспроводная радиочастотная катушка для магнитно-резонансной томографии молочных желез, содержащая два массива немагнитных металлических кольцевых резонаторов прямоугольной формы, состоящих из параллельных телескопических проводов, соединенных с обоих концов через емкости, расположенные на печатных платах, отличается тем, что в беспроводную радиочастотную катушку дополнительно включены два резонатора, состоящие из двух одинаковых электрически замкнутых проводников в виде соосных плоских спиралей, в виток каждого из которых включен конденсатор, при этом ось спиралей ортогональна осям кольцевых резонаторов. Конденсаторы, включенные в витки соосных плоских спиралей, могут быть выполнены подстроечными. Одинаковые электрически замкнутые проводники в виде соосных плоских спиралей могут быть выполнены на печатной плате, а емкости, соединяющие телескопические провода, могут быть выполнены сосредоточенными.

Краткое описание фигур чертежей

Сущность заявляемого изобретения поясняется фигурами.

На фиг. 1 - общий вид устройства.

На фиг. 2 - распределения амплитуды РЧ магнитного поля, построенные вдоль трех пространственных координат.

Устройство состоит из двух массивов немагнитных металлических кольцевых резонаторов прямоугольной формы, состоящих из параллельных телескопических проводов 1, соединенных с обоих концов через ёмкости, расположенные на печатных платах, включающие металлические полоски 2, расположенные на обеих сторонах диэлектрической подложки 3, а также двух резонаторов, состоящих из двух одинаковых проводников в виде соосных плоских спиралей 4, расположенных на диэлектрических подложках 5. В разрыв проводника каждой из спиралей включен конденсатор 6. Плоские спирали электрически замкнуты двумя металлическими перемычками 7. На фиг. 2 показаны распределения амплитуды магнитного поля беспроводной РЧ катушки в зависимости от трех пространственных координат, на графиках также для сравнения приведены кривые зависимости амплитуды магнитного поля катушки, принятой за прототип. В левом столбце фиг. 2 также показаны сечения устройства и белой пунктирной линией обозначены направления, вдоль которых построены кривые зависимости амплитуды от пространственных координат.

046384

Осуществление изобретения

Устройство работает следующим образом.

В режиме передачи на два изолированных друг от друга входа объемной передающей катушки аппарата МРТ поступает РЧ сигнал, при этом разность начальной фазы сигнала на входах передающей катушки составляет 90 градусов. РЧ сигналы возбуждают два ортогональных вырожденных собственных колебания объемной передающей катушки, создавая в области исследуемого объекта РЧ магнитное поле круговой поляризации. При этом вектор индукции РЧ магнитного поля вращается в плоскости (плоскость XY выбранной координатной системы), для которой вектор индукции постоянного магнитного поля аппарата МРТ ориентирован в направлении нормали. Немагнитные металлические кольцевые резонаторы прямоугольной формы (Y-резонаторы), состоящие из параллельных телескопических проводов 1, образуют в совокупности резонансную систему за счет емкостей, соединяющих концы соседних проводов 1. Емкости представляют собой печатные платы, включающие металлические полоски 2, расположенные на обеих сторонах диэлектрической подложки 3. Два идентичных Y-резонатора установлены таким образом внутри тоннеля аппарата МРТ, что направление вектора индукции магнитного поля фундаментального собственного колебания Y-резонатора было ориентировано преимущественно вдоль оси Y.

Резонаторы, состоящие из двух одинаковых электрически замкнутых проводников в виде соосных плоских спиралей 4 (X-резонаторы), установлены таким образом внутри тоннеля аппарата МРТ, что направление вектора индукции магнитного поля соосных плоских спиралей 4 преимущественно совпадало с направлением оси X. За счет коллинеарности векторов магнитной индукции Х-резонаторов и Y-резонаторов с соответственно векторами магнитной индукции двух ортогональных собственных колебаний объемной передающей катушки, в Х-резонаторах и Y-резонаторах возникает ЭДС индукции. Токи, наводимые в Х-резонаторах и Y-резонаторах, создают вторичное РЧ магнитное поле в области молочных желез человека. При этом амплитуды двух ортогональных компонент создаваемого магнитного поля соизмеримы по величине. Таким образом, за счет использования двух типов резонаторов, предлагаемая беспроводная катушка увеличивает в области интереса амплитуду РЧ магнитного поля в режиме передачи при заданной мощности в режиме передачи и чувствительность в режиме приема.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Беспроводная радиочастотная катушка для магнитно-резонансной томографии молочных желез, содержащая два массива немагнитных металлических кольцевых резонаторов прямоугольной формы, состоящих из параллельных телескопических проводов, соединенных с обоих концов через емкости, расположенные на печатных платах, отличающаяся тем, что в беспроводную радиочастотную катушку дополнительно включены два резонатора, состоящие из двух одинаковых электрически замкнутых проводников в виде соосных плоских спиралей, в виток каждого из которых включен конденсатор, при этом ось спиралей ортогональна осям кольцевых резонаторов.

2. Беспроводная радиочастотная катушка для магнитно-резонансной томографии молочных желез по п.1, отличающаяся тем, что конденсаторы, включенные в витки соосных плоских спиралей, выполнены подстроечными.

3. Беспроводная радиочастотная катушка для магнитно-резонансной томографии молочных желез по п.1, отличающаяся тем, что одинаковые электрически замкнутые проводники в виде соосных плоских спиралей выполнены на печатной плате.

4. Беспроводная радиочастотная катушка для магнитно-резонансной томографии молочных желез по п.1, отличающаяся тем, что емкости, соединяющие телескопические провода, выполнены сосредоточенными.

4 1 7 2

Фиг. 1

046384

Евразийская патентная организация, ЕАПВ Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

(19)

<0 СМ О

со о

RU

(11)

198 926(3) U1

(51) МПК A61B5/00 (2006.01)

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ

(12) ОПИСАНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ К ПАТЕНТУ

(52) СПК

A61B5/00 (2020.02)

(21)(22) Заявка: 2020112726, 30.03.2020

(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 30.03.2020

Дата регистрации: 03.08.2020

Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 30.03.2020

(45) Опубликовано: 03.08.2020 Бюл. № 22

Адрес для переписки:

190900, BOX 1125, Санкт Петербург, Нилова Мария Иннокентьевна

(72) Автор(ы):

Петрова Полина Евгеньевна (RU), Щелокова Алена Вадимовна (RU), Слобожанюк Алексей Петрович (RU), Пучнин Виктор Михайлович (RU), Никулин Антон Владимирович (RU)

(73) Патентообладатель(и):

Общество с ограниченной ответственностью "Беспроводные медицинские технологии" (RU)

(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: RU 190567 U1,03.07.2019. A. PAYNE et.al.,Design and characterization of a laterally mounted phased-array transducer breast-specific MRgHIFU device with integrated 11-channel receiver array.Med. Phys. 39 (3), pp.1552-1560, 28.02.2012. US 2008275333 A1, 06.08.2011. US 6850065 B1, 01.02.2005.

(54) БЕСПРОВОДНАЯ РАДИОЧАСТОТНАЯ КАТУШКА НА ОСНОВЕ ОБЪЁМНЫХ РЕЗОНАТОРОВ ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ МОЛОЧНЫХ ЖЕЛЁЗ

(57) Реферат:

Полезная модель относится к области медицинской диагностики и может быть использована в магнитно-резонансной томографии и магнитно-резонансной спектроскопии для повышения качества диагностики молочных желёз человека. Устройство включает в себя объёмные резонаторы, которые возбуждаются за счет

индуктивной связи с приёмопередающей катушкой типа «птичья клетка», встроенной в конструкцию клинического томографа. В результате индуктивной связи со встроенной катушкой, предложенное устройство не требует подключения к системе сканера при помощи радиочастотных кабелей.

7J U

со то 9 2 6

3

RU 198 926 U1

Полезная модель относится к области медицинской техники, а именно является клиническим устройством для высокопольных систем магнитно-резонансной томографии (МРТ), которые работают с индукцией магнитного поля равной 1.5 Тл. Устройство предназначено для перераспределения электромагнитного радиочастотного 5 (РЧ) поля внутри приемопередающей катушки типа «птичья клетка», а именно фокусировки магнитного поля в области молочных желез пациента, что улучшает качество получаемых изображений и, одновременно с этим позволяет уменьшить величину подаваемой РЧ мощности, повышая безопасность сканирования для тканей человека. Кроме того, сфокусированное возбуждение оказывает прямое, выгодное 10 влияние на время формирования изображения, и сводит к минимуму появление артефактов от окружающих тканей и органов.

На данный момент в магнитно-резонансных клинических томографах (1.5 Тл) для передачи РЧ сигнала применяется катушка типа «птичья клетка», которая встроена в большинство современных высокопольных сканеров. Этот тип катушек отличается 15 высокой однородностью магнитного поля в области сканирования, но из-за больших характерных размеров, относительно сканируемого объекта, обладает плохой чувствительностью при приеме сигнала магнитного резонанса исследуемой области. Поэтому, для повышения чувствительности и улучшения эффективности передачи в исследуемой области, используют локальные РЧ катушки (напр., патент США № 20 5,363,845 от 19.12.2000). Open structure breast coil and support arrangement for interventional MRI/ Toshiba America MRI, Inc., патент США № 6,850,065 от 01.02.2005. MRI coil system for breast imaging/ General Electric Company), подключаемые с помощью РЧ кабелей к системе магнитно-резонансного томографа. Такие катушки имеют ряд недостатков, например громоздкость конструкции и следующая из этого сложность в установке 25 оборудования внутри томографа. Также стоит отметить высокую стоимость, наличие хрупких разъемов и кабеля с протекающим по нему высоким током, которые создают дополнительный шум и оказывают негативное влияние на процесс получения сигналов ядер исследуемых атомов при сканировании пациентов. Локальные приемо-передающие катушки часто имеют неоптимальное распределение РЧ полей, которое может привести зо к повышению удельного поглощения энергии в тканях.

Другим техническим решением является использование беспроводных пассивных устройств, которые за счет индуктивной связи с приемопередающей катушкой типа «птичья клетка» позволяют локализовать РЧ поле в области интереса и тем самым,уменьшить РЧ нагрузку на всего пациента. 35 Наиболее близким к заявленному техническому решению является катушка для МРТ молочных желез (патент на полезную модель RU 190567 U1 МПК А61В 5/055, дата приоритета 28.12.2018, дата публикации 03.07.2019), состоящая из массива керамических колец с высокой диэлектрической проницаемостью. При использовании данного устройства, встроенная основная катушка типа «птичья клетка» стандартного 40 клинического высокопольного томографа (1.5-3 Тл), используется для двух этапов: передачи и приема сигнала. Локальная катушка позволяет сфокусировать РЧ-поле в области молочных желез пациента. Существенным недостатком данного технического решения на основе керамических колец является высокая масса резонаторов и хрупкость керамических элементов, что при частом использовании может привести к механическим 45 повреждениям устройства. Кроме того, сложность в производстве устройства приводит к его повышенной стоимости по сравнению с предлагаемым техническим решением. Также в зависимости от температуры керамические элементы меняют свои электрические свойства, что уменьшает эффективность работы.

RU 198 926 и1

Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение качества и РЧ безопасности МРТ молочных желез.

Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в использовании массива немагнитных металлических кольцевых 5 резонаторов с распределенными емкостными нагрузками, которые перераспределяют поле в области расположения такого массива.

Сущность заявляемой полезной модели поясняется фигурами.

Общий вид устройства показан на фиг.1 и фиг.2 и включает в себя корпус 1, состоящий из подушки под область живота и таза 2, подголовника 3, мягкой прокладки 4, внутри ю которого расположены металлические кольцевые резонаторы 5. Корпус 1 адаптирован под строение тела пациента и препятствует контакту пациента с проводящими частями катушки, делая процедуру ее использования безопасной для любого размера нагрузки. Массивы немагнитных металлических кольцевых резонаторов прямоугольной формы 5 перераспределяют поле в области расположения такого массива. Каждый резонатор 15 состоит из параллельных проводников, соединенных с обоих концов через

распределенные емкости, выполненные в виде прямоугольных медных полосок 8, нанесенных на обе стороны общих диэлектрических подложек 6. За счет использования печатных плат 6, выполненных из материла Аг1оп 255С, с находящимися на них металлическими полосками достигается компактный размер структуры и появляется 20 возможность адаптации под ожидаемую нагрузку. Используемая печатная плата 6 обладает низким значением тангенса угла диэлектрических потерь (0.0014), а также оптимальной относительной диэлектрической проницаемостью (2.55), позволяющей настроить распределенные емкости для работы устройства на частотах магнитного резонанса. Проводники представляют собой латунные телескопические провода. 25 Использование телескопических проводов 7, позволяет изменять размеры используемых проводников, тем самым настраивая резонансную частоту структуры на рабочую частоту магнитно-резонансного томографа. Все компоненты основной части катушки имеют небольшую толщину и размеры, что приводит к небольшому весу устройства, относительно, катушки с керамическими резонаторами, и простоте использования, зю относительно проводных катушек.

Предлагаемое устройство используется следующим образом. Катушка хранится вне высокопольного магнитно-резонансного томографа и устанавливается на стол для пациента при необходимости локального обследования молочных желез. Производится укладка обследуемого человека на корпус устройства лицом вниз так, чтобы исследуемая 35 область находилась внутри резонансных структур, спрятанных под поверхностью корпуса и образующих две ниши. После процедуры позиционирования пациента вместе с устройством внутри томографа проводится стандартная процедура сканирования с помощью протоколов, рассчитанных для маммографии. Во время стандартной процедуры калибровки автоматически подбирается необходимый уровень мощности 40 РЧ импульса, уровень которого, при использовании резонаторов, будет снижен по сравнению со случаем, когда используется катушка типа «птичья клетка». За счет индуктивной связи приемно-передающей катушки, встроенной в томограф, и встроенных в устройство резонаторов, происходит перераспределение РЧ электромагнитного поля. Таким образом, в области интереса возникает локальное увеличение РЧ магнитного 45 поля, в результате чего усиливается передаваемый ядрам объекта сигнал, а также получаемый отклик ядерного магнитного резонанса при приеме. Из этого следует улучшение качества получаемых изображений при использовании встроенной в томограф приемно-передающей катушки типа «птичья клетка». После использования

RU 198 926 и1

катушка извлекается из томографа и помещается на хранение.

5 10 15 20 25 30 35 40 45

(57) Формула полезной модели Устройство для магнитно-резонансной томографии молочных желёз, состоящее из корпуса, форма которого адаптирована под строение тела пациента, и включающего в себя подушку под область живота и таза и подголовник, отличающееся тем, что резонансные структуры представляют собой массив прямоугольных кольцевых резонаторов с распределёнными ёмкостями, расположенными на печатных платах, имеющих адаптированные под ожидаемую нагрузку размеры, которые могут быть изменены для настройки на рабочую частоту 1.5 Тл магнитно-резонансного томографа.

RU 198 926 U1

i

Фиг. 2