Ученые МФТИ совместно с коллегами из Университета ИТМО и Германии разработали новые антенные решетки (радиочастотные катушки) для самых передовых систем магнитно-резонансной томографии (МРТ). Решетки выполнены на основе более простых, чем применяли ранее, дипольных антенн. С их помощью стало возможным не только повысить качество изображений, но и осуществлять параллельный сбор данных, что существенно сокращает время сканирования. Результаты исследования опубликованы в журнале NMR in Biomedicine и Magnetic Resonance in Medicine.
В настоящее время идет новый этап развития магнитно-резонансной томографии — неинвазивного способа исследования человеческих тканей и органов. МРТ характеризуется уровнем напряженности магнитного поля, измеряемого в тесла (Т). Классические клинические МРТ-системы 1,5 Т и 3 Т постепенно обновляются на системы c более высоким уровнем поля, равным 7 Т, а для исследовательских систем используется уровень поля 9,4 Т и даже выше. Более высокий уровень позволяет обеспечить значительный рост качества получаемых изображений, что, в свою очередь, дает возможность обнаруживать заболевания на более ранних стадиях.
Одной из частей аппарата является радиочастотный тракт, включающий в себя приемопередающие многоканальные катушки — антенны, работающие в ближнем поле. Как правило, МРТ-системы обладают 32 приемными каналами.
«Чаще всего такие многоканальные устройства изготавливаются на основе массивов рамочных катушек. Ранее было показано, что простые диполи тоже могут выполнять такие функции, а также могут улучшать некоторые характеристики катушек в режиме приема и передачи. При этом простота диполей по сравнению с рамочными катушками очевидна.
Исходя из этого, мы решили создать и проанализировать работу оптимальной радиочастотной катушки, состоящей из 16- и 8-дипольных антенн с приподнятым концом. В 8-канальной катушке профиль чувствительности приема каждого диполя может быть электронным образом сдвинут к одному или другому концу путем электрического укорочения или удлинения плеч диполя. По результатам электромагнитного моделирования построили прототип и успешно протестировали его в МРТ 9,4 Т на фантоме и здоровом добровольце. В итоге мы смогли не только упростить катушку, но и расширить концепцию трехмерной динамической визуализации и сократить время сканирования», — рассказал о проекте Антон Никулин, старший научный сотрудник лаборатории радиофотоники Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
Первая двухрядная 16-канальная приемо-передающая катушка показала отличный результат — по сравнению с однорядным массивом диполей у двухрядного массива увеличена однородность магнитного поля на 18%, а также на 11% улучшена эффективность (SAR efficiency). Кроме того, основным достоинством двухрядных дипольных катушек, по сравнению с однорядными и рамочными, является наличие 3D РЧ-шимминга, с помощью которого можно добиться еще более высокой однородности РЧ магнитного поля.
A — модель катушки, B — фотография прототипа, C — эквивалентная схема пары элементов. Источник: NMR in Biomedicine
Приемный 8-канальный массив отличался тем, что в данной работе была впервые использована однорядная катушка с возможностью ускоренного параллельного сбора данных (accelerated parallel imaging) в 3D. Параллельный сбор данных необходим для уменьшения времени сканирования, что может быть актуально для пожилых людей, людей с клаустрофобией и других пациентов, испытывающих трудности при долгом и неподвижном нахождении в замкнутом пространстве. Уменьшение времени сканирования достигается благодаря перестраиваемым диполям, способным менять свое пространственное распределение ближнего магнитного поля во времени. В результате на 220% была уменьшена максимальная ошибка при параллельном сборе (max g-factor) и на 54% — средняя (mean g-factor). Как следствие, существенно может быть уменьшено время сканирования пациентов без дополнительной потери отношения «сигнал — шум».
Распределения G-factor, полученные in-vivo с помощью разработанной катушки. Колонки соответствуют различным ускорениям (Ry × Rz), а строки показывают различные режимы работы катушки, статический и перестраиваемый. Под каждым распределением показаны средние и максимальные значения ошибки (чем меньше, тем лучше). Источник: Magnetic Resonance in Medicine
