Беспроводная радиочастотная система для магнитно-резонансной маммографии в поле 1,5 Тл тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Тихонов Павел Михайлович

• Тихонов Павел Михайлович
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Тихонов Павел Михайлович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

1.2. Беспроводные РЧ катушки

1.3. Существующие беспроводные катушки для МР маммографии и их недостатки

1.4. ОСШ беспроводных катушек для МР маммографии

1.5. Влияние беспроводной катушки на поле В1+ и способы его компенсации

1.6. Постановка цели и задач диссертационного исследования

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ РАЗВЯЗКИ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ РЧ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В СИСТЕМЕ ОБЪЕМНЫХ РЕЗОНАТОРОВ БЕСПРОВОДНОЙ КАТУШКИ ДЛЯ МР МАММОГРАФИИ

2.1. Конфигурация резонатора Гельмгольца

2.2. Билатеральная катушка для МЖ на основе резонаторов Гельмгольца

2.3. Билатеральная катушка для МЖ на основе индуктивно развязанных резонаторов Гельмгольца

2.4. Экспериментальное исследование билатеральной катушки на основе электромагнитно развязанных резонаторов Гельмгольца в условиях радиочастотной лаборатории

2.5. Анализ характеристик магнитного поля билатеральной беспроводной катушки в условиях связи с приемо-передающей катушкой аппарата МРТ

2.6. Расчет характеристик беспроводной катушки на основе пары индуктивно связанных резонаторов Гельмгольца в условиях совместной работы с приемо-передающей катушкой аппарата МРТ

2.7. Расчет характеристик беспроводной катушки на основе пары резонаторов Гельмгольца с трансформаторной развязкой в условиях совместной работы с приемо-передающей катушкой аппарата МРТ

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ПРИЕМНОЙ БИЛАТЕРАЛЬНОЙ КАТУШКИ ДЛЯ МР МАММОГРАФИИ

3.1. Цепь отстройки. Эквивалентные схемы

3.2. Исследование резонансных характеристик резонатора Гельмгольца с цепями отстройки

3.2. Экспериментальная оценка резонансных характеристик приемного беспроводного резонатора Гельмгольца

3.3. Исследование характеристик РЧ поля приемной беспроводной катушки на основе резонатора Гельмгольца

3.4. Билатеральная приемная беспроводная катушка на основе пары электромагнитно развязанных резонаторов Гельмгольца

3.5. Экспериментальное исследование резонансных характеристик билатеральной приемной беспроводной катушка на основе пары электромагнитно развязанных резонаторов Гельмгольца

3.6. Исследование характеристик РЧ поля билатеральной приемной беспроводной катушка на основе пары электромагнитно развязанных резонаторов Гельмгольца

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА УЛУЧШЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИЕМНОЙ КАТУШКИ ДЛЯ МР МАММОГРАФИИ

4.1. Пара Х-резонаторов Гельмгольца

4.2. Исследование пары электромагнитно развязанных Х-резонаторов

4.3. Исследование пары электромагнитно развязанных X- и У-резонаторов

4.4. Исследование приемной беспроводной квадратурной билатеральной катушки на основе электромагнитно развязанных резонаторов

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ БЕСПРОВОДНЫХ КАТУШЕК В УСЛОВИЯХ АППАРАТОВ МРТ

5.1. Экспериментальная оценка влияния электромагнитной развязки между резонаторами Гельмгольца на характеристики беспроводной катушки для МЖ

5.2. Экспериментальное исследование в аппарате МРТ приемной беспроводной катушки для МР маммографии

5.3. Экспериментальное исследование в аппарате МРТ билатеральной приемной квадратурной беспроводной катушки для МР маммографии

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Беспроводная радиочастотная система для магнитно-резонансной маммографии в поле 1,5 Тл»

Актуальность работы

Рак молочной железы (РМЖ) является одним самых распространённых онкологических заболеваний среди женщин. По всемирным оценкам в 2022 году было обнаружено около 2,3 млн случаев заболевания, при этом смертность составила 670 000 человек, или 29% от всех случаев диагностированного заболевания [1]. Одним из важных факторов, влияющих на предотвращение смертности от РМЖ, является своевременная диагностика [2], так как РМЖ более успешно поддается лечению на ранних стадиях развития [3]. В настоящее время Всемирной Организацией Здравоохранения (ВОЗ) было предложено несколько ключевых стратегий для лечения рака молочных желез, одной из которых является развитие своевременного выявления заболевания [4]. Особенно остро проблема своевременного диагностирования РМЖ распространена в развивающихся странах, так как доступность диагностики крайне мала, что приводит к повышенной смертности в этих странах.

Для диагностики РМЖ рекомендован ряд методов, в том числе магнитно-резонансная томография (МРТ) [5]. Стоит также отметить, что в случае подозрения РМЖ у пациента, маммография сопровождается процедурой биопсии для введения контрастного вещества и выявления характера опухоли.

Наряду с другими методами МРТ эффективнее для пациентов с высоким риском развития РМЖ, а также для молочных желез с высокой и сверхвысокой плотностью [6], что наблюдается примерно у 50% женщин [7]. Однако, метод МРТ менее распространен в диагностике рака молочных желез из-за большой по сравнению с остальными методами длительностью исследования [8], а также высокой стоимости процедуры [9]. Тем не менее, метод МРТ обладает несомненным преимуществом по сравнению с ближайшими аналогами,

прежде всего компьютерной томографии, ввиду неинвазивности, в частности, отсутствия лучевой нагрузки на пациента.

В попытках снять ограничение, связанное с длительностью исследования, был предложен более короткий протокол сканирования [10] для скрининговых исследований РМЖ. Что касается стоимости процедуры, на нее влияют различные факторы: стоимость оборудования, затраты на медицинский персонал, обслуживание аппарата МРТ, а также затраты на расходные материалы. Большая часть стоимости скрининговой МРТ молочных желез (более 60%) приходится на стоимость оборудования. Многоканальные проводные радиочастотные (РЧ) катушки для молочных желез являются вторыми по стоимости после непосредственно самого аппарата МРТ [11]. Таким образом, предлагая выгодные альтернативы существующим РЧ катушкам для МЖ, можно сделать скрининг РМЖ более доступным. Кроме того, классические подходы к созданию приемных катушек предполагают использование кабельного подключения к приемному модулю аппарата МРТ проприетарными разъемами, что предотвращает возможность использования катушек с аппаратами МРТ различных производителей. В дополнение к этому разъемы являются наиболее уязвимой частью катушки ввиду большого числа циклов подключения в процессе эксплуатации, приводящих к быстрому износу и поломкам. Таким образом, использование беспроводных катушек обеспечивает неоспоримое преимущество с точки зрения эксплуатационных характеристик РЧ катушек для МРТ.

Степень разработанности темы

В научной литературе описаны беспроводные устройства для

проведения МР маммографии, которые демонстрируют концепцию

возможности использования данного вида устройств в МРТ. В частности, в

[12], показана возможность использования диэлектрического резонатора для

визуализации молочной железы человека в поле 3 Тл. Однако применимость

6

данного устройства в клинической практике ограничена температурной зависимостью керамического материала, использованного для создания резонатора, и, соответственно, рабочей частоты устройства при его размещении вблизи тела человека. Также в [13] представлена система на основе связанных резонаторов для МР маммографии в поле 1,5 Тл. В данной работе показан более близкий к практическому использованию, по сравнению с [12], вариант резонансной системы, однако существует ряд проблем, также ограничивающий их применимость в клинических задачах. Данное устройство оказывает влияние на работу передающей катушки аппарата МРТ, изменяя РЧ магнитное поле катушки в режиме передачи. Для корректной работы аппарата МРТ в данных условиях необходимо наличие возможности настройки оператором МР томографа амплитуды РЧ напряжения на входе передающей катушки. Данная возможность отсутствует для аппаратов МРТ большей части производителей. Кроме того, показанные в данных работах [12, 13] резонаторы имеют закрытую конфигурацию с отсутствием бокового доступа, что исключает возможность проведения МР контролируемой биопсии. Таким образом, для обеспечения возможности применения беспроводных устройств в задачах клинической МР маммографии необходимо проведение дальнейших исследований. Также актуальной является задача повышения качества диагностики, связанная с отношением-сигнал шум получаемых МР изображений, что является краеугольными камнем всех МРТ исследований.

Цель диссертационного исследования: Исследование и разработка, а также улучшение чувствительности и обеспечение совместимости с аппаратами МРТ различных производителей беспроводных устройств для МР маммографии с возможностью проведения МР контролируемой биопсии.

Объектом исследования является беспроводная радиочастотная система магнитно-резонансного томографа с индукцией постоянного магнитного поля 1.5 Тл применительно к МР исследованиям молочных желез.

7

Предметом исследования являются факторы, определяющие диагностическую значимость процедуры магнитно-резонансной томографии, такие как: отношение сигнал-шум, угол поворота суммарного вектора намагниченности; радиочастотная безопасность процедуры, а также совместимость с аппаратами МРТ различных производителей.

Задачи исследования

1. Разработка и исследование методики создания квадратурной беспроводной катушки билатеральной конфигурации на основе электромагнитно развязанных резонаторов Гельмгольца для МР маммографии.

2. Исследование методики создания приемных беспроводных катушек на основе резонаторов Гельмгольца при помощи пассивных цепей отстройки частоты.

3. Разработка и исследование билатеральной приемной квадратурной беспроводной катушки для МР маммографии с боковым доступом для проведения МР-контролируемой биопсии.

4. Проведение экспериментальной апробации разработанного метода проектирования приемных беспроводных катушек для МР маммографии.

Научная новизна результатов исследования

1. Экспериментально и путем численного моделирования исследовано влияние электромагнитной развязки объемных резонаторов в составе билатеральной беспроводной катушки для МР маммографии на амплитуду РЧ магнитного поля катушки в режиме приема.

2. Предложен и экспериментально продемонстрирован подход к

разработке беспроводной катушки для МР маммографии на основе объемных

резонаторов, в режиме передачи не влияющей на амплитуду и распределение

8

РЧ поля объемной приемо-передающей катушки, входящей в состав аппарата МРТ.

3. Экспериментально и путем численного моделирования показано, что в беспроводной билатеральной катушке для МР маммографии на основе объемных резонаторов Гельмгольца использование двух резонаторов с взаимно ортогональной ориентацией вектора магнитного поля в каждой половине билатеральной конфигурации позволяет увеличить амплитуду РЧ магнитного поля по сравнению с амплитудой поля беспроводной катушки, состоящей из одиночных резонаторов в каждой половине билатеральной конфигурации.

Теоретическая значимость заключается в развитии и совершенствовании теоретических основ проектирования радиочастотных беспроводных систем МРТ: в разработке составляющих инструментального обеспечения для проведения маммографических исследований и повышения их диагностической ценности; в разработке подходов для обеспечения возможности проведения скрининговых исследований РМЖ.

Практическая значимость заключается в разработке методик на основе предложенных подходов, которые реализованы в беспроводной РЧ системе для МР маммографии с возможностью работы при автоматической калибровке мощности аппарата МРТ и совместимости с аппаратами МРТ различных производителей без ухудшения качества получаемых МР изображений, а также с боковым доступом для проведения МР контролируемой биопсии. Экспериментальные результаты подтвердили корректность полученных научных результатов.

Методы исследования

В работе использованы методы численного моделирования, метод экспериментального исследования в РЧ лаборатории, метод

экспериментального исследования в составе аппарата МРТ, методы обработки и анализа численных и экспериментальных данных.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Использование пары электромагнитно развязанных резонаторов Гельмгольца в составе билатеральной радиочастотной беспроводной катушки для магнитно-резонансной маммографии позволяет увеличить среднее значение амплитуды радиочастотного магнитного поля в области исследования не менее, чем на 24 % по сравнению со средним значением амплитуды магнитного поля беспроводной катушки на основе электромагнитно связанных резонаторов.

2. В билатеральной радиочастотной беспроводной катушке на основе резонаторов Гельмгольца для магнитно-резонансной маммографии использование двух резонаторов с взаимно ортогональной ориентацией вектора магнитного поля в каждой половине билатеральной конфигурации позволяет увеличить среднее значение амплитуды радиочастотного магнитного поля в области интереса не менее, чем на 84% по сравнению с амплитудой поля беспроводной катушки, состоящей из одиночных резонаторов в каждой половине билатеральной конфигурации.

3. В радиочастотной беспроводной катушке на основе резонаторов Гельмгольца включение цепи отстройки, состоящей из резонансного контура, последовательно индуктивности которого включена пара встречно-включенных диодов, в проводник каждого резонатора катушки, обеспечивает отстройку беспроводной катушки от рабочей частоты в режиме передачи аппарата МРТ, что обеспечивает возможность автоматической калибровки опорного напряжения аппарата МРТ и отсутствие артефактов получаемых изображений при использовании беспроводной катушки.

Степень достоверности

Достоверность научных положений, результатов и выводов

исследований, проведенных в ходе диссертационной работы, подтверждается

10

выбором и корректным использованием современных экспериментальных и численных методов исследования, согласованностью результатов, полученных численными и экспериментальными методами, а также апробацией результатов на научно-технических конференциях, публикацией статей в ведущих рецензируемых международных научных журналах.

Апробация результатов работы

Основные результаты, полученные в ходе исследований, были представлены в виде устных и стендовых докладов на следующих российских и международных научно-технических конференциях: на 20-й сессии международной школы-конференции «Магнитный резонанс и его приложения: Spinus» (Санкт-Петербург, 2023 г.), на пятой международной конференции «Физика — наукам о жизни» со школой молодых ученых (Санкт-Петербург, 2023 г.), на международной конференции International Society for Magnetic Resonance in Medicine Scientific Meeting and Exhibition ISMRM (Торонто, 2023), на международной конференции 40th Annual Scientific Meeting of The European Society for Magnetic Resonance in Medicine and Biology ESMRMB (Барселона, 2024 г.), на международной конференции 41th Annual Scientific Meeting of The European Society for Magnetic Resonance in Medicine and Biology ESMRMB (Марсель, 2025 г.).

Внедрение результатов работы

Основные результаты работы получены в рамках следующих НИР и НИОКТР: проект государственного задания № FSER-2025-0018 в рамках национального проекта «наука и университеты». Разработанные методики исследования, разработки и практической реализации беспроводных радиочастотных систем для МРТ 1,5 Тл, а также созданная на их основе беспроводная радиочастотная катушка для магнитно-резонансной маммографии используются АО «НИИТФА» в опытно-конструкторских работах по созданию отечественного магнитно-резонансного томографа 1,5

Тл. Разработанная беспроводная радиочастотная катушка для МР маммографии подлежит сертификации в качестве медицинского изделия в составе отечественного аппарата МРТ 1,5 Тл, реализуемого АО «НИИТФА» в рамках проекта по договору на НИОКР № №709/1287-Д от 27.12.2022 «РАЗРАБОТКА КОНКУРЕНТОСПОСОБНОГО ОТЕЧЕСТВЕННОГО МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНОГО ТОМОГРАФА 1,5 Тл»

Публикации

Основное содержание научно-исследовательской работы (диссертации) опубликовано в 12 статьях, из них 2 публикации в изданиях,

рецензируемых Web of Science или Scopus, _J_публикация в журнале из

перечня ВАК, 2 охранных документа на результат интеллектуальной деятельности и 7 публикаций в прочих изданиях.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка сокращений и обозначений, списка литературы (85 наименований). Полный объем диссертации включает 127 страниц машинописного текста, содержит 80 рисунков, 1 таблицу.

Краткое содержание работы

Во введении показана актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и задачи, приведены методы их решения, представлены научная новизна, теоретическая и практическая значимость результатов и положения, выносимые на защиту, описаны главы диссертации.

В первой главе описаны принципы работы беспроводных катушек на

основе индуктивно связанных резонаторов для МРТ, показаны существующие

беспроводные катушки для МР маммографии, выявлены проблемы

12

существующих решений, предложены и описаны способы их решения, а также показаны методы исследования, используемые для решения задач.

Анализ проблем диагностики РМЖ подтвердил, что расширение доступности диагностики рака молочных желез является актуальной и значимой задачей по всему миру. Одним из способов расширения доступности диагностики - удешевление существующих методик, такие как МР маммография.

В научной литературе известны беспроводные катушки для МР маммографии, демонстрирующие преимущества по сравнению с приемными локальными катушками производителей. Анализ существующих беспроводных катушек для МР маммографии позволил выявить ряд проблем, такие, как несовместимость с аппаратами МРТ производителей, у которых недоступна процедура ручной калибровки мощности на входе приемопередающей катушки, взаимная индукция между отдельными резонаторами в составе катушки, которая приводит к снижению чувствительности беспроводной катушки, а также отсутствие бокового доступа для проведения МР контролируемой биопсии.

Выявлена необходимость проведения исследований о влиянии индуктивной связи между отдельными резонаторами в составе беспроводной катушки на качество диагностики и характеристики безопасности, а также о необходимости обеспечения отстройки беспроводных катушек в режиме передачи для устранения артефактов МР изображений, а также о способах увеличения диагностической ценности изображений, полученных с использованием беспроводных катушек.

Отсутствие на рынке беспроводных катушек для молочных желез указывает на необходимость усовершенствования таких катушек.

Рассмотрены основные причины, ограничивающие использование беспроводных катушек для молочных желез в клинической практике.

Сформулированы цель и задачи диссертационного исследования.

Вторая глава диссертационной работы посвящена исследованию влияния электромагнитной развязки между резонаторами в составе билатеральной беспроводной катушки для МР маммографии на характеристики РЧ магнитного поля катушки.

Для получения МР изображений беспроводная катушка индуктивно связывается с приемо-передающей катушкой аппарата МРТ. Беспроводная катушка состоит из объемных резонаторов Гельмгольца, геометрические размеры которых подобраны в соответствии с усредненными размерами области интереса (молочных желез человека). Расстояние между витками резонатора Гельмгольца было оптимизировано в соответствии с максимальным значением амплитуды поля вдоль центра резонатора. Для работы в МРТ резонансная частота резонатора Гельмгольца настраивается на частоту Ларморовой прецессии при помощи последовательно включенного в контур конденсатора.

Полноценная процедура МР маммографии предполагает использование двух резонаторов, расположенных таким образом, чтобы охватывать области молочных желез человека. Ввиду электрически близкого расстояния между резонаторами возникает индуктивная связь, которая приводит к протеканию взаимно наведенных токов в резонаторах. При этом возможно существование двух связанных состояний на двух различных частотах, для которых направления суммарного тока в соседних резонаторах сонаправлены или направлены в противоположных направлениях. На практике данный эффект наблюдается при помощи нерезонансной рамочной антенны, индуктивно связанной с одним из резонаторов. Проведение МР исследований при помощи беспроводной катушки, состоящей из двух связанных резонаторов Гельмгольца возможно на одной из двух резонансных частот, которая настраивается на частоту Ларморовой прецессии. Однако влияние индуктивной связи на характеристики беспроводной катушки ранее изучено не было.

В рамках работы, результаты которой приведены в Главе 2, при помощи численного моделирования изучено влияние индуктивной связи на характеристику чувствительности беспроводной катушки. Для этого разработана беспроводная катушка, в которой обеспечивается электромагнитная развязка между резонаторами Гельмгольца. В ходе исследования проведено численное моделирование катушек на основе электромагнитно связанных резонаторов, а также электромагнитно развязанных резонаторов Гельмгольца в совокупности с приемо-передающей катушкой типа «птичья клетка» аппарата МРТ 1,5 Тл.

Результаты численного моделирования показали, что среднее значение амплитуды РЧ магнитного поля выше на 24% для катушки с

электромагнитной развязкой в сравнении с катушкой на основе электромагнитно связанных резонаторов. Величина амплитуды поля B1 прямо пропорциональна величине отношения сигнал-шум (ОСШ) получаемых МРТ изображений. Таким образом, в Главе 2 показано, что увеличение амплитуды поля B1 беспроводной катушки для МЖ за счет обеспечения электромагнитной развязки между резонаторами, создает условия для повышения ОСШ получаемых изображений.

Третья глава диссертационной работы посвящена исследованию и разработке системы отстройки беспроводной катушки от Ларморовой частоты в режиме передачи аппарата МРТ.

Для того, чтобы обеспечить совместимость беспроводной катушки с МР томографами, у которых отсутсвует ручная калибровка мощности на входе приемо-передающей катушки, встроенной в аппарат МРТ, был исследован метод пассивной отстройки от Ларморовой частоты в режиме передачи. Данный метод также повышает характеристики безопасности устройства, так как отсутсвие отстройки от Ларморовой в режиме передачи также приводит к локальному увеличению РЧ электрического поля в окрестностях

беспроводной катушки и соотвутствующему увеличению величины удельного коэффициента поглощения (УКП).

В данной работе исследована возможность отстройки беспроводной катушки за счет включения в контуры резонаторов Гельмгольца цепей пассивной отстройки. Цепь отстройки представляет собой параллельный колебательный контур, настроенный на Ларморову частоту и два встречно включенных диода Шоттки последовательно индуктивности колебательного контура.

В режиме передачи приемо-передающей катушкой типа «птичья клетка» в беспроводной катушке индуцируется ток высокой амплитуды, поэтому диод находится в режиме прямого смещения и эквивалентен резистору с малым сопротивлением ^ ~ 1 Ом), а также малой паразитной индуктивности. Поэтому в режиме передачи в цепь беспроводной катушки включен параллельный колебательный контур, что приводит к отстройке беспроводной катушки от Ларморовой частоты, и, как следствие, исключает влияние на РЧ магнитное поле в режиме передачи (В1+) приемо-передающей катушки типа «птичья клетка».

Для исследования влияния цепи отстройки на резонансные

характеристики беспроводной катушки было проведено численное

моделирование и экспериментальные исследования. Предметом исследования

была пара индуктивно развязанных резонаторов Гельмгольца, в контур

каждой из которых были включены цепи отстройки частоты. В ходе

численного моделирования рассчитаны резонансные характеристики катушки

в режиме передачи и режиме приема. Также была разработана и изготовлена

экспериментальная установка, эквивалентная численной модели. Такая

установка позволяет проводить измерения отклика нерезонансной рамочной

антенны, индуктивно связанной с одним из резонаторов беспроводной

катушки. Приведены результаты численного моделирования и

экспериментальных исследований - частотные зависимости коэффициента

отражения тестовой рамочной антенны, индуктивно связанной с одним из

16

резонаторов Гельмгольца в режимах прямого и обратного смещения диодов цепи отстройки, иллюстрирующие резонансные характеристики беспроводной катушки в режиме передачи и приема, соответственно. Показано, что включение пассивных цепей отстройки позволяет эффективно отстраивать катушку в режиме передачи от Ларморовой частоты.

В режиме приема амплитуды тока, наведенного в беспроводной катушке прецессирующими спинами ядер атомов, недостаточно для открытия диода. Это означает, что в режиме приема ток не протекает через колебательный контур цепи отстройки за счет большого сопротивления диодов, поэтому беспроводная катушка настроена на Ларморову частоту, и, как следствие, индуктивно связывается с катушкой типа «птичья клетка», увеличиваю амплитуду принятого из области интереса сигнала ядерного магнитного резонанса (ЯМР).

Для оценки влияния цепи отстройки на характеристики РЧ поля беспроводной катушки, проведено численное моделирование. В частности, проведен расчет РЧ магнитного поля билатеральной беспроводной катушки в совокупности с катушкой типа «птичья клетка». В режиме передачи среднее значение амплитуды РЧ поля B1+ составило 0,32 мкТл для беспроводной катушки с цепями отстройки, отличающееся только на 6% от амплитуды поля катушки типа «птичья клетка». При этом чувствительность катушки в режиме приема по величине B1- составила 1,24 мкТл, что в 4,1 раза выше амплитуды поля катушки типа «птичья клетка».

Данные исследования показали, что предложенный подход к отстройке беспроводной катушки в режиме передачи является эффективным методом создания приемной беспроводной катушки, совместимой с аппаратами МРТ различных производителей и с улучшенными параметрами РЧ безопасности.

Четвертая глава диссертационной работы посвящена исследованию влияния РЧ магнитного поля, создаваемого дополнительными резонаторами Гельмгольца с ортогональным направлением индукции магнитного поля по

отношению к полю резонаторов Гельмгольца беспроводной билатеральной катушки для молочных желез, на чувствительность беспроводной катушки. По результатам исследований разработана приемная беспроводная квадратурная катушка для молочных желез человека с улучшенной характеристикой чувствительности.

В рамках работы, представленной в данной главе, исследована конфигурация квадратурной беспроводной катушки, состоящей из двух пар резонаторов Гельмгольца, вектора магнитного поля которых в центре резонаторов взаимно ортогональны (X и Y-резонаторы). В исследуемой конфигурации взаимная индукция возникает во всех шести парах резонаторов, при этом, данная связь должна быть скомпенсирована, согласно выводам, сформулированным в Главе 2.

В Главе 3 было продемонстрировано, что обеспечение электромагнитной развязки между резонаторами приводит к увеличению чувствительности беспроводной катушки в режиме приема, поэтому для создания квадратурной катушки также была использована методика компенсации взаимной индукции между парами резонаторов. Кроме того, для обеспечения работы катушки только в режиме приема в проводник каждого из четырех резонаторов были включены цепи отстройки.

Для оценки влияния второй пары ортогональных резонаторов на чувствительность катушки в режиме приеме методом численного моделирования произведен расчет характеристик РЧ магнитного поля квадратурной катушки в совокупности с катушкой типа «птичья клетка». Результаты показывают, что включение в состав катушки резонаторов ортогональной ориентации вектора магнитного поля позволяет увеличить амплитуду РЧ магнитного поля катушки в области интереса в 1,7 раза по сравнению с линейной катушкой, что обеспечивает соответствующее увеличение чувствительности беспроводной катушки в режиме приема для улучшения качества МР диагностики

Пятая глава диссертационной работы посвящена экспериментальному исследованию разработанных конфигураций беспроводных катушек в составе МРТ различных производителей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Тихонов Павел Михайлович, 2025 год

ЛИТЕРАТУРА

1. https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/breast-cancer

2. Wilkinson L, Gathani T. Understanding breast cancer as a global health concern. Br J Radiol. 2022 Feb 1 ;95(1130):20211033. doi:10.1259/bjr.20211033.

3. Influence of delay on survival in patients with breast cancer: a systematic review Richards, MA et al.The Lancet, Volume 353, Issue 9159, 1119 - 1126 https://www.thelancet.com/iournals/lancet/article/PIIS0140-6736(99)02143-1/fulltext

4. World Health Organization https: //www.who .int/initiatives/global-breast-cancer-initiative/operational-approach-based-on-3-pillars

5. Гаранина А.Э., Холин А.В. Современные методы визуализации образований молочных желез (обзорная статья). Онкологический журнал: лучевая диагностика, лучевая терапия. 2023;6(3):41-48. https://doi.org/10.37174/2587-7593-2023-6-3-41-48

6. Radhakrishna S, Agarwal S, Parikh PM, Kaur K, Panwar S, Sharma S, Dey A, Saxena KK, Chandra M, Sud S. Role of magnetic resonance imaging in breast cancer management. South Asian J Cancer. 2018 Apr-Jun;7(2):69-71. doi: 10.4103/sajc.sajc_104_18

7. Wang A. T. et al. Breast density and breast cancer risk: a practical review //Mayo Clinic Proceedings. - Elsevier, 2014. - Т. 89. - №. 4. - С. 548-557.

8. Heller S. L., Moy L. MRI breast screening revisited //Journal of Magnetic Resonance Imaging. - 2019. - Т. 49. - №. 5. - С. 1212-1221.

9. Ali A, Phillips J, Ljuboja D, Shehab S, Pisano ED, Kaplan RS, Sarwar A. Prospective Evaluation of the Cost of Performing Breast Imaging Examinations Using a Time-Driven Activity-Based Costing Method: A Single-Center Study. J Breast Imaging. 2023 Sep 22;5(5):546-554. doi: 10.1093/jbi/wbad052

10. Christiane K. Kuhl et al. Abbreviated Breast Magnetic Resonance Imaging (MRI): First Postcontrast Subtracted Images and Maximum-Intensity Projection—A Novel Approach to Breast Cancer Screening With MRI. JCO 32, 2304-2310(2014). DOI:10.1200/Jc0.2013.52.5386

11. Ali A, Phillips J, Ljuboja D, Shehab S, Pisano ED, Kaplan RS, Sarwar A. Prospective Evaluation of the Cost of Performing Breast Imaging Examinations Using a Time-Driven Activity-Based Costing Method: A Single-Center Study. J Breast Imaging. 2023 Sep 22;5(5):546-554. doi: 10.1093/jbi/wbad052.

12. Shchelokova A. et al. Ceramic resonators for targeted clinical magnetic resonance imaging of the breast //Nature communications. - 2020. - Т. 11. -№. 1. - С. 3840.

13. Puchnin V. et al. Quadrature transceive wireless coil: Design concept and application for bilateral breast MRI at 1.5 T //Magnetic Resonance in Medicine. - 2023. - Т. 89. - №. 3. - С. 1251-1264.

14. Ринк П. А. Магнитный резонанс в медицине //М.: Гэотар-мед. - 2003.

15. Магнитно-резонансная томография (руководство для врачей) / Труфанов Г. Е., Фокин В. А., Багненко С. С. et al. // СПб.: Фолиант. — 2007. — P. 661.

16. Bloch F., Hansen W. W., Packard Martin. Nuclear Induction // Physical Review. — 1946. — Vol. 69. — P. 127-127.

17. RF coils: A practical guide for nonphysicists / Bernhard Gruber, Martijn Froeling, Tim Leiner, Dennis WJ Klomp // Journal of Magnetic Resonance Imaging.— 2018.— Vol. 48, no. 3.— P. 590-604.

18. Vaughan J. T., Griffiths J. R. (ed.). RF coils for MRI. - John Wiley & Sons, 2012.

19. Gordon R. Encyclopedia of Biophysics. - 2013.

20. https://resources.wfsahq.org/

21. Edelstein, W. A., Bottomley, P. A., Hart, H. R., & Smith, L. S. Signal, noise, and contrast in nuclear magnetic resonance (NMR) imaging //J Comput Assist Tomogr. - 1983. - T. 7. - №. 3. - C. 391-401.

22. Schnell, W., Renz, W., Vester, M., & Ermert, H. Ultimate signal-to-noise-ratio of surface and body antennas for magnetic resonance imaging //IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - 2000. - T. 48. - №2. 3. - C. 418428.

23. Redpath T. W. Signal-to-noise ratio in MRI //The British journal of radiology. - 1998. - T. 71. - №. 847. - C. 704-707.

24. Ocali O., Atalar E. Ultimate intrinsic signal-to-noise ratio in MRI //Magnetic resonance in medicine. - 1998. - T. 39. - №. 3. - C. 462-473.

25. https://www.siemens-healthineers.com/

26. K. Wu, X. Zhu, S.W. Anderson, X. Zhang, Wireless, customizable coaxially shielded coils for magnetic resonance imaging, Sci. Adv. 10 (24) (2024) eadn5195.

27. M. Lu, S. Chai, H. Zhu, X. Yan, Low-cost inductively coupled stacked wireless RF coil for MRI at 3 T, NMR Biomed. 36 (1) (2023) e4818.

28. Y. Yi, Z. Chi, Y. Wang, M. Wu, L. Wang, D. Jiang, L. He, Y. Qi, X. Li, X. Zhao, Y. Meng, J. Zhou, Q. Zhao, Z. Zheng, In vivo MRI of knee using a metasurface-inspired wireless coil, Magn. Reson. Med. 91 (2) (2023) 530540.

29. Z. Chi, Y. Yi, Y. Wang, M. Wu, L. Wang, X. Zhao, Y. Meng, Z. Zheng, Q. Zhao, J. Zhou, Adaptive cylindrical wireless metasurfaces in clinical magnetic resonance imaging, Adv. Mater. 33 (40) (2021).

30. A.V. Shchelokova, C.A.T. van den Berg, D.A. Dobrykh, S.B. Glybovski, M.A. Zubkov, E.A. Brui, D.S. Dmitriev, A.V. Kozachenko, A.Y. Efimtcev, A.V. Sokolov, V.A. Fokin, I.V. Melchakova, P.A. Belov, Volumetric wireless coil based on periodically coupled split-loop resonators for clinical wrist imaging, Magn. Reson. Med. (2018) 1726-1737.

31. Z. Chi, Y. Yi, Y. Wang, M. Wu, L. Wang, X. Zhao, Y. Meng, Z. Zheng, Q. Zhao, J. Zhou, Adaptive cylindrical wireless metasurfaces in clinical magnetic resonance imaging, Adv. Mater. 33 (40) (2021).

32. Y. Yi, Z. Chi, Y. Wang, M. Wu, L. Wang, D. Jiang, L. He, Y. Qi, X. Li, X. Zhao, Y. Meng, J. Zhou, Q. Zhao, Z. Zheng, In vivo MRI of knee using a metasurface-inspired wireless coil, Magn. Reson. Med. 91 (2) (2023) 530540.

33. Alipour A. et al. Improvement of magnetic resonance imaging using a wireless radiofrequency resonator array //Scientific reports. - 2021. - Т. 11. - №. 1. - С. 23034.

34. An efficient, highly homogeneous radiofrequency coil for whole-body NMR imaging at 1.5 T / C. E. Hayes, W. A. Edelstein, J. F. Schenck et al. //Journal of Magnetic Resonance.— 1985.— Vol. 63, no. 3.— P. 622-628.

35. Tropp J. The theory of the bird-cage resonator // Journal of Magnetic Resonance.— 1989.— Vol. 82, no. 1.— P. 51-62.

36. Lowe I. J., Tarr C. E. A fast recovery probe and receiver for pulsed nuclear magnetic resonance spectroscopy //Journal of Physics E: Scientific Instruments. - 1968. - Т. 1. - №. 3. - С. 320.

37. P.B. Roemer, W.A. Edelstein, C.E. Hayes, S.P. Souza, O.M. Mueller, The NMR phased array, Magn. Reson. Med. 16 (2) (1990) 192-225.

38. A. Hurshkainen, M.S.M. Mollaei, M. Dubois, S. Kurdjumov, R. Abdeddaim, S. Enoch, S. Glybovski, C. Simovski, Decoupling of closely spaced dipole antennas for ultrahigh field MRI with metasurfaces, IEEE Trans. Antennas and Propagation 69 (2) (2021) 1094-1106.

39. Vartiovaara V. P. Detuning circuit and detuning method for an MRI system : пат. 8013609 США. - 2011.

40. Edelstein W. A., Hardy C. J., Mueller O. M. Electronic decoupling of surface-coil receivers for NMR imaging and spectroscopy //Journal of Magnetic Resonance (1969). - 1986. - Т. 67. - №. 1. - С. 156-161.

41. Li L., Sotak C. H. An efficient technique for decoupling NMR transmit coils from surface-coil receivers //Journal of Magnetic Resonance (1969). - 1991.

— T. 93. - №. 1. - C. 207-213.

42. REN Z. H. Advance Low-field Portable Magnetic Resonance Imaging (MRI) by Applying Electromagnetics Concepts: guc. - Ph. D. dissertation, Engineering Product Development, Singapore University of Technology and Design, Singapore, 2020.

43. Mann R. M., Cho N., Moy L. Breast MRI: State of the Art // Radiology. 2019.

— T. 292, № 3. — C. 520—536.

44. Grant I. S., Phillips W. R. Electromagnetism. - John Wiley & Sons, 2013.

45. Giovannetti G. et al. Design and simulation of a Helmholtz coil for magnetic resonance imaging and spectroscopy experiments with a 3T MR clinical scanner //Applied Magnetic Resonance. - 2019. - T. 50. - №. 9. - C. 10831097.

46. Zhu, X., Wu, K., Anderson, S. W., & Zhang, X. Helmholtz coil-inspired volumetric wireless resonator for magnetic resonance imaging //Advanced Materials Technologies. - 2023. - T. 8. - №. 22. - C. 2301053.

47. https://www.3ds.com/products/simulia/cst-studio-suite

48. Hurshkainen, A., Nikulin, A., Georget, E., Larrat, B., Berrahou, D., Neves, A. L., Sabouroux, P., Enoch, S., Melchakova, I., Belov, P., Glybovski, S. & Abdeddaim, R. A novel metamaterial-inspired RF-coil for preclinical dual-nuclei MRI //Scientific reports. - 2018. - T. 8. - №. 1. - C. 9190.

49. I. R. Connell, K. M. Gilbert, M. A. Abou-Khousa, R. S. Menon. MRI RF array decoupling method with magnetic wall distributed filters //IEEE Transactions on Medical Imaging. — 2014. — Vol. 34, no. 4. — P. 825-835.

50. Lee R. F., Giaquinto R. O., Hardy C. J. Coupling and decoupling theory and its application to the MRI phased array // Magnetic Resonance in Medicine.

— 2002. — Vol. 48, no. 1. — P. 203-213.

51. E. Georget, M. Luong, A. Vignaud et al. Stacked magnetic resonators for MRI RF coils decoupling //Journal of Magnetic Resonance. — 2017. — Vol. 275. — P. 11-18.

52. Hurshkainen A., Derzhavskaya T., Glybovski S. et al. Element decoupling of 7 T dipole body arrays by EBG metasurface structures: Experimental verification //Journal of Magnetic Resonance. — 2016. — Vol. 269. — P. 8796.

53. Brizi D. et al. Design of distributed spiral resonators for the decoupling of MRI double-tuned RF coils //IEEE Transactions on Biomedical Engineering.

- 2020. - T. 67. - №. 10. - C. 2806-2816.

54. Jevtic J. Ladder networks for capacitive decoupling in phased-array coils //Proceedings of the 9th Annual Meeting of ISMRM, Glasgow, Scotland.— Vol. 17.— 2001.

55. Yan X., Gore J. C., Grissom W. A. Self-decoupled radiofrequency coils for magnetic resonance imaging //Nature communications. - 2018. - T. 9. - №. 1. - C. 3481.

56. Christ, A., Kainz, W., Hahn, E. G., Honegger, K., Zefferer, M., Neufeld, E., ... & Kuster, N. The Virtual Family—development of surface-based anatomical models of two adults and two children for dosimetric simulations //Physics in Medicine & Biology. - 2009. - T. 55. - №. 2. - C. N23.

57. Adair E. R., Black D. R. Thermoregulatory responses to RF energy absorption //Bioelectromagnetics. - 2003. - T. 24. - №. S6. - C. S17-S38.

58. Collins C. M., Wang Z. Calculation of radiofrequency electromagnetic fields and their effects in MRI of human subjects //Magnetic resonance in medicine.

- 2011. - T. 65. - №. 5. - C. 1470-1482.

59. Chou C. K. et al. Radio frequency electromagnetic exposure: Tutorial review on experimental dosimetry //Bioelectromagnetics: Journal of the Bioelectromagnetics Society, The Society for Physical Regulation in Biology and Medicine, The European Bioelectromagnetics Association. - 1996. - T. 17. - №. 3. - C. 195-208.

60. International Electrotechnical Commission et al. Medical electrical equipment-Part 2-33: Particular requirements for the basic safety and essential performance of magnetic resonance equipment for medical diagnosis //IEC 60601-2-33 Ed. 3.0. - 2010.

61. Chen C. N., Hoult D. I., Sank V. J. Quadrature detection coils—A furtherV 2 improvement in sensitivity //Journal of Magnetic Resonance (1969). - 1983. - T. 54. - №. 2. - C. 324-327.

62. Sodickson A. D., Sodickson D. K. Introductory magnetic resonance imaging physics //Handbook of Neuro-Oncology Neuroimaging. - Academic Press, 2016. - C. 157-166.

63. Cunningham C. H., Pauly J. M., Nayak K. S. Saturated double-angle method for rapid B1+ mapping //Magnetic Resonance in Medicine: An Official Journal of the International Society for Magnetic Resonance in Medicine. -2006. - T. 55. - №. 6. - C. 1326-1333.

64. Yarnykh V. L. Actual flip-angle imaging in the pulsed steady state: a method for rapid three-dimensional mapping of the transmitted radiofrequency field // Magnetic Resonance in Medicine. — 2007. — Vol. 57, no. 1. — P. 192200.

65. Balezeau F. et al. Mapping of low flip angles in magnetic resonance //Physics in Medicine & Biology. - 2011. - T. 56. - №. 20. - C. 6635.

66. Wang, J., Mao, W., Qiu, M., Smith, M. B., & Constable, R. T. Factors influencing flip angle mapping in MRI: RF pulse shape, slice-select gradients, off-resonance excitation, and B0 inhomogeneities //Magnetic Resonance in Medicine: An Official Journal of the International Society for Magnetic Resonance in Medicine. - 2006. - T. 56. - №. 2. - C. 463-468.

67. Elster A. D. Gradient-echo MR imaging: techniques and acronyms //Radiology. - 1993. - T. 186. - №. 1. - C. 1-8.

68. Markl M., Leupold J. Gradient echo imaging //Journal of Magnetic Resonance Imaging. - 2012. - T. 35. - №. 6. - C. 1274-1289.

69. https: //www. mathworks .com/

70. Garwood M., DelaBarre L. The return of the frequency sweep: designing adiabatic pulses for contemporary NMR //Journal of magnetic resonance. -2001. - T. 153. - №. 2. - C. 155-177.

71. Ribeiro, M., Rumor, L., Oliveira, M., O'Neill, J. G., & Mauricio, J. C. STIR, SPIR and SPAIR techniques in magnetic resonance of the breast: A comparative study. - 2013.

72. Aja-Fernández S., Brion V., Tristán-Vega A. Effective noise estimation and filtering from correlated multiple-coil MR data //Magnetic resonance imaging. - 2013. - T. 31. - №. 2. - C. 272-285.

73. McVeigh E. R., Henkelman R. M., Bronskill M. J. Noise and filtration in magnetic resonance imaging //Medical physics. - 1985. - T. 12. - №. 5. - C. 586-591.

74. Listerud J. et al. First principles of fast spin echo //Magnetic resonance quarterly. - 1992. - T. 8. - №. 4. - C. 199-244.

75. Reichenbach J. R. et al. Theory and application of static field inhomogeneity effects in gradient-echo imaging //Journal of Magnetic Resonance Imaging. -1997. - T. 7. - №. 2. - C. 266-279.

76. S. Gruber, L. Minarikova, K. Pinker et al. Diffusion-weighted imaging of breast tumours at 3 Tesla and 7 Tesla: a comparison // European Radiology. — 2016. — May. — Vol. 26, no. 5. — P. 1466-1473

77. Baltzer P. A. T. et al. Diffusion tensor magnetic resonance imaging of the breast: a pilot study //European radiology. - 2011. - T. 21. - №. 1. - C. 1-10.

78. Tikhonov P., Fedotov A., Solomakha G, Hurshkainen A. A wireless bilateral transceiver coil based on volume decoupled resonators for a clinical MR mammography //Journal of Magnetic Resonance. - 2025. - C. 107941.

79. Tikhonov P., Solomakha G., Fedotov A., Hurshkainen A. A wireless coil with isolated resonators for high-field MRI of human breast // Magnetic Resonance Materials in Physics, Biology and Medicine - 2024, Vol. 37, pp. 644.

80. Fedotov A., Tikhonov P., Solomakha G, Hurshkainen A. A concept of volume wireless receive-only coil for 1.5 T MRI //Journal of Magnetic Resonance. - 2025. - Т. 374. - С. 107841

81. Тихонов П, М. Приемная беспроводная катушка для магнитно-резонансной маммографии в поле 1,5 Тл. Биотехносфера. 2025. № 2. С. 14-21.

82. Fedotov A., Tikhonov P., Solomakha G., Puchnin V., Brui E., Levchuk A., Shchelokova A., Hurshkainen A.A. A volume receive-only wireless coil for high-field breast MRI // Magnetic Resonance Materials in Physics, Biology and Medicine - 2024, Vol. 37, pp. 60-62

83. Fedotov A., Tikhonov P., Solomakha G., Kozachenko A., Hurshkainen A.A. A Multi-Vendor compatibility Study of a Wireless RF Coil for Breast Imaging // Magnetic Resonance Materials in Physics, Biology and Medicine - 2025, №329.

84. Полезная модель. Тихонов П.М., Соломаха Г.А., Федотов А.Д., Щелокова А.В., Пучнин В.М., Хуршкайнен А.А. Беспроводная радиочастотная катушка для магнитно-резонансной маммографии. № 225852 от 08.05.2024

85. Tikhonov P., Fedotov A., Solomakha G., Hurshkainen A.A. A wireless quadrature Rx-only coil based on electromagnetically decoupled Helmholtz resonators for 1.5T MR mammography // Magnetic Resonance Materials in Physics, Biology and Medicine - 2025, №175.