Магнитно-резонансный томограф с метаповерхностью (варианты) Российский патент 2022 года по МПК A61B5/55 

Предлагаемое изобретение относится к медицинской технике и применимо в задачах магнитно-резонансной томографии и магнитно-резонансной спектроскопии.

Магнитно-резонансная томография является современным методом неинвазивной медицинской визуализации. Для функционирования систем магнитно-резонансной томографии требуется создание базового постоянного магнитного поля высокой индукции и однородности, а также наличие, градиентных систем, системы шиммирования (выравнивания магнитного поля), подвижного стола, синтезатора частот, радиочастотного (РЧ) усилителя мощности, компьютера управления и других систем, которые являются базовыми компонентами (cм. стр. 224 Hidalgo Tobon S. S. Theory of gradient coil design methods for magnetic resonance imaging // Concepts in Magnetic Resonance Part A. – 2010. – Т. 36. – № 4. – С. 223-242) магнитно-резонансного томографа (МРТ). Построение диагностического изображения осуществляется путем регистрации слабых магнитно-резонансных (МР) сигналов после воздействия мощного РЧ импульса под воздействием градиентных магнитным систем. Порядок изменения величин градиентных магнитных полей во времени и порядок следования и величина РЧ-импульсов объединяются в импульсную последовательность, которая и обеспечивает формирование изображения. Ключевыми параметрами, влияющими на эффективность МРТ, являются отношение сигнал/шум, скорость проведения сканирования и коэффициент удельного поглощения, характеризующий безопасность сканирования для пациента с точки зрения нагрева тканей РЧ полем.

Отношение сигнал/шум можно улучшить усреднением нескольких МР-сигналов, полученных путем дополнительного накопления данных, однако это приводит к увеличению длительности сканирования, что нежелательно. В таких случаях основным путём увеличения отношения сигнал/шум может стать повышение эффективности регистрации слабых МР-сигналов на выбранной глубине. В настоящее время для осуществления приёма широко используют антенны, называемые катушками (ввиду работы в ближней зоне), основанные на фазированных массивах, конструктивными элементами которых являются рамочные антенны. Управление элементами фазированного массива позволяет изменять чувствительность приемной системы к объектам, располагающимся как в разных частях массива, так и на различном удалении от него. Однако возможности такого управления существенно ограничены количеством элементов массива, которое в свою очередь ограничивается резко возрастающими материальными затратами на изготовление массивов с повышенным числом элементов.

Существует ряд альтернативных менее затратных технологий построения РЧ-катушек, позволяющих получить повышенные значения отношения сигнал/шум и однородности поля в сравнении с петлевыми катушками, в том числе на основе новых искусственных электромагнитных структур называемых резонаторами или метаповерхностями. Электромагнитными метаповерхностями принято называть двумерно-периодические структуры с размерами элементарных ячеек и толщиной, которые много меньше рабочей длины волны устройства, построенного на основе такой структуры. Повышенные в сравнении со стандартными петлевыми катушками значения отношения сигнал/шум в таких структурах достигаются за счёт формирования в них набора собственных мод, то есть, устойчивых резонансных электромагнитных колебаний с фиксированным распределением переменного электромагнитного поля. Собственная мода эквивалентна комбинации антенных элементов в фазированном массиве, вследствие чего выбор возбуждаемой в метаповерхности моды и связанного с ней уникального распределения поля, называемого профилем чувствительности, может быть использован для осуществления аналогичной функции – повышения отношения сигнал/шум на заранее выбранной глубине залегания объекта наблюдения в теле пациента. Однако, в отличие от выбора комбинации элементов в фазированном массиве, затрудненного ограниченным количеством элементов массива, выбор моды при работе метаповерхности значительно более широк, так как среднее количество элементов метаповерхности значительно превышает количество элементов фазированного массива. В этом случае число мод метаповерхности превышает число комбинаций антенных элементов. Предоставляемая использованием метаповерхности свобода выбора рабочего распределения поля, кроме того, позволяет найти моду с наименьшей концентрацией в теле пациента электрической составляющей электромагнитного поля метаповерхности. Выбор такого распределения поля в свою очередь приводит к уменьшению паразитных напряжений и токов, вызываемых в антенне хаотическим движением заряженных частиц в теле, и проявляющих себя в виде шума в регистрируемом МР-сигнале. Таким образом, выбор моды метаповерхности с наименьшим проникновением электрического поля в тело пациента позволяет снизить величину шума в сигнале и повысить отношение сигнал/шум. Электрическое поле кроме того приводит к нагреву тканей пациента, что может привести к недопустимым с точки зрения безопасности пациента режимам работы томографа, поэтому метаповерхность, минимизируя величину поля внутри тела пациента также позволяет повысить и безопасность исследования.

Известно изобретение (Патент РФ 2601373, МПК A61B 5/055, H01Q 15/00, дата приоритета 03.07.2015, дата публикации 10.11.2016), в котором метаповерхность из проводников используется для фокусировки электромагнитного поля в фазах передачи и приема. Несмотря на снижение коэффициента удельного поглощения в сравнении со случаем использования классической катушки типа «птичья клетка», в устройстве отсутствует возможность управления глубиной проникновения в объект при сканировании. Кроме того, указанное изобретение не предполагает аппаратного контроля удельного коэффициента поглощения, что может потенциально привести перегреву объекта сканирования ввиду превышения допустимых норм удельного коэффициента поглощения вследствие неконтролируемой мощности фокусируемого поля.

Из альтернативных методов построения приёмопередающих устройств известна беспроводная радиочастотная катушка на основе объемных резонаторов для визуализации молочных желез (патент на полезную модель RU 198926 U1 МПК А61В 5/00, дата подачи заявки 30.03.2020, дата публикации 03.08.2020). Устройство включает в себя объемные резонаторы, которые возбуждаются за счет индуктивной связи с приемопередающей катушкой типа «птичья клетка», встроенной в конструкцию клинического аппарата МРТ. Каждый резонатор состоит из параллельных проводников, соединенных с обоих концов через распределенные емкости, выполненные в виде прямоугольных медных полосок, нанесенных на обе стороны общих диэлектрических подложек. Резонансная частота данного устройства остаётся постоянной как в фазе приёма, так и в фазе передачи, поэтому либо требует модификации импульсной последовательности, либо приводит к искажениям в получаемых изображениях. Кроме того, отсутствует возможность контроля фокусируемого поля в режиме передачи, что также является источником потенциальной опасности.

Ближайшим аналогом к предлагаемому изобретению и выбранным в качестве прототипа, является система с переключаемой метаповерхностью (Saha S. et al. A smart switching system to enable automatic tuning and detuning of metamaterial resonators in MRI scans // Scientific reports. – 2020. – Т. 10. – № 1. – С. 1-9). Это устройство содержит источник питания, модуль синхронизации, конденсаторы, диоды, катушки индуктивности и метаповерхность в виде периодической структуры параллельных немагнитных проводников одинаковой длины (два ряда по 14 линий), расположенных внутри экранированной приемопередающей катушки типа «птичья клетка», и связанной с ней индуктивно, при этом катушка типа «птичья клетка» соединена с МРТ. В фазе приема метаповерхность настраивают на рабочую частоту МРТ, и она работает как беспроводной резонатор с фиксированной глубиной проникновения при сканировании. В таком режиме работы МР-сигналы передаются из метаповерхности через индуктивную связь в катушку типа «птичья клетка» и далее поступают в приемный тракт аппарата МРТ. В фазе передачи собственную частоту периодической структуры отстраивают от рабочей частоты магнитно-резонансного томографа за счет управления устройством синхронизации, выполненного на основе компаратора. Отстройка уменьшает индуктивную связь между излучающей мощный радиочастотный импульс катушкой типа «птичья клетка» и метаповерхностью. Вследствие этого передающее поле не фокусируется метаповерхностью. При этом используется только один способ отстройки – путем изменения емкости между параллельными проводниками метаповерхности, что ведёт к её потенциальной небезопасности для пациента, так как нарушение работы механизма отстройки может привести к недостаточной отстройке системы в фазе передачи, а значит – к повышению уровня удельного коэффициента поглощения, который может в этом случае угрожать безопасности пациента, то есть указанное решение не обеспечивает должного уровня РЧ безопасности.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение является повышение безопасности пациента с обеспечением увеличения отношения сигнал/шум.

Поставленная задача решается при реализации двух вариантов предлагаемого изобретения (беспроводного и проводного) с достижением технического результата, заключающегося в обеспечении управления профилем чувствительности катушки и введения дополнительных уровней защиты от превышения допустимых норм удельного коэффициента поглощения.

Указанный технический результат в первом, беспроводном, варианте достигается тем, что МРТ с метаповрехностью в беспроводной реализации, включающий источник питания, модуль синхронизации, конденсаторы, диоды, катушки индуктивности и метаповерхность в виде периодической структуры параллельных немагнитных проводников одинаковой длины, расположенных внутри экранированной приемопередающей катушки типа «птичья клетка», и связанной с ней индуктивно, при этом приемопередающая катушка типа «птичья клетка» соединена с МРТ, приемным модулем, соединенным с системой реконструкции, которые также соединены с МРТ, отличается тем, что немагнитные проводники выполнены в виде расположенных на диэлектрической подложке немагнитных полосок, состоящих из двух равных частей, соединенных предохранителем с сопротивлением менее 0,5 Ом, индуктивностью не более 200 нГн, и емкостью не более 2 пФ, конденсаторы одним выводом подсоединены к крайним концам немагнитных полосок, а вторые их выводы соединены между собой и на одном конце немагнитных полосок к выводам встречно включенных немагнитных диодов, другие выводы которых соединены через катушки индуктивности с образованием с конденсаторами резонансных контуров на рабочей частоте МРТ, к другим концам немагнитным полосок параллельно конденсаторам подключены варикапы, катодные выводы которых соединены через резисторы, порядка 1 кОм и катушки с индуктивностью не менее 10 мкГн с положительным выходом драйвера, отрицательный вывод которого соединен с местом соединения конденсаторов и анодов варикапов, вход драйвера соединен с выходом цифроаналогового преобразователя (ЦАП), а его вход соединен с выводом модуля синхронизации, который вместе с ЦАП и драйвером подключен к источнику питания, к системе реконструкции дополнительно присоединен приемопередающий модуль, который по радиоканалу связан с модулем синхронизации, приемный модуль выполнен цифровым с квадратурной демодуляцией на основе двух высокоскоростных аналогового цифровых преобразователей с количеством разрядов не менее 16 и величиной отношения частоты дискретизации каждого квадратурного канала к рабочей частоте магнитно-резонансного томографа не менее 4.

Во втором, проводном, варианте устройства технический результат достигается тем, что МРТ с метаповерхностью в проводной реализации, включающий конденсаторы, диоды, катушки индуктивности и метаповерхность в виде периодической структуры параллельных немагнитных проводников одинаковой длины, расположенных внутри экранированной приемопередающей катушки типа «птичья клетка», и связанной с ней индуктивно, при этом катушка птичья клетка соединена с МРТ, приемным модулем, соединенным с системой реконструкции, которые также соединены с МРТ, отличается тем, что немагнитные проводники выполнены в виде немагнитных полосок расположенных на диэлектрической подложке, состоящих из двух равных частей, соединенных предохранителем с сопротивлением менее 0,5 Ом, индуктивностью не более 200 нГн и емкостью не более 2 пФ, конденсаторы одним выводом подсоединены к крайним концам немагнитных полосок, а вторые их выводы соединены между собой и на одном конце немагнитных полосок подключены к выводам встречно включенных немагнитных диодов, другие выводы которых соединены через катушки индуктивности с образованием с конденсаторами резонансных контуров на рабочей частоте МРТ, к другим концам немагнитных полосок, параллельно конденсаторам подключены варикапы, катодные выводы которых соединены через резисторы, порядка 1 кОм и катушки с индуктивностью не менее 10 мкГн с положительным выходом драйвера, отрицательный вывод которого соединен с местом соединения конденсаторов и анодов варикапов, вход драйвера соединен с выходом ЦАП, вход которого соединен с системой реконструкции, драйвер также подключен к системе реконструкции, приемный модуль выполнен цифровым с цифровой квадратурной демодуляцией на основе двух высокоскоростных аналогового цифровых преобразователей с количеством разрядов не менее 16 и величиной отношения частоты дискретизации каждого квадратурного канала к рабочей частоте магнитно-резонансного томографа не менее 4, в крайнем немагнитном проводнике метаповерхности последовательно предохранителю подключен малошумящий усилитель с симметричным входом, и уровнем собственного шума не более 0,7 дБ, выход малошумящего усилителя соединен с цифровым приемным модулем.

Сущность изобретения поясняется фигурами. Структурная схема первого варианта устройства в беспроводной реализации представлена на фиг. 1, а реализация с проводным подключением представлена на фиг. 2, МРТ изображения, полученные при использовании ряда возможных мод метаповерхности, показаны на фиг. 3, импеданс (параметр S11) и распределения поля метаповерхности для ряда мод показаны на фиг. 4.

Общим для вариантов реализации является метаповерхность, изготовленная из параллельных немагнитных проводников равной длины печатным способом. Количество мод метаповерхности равно количеству немагнитных проводников. Чем выше мода, тем меньше глубина проникновения радиочастотного поля в исследуемый объект. В практических задачах МРТ могут быть интересны с 1 по 5 моды. В то время как для задач гистологии и спектроскопии могут использоваться более высокие моды. Каждая мода имеет собственное распределение поля, называемое профилем чувствительности.

Устройство беспроводной реализации (фиг. 1) состоит из метаповерхности в виде периодической структуры параллельных немагнитных проводников 1 одинаковые половинки, которых соединены предохранителями 2. К одному из концов немагнитных проводников 1 подсоединены выводы конденсаторов 3, вторые выводы которых соединены между собой и соединены с выводами встречно включенных диодов 4, которые вместе с последовательно соединенными к ним катушками индуктивности 5 образуют параллельное соединение с конденсаторами 3. Другие концы немагнитных полосок 1 также соединены с выводами конденсаторов 3, вторые выводы которых соединены между собой и с анодными концами варикапов 6. Катоды варикапов 6 соединены с выводами конденсаторов 3, образуя параллельное соединение варикапов с ними. Последовательно этому соединению конденсаторов 3 и варикапов 6 подсоединены резисторы 7 и катушки индуктивности 8. Концы индуктивностей 8 соединены между собой и подключены к положительному выводу драйвера 9. Отрицательный вывод драйвера 9 соединен с местом соединения конденсаторов 3 и анодов варикапов 6. Вход драйвера 9 соединен с выходом ЦАП 10, вход которого соединен с выходом модуля синхронизации 11. Питание драйвера 9, ЦАП 10, модуля синхронизации 11 осуществляется от источника питания 12. Все элементы 1-12 помещены в немагнитный радиопрозрачный корпус 13, который, в свою очередь, вместе с приемопередающим модулем 14 помещен в приемопередающую катушку «птичья клетка» 15. МРТ 16 соединен с приемопередающей катушкой «птичья клетка» 15, системой реконструкции 17 и цифровым приемным модулем 18. Цифровой приемный модуль соединен также с системой реконструкции 17. Все модули 1-15, а также МРТ 16 расположены в экранированном помещении 19.

Устройство с проводным соединением (фиг. 2) состоит из метаповерхности в виде периодической структуры параллельных немагнитных проводников 1, одинаковые половинки которых соединены предохранителями 2. К одному из концов немагнитных проводников 1 подсоединены выводы конденсаторов 3, вторые выводы которых соединены между собой и соединены с выводами встречно включенных диодов 4, которые вместе с последовательно присоединенными к ним катушками индуктивности 5 образуют параллельное соединение с конденсаторами 3. Другие концы немагнитных полосок 1 также соединены с выводами конденсаторов 3, вторые выводы которых соединены между собой и с анодными концами варикапов 6. Катоды варикапов 6 соединены с выводами конденсаторов 3, образуя параллельное соединение варикапов с ними. Последовательно этому соединению конденсаторов 3 и варикапов 6 подсоединены резисторы 7 и катушки индуктивности 8. Концы индуктивностей 8 соединены между собой и подключены к положительному выводу драйвера 9. Отрицательный вывод драйвера 9 соединен с местом соединения конденсаторов 3 и анодов варикапов 6. Вход драйвера 9 соединен с выходом ЦАП 10, вход которого соединен с системой реконструкции 17. Питание драйвера 9 и ЦАП 10 осуществляется от системы реконструкции 17. В крайнем немагнитном проводнике метаповерхности 1 последовательно предохранителю подключен малошумящий усилитель 20 с симметричным входом, а выход малошумящего усилителя соединен с цифровым приемным модулем 18. Все элементы 1-10, а также малошумящий усилитель 20 помещены в немагнитный радиопрозрачный корпус 13, который помещен в приемопередающую катушку «птичья клетка» 15. МРТ 16 соединен с приемопередающей катушкой «птичья клетка» 15, системой реконструкции 17 и цифровым приемным модулем 18. Цифровой приемный модуль 18 соединен также с системой реконструкции 17. Все модули 1-11,13,15, а также часть МРТ 16 расположены в экранированном помещении 19.

Устройство работает следующим образом.

Объект исследования помещается на подвижном столе расположенном внутри приемо-передающая катушки типа «птичья клетка», находящейся внутри постоянного магнитного поля МРТ 16.

До начала сканирования оператором МРТ в компьютере управления, входящем в МРТ 16, осуществляется выбор необходимой глубины сканирования, разрешения и иных параметров, определяемых задачей оператора. После установки требуемого режима и запуска сканирования наступает фаза инициализации предлагаемого устройства. В фазе инициализации происходит отстройка метаповерхности от рабочей частоты аппарата МРТ. Это происходит путём передачи параметров импульсной последовательности в систему реконструкции 17 и далее в беспроводной реализации – в приемопередающий модуль 14 связанный по радиоканалу с модулем синхронизации 11, из которого посылается управляющий код в ЦАП 10. ЦАП 10 для обеих реализаций должен иметь разрядность не менее 16 бит и время установления не более 1 мкс. В проводной реализации управляющий код формируется в системе реконструкции 17 и направляется непосредственно в ЦАП 10.

В результате расчетов и многочисленных экспериментов были получены следующие характеристики для достижения оптимальных значений параметров МРТ с обеспечением максимального значения отношения сигнал/шум. Предохранители 2 должны иметь сопротивление менее 0,5 Ома, индуктивность не более 200 нГн, и емкость не более 2 пФ. Катушки индуктивности 5 намотаны посеребренным проводом для достижения высокой добротности. Встречные диоды 4 имеют параметры аналогичные модели Microsemi UMX9989AP. Конденсаторы 3 имеют высокую добротность и высокое рабочее напряжение (не менее 1 КВ), т.е. по основным параметрам быть не хуже конденсатора HQCEMA330JAT6A. Драйвер 9 должен обеспечивать напряжение необходимое для управления варикапами не менее 25 В. Время установки напряжения драйвера должно быть не хуже чем 1 мкс. Варикапы 6 должны иметь высокую добротность и большой диапазон емкости перестройки (например, от 3 до 55 пф, как у варикапа SMV1801). Для блокировки распространения РЧ сигнала из метаповерхности 1 в драйвер 9 катушки индуктивности 8 должны иметь индуктивность не менее 10 мкГн. Резисторы 7 должны иметь сопротивление не менее 1 КОм и быть подобраны для настройки каждой немагнитной полоски метаповерхности. Все электронные компоненты внутри корпуса 13 должны быть выполнены в немагнитном исполнении. Цифровой приемный модуль 18 выполнен по технологии прямой оцифровки на основе двух аналогово-цифровых преобразователей с частотой дискретизации не менее 160 МГц для МРТ с индукцией основного поля 1 Тл, и обладать разрядностью не менее 16 бит, например ADC16DV160.

Преобразованное напряжение из ЦАП 10 усиливается в драйвере 9 и через катушки 8 и резисторы 7 подается на катод варикапов 6. В результате, метаповерхность изменяет свою резонансную частоту согласно поданному в ЦАП 10 коду. В фазе инициализации код выбирается таким образом, чтобы частота ни одной из мод метаповерхности не совпадала с рабочей частотой аппарата МРТ. Фаза инициализации на этом завершается.

Далее следует фаза передачи, начинающаяся с генерирования согласно выбранной импульсной последовательности градиентных и радиочастотных полей из МРТ 16, в котором происходит синтез сигнала и его усиление. Полученный усиленный РЧ сигнал поступает по кабелю в катушку типа «птичья клетка» 15 и излучается в исследуемую область. Излученное радиочастотное поле воздействует на немагнитные полоски 1 метаповерхности. Однако в фазе передачи связь метаповерхности образованной немагнитными полосками 1 с катушкой типа «птичья клетка» 15 минимальна за счет высокой развязки, вызванной отсутствием собственной моды метаповерхности на частоте работы аппарата МРТ, что приводит к отсутствию фокусировки поля метаповерхностью и постоянству удельного коэффициента поглощения. Для стабильного обеспечения высокой развязки реализованы несколько уровней защиты. Первый уровень реализован отстройкой метаповерхности варикапами 6 в ходе фазы инициализации. Второй уровень защиты обеспечивается встречно включенными диодами 4, которые в фазе передачи переключаются в открытое состояние при высоком уровне индуктивной связи метаповерхности с катушкой типа «птичья клетка» 15, так как только в этом случае генерируемое последней поле индуцирует на элементах метаповерхности, в том числе на диодах 4, повышенные значения тока и напряжения. При этом индуктивности 5 образуют с емкостями 3 колебательный контур, настроенный на рабочую частоту МРТ. Так как импеданс колебательного контура велик на рабочей частоте МРТ, то происходит блокировка распространения радиоволн в метаповерхности. Если уровень напряжения недостаточен, то диоды 4 находятся в закрытом состоянии. Третий уровень защиты является аварийным и срабатывает в случае отказа первых двух уровней защиты. Подобный отказ может вызвать настройку резонансной частоты метаповерхности на рабочую частоту МРТ, что в фазе передачи вызовет протекание в немагнитных полосках метаповерхности 1 больших токов. Во избежание протекания тока выше 100 мА в метаповерхности при любой фазе работы аппарата МРТ происходит разрыв предохранителей 2. Таким образом, метаповерхность 1 также отстраивается от рабочей частоты МРТ, что приводит к существенному уменьшению токов в метаповерхности в фазе передачи. Данные три уровня защиты построены на разных физических принципах и разных конструктивных элементах, что обеспечивает надёжную блокировку поступления к пациенту повышенного уровня РЧ энергии в фазе передачи.

После окончания фазы передачи наступает инициализация фазы приема, в ходе которой происходит передача параметров импульсной последовательности в систему реконструкции 17 и далее в беспроводной реализации – в приемопередающий модуль 14, связанный по радиоканалу с модулем синхронизации 11, из которого посылается управляющий код в ЦАП 10. В проводной реализации управляющий код формируется в системе реконструкции 17 и направляется непосредственно в ЦАП 10. Преобразованное напряжение из ЦАП 10 усиливается в драйвере 9 и через катушки 8 и резисторы 7 подается на катод варикапов 6. В результате, метаповерхность изменяет свою резонансную частоту согласно поданному в ЦАП 10 коду. В отличие от фазы инициализации передачи в фазе инициализации приёма код, подаваемый на ЦАП 10, выбирается таким образом, чтобы одна из мод метаповерхности совпадала с рабочей частотой аппарата МРТ, которая в свою очередь совпадает с частотой регистрируемого МР-сигнала. При этом обеспечивается формирование требуемого профиля чувствительности метаповерхности в режиме приема. В зависимости от числа немагнитных полосок 1 в метаповерхности возможно появление резонанса на различных частотах и образование различных мод, соответствующих разной величине магнитного поля вблизи метаповерхности и разной скорости затухания магнитного поля вглубь объекта сканирования, как показано на фиг. 3. Первой моде также соответствует минимальная резонансная частота, зависящая от длины немагнитных полосок 1, ёмкости конденсаторов 3 и варикапов 6. Выбор конкретной моды в фазе инициализации приёма будет продиктован выбранной перед началом сканирования оператором глубиной сканирования путём определения моды, обеспечивает максимальное отношение сигнал/шум. Чем меньше требуется глубина проникновения в объект сканирования, тем больший номер моды должен быть выбран. Уменьшение глубины проникновения в объект исследования приводит к увеличению МР-сигнала от прилежащих к метаповерхности частей объекта сканирования, наводимого в немагнитных полосках 1, конденсаторах 3 и варикапах 6. В беспроводной реализации наведенный в немагнитных полосках 1 метаповерхности МР-сигнал передаётся через индуктивную связь на приёмо-передающую катушку типа «птичья клетка» 11, затем поступает в цифровой приёмный модуль 18, передаётся в систему реконструкции 17 и сохраняется там в цифровом виде. В проводной реализации сигнал усиливается малошумящего усилителя (МШУ) 20, передаётся через радиочастотный кабель в цифровой приёмный модуль 18, поступает далее в систему реконструкции 17 и сохраняется в цифровом виде. После сохранения МР-сигнала в системе реконструкции 17 фаза приёма завершается.

После завершения фазы приёма система вновь переходит к фазе инициализации и совершает несколько циклов, состоящих из фазы инициализации передачи, фазы передачи, фазы инициализации приёма и фазы приёма. Количество циклов определяется задаваемым до начала сканирования оператором требуемым разрешением итогового изображения.

После всего цикла фаз работы система реконструкции 17 формирует из сохраненных МР-сигналов полное К-пространство и выполняет реконструкцию изображения на основе двумерного обратного преобразования Фурье. Результирующие изображения поступают в МРТ 16 на консоль оператора.

Экспериментальные исследования проводились с метаповерхностью выполненной печатным способом на текстолите FR4 и состоящей из десяти параллельных проводящих немагнитных полосок равной длины, лежащих в одной плоскости. Ширина каждой немагнитной полоски 10 мм, длиной 280 мм (вместе с предохранителями), расстояние между центрами 12.5 мм. Толщина немагнитной полосок и соотношение емкостей метаповерхности рассчитывается исходя из величины индукции постоянного магнитного поля. В результате эксперимента была показана возможность использования данной метаповерхности в аппарате МРТ с индукцией поля 0.95 Тл и рабочей частотой 40,5 МГц. Общие габаритные размеры метаповерхности в качестве приемной катушки должны в зависимости от размера объекта исследования.

Пример МР-изображений, полученных при сканировании однородного объекта с использованием в фазе приёма различных мод метаповерхности, показан на фиг. 3. Первая мода имеет наибольшую глубину проникновения РЧ поля в исследуемую область МРТ сканирования. В частности, для размера метаповерхности 200х300 мм глубина проникновения по уровню индукции остаточного РЧ магнитного поля 10% составляет 8 сантиметров. Пятая мода имеет наименьшую из первых пяти мод глубину проникновения, так для метаповерхности с размерами 200х300 мм глубина проникновения по уровню индукции остаточного РЧ магнитного поля 10% составляет 5 мм. Выигрыш отношения сигнал/шум каждой моды в сравнение с петлевой антенной (базовым элементом фазированной катушки) достигает 60% в зависимости от типа объекта и выбранного режима сканирования.

Параметры импеданса и распределения электромагнитного поля для каждой моды представлены на фиг. 4, откуда видно, что для каждой моды достигается согласование импеданса, то есть обеспечивается режим работы с наилучшим отношением отношение сигнал/шум.

В результате работы устройства обеспечивается возможность получить повышенное значение отношения сигнал/шум, для областей объекта сканирования, расположенных на различном расстоянии от метаповерхности, путём выбора в фазе инициализации приёма моды с максимальной величиной магнитного поля на данной глубине. Обеспечение трех уровней защиты, работающих, на разных физических принципах гарантирует безопасность пациента.

Группа изобретений относится к медицинской технике и применима в задачах МРТ и спектроскопии. В магнитно-резонансном томографе с метаповерхностью используют метаповерхность в виде параллельных немагнитных проводников, выполненных на диэлектрической подложке в виде немагнитных полосок в качестве дополнительной катушки, помещенной в основную катушку типа «птичья клетка» вместе с системой настройки из конденсаторов, встречно включенных диодов, катушек индуктивности и варикапов, а также с источником питания и приемопередающим модулем, который связан с модулем синхронизации беспроводной связью, позволяет выполнить отстройку и настройку на заранее выбранную моду метаповерхности в фазах передачи и приема импульсной последовательности МРТ во время сканирования и обеспечивает требуемую глубину проникновения радиочастотного поля в исследуемый объект с наилучшим отношением сигнал/шум при приеме. Во втором варианте устройства имеется проводная связь метаповерхности с цифровым приемным модулем через малошумящий усилитель. Применение данной группы изобретений гарантирует безопасность пациента, расположенного рядом с метаповерхностью путем реализации трех уровней защиты, построенных на разных физических принципах. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Магнитно-резонансный томограф с метаповерхностью, содержащий источник питания, модуль синхронизации, конденсаторы, диоды, катушки индуктивности и метаповерхность в виде периодической структуры параллельных немагнитных проводников одинаковой длины, расположенных внутри экранированной приемопередающей катушки типа «птичья клетка», и связанной с ней индуктивно, при этом приемопередающая катушка типа «птичья клетка» соединена с магнитно-резонансным томографом, приемным модулем, соединенным с системой реконструкции, которые также соединены с магнитно-резонансным томографом, отличающийся тем, что параллельные немагнитные проводники выполнены в виде расположенных на диэлектрической подложке немагнитных полосок, состоящих из двух равных частей, соединенных предохранителем с сопротивлением менее 0,5 Ом, индуктивностью не более 200 нГн и емкостью не более 2 пФ, конденсаторы одним выводом подсоединены к крайним концам немагнитных полосок, а вторые их выводы соединены между собой и на одном конце немагнитных полосок к выводам встречно включенных немагнитных диодов, другие выводы которых соединены через катушки индуктивности с образованием с конденсаторами резонансных контуров на рабочей частоте магнитно-резонансного томографа, к другим концам немагнитных полосок параллельно конденсаторам подключены варикапы, катодные выводы которых соединены через резисторы, порядка 1 кОм и катушки с индуктивностью не менее 10 мкГн с положительным выходом драйвера, отрицательный вывод которого соединен с местом соединения конденсаторов и анодов варикапов, вход драйвера соединен с выходом цифро-аналогового преобразователя, а его вход соединен с выводом модуля синхронизации, который вместе с цифроаналоговым преобразователем и драйвером подключен к источнику питания, к системе реконструкции дополнительно присоединен приемопередающий модуль, который по радиоканалу связан с модулем синхронизации, приемный модуль выполнен цифровым с квадратурной демодуляцией на основе двух высокоскоростных аналогового цифровых преобразователей с количеством разрядов не менее 16 и величиной отношения частоты дискретизации каждого квадратурного канала к рабочей частоте магнитно-резонансного томографа не менее четырех.

2. Магнитно-резонансный томограф с метаповерхностью, содержащий конденсаторы, диоды, катушки индуктивности и метаповерхность в виде периодической структуры параллельных немагнитных проводников одинаковой длины, расположенных внутри экранированной приемопередающей катушки типа «птичья клетка», и связанной с ней индуктивно, при этом катушка птичья клетка соединена с магнитно-резонансным томографом, приемным модулем, соединенным с системой реконструкции, которые также соединены с магнитно-резонансным томографом, отличающийся тем, что проводники выполнены в виде немагнитных полосок, расположенных на диэлектрической подложке, состоящих из двух равных частей, соединенных предохранителем с сопротивлением менее 0,5 Ом, индуктивностью не более 200 нГн и емкостью не более 2 пФ, конденсаторы одним выводом подсоединены к крайним концам немагнитных полосок, а вторые их выводы соединены между собой и на одном конце немагнитных полосок подключены к выводам встречно включенных немагнитных диодов, другие выводы которых соединены через катушки индуктивности с образованием с конденсаторами резонансных контуров на рабочей частоте магнитно-резонансного томографа, к другим концам немагнитных полосок, параллельно конденсаторам подключены варикапы, катодные выводы которых соединены через резисторы, порядка 1 кОм и катушки с индуктивностью не менее 10 мкГн с положительным выходом драйвера, отрицательный вывод которого соединен с местом соединения конденсаторов и анодов варикапов, вход драйвера соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, вход которого соединен с системой реконструкции, драйвер также подключен к системе реконструкции, приемный модуль выполнен цифровым с цифровой квадратурной демодуляцией на основе двух высокоскоростных аналогового цифровых преобразователей с количеством разрядов не менее 16 и величиной отношения частоты дискретизации каждого квадратурного канала к рабочей частоте магнитно-резонансного томографа не менее четырех, в крайнем проводнике метаповерхности последовательно предохранителю подключен малошумящий усилитель с симметричным входом, и уровнем собственного шума не более 0,7 дБ, выход малошумящего усилителя соединен с цифровым приемным модулем.