Л.В. Шарипова1, З.Ф. Бадриева2, М.В. Лукин3, В.А. Фокин4, Е.А. Бруй5, А.В. Щелокова6

1,2,5,6 Государственный университет информационных технологий, механики и оптики (Санкт-Петербург, Россия)
3,4 ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр им. В.А. Алмазова» (Санкт-Петербург, Россия)
1 lv.sharipova@yandex.ru, 2 badrievaz@gmail.com, 3 lukin.mv.radiology@gmail.com, 4 vladfokin@mail.ru, 5 e.bruy@metalab.ifmo.ru, 6 a.schelokova@metalab.ifmo.ru

Постановка проблемы. Магнитно-резонансная томография (МРТ) сердца при высоком магнитном поле 3 Тл обладает высоким диагностическим потенциалом. Однако при такой напряженности поля длина электромагнитной волны в тканях становится сопоставимой с размерами тела, что приводит к интерференционным эффектам (стоячим волнам) и, как следствие, к пространственной неоднородности радиочастотного (РЧ) магнитного поля. Это проявляется в снижении качества изображений, появлении артефактов и неточностях количественных измерений, в частности при картировании времени T1-релаксации миокарда. Указанные факторы ограничивают диагностическую ценность метода, что обусловливает необходимость поиска эффективных способов их коррекции. Диэлектрические подкладки частично решают эту проблему, но обладают большим весом, высокой стоимостью и деградацией электрических свойств материала. Метаповерхности лишены этих недостатков и эффективны при МРТ других областей, однако их возможности для улучшения качества МРТ сердца остаются неисследованными.

Цель. Исследовать потенциал использования подкладок на основе метаповерхностей для улучшения количественных характеристик магнитно-резонансных (МР) изображений сердца.

Результаты. На основании проведенных исследований установлено, что по данным электродинамического моделирования, размещение двух подкладок на основе метаповерхностей над грудной клеткой и под ней приводит к снижению неоднородности распределения амплитуды РЧ магнитного поля B1+ в области сердца (в терминах – коэффициента вариации амплитуды поля в области интереса) с 20% до 13% и увеличению показателя РЧ-безопасности (в терминах– эффективности удельного коэффициента поглощения электромагнитной энергии) на 25%. Отмечено, что результаты, полученные in vivo на 20 здоровых добровольцах, демонстрируют двукратное повышение отношения сигнал/шум, а также значительное снижение вариабельности значений T1 в миокарде.

Практическая значимость. Применение подкладок на основе метаповерхностей позволяет улучшить количественные параметры МРТ сердца у различных групп пациентов, что способствует повышению точности диагностики в клинической практике при проведении исследований на высокопольных томографах (3 Тл). Предложенная технология особенно актуальна для МР-систем, не оснащенных функциями активного РЧ-шиммирования.

Шарипова Л.В., Бадриева З.Ф., Лукин М.В., Фокин В.А., Бруй Е.А., Щелокова А.В. Улучшение количественных параметров МРТ сердца при 3 Тл с использованием подкладок на основе метаповерхностей // Биомедицинская радиоэлектроника. 2026. T. 29. № 4. С. 23−35. DOI: https://doi.org/ 10.18127/j156 04136-202604-03

1. Rajiah P.S., François C.J., Leiner T. Cardiac MRI: State of the Art // Radiology. 2023. V. 307. P. e223008.
2. Терновой С.К., Синицын В.Е., Гагарина Н.В. и др. Магнитно-резонансная томография сердца и сосудов. М.: Видар-М. 2015. 312 с.
3. Левчук А.Г., Фокин В.А., Рыжков А.В., Баев М.С., Бендан Д., Аль-Хайдри В., Бруй Е.А. Автоматический и полуавтоматический метод сегментации постинфарктного кардиосклероза по данным магнитно-резонансной томографии с отсроченным контрастированием // Биомедицинская радиоэлектроника. 2024. Т. 27. № 3. С. 13–27.
4. Gutberlet M., Spors B., Grothoff M., Freyhardt P., Schwinge K., Plotkin M., Amthauer H., Noeske R., Felix R. Comparison of different cardiac MRI sequences at 1.5 T/3.0 T with respect to signal-to-noise and contrast-to-noise ratios – initial experience // Rofo. 2004. V. 176. P. 801–808.
5. Веселова Т.Н., Шария М.А., Чехонацкая М.Л. Высокопольная МРТ сердца: возможности и ограничения // Медицинская визуализация. 2017. № 3. С. 8–18.
6. Webb A.G., Collins C.M. Parallel transmit and receive technology in high-field magnetic resonance neuroimaging // International Journal of Imaging Systems and Technology. 2010. V. 20. P. 2–13.
7. Ананьева Н.И., Брюханов А.В., Карпов А.С. Артефакты при магнитно-резонансной томографии: Учеб. пособие. Барнаул. 2015. 78 с.
8. Greenman R.L., Shirosky J.E., Mulkern R.V., Rofsky N.M. Double Inversion Black-Blood Fast Spin-Echo Imaging of the Human Heart: A Comparison Between 1.5 T and 3.0 T // J. Magn Reson Imaging. 2003. V. 17. P. 648–55.
9. Рыжков А.В., Баев М.С., Труфанов Г.Е. Артефакты при МРТ сердца // Лучевая диагностика и терапия. 2018. № 4. С. 45–52.
10. Messroghli D.R., Radjenovic A., Kozerke S., Higgins D.M., Sivananthan M.U., Ridgway J.P. Modified Look-Locker inversion recovery (MOLLI) for high-resolution T1 mapping of the heart // Magn Reson Med. 2004. V. 52. P. 141–6.
11. de Meester de Ravenstein C., Bouzin C., Lazam S., Boulif J., Amzulescu M., Melchior J., Pasquet A., Vancraeynest D., Pouleur A.C., Vanoverschelde J.L., Gerber B.L. Histological Validation of measurement of diffuse interstitial myocardial fibrosis by myocardial extravascular volume fraction from Modified Look-Locker imaging (MOLLI) T1 mapping at 3 T // J. Cardiovasc Magn Reson. 2015. V. 17. P. 48.
12. Xue H., Shah S., Greiser A., Guetter C., Chefdhotel C., Zuehlsdorff S., Guerhing J., Kellman P. Improved motion correction using image registration based on variational synthetic image estimation: application to inline T1 mapping of myocardium // J Cardiovasc Magn Reson. 2011. V. 13. P. 21.
13. Jia H., Wang C., Wang G., Qu L., Chen W., Chan Q., Zhao B. Impact of 3.0 T Cardiac MR Imaging Using Dual-Source Parallel Radiofrequency Transmission with Patient-Adaptive B1 Shimming // PLoS One. 2013. V. 8. P. e66946.
14. Schär M., Vonken E.J., Stuber M. Simultaneous B0- and B1+-map acquisition for fast localized shim, frequency, and RF power determination in the heart at 3 T // Magn Reson Med. 2010. V. 63. P. 419–26.
15. Han P.K., Marin T., Djebra Y., Landes V., Zhuo Y., El Fakhri G., Ma C. Free-breathing 3D cardiac T1 mapping with transmit B1 correction at 3T // Magn Reson Med. 2022. V. 87. P. 1832–1845.
16. Brink W.M., Webb A.G. High permittivity pads reduce specific absorption rate, improve B1 homogeneity, and increase contrast-to-noise ratio for functional cardiac MRI at 3 T // Magn Reson Med. 2014. V. 71. P. 1632–1640.
17. Brink W.M., van den Brink J.S., Webb A.G. The effect of high-permittivity pads on specific absorption rate in radiofrequency-shimmed dual-transmit cardiovascular magnetic resonance at 3T // J. Cardiovascu Magn Reson. 2015. V. 17. P. 82.
18. Webb A., Shchelokova A., Slobozhanyuk A., Zivkovic I., Schmidt R. Novel materials in magnetic resonance imaging: high permittivity ceramics, metamaterials, metasurfaces and artificial dielectrics // MAGMA. 2022. V. 35. P. 875–894.
19. Glybovski S.B., Tretyakov S.A., Belov P.A., Kivshar Y.S., Simovski C.R. Metasurfaces: From microwaves to visible // Physics Reports. 2016. V. 634. P. 1–72.
20. Vorobyev V., Shchelokova A., Efimtcev A., Baena J.D., Abdeddaim R., Belov P., Melchakova I., Glybovski S. Improving B1+ homogeneity in abdominal imaging at 3 T with light, flexible, and compact metasurface // Magn Reson Med. 2022. V. 87. P. 496–508.
21. Bernstein M.A., King K.F., Zhou X.J. Handbook of MRI Pulse Sequences // Elsevier Academic Press. 2004.
22. Carluccio G., Collins C.M. High-permittivity pads to enhance SNR and transmit efficiency in MRI of the heart at 7T: a simulation study // Magn Reson Mater Phy. 2022. V. 35. P. 903–909.
23. International Electrotechnical Commission. 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, 3rd ed. Geneva, Switzerland. 2010.
24. Roujol S., Weingärtner S., Foppa M., Chow K., Kawaji K., Ngo L.H., Kellman P., Manning W.J., Thompson R.B., Nezafat R. Accuracy, precision, and reproducibility of four T1 mapping sequences: a head-to-head comparison of MOLLI, ShMOLLI, SASHA, and SAPPHIRE // Radiology. 2014. V. 272. P. 683–9.
25. Sung K., Nayak K.S. Measurement and characterization of RF nonuniformity over the heart at 3T using body coil transmission // J. Magn Reson Imaging. 2008. V. 27. P. 643–648.
26. Insko E.K., Bolinger L. Mapping of the Radiofrequency Field // Journal of Magnetic Resonance Series A. 1993. V. 103. P. 82–85.
27. Stollberger R., Wach P. Imaging of the active B1 field in vivo // Magn Reson Med. 1996. V. 35. P. 246–251.
28. Yarnykh V.L. Actual flip-angle imaging in the pulsed steady state: a method for rapid three-dimensional mapping of the transmitted radiofrequency field // Magn Reson Med. 2007. V. 57. P. 192–200.
29. Cunningham C.H., Pauly J.M., Nayak K.S. Saturated double-angle method for rapid B1+ mapping // Magn Reson Med. 2006. V. 55. P. 1326–1333.
30. Nacif M.S., Turkbey E.B., Gai N., Nazarian S., van der Geest R.J., Noureldin R.A., Bluemke D.A. Myocardial T1 mapping with MRI: comparison of look-locker and MOLLI sequences // J. Magn Reson Imaging. 2011. V. 34. P. 1367–73.
31. Perea R.J., Ortiz-Perez J.T., Sole M., Cibeira M.T., de Caralt T.M., Prat Gonzalez S., Blade J. T1 mapping: characterisation of myocardial interstitial space // Insights into Imaging. 2015. V. 6. P. 189–202.