Н.В. Анисимов1, Ю.А. Пирогов2

1,2 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова (Москва, Россия)

1 anisimovnv@mail.ru, 2 yupi937@gmail.com

Постановка проблемы. В явлении ядерного магнитного резонанса и магнитно-резонансной томографии для повышения сигнала от малой зоны применяют так называемые беспроводные катушки. В их основу положен LC-контур малого размера, индуктивно связанный с обычной катушкой, подключаемой к приёмнику с помощью кабеля. Обычно беспроводной LC-контур реализуют на сосредоточенных элементах. Известно, что для беспроводной катушки достаточно и одного сосредоточенного элемента – индуктивности. Для этого соленоид необходимо погрузить в воду. Такой эффект выявлен на изображениях ядерного магнитного резонанса во время проведения экспериментов по визуализации магнитно-резонансной томографии погруженных в воду металлических предметов после выпадения сигнала от них на фоне сигнала воды.

Цель. Отметить основные особенности эффекта усиления сигнала ядерного магнитного резонанса внутри погруженной в воду катушки, дать количественные оценки и отметить возможные его практические применения.

Результаты. Получены изображения, демонстрирующие эффект значительного (до 4 раз) усиления сигнала ядерного магнитного резонанса внутри соленоида по сравнению с сигналом вне его. Показано, что эффект зависит от электропроводности воды, а потому работает лишь в чистой (дистиллированной) воде, в противном случае – вместо повышения сигнала внутри соленоида возможно его снижение. Приведены расчеты параметров, определяющих основные свойства контура на базе соленоида, погруженного в воду, – величины распределенной емкости, взаимной индукции между контуром и проводной катушкой, электропроводности воды. Отмечено хорошее соответствие экспериментальных и расчетных данных.

Практическая значимость. Эффект увеличения межвитковой емкости при погружении катушки в воду можно использовать для уточнения значения этой величины в обычных условиях, т.е. в воздушной среде, поскольку по мере увеличения емкости повышается точность её определения при использовании типовых измерительных приборов.

Анисимов Н.В., Пирогов Ю.А. Резонансные свойства погруженного в воду соленоида // Электромагнитные волны и электронные системы. 2024. Т. 29. № 2. С. 44−54. DOI: https://doi.org/10.18127/j15604128-202402-05

1. Flack F.C., James E.D., Schlapp D. Mutual Inductance of Air-Cored Coils: Effect on Design of Radio-Frequency Coupled Implants // Medical and Biological Engineering and Computing. 1971. V. 9. № 2. P. 79–85. DOI 10.1007/bf02474736.
2. Schnall M.D., Barlow C., Subramanian V.H., Leigh J.S. Wireless Implanted Magnetic Resonance Probes for in Vivo NMR // Journal of Magnetic Resonance. 1986. V. 68. № 1. P. 161–167. DOI 10.1016/0022-2364(86)90326-4.
3. Degen C. Inductive Coupling for Wireless Power Transfer and Near-field Communication // EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking. 2021. V. 2021. № 1. P. 1–20. DOI 10.1186/s13638-021-01994-4.
4. Гуляев М.В., Павлова О.С., Волков Д.В., Анисимов Н.В., Пирогов Ю.А. Разработка и применение имплантных катушек для получения МРТ-изображений с высоким пространственным разрешением // Биомедицинская радиоэлектроника. 2018. № 4. С. 41–51.
5. Nohava L., Ginefri J.-C.,Willoquet G., Laistler E., Frass-Kriegl R. Perspectives in Wireless Radio Frequency Coil Development for Magnetic Resonance Imaging // Frontiers in Physics. 2020. V. 8. P. 11. DOI 10.3389/fphy.2020.00011.
6. Anisimov N.V., Gervits L.L., Tarasova A.A., Usanov I.A., Pirogov Yu.A. MRI of Inanimate Objects Using Fluorine-Containing Liquid // Applied Magnetic Resonance. 2023. V. 54. P. 895–904. DOI 10.1007/s00723-023-01580-5.
7. Power Splitter/Combiner. [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://www.minicircuits.com/pdfs/PSCQ-2-21.4+.pdf, дата обращения 30.10.2023.
8. Schneider C.A., Rasband W.S., Eliceiri K.W. NIH Image to ImageJ: 25 Years of Image Analysis // Nature Methods. 2012. V. 9. № 7. P. 671–675. DOI 10.1038/nmeth.2089.
9. Perfluoro (2-methyl-3-pentanone). [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://en.wikipedia.org/wiki/Perfluoro(2-methyl-3-pentanone, дата обращения 30.10.2023.
10. Anisimov N.V., Tarasova A.A., Usanov I.A., Pavlova O.S., Gulyaev M.V., Pirogov Yu.A. Technological applications on a 0.5T clinical MRI scanner // Proceedings 20th International School-Conference «Magnetic resonance and its applications». Saint Petersburg: Saint Petersburg State University. 2023. P. 51–54.
11. LC200A Handheld L/C Meter Inductance Capacitance Meter. User Manual. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://mpl.jp/lc/LC200A%20%20EN%20V5.0.pdf, дата обращения 30.10.2023.
12. XWIN-NMR Software Manual. [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://www.pascal-man.com/pulsepro­gram/avance/xwinnmr-processing.pdf, дата обращения 30.10.2023.
13. Ramo S., Whinnery J.R., Van Duzer T. Fields and Waves in Communication Electronics. Third Edition. John Wiley & Sons, 1994. 844 p.
14. Medhurst R.G. HF Resistance and Self-Capacitance of Single-Layer Solenoids // Wireless Engineer. 1947. Feb. P. 35–43.
15. Medhurst R.G. HF Resistance and Self-Capacitance of Single-Layer Solenoids // Wireless Engineer. 1947. Mar. P. 80–92.
16. Knight D.W. The self-resonance and self-capacitance of solenoid coils: applicable theory, models and calculation methods. 2016. 105 p. DOI 10.13140/RG.2.1.1472.0887.
17. Таблица выбора удельного сопротивления различных типов грунтов и воды. [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://ips-energo.ru/blog/tablitsa-vybora-udelnogo-soprotivleniya-razlichnykh-tipov-gruntov-i-vody/, дата обращения 30.10.2023.
18. Distilled water. [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://en.wikipedia.org/wiki/Distilled_water, дата обращения 30.10.2023.
19. Aliane K., Nasreddine B., Nadia B., Benkaddour A. Resonators support UHF MRI systems // Microwaves and RF. 2012. V. 51. № 4. P. 84–92.
20. Madelin G., Lee J.-S., Regatte R.R., Jerschow A. Sodium MRI: methods and applications // Progress in Nuclear Magnetic Resonance and Spectroscopy. 2014. V. 79. P. 14–47. DOI 10.1016/j.pnmrs.2014.02.001.