2017-11-20T23:57:47+03:00

Петербургские ученые усовершенствовали процедуру МРТ

В Университете ИТМО изобрели устройство, которое будет способно серьезно помочь врачам
Фото: Университет ИТМО. Эти очаровательные девушки занимаются серьезными исследованиямиФото: Университет ИТМО. Эти очаровательные девушки занимаются серьезными исследованиями
Изменить размер текста:

Уже более сорока лет для обнаружения опасных заболеваний, включая и онкологические, врачи используют такую процедуру, как магнитно-резонансная томография, или МРТ. Все это время совершенствуются и сама процедура, и томограф - прибор, с помощью которого она делается. В частности, этим сейчас занимаются ученые петербургского Санкт-Петербургского национального исследовательского Университета информационных технологий, механики и оптики (ИТМО).

Как работает томограф

Но для начала вкратце расскажем, на каких физических явлениях основан метод МРТ, а также о том, как работает сам томограф. Из школьного курса биологии мы знаем, что организм на 75 процентов состоит из воды. Ее формула Н20. В свою очередь атом водорода состоит из одного протона, который имеет магнитный момент, называемый спином. Под воздействием внешнего статистического магнитного поля протоны выстраиваются определенным образом. Чтобы перевести их в возбужденное энергетическое состояние, надо послать радиочастотный импульс с частотой, соответствующей частоте прецессии протонов. При отключении действия импульса, протоны, излучая сигнал, начинают возвращаться на исходный энергетический уровень.

Томограф состоит из магнита, градиентных катушек и радиочастотной цепи, которая отвечает за генерацию и прием сигнала от протонов. Радиочастотные катушки, которые используются для передачи и приема сигнала, являются элементом этой цепи.

Науке известно, что протоны возвращаются в состояние равновесия с разными скоростями. За счет этого на экране компьютера можно получить хорошее контрастное разрешение изображений. Причем если орган, например, головной мозг здоров, получается одна картинка, если орган поврежден, например, там образовалась даже маленькая опухоль – другая.

В ходе процедуры МРТ под воздействие радиочастотного поля попадает все тело человека, но снимающие сигнал локальные катушки (приемник) направлены на исследуемый медиками орган.

Чтобы изображение было четким

У магнитно-резонансной диагностики, которая обладает многими достоинствами, есть и недостатки. В частности, МРТ занимает больше времени, нежели компьютерная томография или УЗИ: продолжительность процедуры может достигать пятидесяти минут. И все это время человек находится без движения в замкнутом пространстве.

Полезное изображение порой занимает малую площадь на общей картине, оно может быть расплывчатым. Говоря научным языком, изображение имеет низкое отношение сигнал/шум.

- Чтобы различить полезный сигнал на фоне случайного шума, врачам приходится повторять сканирование много раз, - говорит сотрудник лаборатории прикладной радиофизики Университета ИТМО Алексей Слобожанюк.

Одной из характеристик томографа является мощность или напряженность магнитного поля, которая измеряется в теслах. Томографы достаточно условно делятся на низкопольные – 0,23-0,35 теслы, среднеепольные – 1 тесла и высокопольные – 1,5-3 теслы. Хотя сейчас производятся и гораздо более мощные аппараты.

- Высокопольные томографы дают лучшее изображение и уменьшают время прохождения процедуры, - объясняет корреспонденту «Комсомолки» аспирант кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО Алена Щелокова. - Но, во-первых, они стоят гораздо дороже низкопольных. Во-вторых, их нельзя использовать в случае, если в организме пациента есть какие-то металлические включения. В этом случае может происходить нежелательное нагревание тканей.

Ученые ИТМО вместе с зарубежными коллегами нашли способ, как, применяя не очень мощные томографы, добиться четкой картинки и сократить время прохождения процедуры. За счет использования новых уникальных материалов – так называемых метаматериалов - им удалось увеличить то самое отношение сигнал/шум.

- Требовалось сфокусировать радиочастотное магнитное поле на исследуемом органе, минимизируя на этом участке электрическое поле - говорит Алена Щелокова. – Мы разработали специальное устройство – ультратонкий метаматериал (метаповерхность), резонансная частота которого совпадает с частотой работы томографа, мощностью 1,5 тесла – 63,8 мегагерц.

- Известно, что при помощи линзы в солнечный день можно собрать свет в определенную точку листа бумаги, - проводит аналогию Алексей Слобожанюк. - То же самое делает наша метаповерхность. Она локализует и усиливает в определенной области пространства радиочастотное магнитное поле, что и позволяет повысить отношение сигнал/шум.

Сотрудник лаборатории прикладной радиофизики Алексей Слобожанюк

Сотрудник лаборатории прикладной радиофизики Алексей Слобожанюк

Испытывали на овощах и фруктах

Работы по созданию метаматериалов начались еще 2010 году. На первых порах в качестве исследуемых объектов были емкости с обычной водой, различные фрукты. Последние интересны для ученых тем, что имеют неоднородную структуру, следовательно, и изображение получалось неоднородным, а с разным контрастом.

Эксперимент с ананасом дал хороший результат. после чего плод съели

Эксперимент с ананасом дал хороший результат. после чего плод съели

Длина первого из сделанных в Университете ИТМО метаматериалов превышала два метра, что, конечно, исключало его практическое применение.

Алена Щелокова показывает корреспонденту одну из последних моделей. В закрытой со всех четырех сторон небольшой коробке, куда залита дистиллированная вода, находится массив из немагнитных металлических проводов – метаматериал.

- Вода позволяет уменьшить размеры этой структуры, - поясняет аспирант. – Устройство настроено на рабочую частоту томографа. Для этого длина проводов должна быть равна половине длины электромагнитной волны. Частоте поля весьма мала, то есть, в соответствии с законами физики, длина волны достаточно велика. Расчеты показывают, что длина проводов должна составлять несколько метров. Вода, как диэлектрик, позволяет уменьшить их размеры при сохранении нужной частоты.

Такие метаматериалы уже можно использовать и в практической медицине. Пациент будет просто прикладывать к нему руку, ногу, другой исследуемый орган

В поисках инвестора

Сотрудники Университета работают совместно со специалистами Национального медицинского исследовательского центра имени В.А. Алмазова, а также с зарубежными коллегами. В частности, с учеными Лейденского университета в Голландии.

Не так давно на сайте Университета ИТМО была опубликована заметка об испытаниях метаматериала в Лейдене:

- Мы разместили такую подкладку внутри установки под головой пациента, после чего чувствительность прибора возросла на пятьдесят процентов. Это позволило нам в два раза быстрее получать детальные снимки коры головного мозга, - цитирует сайт сотрудницу кафедры радиологии медицинского центра при Лейденском университете Риту Шмидт

Однако сегодня затруднительно сказать, когда метаматериалы войдут в обычную медицинскую практику.

- Нам предстоит пройти еще целый ряд испытаний, чтобы получить одобрение Министерства здравоохранения России, - говорит руководитель лаборатории прикладной радиофизики кафедры нанофотоники и метаматериалов кандидат физико-математических наук Ирина Мельчакова. – Параллельно ведем поиск инвесторов, которые захотели бы вложить средства в промышленное производство этих устройств.

Авторы метода получили Нобелевскую премию

Годом основания магнитно-резонансной томографии принято считать 1973, когда американский химик Пол Лотербур опубликовал в статью «Создание изображения с помощью индуцированного локального взаимодействия; примеры на основе магнитного резонанса». Позже английский ученый Питер Мэнсфилд усовершенствовал математические алгоритмы получения изображения. За изобретение метода МРТ оба исследователя в 2003 году получили Нобелевскую премию.

Некоторое время существовал термин Ядерно-магнитная резонансная томография. Его заменили на МРТ в 1986 году, поскольку после Чернобыльской аварии у многих людей стала развиваться радиофобия.

Кстати

Стоимость процедуры МРТ в частных клиниках Петербурга колеблется от двух до пяти тысяч рублей. Но в отдельных случаях она может достигать и десяти тысяч.

 
Читайте также