Магнитно-резонансная томография (МРТ) – широко распространенный в медицине метод визуализации внутренних органов, который позволяет диагностировать раковые опухоли, а также повреждения головного мозга и скелета. Однако МРТ-исследование занимает больше времени, чем компьютерная томография или УЗИ. В течение 25-50 минут человек должен неподвижно лежать в тесном аппарате, что дискомфортно для пациента и создает очереди в больницах. Это связано с тем, что у явления магнитного резонанса малое соотношение сигнал/шум и, чтобы его повысить, нужно накапливать сигнал.
Специалистам Медицинского центра Лейденского Университета в Нидерландах и Университета ИТМО в Санкт-Петербурге впервые удалось ускорить процедуру МРТ-сканирования человека с помощью метаповерхности – периодической структуры из медных полосок. Ученые прикрепили эти полоски к гибкой и тонкой подложке, чтобы внедрить разработанное устройство в приемные МР-катушки аппарата.
«Мы разместили такую подкладку внутри установки под головой пациента, после чего чувствительность прибора возросла на 50%. Это позволило нам получать детальные снимки коры головного мозга в два раза быстрее. Внедренные повсеместно, такие усилители могут значительно снизить время процедуры МРТ и повысить ее комфорт», – говорит Рита Шмидт, ведущий автор исследования и сотрудница кафедры радиологии Медицинского центра при Лейденском университете.
Оказавшись между пациентом и приемными катушками, метаповерхность увеличивает соотношение сигнал/шум в интересующей области.
«Низкие показатели этого соотношения ограничивают метод МРТ и делают его таким долгим, – поясняет Алексей Слобожанюк, сотрудник лаборатории прикладной радиофизики Университета ИТМО. – Чтобы различить полезный сигнал на фоне случайного шума, врачи повторяют сканирование много раз. Но с метаповерхностью необходимость в этом отпадает. Если сейчас обследование, условно, занимает двадцать минут, то в будущем врачам хватит десяти. Если сегодня клиника обслуживает десять пациентов в день, то с данной разработкой примет двадцать».
С другой стороны, по словам ученых, метаповерхность способна повысить разрешение получаемых изображений.
«Размер вокселей, трехмерных пикселей, также ограничен соотношением сигнал/шум. Вместо ускорения процедуры можно пойти по иному пути и за то же время снимать более детальные изображения, которые позволят выявлять опухоли на самой ранней стадии», – отмечает руководитель исследования Эндрю Вебб, профессор кафедры радиологии Медицинского центра Лейденского университета.
До сих пор ученым не удавалось поместить внутрь сканера метаматериалы. Их толщина значительно превышала расстояние в полтора сантиметра, которое остается между магнитно-резонансными катушками и пациентом. Ультратонкий дизайн новой подкладки (ее толщина всего 8 мм) помог решить эту проблему.
«По нашей технологии, – продолжает Рита Шмидт, – можно создать ультратонкие устройства для большинства МРТ-сканеров, но в каждом случае необходимо предварительно провести ряд компьютерных симуляций, как мы делали в этой работе. Нужно убедиться, что параметры установки не повлияют на работу метаповерхности».
Авторы работы собираются продолжать исследования как в Лейдене, так и в Санкт-Петербурге. Они надеются превратить лабораторию прикладной радиофизики в Университете ИТМО в центр передовых разработок в данной сфере, закупить современное оборудование и привлечь молодых специалистов, чтобы создавать прототипы устройств и внедрять их в клиническую практику. Для этого сотрудники лаборатории прикладной радиофизики и Эндрю Вебб уже отправили заявку на грант РНФ.
Статья: Rita Schmidt, Alexey Slobozhanyuk, Pavel Belov and Andrew Webb (2017), Flexible and compact hybrid metasurfaces for enhanced ultra high field in vivo magnetic resonance imaging, Scientific Reports.
