Как работает передача сигнала в классических МР-томографах
Принцип работы магнитно-резонансной томографии основан на возбуждении магнитного резонанса в организме и регистрации радиочастотного отклика. Возбуждение происходит путем создания в томографе однородно распределенного радиочастотного магнитного поля. При этом внутри томографа, куда помещают пациента, также должно быть создано сильное постоянное магнитное поле (1.5-3 Тл в клинических томографах). Именно комбинация постоянного и радиочастотного полей воздействует на атомы водорода в мягких тканях организма. В этих условиях может происходить ядерный магнитный резонанс, который приводит к сильному синхронному изменению направления спинов атомных ядер – протонов. По окончании радиочастотного возбуждения атомы постепенно возвращаются в исходное состояние. Однако во время этого перехода протоны испускают радиочастотное излучение. У разных органов и тканей это излучение будет разным из-за разной концентрации протонов, что позволяет получить контраст между ними в изображении. Его регистрирует специальная антенна, а принятый ею сигнал затем передается на приемники, оцифровывается и далее анализируются компьютером. Антенны в МРТ исторически называются радиочастотными катушками.
В клинических томографах возбуждение осуществляется при помощи единой передающей катушки, расположенной под обшивкой внутренней части корпуса томографа. Она незаметна для пациента. Использовать ее для приема радиочастотного отклика протонов в медицинской диагностике удобно, но так не делают, потому у катушки очень низкая чувствительность. Дело в том, что отклик протонов настолько слабый, что выделить его на фоне шумов можно, только если приемная антенна будет расположена непосредственно на пациенте. Поэтому в каждом МРТ центре имеется набор приемных антенн, специально разработанных для сканирования различных органов и отделов организма. Так существуют приемные катушки для головы, тела, конечностей, спины и другие. В каждом случае они имеют специально подобранные форму и размер. Перед проведением сканирования приемная катушка размешается на пациенте и подключается к разъему приемного устройства при помощи кабеля. Приемные катушки достаточно дороги из-за их уникальности, при этом они должны быть изготовлены производителем томографа. Иначе катушку будет не подключить к разъему на томографе из-за систем идентификации.
Что сделано
Ученые университета ИТМО усовершенствовали технологию работы катушек так, что удалось отказаться от использования кабелей и подключения к разъемам приемника. Для этого нужно сделать так, чтобы сигнал от приемной катушки (той самой, которая надевается на исследуемую область тела) попадал в приемник не по кабелю, а беспроводным способом.
Как это сделать? Усовершенствовать приемную катушку и связать ее с катушкой за корпусом томографа посредством резонансной индуктивной связи. В предложенном методе радиочастотный отклик принимает беспроводная приемная катушка – специально разработанный резонатор, располагаемый на пациенте. Затем сигнал беспроводным способом практически без потерь передается катушке за корпусом без проводов. И лишь затем попадает в приемник.
Ученые Международного центра нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО разработали новую структуру беспроводной катушки, которая сходна со структурой элементарных ячеек метаматериалов. Речь идет о метасоленоиде – периодической структуре из разомкнутых контуров, которая работает как соленоид с однородным магнитным полем только в радиочастотном диапазоне и при этом не взаимодействует с постоянным полем магнита. Метасоленоид и катушка за корпусом томографа образуют систему индуктивно связанных резонаторов на рабочей частоте томографа (63.8 МГц для клинического томографа с полем магнита 1.5 Тл), благодаря чему достигается беспроводная передача сигнала.
При этом беспроводная катушка также помогает сфокусировать поле катушки за корпусом. Благодаря использованию метасоленоида в качестве беспроводной катушки можно получить однородное магнитное поле по всей области фокусировки. То есть можно, например, концентрировать магнитное поле лишь в пределах области сканирования, на определенном участке тела.
С использованием беспроводной катушки удается произвести возбуждение протонов с тем же уровнем радиочастотного магнитного поля при мощности передатчика в 50 раз ниже. В режиме приема удается доставить в приемник принятый сигнал беспроводным способом практически без потерь.
«Испытания беспроводной катушки показали, что она не менее эффективна, чем традиционная проводная, и может иметь даже более низкий коэффициент потерь сигнала, чем при передаче через кабель. То есть мы получаем более качественное изображение с лучшим соотношением сигнал/шум. Кроме того, сама катушка удобна в использовании, так как отсутствует необходимость ее подключения», – прокомментировал автор статьи, научный сотрудник кафедры нанофотоники и метаматериалов Станислав Глыбовский.
Ученый может наверняка говорить об улучшении характеристик изображений с использованием новой технологии, так как уже были проведены ее клинические испытания и сделаны сравнения с коммерческими катушками, используемыми на данный момент в центрах МРТ.
Разработка и клинические испытания
На этапе разработки беспроводной катушки в томографах ученые Университета ИТМО сотрудничали со специалистами ООО «С.П.Гелпик». Это отечественный производитель оборудования для медицинской диагностики. На оборудовании компании удалось изучить и отладить механизм взаимодействия беспроводной катушки с катушкой за корпусом томографа.
Клинические испытания разработанной катушки были проведены в рамках Института трансляционной медицины Университета ИТМО совместно с сотрудниками научно-исследовательской лаборатории магнитно-резонансной томографии медицинского Центра им. В.А. Алмазова. Консультации также проводились с коллегами из Университетского медицинского центра города Утрехт в Голландии. Но перед началом испытаний на добровольцах ученым нужно было пройти этический комитет.
Чтобы сделать это, было проведено компьютерное моделирование работы беспроводной катушки в составе томографа, чтобы показать ее безопасность для организма человека. С помощью расчета и с использованием детальной модели организма человека ученые проанализировали, как распределяются магнитные поля и как происходит нагрев живых тканей. Затем исследователи в течение около полутора лет тестировали работу катушки на фантомах. Это емкости с жидкостью, которая имеет усредненные электромагнитные свойства тканей организма. Также некоторое время у исследователей ушло на то, чтобы правильно настроить томограф на работу с новой катушкой. В этом ученым из Университета ИТМО очень сильно помогли специалисты Центра Алмазова.
После этого начались сами клинические испытания, которые проводились со здоровыми добровольцами. Ученые сканировали запястный сустав с помощью новой беспроводной катушки и коммерческой катушки таких же размеров, подключаемой кабелем, а затем сравнивали качество снимков.
«Мы получили результаты in vivo. В этом и была наша задача: убедить медицинское сообщество в эффективности беспроводной передачи сигнала для клинических применений в сравнении со стандартным методом. До нас это никому еще не удавалось, да и мало кто исследовал беспроводные катушки. В статье, которая опубликована в MagneticResonanceinMedicine, мы детально разбираем, как сделана наша катушка и как ее необходимо использовать, чтобы это мог понять и инженер, который делает МР-томографы, и врач, который проводит диагностику», – сказал Станислав Глыбовский.
Что говорят медики
О преимуществах новой беспроводной катушки с точки зрения медиков ITMO.NEWS рассказал Александр Ефимцев, заведующий научно-исследовательской лабораторией лучевая визуализация НИО лучевой диагностики Центра Алмазова. Он также выступает соавтором научной статьи по итогам разработки катушки.
Во-первых, отсутствие необходимости подключать провод позволяет разместить катушку в независимости от разъема, максимально удобно и близко к исследуемой зоне. Это уменьшает время укладки пациента и соответственно ускоряет скорость проведения исследования. Во-вторых, пациенты с разным объемом исследуемых частей тела, например коленного сустава, смогут быть обследованы с максимальным качеством. В-третьих, иногда очень тучные пациенты не помещаются в радиочастотную катушку, приходится использовать гибкую катушку для тела, при этом качество изображения может ухудшаться, либо время исследования увеличивается в 2-3 раза.
Что касается непосредственно исследований кистевого сустава, они выполняются на большинстве аппаратов с применением катушки для коленного сустава, из-за чего пациент вынужден лежать на животе с вытянутой рукой в течение 20 минут и при этом не шевелиться. Это затруднительно, особенно для пожилых людей: рука затекает, пациент шевелит ей, медперсоналу приходится переделывать программы. В случае с беспроводной катушкой ее можно разместить прямо на животе у пациента, спокойно положить туда руку. В результате пациенту комфортно, он может поспать, а врачи в это время без осложнений сканировать и 20, и 30 минут. Это очень важно, подчеркнул Александр Ефимцев.
Также, у стандартных катушек есть одна особенность – краевые артефакты, которые возникают из-за слабого сигнала по периферии. У беспроводной катушки такой эффект отсутствует, изображение абсолютно равномерно по яркости, контрастности и геометрии по всему полю обзора. А ведь такие мелочи составляют ценную диагностическую информацию.
«Качество изображений, получаемых с помощью такой беспроводной катушки, на самом деле выше, даже со стандартными импульсными последовательностями, при правильном выборе параметров настройки как самой катушки, так и протокола. И особенно это заметно при использовании специальных импульсных последовательностей: T1-градиентное эхо, диффузионная и диффузионно-тензорная визуализация, МР-спектроскопия. Здесь превосходство практически в два раза! Сейчас в процессе разработки – модификация катушки для головы, самой неизученной "части" человека. Мы с нетерпением ждем начала испытаний, и если все пойдет успешно, исследования заболеваний головного мозга будут идти уже на новом уровне. Так что, складывая все перечисленные факторы воедино, можно смело сказать, что катушка, разработанная вместе с учеными Университета ИТМО, весьма стоящая, в некоторых отношениях намного лучше стандартных катушек», – прокомментировал Александр Ефимцев.
Дальнейшие перспективы
На текущем этапе ученые Университета ИТМО разработали катушку только для запястного сустава. Однако в перспективе – работа над катушками и для других органов и суставов. Так, сегодня существует необходимость создания катушки для эффективного исследования молочных желез или областей, в которых очень много мелких суставов, хрящей, сухожилий, в том числе, это ступни, кисти рук, привела примеры ведущий автор статьи Алёна Щёлокова, научный сотрудник кафедры нанофотоники и метаматериалов. Чем более хорошо катушка-соленоид будет принимать радиочастотный отклик тканей, тем более детальное изображение можно получить.
«МРТ – это одно из немногих приложений использования метаматериалов в радиочастотном диапазоне. Антенна, созданная по подобию метаматериалов, может регистрировать только узкополосный сигнал, а томограф как раз работает в конкретной узкой полосе частот. Именно на этом примере мы можем видеть, как метаматериалы находят применение в технике. И в этом случае большую роль играют междисциплинарные исследования. Так, изначально мы думали, что с нашей стороны будет достаточно разработать катушку и передать ее медикам, чтобы они сами исследовали, как ее применять на практике. Однако, в ходе работы мы увидели, что без детального понимания особенностей функционирования томографа на практике и запросов врачей мы не смогли бы сделать устройство, которое обладало бы преимуществами над проводными катушками и которое можно было бы встроить в работающий томограф. Знания, которые мы получили в ходе этой научной работы, помогут в дальнейшем улучшении МРТ», – подчеркнула Алёна Щёлокова.
Признание научным сообществом
По словам Станислава и Алёны, они не были уверены, что статья об их разработке будет принята журналом MagneticResonanceinMedicine, так как убедить научное сообщество в возможности улучшения повсеместно распространенной технологии диагностики непросто. Однако оказалось, что предложенный метод вызвал интерес как в физическом, так и в медицинском сообществах.
Так, еще на конференции Metamaterials-2017, которая состоялась в августе прошлого года, стендовый доклад о физических принципах работы катушки был признан лучшим Американским физическим обществом (AmericanPhysicsSociety). Сама конференция является самой крупной и авторитетной в области метаматериалов. Более того, результаты клинических испытаний катушки ученые Университета ИТМО представят в рамках устного доклада на ведущем симпозиуме по МРТ JointAnnualMeeting ISMRM-ESMRMB-2018, который состоится в июне в Париже.
Статья: Volumetric Wireless Coil Based on Periodically Coupled Split-Loop Resonators for Clinical Wrist Imaging, Alena V Shchelokova, Cornelis A T van den Berg, Dmitry A Dobrykh, Stanislav B Glybovski, Mikhail A Zubkov, Ekaterina A Brui, Dmitry S Dmitriev, Alexander V Kozachenko, Alexander Y Efimtcev , Andrey V Sokolov, Vladimir A Fokin, Irina V Melchakova, Pavel A Belov, Magnetic Resonance in Medicine, 2018.
