Работа ученых попала на обложку журнала NMR in Biomedicine.

Магнитно-резонансная томография — один и самых информативных методов исследования, позволяющих судить о состоянии костей, суставов, сосудов и внутренних органов пациента. Однако иногда ученым и врачам надо сделать МРТ не человеку или животному, а лишь отдельным клеткам.

«Существует такая технология, как магнитно-резонансная микроскопия, — рассказывает старший научный сотрудник Нового физтеха Университета ИТМО Станислав Глыбовский. — Это разновидность МРТ, которая применяется для визуализации структуры достаточно малых по размеру объектов. К примеру, извлеченных образцов биологических тканей или частей тела насекомых, и даже одиночных клеток людей и животных. К примеру, с помощью этой технологии визуализируется состояние и структура нейронов».

У магнитно-резонансного исследования таких объектов есть много преимуществ перед другими видами микроскопии. Например, ученые получают трехмерное изображение, позволяющее рассмотреть внутреннюю структуру клетки. Кроме того, исследователи могут в динамике изучать отклик живых объектов на внешние воздействия, то есть выполнять функциональные исследования. Наконец, наряду с МР-микроскопией можно также проводить спектроскопию, позволяющую судить о том, какие вещества выделяются клеткой в процессе жизнедеятельности.

Как бороться с шумом

Микроскопия, как и все виды магнитно-резонансных исследований, имеет проблему с ограничением разрешения. Полезный сигнал, получаемый от объекта исследования, очень слаб, и его не так просто отделить от принимаемого зондом шума. В случае с исследованием клеток и других микроскопических объектов ситуация обстоит еще сложнее, ведь чем меньше образец, тем слабее от него сигнал на фоне шумов.

«Уровень сигнал/шум обратно пропорционален размеру зонда ― резонатора, в который помещается сканируемый объект, поэтому, если мы возьмем стандартную катушку для проведения, скажем, исследования головы и захотим с ее помощью изучить отдельный нейрон в теле живого человека, то мы быстро поймем, что этого сделать не получится, — объясняет Станислав Глыбовский. — Однако, можно сделать кое-что другое. Мы можем взять образец биологической ткани и поместить в очень маленький резонатор, чтобы повысить уровень принимаемого сигнала. Сейчас наши технологии позволяют нам сделать резонаторы размером от сотен микрон до одного-двух миллиметров».

На сегодня благодаря МР-микроскопии удается получать качественные снимки с микронным разрешением. Благодаря развитию доклинической томографии и повышению уровня поля сверхпроводящего магнита томографа до 17 и более Тл за последние годы были установлены несколько рекордов по разрешению снимков. Но прогресс не стоит на месте и ученым хотелось бы иметь еще более точный инструмент.

Предел возможностей

Здесь ученые столкнулись с проблемой, которая ограничила дальнейшее усовершенствование МР-микроскопии. Технологически сделать резонаторы еще меньшего размера, чтобы они были близки по масштабам к отдельно взятой клетке, очень сложно. Сверхтонкие проводники зондов стандартных типов ― соленоидов и рамок ― из-за конечной толщины скин-слоя сами начинают создавать шум. С другой стороны, увеличить разрешение можно было бы, просто увеличив время проведения процедуры сканирования благодаря накоплению полезного сигнала. Однако срок жизни отдельных клеток, извлеченных из организма невелик, даже несмотря на специальный раствор, их можно исследовать в течение считанных часов, до того, как они погибнут.

Таким образом, технология столкнулась сразу с двумя ограничениями для дальнейшего увеличения разрешения. Однако два года назад международный консорциум ученых M-Cube, в который вошли специалисты Университета ИТМО, решил улучшить качество микроскопии по-другому.

«Соотношение сигнал-шум определяется не только размером резонатора и временем исследования, — отмечает Станислав Глыбовский. — Часть энергии сигнала мы тратим на потери, банальное рассеивание. Оно присутствует во всех элементах системы ― в катушке, в кабеле, приемнике. Снизив уровень этих потерь, мы можем улучшить соотношение сигнал-шум. Мы предложили заменить обычную миниатюрную катушку миллиметровых размеров, представляющую собой соленоид, объемным керамическом резонатором в форме полого цилиндра, созданного из особого материала, предложенного нашими партнерами, ООО «Керамика». Обычные виды резонаторной керамики, имеющиеся на рынке, не могут обеспечить лучший КПД, чем металлический зонд, но нашим коллегам удалось разработать специальный материал на основе смеси титаната бария и титаната стронция, который оказался эффективнее соленоида. За счет использования этих резонаторов нам удалось улучшить качество в два раза при том же времени исследования».

Два за раз

Ученые опубликовали описание работы с керамическими зондами для микроскопии в прошлом году. Однако получение такого сверхэффективного резонатора позволило исследователям сделать еще одно важное улучшение в технологии МР-микроскопии. Выяснилось, что если объединить два таких резонатора в систему и подключить к одному томографу, то за раз можно проводить исследование сразу двух биологических образцов.

«Мы смогли получить микроскопическое изображение сразу двух образцов, — рассказывает Станислав Глыбовский. — Мы берем два резонатора, помещаем в томограф, они связываются между собой, образуя коллективное резонансное состояние, при котором в обоих резонаторах возникает нужное для исследования магнитное поле. Так в теории можно соединить и стандартные металлические резонаторы-соленоиды, но мы очень серьезно снизим качество микроскопии. Есть теорема, согласно которой отношение сигнал-шум падает как корень из числа резонаторов. Однако наши керамические резонаторы столь эффективны, что благодаря низким потерям мы перебиваем эту тенденцию. Мы можем провести два исследования одновременно и получить такое же качество, как при одинарном исследовании соленоидом».

Таким образом, у ученых есть выбор — использовать керамический резонатор для того, чтобы улучшить в два раза качество снимков или сохранить качество в сравнении с лучшими металлическими резонаторами, но при этом провести одновременно два исследования.

Статья: Marine A.C. Moussu, Stanislav B. Glybovski, Redha Abdeddaim, Christophe Craeye, Stefan Enoch, Denis Tihon, Sergej Kurdjumov, Marc Dubois, Elodie Georget, Andrew G. Webb, Pavel Belov Luisa Ciobanu. Imaging of two samples with a single transmit/receive channel using coupled ceramic resonators for MR microscopy at 17.2 T. NMR in Biomedicine, 2020/10.1002/nbm.4397