МТТ-S — это самое крупное международное сообщество ученых и представителей научных организаций, которые занимаются исследованиями в области радиочастотного, микроволнового и терагерцового излучений. Общество создано на базе Института инженеров радиоэлектроники и электротехники (IEEE) и регулярно проводит конкурсы на получение различных стипендий среди студентов и аспирантов.
Стипендию IEEE MTT-S Graduate Fellowship могут получить магистранты и аспиранты, работающие над наиболее перспективными разработками в своей области. Желающие участвовать в конкурсе могут подаваться на одну из двух категорий: общую (General Category) и специальную секцию для работ с применением в медицине (Medical Application). Премия составляет шесть тысяч долларов — в основной категории ее ежегодно получают восемь физиков, которые занимаются СВЧ-электроникой и СВЧ-инженерией. В секции Medical Application лауреатами становятся всего двое ученых со всего мира.
В разные годы обладателями престижной стипендии в основной категории становились несколько исследователей Университета ИТМО: декан физико-технического факультета Университета ИТМО Павел Белов, старший научный сотрудник Нового физтеха ИТМО Алексей Слобожанюк (в 2016), а также аспирант Нового физтеха Дмитрий Жирихин (в 2020).
Однако стать первым российским молодым ученым — лауреатом в секции Medical Application удалось именно Анне Михайловской. Мы поговорили с ней о ее научных интересах, результатах работы и дальнейших планах.
Такого в мире пока нет
Анна, расскажите, пожалуйста, почему вы решили податься на стипендию?
Это очень известная стипендия, которая дает много возможностей для молодых ученых. Ее хорошо знают физики, которые работают в области радиотехнологий и антенных технологий. При этом сама заявка не очень сложна, надо просто написать о своем исследовании: что ты планируешь делать, как именно, и что ты уже сделала в данном направлении.
Когда я писала, я совсем не думала, что могу выиграть, ведь конкурс в номинации по медицинским применениям намного выше. Но решила все-таки попробовать, и моя попытка оправдала себя — я победила.
При подаче заявки надо рассказать о проекте, которым вы планируете заниматься. С какой работой подавались вы?
Я занимаюсь разработкой радиочастотных катушек для магнитно-резонансной томографии (МРТ). МРТ на сегодняшний день является перспективным инструментом медицинской визуализации, благодаря высокой информативности и точности получения данных. При этом МРТ является неинвазивным и сравнительно безопасным для здоровья пациентов методом медицинской диагностики.
Например, МРТ предоставляет уникальную возможность изучать метаболические и микрососудистые функции в скелетной мышечной ткани с использованием измерений фосфора и протонов водорода. Отсюда возникает необходимость разработки катушки для нижних конечностей человека, которая будет работать на двух ядрах: фосфоре и водороде. В рамках проекта планируется разработать конструкции и прототипы беспроводных радиочастотных двухъядерных катушек для клинических систем МРТ, которые значительно увеличат отношение сигнал/шум и разрешение изображения при том же уровне магнитного поля, а также сократят время сканирования при том же качестве изображения. На данный момент в мире, в частности в России, таких катушек нет, что затрудняет диагностику и назначение лечения рентгенологам.
А как эта работа позволяет повысить качество снимков?
Принцип работы МРТ 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.
Врачи, как правило, используют томографы со сравнительно небольшим постоянным магнитным полем (порядка 1,5 — 3 Тесла), которого вполне хватает для большинства диагностических процедур. 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.
Вообще, добиться лучшего качества изображения можно тремя способами: либо улучшать постобработку данных на компьютере, либо повышать напряженность статического магнитного поля, то есть величину магнита томографа (но последствия влияния больших магнитных полей на человека до конца не изучены), либо работать с радиочастотными катушками. Я работаю именно в третьем направлении, можно сказать, копаюсь в «железе».
Зачем это нужно?
Чем качественнее будет получаемый нами снимок МРТ, тем больше вероятность обнаружения каких-либо патологий у пациента — а это ранняя диагностика и предотвращение неприятных последствий. Например, при помощи МРТ медики могут отследить раннее развитие ишемических болезней сердца у спортсменов — для этого необходимо смотреть восстановление фосфокреатина в скелетной мышечной ткани. Для этих целей необходимо создать катушку, которая позволила бы рентгенологам делать скрининг на двух ядрах (в нашем случае это фосфор и водород) в клинических аппаратах МРТ.
Такого в мире пока нет — двухчастотными катушками занимаются, но в основном для исследовательских томографов, которые работают в очень высоких электромагнитных полях.
Я так понял, что заявка базируется в том числе и на более ранних разработках. Расскажите, пожалуйста, о том, какие уже есть наработки.
Мною и моими коллегами с физико-технического факультета уже было получено достаточно опыта в разработке радиочастотных катушек. Наша группа исследует способы применения метаматериалов, метаповерхностей и специальных керамик в качестве новых, более эффективных приемо-передающих антенн в МРТ. Мы изучаем и сверхвысокодобротные, и сверхширокополосные, и меняющиеся во времени, и практически невидимые устройства с точки зрения их применения для расширения возможностей томографии.
Заявку я подавала в ноябре — к тому моменту у меня уже было понимание общей концепции дизайна и предварительные моделирования гибридной катушки. Впереди еще много работы, но думаю, что через месяц-полтора мы сможем приступить к сборке и тестированию радиочастотной катушки в безэховой камере. После чего перейдем к клиническим испытаниям в реальном аппарате МРТ: сначала на фантомах (предмет, который имитирует параметры человеческого тела), а затем и на волонтерах.
Эксперименты — это весело
Почему вы решили заняться именно этим направлением?
Я занимаюсь разработкой радиочастотных катушек в МРТ с 2017 года. Заканчивая учебу в бакалавриате ИТМО, я поняла, что все-таки хочу заниматься наукой. При этом для меня было важно заниматься не абстрактной наукой, а чем-то более осязаемым, что помогало бы людям.
Поскольку у меня родители — медики, мне было интересно найти что-то в медицинской области. В 2017 году на физико-техническом факультете это направление уже развивала группа под руководством Павла Александровича Белова. Ребята взяли меня к себе в команду, а в дальнейшем я поступила учиться в магистратуру «Физика радиочастотных технологий», которая позволяет получить образование в области МРТ и антенных устройств.
Как выглядит ваша работа? Вы только ведет расчеты или ставите эксперименты, сами паяете провода?
Я делаю все — мы очень универсальны на факультете. Наша работа начинается с литературного обзора (чтобы случайно не изобрести велосипед), далее мы делаем предварительное моделирование, чтобы понять: будет наша задумка работать или нет. После этого приступаем к более тщательным расчетам с воксельной моделью человека и моделью реального томографа, проверяем соотношение сигнал-шум и радиочастотную безопасность. Дальше начинается сборка радиочастотных катушек. У нас отличная лаборатория, есть много инженеров, которые готовы помочь. Хотя, насколько я помню, мы с командой всегда делали все катушки сами. Затем мы делаем эксперименты в безэховой камере, а потом в клинике — на реальных томографах. Завершается все написанием научной статьи.
Какая часть работы вам лично нравится больше всего?
Мне нравится моделирование — на этом этапе можно получить интересные результаты. Но больше всего, конечно, нравятся эксперименты. Это очень круто и весело, у нас классная команда, которая помогает во всем и везде. Эксперимент — это финальный этап, и ты ждешь того самого подтверждения твоей работы.
Помню, делали эксперименты с волонтером в МРТ. Волонтеру нужно было пролежать в аппарате часа три. На каком-то из этапов эксперимента мы начали получать изображения с артефактами движения. Оказалось, что наш волонтер заснул и начал во сне шевелиться и портить нам эксперимент.
Есть также и не очень любимые мной, пока еще, вещи — это написание статьи. Я не большой писатель, благо, что есть коллеги и руководитель, которые всегда готовы помочь с этим.
Что вас больше всего вдохновляет, мотивирует в вашей работе? К чему лично вы стремитесь?
Когда ты видишь результат работы, можешь его пощупать, и когда понимаешь, что он кому-то полезен. Важно осознавать, что ты делаешь это не просто ради статьи или получения денег, а осознаешь, что твое исследование реально может помочь людям.
После окончания аспирантуры в Университете ИТМО вы планируете заниматься научной работой? Либо развивать карьеру в коммерческом секторе?
На данный момент я учусь в двойной аспирантуре и большую часть времени нахожусь в Израиле — в Тель-Авивском Университете. Дальше в планах развивать карьеру в науке, искать позицию постдока. Может, вернусь в Россию, может, поеду куда-то еще. У меня впереди еще года три в аспирантуре — время на подумать есть.
Будете и дальше заниматься той же темой или уже думаете о чем-то другом?
На самом деле сейчас моя тематика уже немного изменилась. Я продолжаю работать над исследованиями в области МРТ от большой любви. Но основными направлениями моей деятельности сейчас являются технологии RFID (радиочастотной идентификации) и MIMO (многопотоковой передачи данных).
