Количественный метод против качественного

На Новом физтехе ИТМО уже давно существует направление разработки новых устройств для приложений МРТ. В основном это устройства на основе искусственных материалов (метаматериалов и метаповерхностей), которые помогают получать более яркие и детальные МР-снимки отдельных органов и тканей за счет улучшения фокусирующей способности томографа. В рамках мегагранта ученые делают упор не только на создании устройств, а на разработке комплексного подхода, включающего в себя также современные методы получения и обработки данных МРТ.

Как объясняет Давид Бендахан, сейчас при постановке диагноза принято ориентироваться исключительно на визуальную информацию. Всё, что может определить врач, — лишь размер воспаления или опухоли и локализацию. Этой информации недостаточно для понимания течения болезни, прогресса лечения и других факторов. Но, если вместо оценки чисто визуальных данных врач сможет оперировать конкретными цифрами, это качественно изменит сам подход к диагностированию и лечению.

«Сейчас используют только качественные методы МРТ — врач смотрит на черно-белый снимок и ориентируется только по контрасту определенных зон. Например, воспаление выглядит просто как белое пятно. Причем в один день и на одном сканере оно может быть очень ярким, а в другой день и на другом аппарате — более тусклым. И врач, возможно, скажет, что воспаление было сильным, а теперь ослабло, потому что на снимке поменялся контраст. Другое дело — цифры, они не меняются и всегда точны. Если бы врач мог посмотреть количественные показатели и данные о воспалении, он бы определил точно, стало оно сильнее или слабее», — рассказывает Давид Бендахан.

Количественные методы МРТ, которые разрабатывают учёные, основаны в том числе на методах машинного обучения и искусственного интеллекта. И несмотря на то, что тема не новая, она всё еще находится в области исследований и представляет особый интерес для внедрения в клиническую практику. Ведь извлекать из визуальной информации точные количественные параметры — задача нетривиальная. Для этого нужны не только новые инструменты и алгоритмы анализа, но и новые способы получения изображений — более ярких, контрастных и детальных. 

«Для количественного исследования требуются исходные данные очень хорошего качества: с низким шумом и без дополнительных искажений. Однако на практике оказывается, что эти два требования противоречат друг другу: повышение отношения сигнал / шум требует сканирования в более высоком магнитном поле, а переход в такое поле приводит к появлению областей нулевого или пониженного сигнала на изображениях — то есть к дополнительным искажениям. В рамках проекта мы будем заниматься поиском компромисса для классической конфигурации томографа, а также использовать наши устройства из метаматериалов и керамики, чтобы устранить это противоборство между зашумленностью и однородностью изображений или хотя бы сдвинуть его в более высокие поля, которые в клинической практике пока не применяются», — добавляет сотрудник Международной научной лаборатории прикладной радиофизики Михаил Зубков.

МРТ для сложных случаев

Еще одно направление, которым занимаются ученые Нового физтеха, это МР-сканирование труднодоступных органов, например печени и сердца, а также суставов конечностей, например, в кистях рук. Весь первый год работы над проектом в рамках мегагранта исследователи были сосредоточены на получении качественных снимков руки и запястья. Как объясняют ученые, у кисти сложная анатомия, в том числе очень тонкие и маленькие суставы — из-за этого получать и тем более анализировать снимки трудно. Но для некоторых болезней, таких как остеоартрит или ревматоидный артрит, особенно важно видеть, что происходит с суставами, насколько в них утолщены хрящи.

«Нашей задачей было создать метод, который помогает определить толщину суставов и хрящей. Ведь это могло бы быть действительно ценной информацией для лечения различных болезней кистей рук. И мы разработали алгоритм на основе искусственного интеллекта, который позволяет точно определить толщину различных сегментов кисти и суставов, исходя из простого двумерного МР-изображения», — комментирует Давид Бендахан.

Подобные показатели ученые называют общим словом «биомаркеры», у каждой болезни они свои. В приведенном примере, то есть в случае ревматоидного артрита, — это разрушение хрящей в суставе кисти или уменьшение их толщины. Ученые планируют научиться применять такие же количественные методы анализа на основе биомаркеров для болезней печени и сердца.

«Количественные биомаркеры многих заболеваний печени и сердца известны уже давно — таким, например, можно считать процент площади, занятой коллаген-содержащей тканью в образце печени пациента. Однако необходимость получения образца печени делает этот биомаркер труднодоступным и потенциально опасным для пациента. Поэтому сейчас идет поиск неинвазивных биомаркеров. Их в основном получают с помощью различных диагностических процедур (МРТ, КТ или УЗИ) или из лабораторных анализов (например из сыворотки крови). В частности, для диагностики жирового поражения печени может использоваться совсем неинвазивный биомаркер контролируемого затухания ультразвука (CAP)», — объясняет Михаил Зубков.

Главное — нетворкинг

Одна из целей проекта в рамках мегагранта — налаживание связей между учеными и врачами. Как подчеркивает Давид Бендахан, это непростая задача, ведь специалистам из совершенно разных областей сложно договариваться и понимать друг друга. Но такие коллаборации просто необходимы, чтобы разработки ученых не оставались невостребованными, а внедрялись в ежедневную клиническую практику.

«Еще до мегагранта у команды Нового физтеха имелась большая экспертиза в создании устройств для МРТ, но у них не было никаких тесных связей с врачами и возможностей внедрить эти разработки в клиническую практику. Так что, по сути, весь проект — это поиск способов наладить коллаборацию физиков-исследователей с представителями медицинских центров. И несмотря на то, что это очень сложная задача, мы уже привлекли к проекту несколько специалистов из Национального медицинского исследовательского центра имени В. А. Алмазова. Но в конечном счете хотим расширить эту коллаборацию на всю страну», — заключает Давид Бендахан.