В ИТМО разработали первый в России портативный аппарат МРТ

Магнитно-резонансная томография используется для диагностики патологий головного мозга, в том числе инсультов, опухолей и нейродегенеративных заболеваний. Однако, чтобы установить эту технологию, нужно обеспечить для нее инфраструктуру. Для классического томографа с полем в 1,5 или 3 Тесла нужно оборудовать специальную экранированную комнату (клетку Фарадея), которая защищает чувствительную радиоэлектронику от внешних помех. Находящийся в аппарате электромагнит с обмоткой из сверхпроводящего материала необходимо постоянно охлаждать жидким гелием, который постепенно испаряется. Чтобы не терять дорогостоящий газ, на улице размещают охлаждающие установки — чиллеры, а между ними и магнитом прокладывают криогенные трубопроводы, по которым гелий циркулирует при сверхнизких температурах (ниже -150°C).

Из-за привязки к оборудованному месту, МРТ-диагностику на стационарных аппаратах не могут проводить лежачим больным в реанимациях, поскольку перемещение таких пациентов рискованно для их жизни и здоровья. Кроме того, стоимость одного МРТ превышает 100 миллионов рублей, а его ежегодное обслуживание обходится в 10–15 миллионов рублей. Поэтому эта технология доступна лишь в крупных городах, а жители малых населенных пунктов остаются без необходимой диагностики.

Первые МРТ-аппараты работали на магнитах с низким полем, но затем индустрия начала наращивать мощность поля: чем оно сильнее, тем выше отношение сигнал/шум и тем четче изображение. Однако вместе с мощностью росли размеры установок, цена и требования к экранированию. Сейчас появились малошумящая электроника и алгоритмы обработки, способные выделить полезный сигнал даже на фоне шума и помех. Это позволило вернуться к слабому полю и создать компактный аппарат на постоянном магните.

«Портативность позволяет не пациента везти к томографу, а томограф — к пациенту. Для того, чтобы аппарат мог работать автономно, мы не рассматривали вариант использования сверхпроводящего магнита, которому нужен жидкий гелий и сложная система охлаждения, и взяли за основу постоянный магнит со слабым полем. Ему не требуется криогенная инфраструктура, поэтому установка получается компактной и может работать в любом помещении, где есть обычная розетка на 220 Вольт. Такой аппарат можно подвезти к лежачему больному, расположить его так, чтобы голова пациента оказалась в рабочей зоне, и начать исследование», — рассказала руководитель разработки аппаратной части и старший научный сотрудник физического факультета ИТМО Анна Хуршкайнен.

Портативный томограф состоит из четырех ключевых блоков. Магнитная система создает постоянное поле и поляризует ядра атомов водорода в тканях пациента. Радиочастотная система возбуждает спины (совокупность частиц с собственным магнитным моментом) и принимает ответный сигнал ядерного магнитного резонанса. Градиентная система кодирует этот сигнал в пространстве и создает двумерное изображение. Спектрометр служит вычислительным ядром: генерирует импульсы, принимает и обрабатывает данные, после чего передает их на консоль оператора. Сейчас ученые завершают стыковку этих подсистем. В следующий прототип аппарата будет установлена усовершенствованная версия магнитной системы. 

Сверхнизкое магнитное поле портативного МРТ (70 миллитеслов) позволяет проводить диагностику тем, кому исследования на высокопольных аппаратах противопоказаны. Согласно ГОСТ Р 59093-2020, системы до 0,5 Тесла считаются безопасными для большинства металлических имплантов, так как слабое поле не нагревает металл и не смещает его, поэтому не вредит пациенту. Это позволяет обследовать людей с осколками, протезами или больных, подключенных к аппаратам ИВЛ. Благодаря автономности прибор может работать в палате, реанимобиле или даже в ветеринарной клинике, где нет возможности строить клетку Фарадея. Для этого ученым предстоит в дальнейшем дополнительно разработать специализированные радиочастотные катушки, которые учитывают анатомические особенности разных видов и плотно прилегают для качественного приема сигнала.

Портативный томограф оснащен системой подавления помех на основе машинного обучения и нейросетей. Поскольку аппарат использует слабое магнитное поле, полезный сигнал от тканей получается очень маленьким и любая внешняя помеха может его заглушить. В стационарных томографах эту проблему решают строительством экранированной комнаты. В портативной версии ИТМО пошли другим путем: дополнительные антенны на корпусе улавливают электромагнитные помехи из помещения, а алгоритмы в реальном времени отделяют его от сигнала, который идет от пациента. Технологии адаптируются не только к обстановке в комнате, но и к самому человеку: ткани тела — мышцы, жир, кровь — по-разному проводят радиоволны и человек сам становится антенной, принимающей помехи. Нейросеть непрерывно анализирует эти меняющиеся искажения и компенсирует их, чтобы полезный сигнал оставался чистым. При этом ИИ работает не с готовым снимком, а с исходными радиосигналами, из которых изображение только будет строиться. Алгоритмы очищают сигнал до реконструкции, поэтому риск появления несуществующих элементов на изображении минимизируется.

«Мы умеем создавать с помощью численного моделирования синтетические МРТ-данные, которые соответствуют методикам получения сигнала — импульсным последовательностям, которые мы используем на томографе. На эти данные мы накладываем те же шумы, помехи и искажения которые появляются в нашем томографе из-за слабого поля и внешних помех. Так мы получаем набор для предобучения нейронной сети: показываем нейросети искаженный сигнал вместе с чистым, чтобы она научилась отделять полезную информацию от помех», — пояснила руководитель разработки методической и алгоритмической части и старший научный сотрудник физического факультета ИТМО Екатерина Бруй.

По оценкам инженеров ИТМО, серийный портативный томограф будет стоить около 25 миллионов рублей — это почти в пять раз дешевле, чем стационарные установки. Его ежегодное обслуживание не должно превышать 1-2 миллионов рублей.

Портативный МРТ пока остается редкостью для всего мира. Единственный аппарат, допущенный к клиническому использованию и одобренный FDA, создан в США. На российском рынке портативных устройств, работающих без клетки Фарадея и гелиевого охлаждения, не выпускается. Это связано с тем, что много лет страна зависела от импортных поставок и почти не вела собственные разработки в этой области.

Работа над портативным аппаратом МРТ стартовала в начале 2022 года при поддержке программы «Приоритет 2030». Сейчас готов экспериментальный образец, который работает в режиме спектрометра: он видит МР-сигнал, но пока не строит из него изображение. Ученые завершают подключение градиентной системы — это финальный шаг к первым снимкам. Получить их планируется к концу 2026 года.

Сейчас команда ищет гранты и частные инвестиции, чтобы доработать лабораторный образец до опытного. Дальше разработчикам предстоят технические тесты на безопасность, клинические пилоты и сертификация медицинского изделия. В перспективе разработка может стать первым серийным российским портативным МРТ, востребованным в региональных клиниках, ветеринарии и при обследовании пациентов с тяжелыми патологиями.