Содержание
- Что такое МРТ и как работает технология
- Не только медицина: где еще используется МРТ
- Как развивается технология
- Что с МРТ в России
- Как в ИТМО готовят специалистов по МРТ
- Что такое Школа МРТ и зачем она нужна
Что такое МРТ и как работает технология
Магнитно-резонансная томография — это метод визуализации, который позволяет увидеть внутреннее строение тела без использования ионизирующего излучения. В основе его работы лежит явление ядерного магнитного резонанса: пациента помещают в сильное магнитное поле, и протоны воды, содержащиеся в тканях, начинают поглощать энергию радиоволн и испускать отклик на той же частоте. Дополнительные градиентные поля делают так, что каждая точка тела дает отклик со своей частотой — так компьютер понимает, откуда пришел сигнал. Далее этот отклик улавливают специальные приемные устройства и превращают его в изображение на экране.
Поскольку человек почти на 80% состоит из воды, сигнал дает практически каждая часть тела, однако у разных тканей, здоровых и патологических, этот сигнал имеет свои особенности затухания — именно поэтому на снимке видно, где мышца, где жидкость, а где, например, опухоль.
Томограф. Фото: jianglianqi / photogenica.ru
В работе томографа участвуют три подсистемы:
- магнитная (создает постоянное поле — чем оно сильнее, тем четче изображение);
- градиентная (мощные усилители усиливают импульсы, а катушки меняют поле по трем направлениям относительно тела, поэтому каждая точка дает отклик со своей частотой или начальной фазой — так компьютер понимает, откуда пришел сигнал);
- радиочастотная (радиочастотные устройства генерируют, усиливают и излучают радиоимпульсы, протоны воды на них откликаются, а приемные устройства улавливают ответный сигнал).
Всеми тремя подсистемами управляет спектрометр, который проигрывает импульсные последовательности — заранее заданные схемы, включающие подсистемы строго в свой момент, чтобы изображение получилось четким и соответствующим методике.
В отличие от компьютерной томографии и рентгена, при МРТ не используется ионизирующее излучение, которое при частом воздействии может повреждать ДНК. Именно поэтому метод считают наиболее предпочтительным для многих клинических задач ― МРТ можно делать многократно. Кроме того, это один из самых информативных методов визуализации: он хорошо показывает мягкие ткани тела, в том числе головной и спинной мозг, внутренние органы, сердце, связочный аппарат и хрящевую ткань суставов.
Но у процедуры есть и свои ограничения, которые важно знать: она противопоказана пациентам с магнитными металлическими имплантами и осколками, а также с имплантируемыми устройствами, так как в сильном поле они могут сместиться или нагреться.
МР-снимки головного мозга. Фото: srikijt / photogenica.ru
Не только медицина: где еще используется МРТ
Хотя МРТ принято считать преимущественно медицинским методом диагностики, ее применение давно вышло за пределы клиник. Например, с помощью томографии ученые изучают внутреннее строение овощей и качество пищевых продуктов. Существуют даже микротомографы для яиц: по снимку можно определить оплодотворено ли яйцо. МРТ нашла место и в сельском хозяйстве, и в нефтедобыче: с ее помощью изучают корни агрокультур, а также исследуют структуру пород.
В медицине область применения МРТ тоже расширяется. Помимо анатомии, с помощью томографа можно изучать функциональные параметры: скорость диффузии воды в тканях, параметры кровотока, наличие перегрузки железом, распределение инфильтрированной жировой ткани внутри здоровой и многое другое. При этом изображение зависит от того, как настроен аппарат: меняя параметры сканирования, можно сделать акцент на разных свойствах тканей. Именно поэтому появляются всё новые виды визуализации — например, 4D-ангиография, позволяющая исследовать сосуды в реальном времени (в том числе без введения контрастного вещества — специального препарата, который вводят в организм, чтобы нужные структуры стали заметнее на снимке), или трехмерная локализованная спектроскопия, которая дает информацию о распределении метаболитов в тканях.
Так что томограф — это целая платформа, которую можно настраивать под разные задачи.
Как развивается технология
Во всем мире развитие технологии МРТ идет по нескольким направлениям. Одно из главных — увеличение напряженности поля магнитов, в котором находится пациент. В клиниках чаще всего используют аппараты с полем 1,5–3 Тесла, однако в мире постепенно внедряются и более мощные системы — с полем 7 Тесла, обеспечивающие более высокое разрешение и четкость изображения. Такие аппараты позволяют визуализировать даже отдельные метаболиты — вещества, образующиеся в тканях в процессе обмена веществ и способные сигнализировать о заболевании.
Развивается и ускорение сканирования: благодаря новой электронике, мощным компьютерам и нейросетям время процедуры сокращается, а качество изображения повышается. Еще одно важное направление — создание портативных низкопольных томографов, которые можно доставить прямо в палату к маломобильному пациенту.
Что с МРТ в России
Сегодня рынок МРТ в России почти полностью состоит из импортного оборудования. Это создает сразу две проблемы: во-первых, больницы зависят от зарубежных поставок и обслуживания, во-вторых, у исследователей почти нет доступа к аппаратам для разработки новых технологий. Клинические томографы загружены потоком пациентов, а производители редко разрешают менять протоколы сканирования или встраивать собственные алгоритмы и устройства.
Однако в последние годы ситуация начала меняться к лучшему. За разработку отечественного аппарата взялся Росатом: компания создает российский томограф с полем 1,5 Тесла. В нем установят сверхпроводящий магнит: при очень низких температурах он проводит ток без сопротивления, благодаря чему поле поддерживается стабильно и не требует постоянной подпитки энергией.
В проекте участвуют и ученые из ИТМО: они разрабатывают алгоритмы генерации импульсных последовательностей, радиочастотные катушки и устройства, а также фантомы — тестовые образцы, имитирующие ткани человека. Завершить разработку планируется в этом году. Создание отечественного аппарата позволит больницам снизить зависимость от импорта. Помимо этого, его внедрение поможет и ученым: на таком аппарате можно работать в исследовательском режиме, менять и создавать новые импульсные последовательности, внедрять продвинутые и пробовать новые методы реконструкции и постобработки, а также предлагать новые аппаратные решения. А значит, вырастет и спрос на специалистов, разбирающихся в технологиях МРТ.
Как в ИТМО готовят специалистов по МРТ
Специалистов, которые разбираются в физике МРТ, умеют работать с оборудованием и разрабатывать радиочастотные устройства, методы получения и обработки изображений, готовят в магистратуре «Беспроводные технологии» Нового физтеха ИТМО на специализации «Устройства и методы МРТ». Это единственная в России программа, где комплексно учат технологиям разработки МРТ, а не обслуживанию медицинского оборудования в целом. Студентов уже во время учебы вовлекают в проекты университета, так что практический опыт они получают параллельно с теорией.
Выпускники востребованы в проекте Росатома, в сервисных службах, занимающихся установкой и обслуживанием аппаратов МРТ, а также в компаниях-разработчиках ПО и аппаратуры для медицины.
Кроме того, в ИТМО работает несколько лабораторий, сотрудники которых более десяти лет занимаются в том числе технологиями МРТ. Ученые создают гибкие подложки для визуализации головного мозга плода в утробе матери, универсальные беспроводные катушки для сканирования на томографах разных вендоров, новые типы антенн для сверхвысокопольной МРТ и портативные аппараты, которые можно разместить непосредственно в палате пациента. Также здесь разрабатывают алгоритмы обработки изображений: они помогают ускорять процедуру получения снимков и автоматически измерять параметры сердца, например оценивать участки рубцовой ткани при инфаркте.
Экспериментальный образец портативного магнитно-резонансного томографа (МРТ). Фото: Дмитрий Григорьев / ITMO NEWS
Что такое школа МРТ и зачем она нужна
Координацией глобальных научных исследований в области технологий МРТ, разработкой единых международных стандартов безопасности и организацией крупнейших ежегодных конференций занимается Международное общество по магнитному резонансу в медицине (ISMRM, International Society for Magnetic Resonance in Medicine). В организацию входят специалисты из более чем 65 стран, в том числе из России. Но собственного сообщества физиков и инженеров МРТ внутри страны до сих пор нет, поэтому специалисты из разных городов и организаций пересекаются редко. Чтобы помочь наладить связи и обмен опытом, ИТМО уже четвертый раз проводит Школу-конференцию по технологиям МРТ. В этом году мероприятие проходит при финансовой поддержке Благотворительного фонда Владимира Потанина, а также при участии специалистов АО НИИТФА (ГК «Росатом»), которые выступают спикерами. Участники слушают лекции ведущих специалистов отрасли, а также работают в командах над реальными задачами.
Школа-конференция по технологиям МРТ. Фото: Дмитрий Григорьев / ITMO NEWS
Школа-конференция по технологиям МРТ. Фото: Дмитрий Григорьев / ITMO NEWS
Школа-конференция по технологиям МРТ. Фото: Дмитрий Григорьев / ITMO NEWS
Школа-конференция по технологиям МРТ. Фото: Дмитрий Григорьев / ITMO NEWS
На мероприятии можно обсудить свои исследования, разработки и проекты с экспертами из научной сферы и индустрии, в том числе пообщаться с производителями томографов и сервисными компаниями.
Студенты в рамках Школы знакомятся с основами технологии и определяются с направлением дальнейшего обучения: работой с оборудованием или методологией. А опытные инженеры могут соотнести практику с актуальными подходами. В конце школы проводится итоговое тестирование: участники, давшие более 70% правильных ответов, получают удостоверение о повышении квалификации.
В этом году школа собрала более 70 слушателей из разных городов России ― от Петербурга до Владивостока. Примерно половина участников — это студенты и аспиранты вузов, изучающие медицинскую физику, биомедицинскую инженерию и биофизику. Вторая половина ― инженеры, которые работают как в больницах, так и в сервисных компаниях, или в организациях, связанных с разработкой медицинского оборудования.
