МРТ (магнитно-резонансная томография) — это один из ключевых методов современной диагностики, широко применяемый в медицине, биологии и неврологии. МРТ-сканирование позволяет отслеживать тончайшие физиологические изменения во внутренних органах. Например, своевременная процедура МРТ может помочь выявить участки, пораженные раком, на самой ранней стадии заболевания. Возможность эффективного МРТ-диагностирования, однако, напрямую зависит от качества получаемых изображений.
Группа ученых из России, Австралии и Нидерландов показала, что проблему качества снимков можно решить при помощи специальной подложки из метаматериалов — периодических структур, способных необычным образом взаимодействовать с электромагнитным излучением. Разместив такую подложку под пациентом внутри МРТ-сканера, можно существенно увеличить соотношение сигнал/шум в сканируемой области, что приводит к гигантскому росту разрешающей способности аппарата и сокращению времени сканирования. Кроме того, подложка позволяет подавить электрическое поле в сканируемой области, которое зачастую ведет к нагреву тканей пациента, подвергая риску безопасность процедуры.
Проблема нагревания живых тканей стала еще более актуальной в связи с недавним приходом в медицинскую практику высоко- и ультравысокопольных сканеров. Благодаря полям повышенной интенсивности разрешающая способность таких сканеров гораздо выше, чем у стандартных низкопольных аппаратов. Однако по этой же причине возможность нагревания живых тканей в высоко- и ультравысокопольных сканерах также повышается, поэтому вопрос о безопасности данного метода остается открытым.
В случае с подложкой из метаматериалов ученым удалось полностью избежать нагревания тканей, при этом повысив разрешающую способность. Предложенное решение, по сути, не требует вмешательства в аппаратную часть МРТ-сканера и является недорогой функциональной приставкой, которая может быть использована в любых существующих томографах.
«Наш метаматериал может быть выполнен не только в виде подложки, но и непосредственно встроен в стол пациента в МРТ-сканере. Однако наиболее интересную реализацию нашего изобретения мы видим в концепте специальной „умной“ одежды для МРТ-обследования, — комментирует разработку первый автор статьи, научный сотрудник лаборатории „Прикладная радиофизика“ Алексей Слобожанюк. — Например, полоски метаматериала могут быть впечатаны в одежду для пациентов. В таком жилете они смогут подвергаться высокоточному МРТ-обследованию, а специальный дизайн позволит проводить равномерное облучение со всех сторон, что не влечет никакого риска для здоровья человека. В итоге, применяя метаматериалы вы сможете улучшить характеристики низкопольных МРТ таким образом, что их функциональность будет схожа с высокопольными».
Продолжительность получения стандартного МРТ-снимка сегодня также представляет большое неудобство для пациентов. В обычных МРТ-устройствах сканирование может продолжаться от 15 минут до часа, причем на протяжении всего этого периода пациент должен лежать неподвижно. Получение качественных снимков за более короткий промежуток времени сделает процедуру более комфортной для пациента и в перспективе даже сократит очереди в больницах.
«Наш метод получения изображений тканей пациента с лучшей детализацией при МРТ-сканировании позволит более четко локализовать и изучить, к примеру, опухолевые заболевания. По снимкам, полученным при помощи томографии, хирург определяет „рисунок опухоли“, который впоследствии послужит „трафаретом“ для его скальпеля во время операции», — резюмирует Юрий Кившарь, один из авторов исследования, руководитель Центра нелинейной физики в Австралийском национальном университете.
В исследовании приняли участие ученые из Университета ИТМО, Австралийского национального университета, Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе, университетского медицинского центра Утрехта в Нидерландах и Института экспериментальной медицины РАМН.
Статья: «Enhancement of Magnetic Resonance Imaging with Metasurfaces», Alexey P. Slobozhanyuk, Alexander N. Poddubny, et al. Advanced Materials, Jan. 11, 2016
