МРТ: дешевле, эффективнее, безопаснее
Если говорить упрощенно, то цель группы ученых заключается в том, чтобы к 2020 году появился томограф нового поколения с лучшими характеристиками изображения, а также требующий меньше времени на необходимое исследование. Сейчас эта задача достижима, но лишь наполовину. Добиться быстрого сканирования тела человека с повышенным разрешением можно уже сейчас с помощью существующих сверхвысокопольных томографов с напряжением магнитного поля от 7 Тесла и выше. Подобные агрегаты для сканирования тела человека на сегодняшний день имеются в распоряжении лишь нескольких организаций в мире. Однако они используются только в исследовательских, а не клинических целях, так как не разрешены для применения в клиниках и больницах России и Европы. Дело в том, что их применение в нынешнем виде чревато перегревом тканей организма пациента, которые активно поглощают электромагнитное излучение. Во-вторых, изображения, получаемые в таких томографах, неоднородны в отличие от изображений, сделанных с помощью стандартного клинического томографа 1,5 Тл. Кроме того, они, безусловно, очень недешевы: их дорого обслуживать и обеспечивать работу сверхпроводящего магнита, охлаждая его с помощью прокачки гелия до криогенных температур. Работа на таких томографах слишком сложна для проведения обследований в обычной клинике. По оценкам консорциума, в который входит Международный центр нанофотоники и метаматериалов, нивелировать эти проблемы помогут метаматериалы.
«Конечно, сделать томограф без магнита у нас не получится — мы все равно остаемся в рамках технологии МРТ с использованием очень мощных постоянных полей. Однако, взаимодействуя с переменным радиочастотным полем, мы сможем справиться с проблемой оптимального распространения электромагнитных волн внутри томографа при помощи метаматериалов. Все это означает, что мы можем сканировать лучше, но за меньшее время, а время — это деньги. Если среднее время обследования одного пациента получится снизить до 15 или 10 минут вместо 20 минут, это будет колоссальная экономия расходов для медицинских организаций и повышение доступности диагностики МРТ для пациентов», — подчеркнул ученый.
Технология, над которой будут трудиться исследователи, одновременно и проста для понимания, и трудоемка. С помощью метаматериалов специалисты намерены улучшить чувствительность радиочастотных катушек (приемопередающих антенн), которые есть в любом аппарате МРТ. Радиочастотные катушки излучают мощный сигнал в УКВ-диапазоне, который, воздействуя на ткани организма пациента, затем превращается в полезный сигнал и дает изображение исследуемых органов. Однако, как отмечает Станислав Глыбовский, использование стандартных рамочных катушек в МРТ без какого-либо их совершенствования — не что иное, как инерция мышления. По его словам, инженеры привыкли к ним и используют их по сегодняшний день даже в сверхвысокопольных томографах, работающих на гораздо более высоких частотах в сравнении с клиническими. Происходит это по той причине, что о возможностях применения метаматериалов в сообществе инженеров МРТ еще мало кто знает. Вдобавок, на сегодняшний день наука обладает скудными экспериментальными данными насчет применения метаматериалов в рабочем диапазоне частот сверхвысокопольных томографов (то есть в УКВ-диапазоне). Как подчеркивает эксперт, у обычных катушек есть ряд существенных недостатков. Так, чтобы получить фактически ничтожный полезный сигнал от сканируемых органов, на аппарат подаются радиосигналы мощностью более 1 кВт. А это играет важную роль в обследовании с точки зрения безопасности пациентов. Кроме того, используемые на сегодняшний день катушки не обладают оптимальным распределением электромагнитного поля, и потому не достигают максимального отношения уровня полезного сигнала к шумам.
«В свою очередь, шумы есть у любого объекта: даже стол, за которым вы сидите, излучает шумовой электромагнитный сигнал в широком диапазоне частот. Даже организм пациента и сама антенна томографа создают шумы. Собственно, все эти помехи ограничивают наши возможности принять слабый сигнал. Поэтому нужно добиться максимальной чувствительности катушки по отношению именно к тому объекту, который мы хотим сканировать сверхвысокопольным томографом», — объясняет ученый.
Почему именно метаматериалы
Как поясняет Станислав Глыбовский, метаматериалы исследуются множеством научных групп по всему миру уже более 15 лет. Опубликовано огромное количество статей, посвященных изучению их свойств. Во многих университетах и научных организациях по всему миру можно найти научные группы, занимающиеся метаматериалами. Декларируются большие перспективы: ученые уже давно обещают, что благодаря метаматериалам можно будет по-иному взаимодействовать с электромагнитными волнами. При этом сконструировать полезные свойства метаматериалов нужно так, чтобы на их основе можно было создавать новые устройства. Однако примеров практического применения метаматериалов существует не так много в силу некоторых ограничений: как правило, все их самые интересные свойства проявляются в узком диапазоне частот. В то же время мобильная и спутниковая связь, беспроводной интернет и навигация работают в широком диапазоне частот. Увы, отмечает исследователь, таково одно из свойств природы: интересные эффекты чаще всего имеют очень узкую область применения и лишь при определенном наборе параметров.
Однако в последние годы метаматериалы получили шанс на широкое применение в области магниторезонансной томографии. Магнитный резонанс как ключевой эффект МРТ наблюдается в крайне узкой полосе частот, причем настолько, что ее ширина значительно уже рабочего диапазона любого метаматериала. Все достигнутые уникальные свойства метаматериалов на сегодняшний день можно получить в условиях МРТ. Существует мало примеров того, как столь узкополосная радиочастотная система имела бы столь широкую распространенность в мире. Поэтому участники консорциума считают своей естественной задачей показать, что метаматериалы действительно могут улучшить свойства МРТ.
Этапы
Согласно планам, в 2017 году ученые приступят к численному моделированию распределения электромагнитного поля в томографе с помощью профессиональных программных пакетов. Затем нужно изготовить экспериментальные образцы и сопоставить их свойства с результатами моделирования. Если результаты экспериментов будет соответствовать моделированию, последует исследование непосредственно в томографе. Вместо волонтеров будут сканировать так называемые фантомы — специально разработанные емкости, заполненные некой жидкостью. В сочетании друг с другом они обладают свойствами, которые близки к особенностям отдельных тканей организма пациента.
«Думая о клиническом применении, нужно анализировать эффекты, связанные с возможным вредом для здоровья пациента. Есть детальные модели организма пациента с их свойствами, которые можно аккуратно использовать в расчетах, чтобы понимать, в каких тканях будет максимальное поглощение мощного электромагнитного излучения. Это необходимо для того, чтобы этические комитеты выдали разрешения на проведение экспериментов на людях. Только после этого испытания можно проводить in vivo, сформировав круг добровольцев с разными параметрами для тестирования разработанных устройств на финальном этапе. Он запланирован на 2020 год», — объясняет исследователь.
Финансовые нюансы
Как подчеркивает Станислав Глыбовский, помимо уже имеющегося большого научного задела, члены консорциума регулярно устраивают секции на конференциях по МРТ и метаматериалам, публикуют совместные научные статьи, организовывают лекции для студентов и совместные образовательные мероприятия. Это помогло участникам консорциума убедить представителей Еврокомиссии — организаторов программы HORIZON 2020 — в том, что в их работу имеет смысл вкладывать деньги.
К сожалению, средства программы Horizon2020 недоступны для тех членов консорциумов, которые не входят в Европейский союз. Поэтому Международный центр нанофотоники и материалов, несмотря на важную роль в консорциуме, финансирования из программы получить не сможет. Однако между Еврокомиссией и Министерством образования и науки Российской Федерации существует договоренность о том, что российские члены выигравших консорциумов могут претендовать на финансирование из Федеральной целевой программы — до 10 млн рублей в год. Но все не так просто: чтобы получить средства, нужно, во-первых, подать заявку на конкурс, что уже сделали ученые, во-вторых, получить ее одобрение от чиновников. Результаты конкурса станут известны в конце февраля 2017 года.
Как отмечает Станислав Глыбовский, даже если центр не получит дополнительных средств, из консорциума никто не выйдет: работу продолжат на те средства, которые уже есть у исследователей. Такой подход наверняка оправдает себя: по оценкам участников разрабатываемая технология имеет очень высокие шансы на коммерциализацию.
Данный проект получает финансирование из средств программы Horizon 2020 Европейского союза в рамках постановления № 736 937.
