Об M-Cube
Программа поддержки перспективных технологий «Future and Emerging Technologies-OPEN-1-2016-2017» в рамках конкурса Horizon 2020 является одной из самых конкурентных и финансирует только те проекты, которые содержат в себе принципиально новые идеи развития технологий.
В рамках конкурса M-Cube вошел в число 22 выигравших проектов, обойдя 542 заявки. Исследовательский проект, который стартовал 1 января 2017 года, координируется Университетом Марселя во главе с Институтом Френеля и Центром магнитного резонанса в биологии и медицине.
В консорциум M-Cube входит восемь крупных мировых университетов и научно-исследовательских центров, в том числе (помимо координатора — Университета Экс-Марсель) Комиссариат по атомной и альтернативным видам энергии (Commissariat a L’Energie Atomique et aux Energies Alternatives, France), Лувенский католический университет (Universite Catholique de Louvain, Belgium), Национальный центр научных исследований Франции (Centre National de la Recherche Scientifique — CNRS), Медицинский университетский центр Утрехта (Universitair Medisch Centrum Utrecht, Netherlands), Университет Аалто (Aalto-Korkeakoulusaatio, Finland), Австралийский национальный университет (The Australian National University, Australia) и Университет ИТМО.
Также в консорциуме представлены две компании, работающие в Швейцарии и Нидерландах — Multiwave Technologies AG (Switzerland) и MR COILS BV (Netherlands).
Какую цель ставят перед собой ученые?
Проект рассчитан на четыре года. За это время ученые будут работать над изменением концепции антенн для высокопольных и сверхвысокопольных томографов. Подобные антенны также известны как радиочастотные катушки. Новые катушки призваны способствовать улучшению получаемых изображений человеческого тела и позволят сократить время процедуры.
Все томографы условно разделяются на несколько групп — низкопольные (имеют напряженность постоянного поля до 0,5 Тл), среднепольные (0,5-1 Тл), высокопольные (до 3 Тл), а также сверхвысокопольные (более 3 Тл). Такое деление обусловлено существенно разными рабочими частотами в радиодиапазоне, которые определяются уровнем магнитного поля постоянного магнита томографа. В большинстве современных клиник сегодня установлены томографы с уровнем поля от 1,5 до 3 Тесла.
С ростом уровня поля магнита растет получаемое разрешение изображений. Помимо качества снимков, уровень поля влияет и на такой показатель, как скорость проведения диагностики. Чем выше напряженность поля, тем быстрее будет выполнено обследование. Сверхвысокопольный томограф с уровнем поля 7 Тл позволяет сократить время процедуры в несколько раз по сравнению с существующими клиническими томографами. В некоторых случаях это имеет огромное значение — к примеру, во время диагностики ребенка или пациента, находящегося в тяжелом состоянии.
Добиться быстрого сканирования тела человека с повышенным разрешением можно уже сейчас с помощью существующих сверхвысокопольных томографов с напряжением магнитного поля от 7 Тл и выше. Однако такие аппараты для сканирования тела человека на сегодняшний день имеются в распоряжении лишь нескольких организаций в мире и используются только в исследовательских, а не клинических целях, так как не разрешены для применения в клиниках и больницах России и Европы.
Объясняется это тем, что их применение в нынешнем виде чревато перегревом тканей организма пациента, которые активно поглощают электромагнитное излучение. Во-вторых, несмотря на повышенное разрешение, изображения, получаемые в таких томографах, неоднородны в отличие от изображений, сделанных с помощью стандартного клинического томографа 1,5 Тл. Кроме того, их дорого обслуживать и обеспечивать работу сверхпроводящего магнита, охлаждая его с помощью прокачки гелия до криогенных температур. Наконец, работа на таких томографах слишком сложна для проведения обследований в обычной клинике, что, в частности, объясняется сложностью настройки существующих радиочастотных катушек перед проведением сканирования.
Как метаматериалы могут помочь решить проблему
Взаимодействуя с переменным радиочастотным полем катушек, ученые планируют справиться с проблемой оптимального распространения электромагнитных волн внутри томографа при помощи метаматериалов. Согласно концепции проекта, такое решение позволит сканировать лучше и при этом за меньшее время. Если среднее время обследования одного пациента получится снизить до 15 или 10 минут вместо 20 минут, можно будет не только существенно снизить расходы для медицинских организаций, но и повысить доступность диагностики МРТ для пациентов.
С помощью метаматериалов специалисты намерены улучшить чувствительность радиочастотных катушек, которые есть в любом аппарате МРТ. Радиочастотные катушки сверхвысокопольных томографов вначале излучают мощный сигнал в УКВ-диапазоне, который, воздействуя на ткани организма пациента, затем превращается в полезный сигнал, содержащий информацию о пространственном изображении исследуемых органов. Данный сигнал затем принимается также радиочастотными катушками томографа. Однако 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. Таким образом, катушки играют 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. Задача исследователей — добиться максимальной чувствительности катушки по отношению именно к тому объекту, который сканируется сверхвысокопольным томографом.
«Цель проекта — выйти за ограничения существующей клинической визуализации с помощью магнитно-резонансной томографии, улучшить пространственные решения, определяющие качество изображений, а также сократить время на диагностику. Сегодня, чтобы избежать неоднородности изображения, увеличивают число радиочастотных антенн в устройствах, что существенно усложняет процедуру и делает технологию дороже. Решение M-Cube заключается в том, чтобы внедрять инновационные антенные системы, использующие пассивные метаматериалы, не требующие увеличения количества приемо-передающих каналов томографа. Мы планируем использовать 7 Тл в условиях обычной клиники и иметь хорошее разрешение, которое позволит нам получить информацию, которой у нас нет сейчас. Таким образом, конечной целью M-Cube является разработка новых катушек для томографов с напряжением магнитного поля от 7 Тл для клинического применения», — комментирует Реда Абдеддаим.
На протяжении всего проекта физики, врачи и инженеры будут работать в тесном контакте друг с другом, чтобы сделать МРТ диагностику более точной и тем самым помочь медицинским сотрудникам обнаруживать заболевания на более ранней стадии.
«Из-за ряда серьезных ограничений использовать томографы с напряженностью магнитного поля 7 Тл сейчас в больницах невозможно. Между тем, если вы поговорите с медицинскими специалистами и исследователями, они скажут вам, что высокое разрешение могло бы позволить диагностировать заболевания на гораздо более ранних стадиях. Именно поэтому нашей глобальной задачей в рамках проекта M-Cube является получение возможности использовать 7 Тесла в обычных клиниках. Это действительно важно, поскольку означает гораздо более продвинутые возможности визуализации и высокую степень безопасности», — добавляет Марк Дюбуа.
Каких результатов уже удалось достичь
Магнитно-резонансный томограф использует множество радиочастотных катушек. Они создают радиочастотное поле в области интереса и фиксируют сигнал радиочастотного отклика исследуемого объекта. Каждая из используемых катушек служит для определенной цели. Набор катушек во многом определяет функциональность и область применения томографа. Участники проекта M-Cube одновременно разрабатывают различные виды катушек. Как отмечает Реда Абдеддаим, сейчас ведется работа над тремя видами — для сканирования головы, диагностики предстательной железы, а также конечностей.
«Мы надеемся, что к концу проекта нам удастся разработать катушки, которые позволят проводить диагностику органов всего тела. Уже со следующего года мы планируем предоставить несколько радиочастотных катушек для наиболее типичных применений. При этом надо понимать, что этот процесс долгий и включает в себя очень много стадий: разработку концепта, подтверждение гипотез, учет рисков, получение разрешений и так далее», — говорит он.
По словам эксперта, работа над проектом ведется в тесном сотрудничестве между всеми участниками консорциума. Помимо личных встреч, координаторы и участники проекта еженедельно связываются друг с другом и предоставляют результаты работы. Разработка концепции производится специалистами в области метаматериалов. Необходимыми измерениями в МРТ занимаются исследовательские организации во Франции и Нидерландах, а две компании, которые участвуют в консорциуме, займутся внедрением итоговых результатов непосредственно в медицинские учреждения.
Сотрудничество с Университетом ИТМО
Активная работа ведется и с единственным российским участником международного консорциума — Международным научно-исследовательским центром нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО.
«Этот проект — мой первый опыт сотрудничества с Университетом ИТМО. И все началось на самом деле очень интересно. Тогда я работал постдоком в лаборатории Джульена де Рони в Париже, мы начали совместную работу в области МРТ, а Павел Белов (руководитель Международного научно-исследовательского центра нанофотоники и метаматериалов — прим.ред.) также работал в этой области, но немного в другом аспекте. Мы встретились вместе и решили, что необходимо сотрудничать. Так родилась идея создать консорциум. И если вы посмотрите на список его участников, то увидите, что все они так или иначе связаны с Университетом ИТМО. Например, до этого проекта я никогда не работал вместе с Лувенским католическим университетом и Медицинским университетским центром Утрехта. А у петербургского вуза тогда уже было налажено сотрудничество с этими учреждениями, а также с Институтом Френеля. Таким образом, Университет ИТМО решил важную задачу: за счет наработанных научных связей объединил членов консорциума вместе, — рассказывает Реда Абдеддаим. — Сейчас мы активно сотрудничаем с Университетом ИТМО, и, могу отметить, сотрудничество идет очень легко. Мы работаем с очень квалифицированными специалистами в области метаматериалов, и все участники группы работают очень напряженно».
Марк Дюбуа добавляет, что еще одним важным вкладом российского вуза в проект является активное вовлечение в работу достаточно большого числа аспирантов, что позволяет ускорить работу.
Перспективы
Представители французских университетов заинтересованы в продолжении сотрудничества с Университетом ИТМО в том числе в образовательной сфере — организуя программы студенческого обмена и стажировки, в ходе которых студенты могли бы получить опыт в зарубежной лаборатории.
Говоря о перспективах проекта M-Cube, Реда Абдеддаим отмечает, что в будущем одной из важных задач для специалистов может стать не только возможность использовать томографы с напряжением магнитного поля 7 Тл в клинической практике, но и более эффективная работа на более низких полях благодаря метаматериалам.
«Сейчас основная цель M-Cube — применить метаматериалы для работы на 7 Тл, обеспечив тем самым более высокое разрешение и сокращение времени диагностики, а также применимость сверхвысокопольных томографов в клинических условиях. Однако, решив эту проблему, можно попробовать применить метаматериал и на более низком поле, я имею в виду 1,5-3 Тл, что может позволить улучшить разрешение соответствующих томографов и получить больше информации, чем сейчас», — комментирует эксперт.
Таким образом, как добавляет Марк Дюбуа, работа в этом направлении может помочь разработать решение для уже широко применяющихся устройств, с целью повышения качества и доступности диагностики.
