Последние несколько лет вы работаете в департаменте High-field Magnetic Resonance Института Макса Планка. Расскажите, пожалуйста, чему посвящены ваши текущие исследования?
Я занимаюсь разработкой новых радиочастотных (РЧ) датчиков для МРТ. Что такое МРТ, наверное, сейчас известно уже большинству людей, поскольку за последние 40 лет, с тех пор как эту технологию разработали, она успела прийти в огромное количество клиник и стать незаменимым инструментом диагностики. Но и сегодня люди работают над улучшением этой технологии, разрабатывая новые системы МРТ.
МРТ — это в первую очередь огромный цилиндрический магнит, в который помещается пациент или волонтер для получения трехмерного изображения. Но прежде чем это изображение создать, нужно провести огромную исследовательскую работу. Ее ведут инженеры, физики, врачи и другие специалисты. Я являюсь одним из звеньев в этой цепи и занимаюсь исследованиями на стыке физики и инженерии. Более конкретно — мы разрабатываем датчики для сверхвысокопольного экспериментального МРТ, которое используется на стадии возбуждения, приема и обработки сигнала, полученного в результате физического эффекта ЯМР.
Одно из основных направлений — разработка новых экспериментальных сверхвысокопольных систем МРТ, то есть использующих более высокое постоянное магнитное поле, что позволяет улучшить разрешение изображения или уменьшить время сканирования, что очень важно для многих клинических исследований и диагностики.
Обычные клинические томографы используют постоянные поля до 3 Т, но сейчас появляются экспериментальные томографы с магнитным полем 7 Т и выше. Принято называть томографы с магнитным полем 7 Т и выше сверхвысокопольными. Томографов с полем в 7 Т в мире уже насчитывается около ста, но ведутся разработки по дальнейшему увеличению магнитного поля. Например, у нас в Институте Макса Планка в Тюбингене есть МРТ аппарат 9,4 Т.
Но даже при переходе от 7 к 9,4 Т, возникает много технических проблем, требующих серьезных научно-технических разработок, включая расчет и конструирование датчиков для МРТ нового поколения.
В чем заключаются эти сложности?
Увеличение постоянного магнитного поля приводит к соответствующему увеличению частоты РЧ-датчиков. Например, клинические 3 Т томографы используют датчики с резонансной частотой около 120 МГц, тогда как 7 Т томограф требует датчики с частотой в 300 МГц. Это в первую очередь приводит к укорочению длины волны РЧ-поля в тканях человека. Если частота 120 МГц соответствует примерно длине волны в 35-40 сантиметров, то на частоте 300 МГц она уменьшается до величины около 15 см, что гораздо меньше размеров тела человека.
В результате этого эффекта чувствительность РЧ-датчиков может сильно искажаться при изучении больших объектов (больше длины волны). Это приводит к трудностям в интерпретации изображений и диагностики клинических заболеваний и патологий. В поле 9,4 Т, что соответствует частоте датчиков в 400 МГц, все эти проблемы становятся еще более критичными.
То есть такие снимки становятся фактически нечитаемыми?
Я бы так не сказал. Выражаясь точнее, в некоторых случаях это затрудняет их интерпретацию. Тем не менее, существуют группы, разрабатывающих методики для получения МР-изображений всего тела человека. Однако задачи нашей группы, сосредоточены в первую очередь на исследовании головного мозга.
Какие именно возможности для медицины открывают исследования в области сверхвысокопольного МРТ?
Как вы знаете, при МРТ человек должен лежать неподвижно: если вы начинаете двигаться во время измерений, картинка получится искаженной. При этом какие-то методики МРТ могут занимать до часа, и понятно, что не двигаться в течение всего этого времени сложно. Повышенная чувствительность сверхвысокопольных томографов дает возможность получать изображения не только с более высоким разрешением, но и гораздо быстрее. Это в первую очередь важно при исследовании детей и пациентов пожилого возраста.
Нельзя также не сказать о возможностях для магнитно-резонансной спектроскопии (МРС, метод, позволяющий определить биохимические изменения тканей при различных заболеваниях по концентрации определенных метаболитов — прим.ред.).
В МРТ основным источником сигнала являются атомы водорода молекул воды. Но, кроме этого, существуют и другие атомы водорода, находящиеся в других молекулах, которые важны для функционирования человеческого организма. В качестве примера можно привести различные метаболиты, нейромедиаторы и т.д. Измерение пространственного распределения этих веществ с помощью МРС может дать полезную информацию для изучения патологий связанных с нарушением метаболизма в организме человека. Часто чувствительность клинических томографов недостаточна для их изучения из-за их низкой концентрации и, как следствие, меньшего сигнала.
В дополнение к этому можно наблюдать ЯМР-сигнал не только от атомов водорода, но и других магнитных атомов, которые тоже очень важны для диагностики заболеваний и медицинских исследований. Однако, во-первых, их ЯМР-сигнал гораздо слабее за счет меньшего гиромагнитного отношения и, во-вторых, их естественное содержание в теле человека гораздо меньше чем атомов водорода. Повышенная чувствительность сверхвысокопольного МРТ исключительно важна для МРС.
Еще одним важным направлением МРТ-методик, для которых критически важна повышенная чувствительность, является функциональная МРТ – важная методика для когнитивных исследований мозга человека.
Пока в подавляющем большинстве клиник мира нет высокопольных томографов. Каковы перспективы того, что томографы 7 Т, а после и 9 Т смогут использоваться в обычной диагностике?
Чтобы томограф пришел в клинику, он должен быть сертифицирован, проверен по условиям безопасности, должна быть составлена соответствующая документация. Это достаточно сложная и длительная процедура. Пока существует только одна компания в мире, которая начала сертифицировать не только датчики, которые мы делаем, но и сам прибор. Это компания Siemens.
Томографы 7 Т есть, их не так много, и полностью клиническими их пока назвать нельзя. То, что я назвал, это предклинический вариант, но это устройство уже сертифицировано, то есть потенциально может использоваться в клиниках.
Предсказать, когда в клиниках появятся томографы 9,4 Т, еще сложнее. Основная проблема здесь заключается в возможном локальном нагрева тканей РЧ-полем датчика за счет сильного уменьшения длины волны. Один из важных направлений инженерных исследований сверхвысокопольной МРТ является детальное численное моделирование этого эффекта для обеспечения безопасности пациентов. Несмотря на то, что подобные исследования ведутся в рамках научных учреждений, переход в клиническую практику требует дополнительных изысканий.
Как сейчас строится сотрудничество между Институтом Макса Планка и Университетом ИТМО? Какие совместные результаты вам уже удалось получить?
Работа продвигается очень успешно. Сейчас с нами работает Георгий Соломаха, аспирант Университета ИТМО. Недавно мы опубликовали статью в одном из ведущих журналов, посвященную техническим разработкам в области МРТ. В этой работе мы экспериментально подтвердили результаты предыдущих теоретических исследований, позволяющих улучшить чувствительность сверхвысокопольных РЧ-датчиков за счет использования модифицированных и оптимизированных дипольных антенн. Итог этой работы, на мой взгляд, получился очень многообещающий.
Сейчас мы также работаем еще над несколькими статьями, которые посвящены использованию подобных методов, но уже для других задач. А недавно Георгий получил грант на поездку в Германию. В следующем месяце он приезжает к нам на полгода, и мы продолжим совместную работу по дальнейшей разработке датчиков для МРТ.
На этой неделе вы провели спецкурс на программе магистратуры «Радиочастотные системы и устройства». Какие главные темы вы затронули?
Курс посвящен различным техническим особенностям разработки датчиков для МРТ. В этой сфере есть много тонкостей, которые необходимо знать, поэтому я представил ряд базисных методик, которые используются для разработки и изготовления этих датчиков. Кроме того, я представил лекцию о своих последних разработках. Всего курс включает восемь лекций по два академических часа, которые рассчитаны на четыре дня. В конце также проводится демонстрация, которая позволяет более доходчиво объяснить эти методики.
Студенты магистратуры сейчас находятся в процессе выбора своего будущего направления, поэтому, думаю, этот курс даст им дополнительную информацию для оценки своих перспектив.
А если говорить в целом об образовании в области МРТ технологий, какие, на ваш взгляд, сегодня знания и навыки прежде всего требуются от таких специалистов?
Несмотря на то, что наша область сейчас стала очень популярной и перспективной для использования в клинической диагностике, каких-то инженерных курсов, которые готовили бы узкоспециализированных специалистов, занимающихся изготовлением катушек для МРТ, сейчас не существует. Образовалась некая брешь. И думаю, что мы вместе как раз можем ее заполнить.
