Не шумите, МРТ идет

Выходя из кабинета МРТ с новеньким снимком головного мозга, задумываются ли люди о тяжести научных изысканий, которые предшествовали его получению? А ученые, напротив, обязательно учитывают нужды конечного потребителя их разработок. Так, исследователи прикладной радиофизики на физико-техническом факультете Университета ИТМО трудятся на благо медицинских целей.

Чтобы узнать о новых технологиях из первых уст, мы пообщались с сотрудницей международной научной лаборатории прикладной радиофизики Анной Хуршкайнен.

Встретились однажды специалисты в области квантовых явлений, радиофизики и электродинамики и создали… прорывные технологии в биомедицине. Стало это возможным благодаря магнитно-резонансной томографии*, которая за последние несколько лет шагнула далеко вперед и открыла огромный простор для исследований, открытий и патентов.

*Чтобы получить изображение исследуемого объекта по методу магнитно-резонансной томографии, необходимо поместить его в область сильного постоянного магнитного поля. Затем с помощью радиоволн возбудить частицы объекта (протоны) и получить отклик, то есть дождаться их собственного излучения после перехода из возбужденного в обычное состояние — релаксации. При этом регистрируется выделенная энергия, и получается МРТ-снимок.

Камера. Пирамидки. Поехали

Все начинается с тотального отключения от любых сетей. Ничто, тем более случайные звонки на мобильный телефон, не должно искажать практически идеальные условия экспериментов. Ведь нас ждут приборы, способные детально показать электромагнитное поле. Чтобы исследовать его в мельчайших подробностях, надо попасть в безэховую в электромагнитном смысле камеру и тут же оказаться на острие (см. фото эхоулавливающих пирамидок) современной науки. В глаза сразу бросаются инструменты ученых: векторный анализатор цепей, трехкоординатный манипулятор, осциллограф и даже паяльник. С их помощью радиофизики могут определить параметры электромагнитного поля практически в каждом микрометре камеры. Теперь все готово: можно получать отклик электромагнитной волны от исследуемого объекта. Главное не шуметь. Кстати о шуме…

Отношение сигнал / шум*: все сложно

Любой сигнал несет в себе как важную, так и бесполезную информацию. Для получения качественного снимка МРТ необходимо выделить из пришедшего отклика полезную информацию и из нее выдать результат исследования в виде изображения. Однако это сделать не так-то просто, ведь все, что находится в исследуемой области пространства, тоже излучает свой сигнал. Как итог, мы получаем смесь важной и шумовой информации. Поэтому требуется разрабатывать методы, которые позволят физически сделать полезный сигнал более заметным в приходящем спектре.

*ОСШ (signal-to-noise ratio, или SNR, в англоязычной литературе) показывает, во сколько раз полезный сигнал больше шума в приходящем спектре от объекта исследования.

Сверхвысокопольная томография

Один из возможных способов улучшить ОСШ — повысить индукцию постоянного магнитного поля, в которое помещается объект. Чем она больше, тем сильнее увеличивается расщепление между энергетическими уровнями, на которые в возбужденном состоянии могут переходить ядра атомов. И как следствие, при их релаксации излучение становится более заметным.

Важно понимать: с увеличением индукции постоянного магнитного поля растут частоты возбуждающего и релаксирующего излучений. А значит, нужно повышать частоту возбуждающего излучения. Это может показаться страшным, ведь мы привыкли к тому, что излучение на высоких частотах вредно. Однако в процессе МРТ даже при очень больших значениях индукции постоянного магнитного поля излучение не выходит за границы радиодиапазона*. Это еще одна из причин, по которой МРТ считается наиболее безопасным методом неинвазивного исследования.

*В клинических аппаратах МРТ используются магнитные поля около 1,5 Тл. При таких значениях частота облучения пациента составляет приблизительно 63 МГц. Сейчас существуют разработки с использованием постоянного магнитного поля в 7 Тл.

В таких аппаратах уже требуется частота 300 МГц. Для сравнения, частота нижней границы видимого диапазона (красный свет) — 400 ТГц, а мягкого рентгеновского излучения — 30 000 ТГц. Таким образом, за счет малых значений используемых частот МРТ один из самых безопасных способов исследования человека.

Казалось бы, для получения более четких и контрастных снимков стоит значительно увеличить индукцию магнитного поля. Однако здесь в силу вступают технические ограничения. В клиниках для создания требуемого поля используются электромагниты в сверхпроводящем* состоянии. Само по себе это удовольствие не дешевое, требует грамотного обслуживания и технологичного оборудования. А создание полей, по силе в несколько раз превышающих те, что уже используются на практике, ― это задача для научных групп. Ведь структура поля должна быть управляема, стабильна и однородна. И самое главное — его область должна покрывать человека.

Еще один фактор, ограничивающий значение индукции поля, — ощущения пациента. Нет доказательств, что постоянное магнитное поле величиной индукции более 5 Тл вредно для человека, но переходный процесс, происходящий в теле в момент наведения этого поля, вызывает неприятные чувства. Это объясняется перераспределением жидкостей в организме, а больше всего чувствуется перераспределение кровотока в мозге.

*В сверхпроводящем состоянии у объекта отсутствует электрическое сопротивление. Это позволяет течь сквозь него электрическому току огромной силы и создавать колоссальные значения магнитной индукции.

Улучшение антенн

Другой способ получить минимально зашумленный отклик и принять его без лишних помех — улучшить ближнее поле излучающей и приемной катушек. По сути это антенны, которые излучают и принимают волны радиодиапазона. Добиться улучшения ближнего поля с использованием обычных антенн возможно, но с большим ущербом для времени сканирования. Поэтому, чтобы не задерживать получение снимка и в то же время повысить его качество, в лаборатории физико-технического факультета создаются специальные периодические структуры — метаматериалы*. С их помощью ученые могут формировать поле с такими параметрами, которые позволят получить изображения с улучшенным ОСШ. То есть метаматериалы дают возможность создавать желаемое излучение на некотором удалении от себя за счет фокусирования или перераспределения электромагнитного поля.

На этом удивительные способности метаматериалов не заканчиваются: в лаборатории физико-технического факультета была запатентована приемо-передающая двухчастотная антенна с возможностью управления распределением ближнего поля. Она позволяет приходящему сигналу резонировать на двух разных частотах, которые не влияют друг на друга.

*Метаматериалы — искусственно созданные или модифицированные материалы, в которых изменение структуры приводит к новым магнитным, электрическим, оптическим и другим физическим свойствам.

Нейросети, распознающие костные ткани

Одно дело — получить качественный снимок. Но не менее важно его расшифровать и сделать по нему медицинское заключение. Тут уже на помощь приходят нейросети и алгоритмы обучения анализу изображений. Здесь же, на физико-техническом факультете, ученые разрабатывают способы определения границ хрящевых тканей и выделения их на снимке в автоматическом режиме. Это значительно облегчит труд медицинских работников, которым до сих пор приходится вручную обрабатывать изображения, чтобы определить толщину интересующих тканей для диагностики таких заболеваний, как, например, остеоартроз. Благодаря нейросетевым технологиям станет возможным оперативнее и точнее диагностировать проблемы, которые возникли у пациента.

Казалось бы, электромагнитные волны уже полвека используются для неинвазивных исследований человека. Однако по сравнению с рентгенографией у МРТ на современном этапе развития технологий колоссальный потенциал, который только растет с каждым новым открытием.

Материал опубликован в журнале NewTone