Научная
деятельность
Университет ИТМО

Ученые разработали новые зонды для магнитно-резонансной микроскопии на основе уникальной керамики

Ученые из Университета ИТМО совместно со специалистами исследовательского центра по изучению головного мозга NeuroSpin и Института Fresnel во Франции разработали новый зонд для магнитно-резонансной микроскопии. При его изготовлении использовался уникальный композитный материал, разработанный специалистами петербургского предприятия ООО «Керамика» и запатентованный в России и США. Проведенные эксперименты показали, что чувствительность нового зонда в два раза выше, чем у широко применяемого сегодня зонда в виде соленоида, изготовленного из меди. Разработанные с применением керамики зонды позволяют уменьшить время сбора данных, необходимое для микроскопии биологических образцов, а также повысить качество получаемых изображений за одинаковое время. Статья опубликована в журнале Advanced Materials.

Магнитно-резонансная микроскопия: как анализ живых объектов помогает изучать устройство мозга

Магнитно-резонансная микроскопия (МРМ) — метод, который является разновидностью магнитно-резонансной томографии, отличающийся особенно высоким пространственным разрешением: размеры визуализированных структурных элементов биологических образцов обычно менее 100 микрон. Метод позволяет визуализировать как внутренние органы и структуры тканей, так и одиночные клетки. Он является полезным инструментом для ученых благодаря своей способности генерировать цифровые срезы отсканированных образцов, которые могут быть встроены в виртуальные 3D-изображения. МРМ становится все более распространенным методом визуализации в эмбриологических исследованиях. Например, с помощью MRM были созданы первые трехмерные изображения эмбрионов человека в рамках проекта «Многомерный эмбрион человека», общедоступной базы данных трехмерных изображений эмбрионов.

Главная цель магнитно-резонансной микроскопии — получение изображения сравнительно малых образцов с как можно большим разрешением. Наибольший интерес это представляет в контексте анализа живых клеток, отклик которых на те или иные внешние воздействия необходимо исследовать. В частности, таким образом происходит функциональное исследование отдельных нейронов, которые экстрагированы из мозга ряда лабораторных животных. Исследование этих нейронов позволяет пролить свет на то, как устроена высшая нервная деятельность, что в перспективе может помочь исследовать и выработать способ лечения неврологических заболеваний человека.

На работу в этой области направлена деятельность целого ряда научных групп в мире. Например, такие исследования проводят в исследовательском центре NeuroSpin в Париже. Ученые этого центра занимаются изучением головного мозга, в том числе с помощью методов магнитно-резонансной томографии (МРТ). В центре есть и томографы, направленные на исследование мозга человека, и так называемые доклинические томографы с уровнем поля гораздо выше, чем в клинических устройствах — максимально до 17 Тл. Такой томограф, однако, имеет диаметр тоннеля всего около 9 см. Здесь проводятся исследования лабораторных животных или экстрагированных частей их головного мозга.

Исследовательский центр NeuroSpin.Источник: http://meg-france.in2p3.fr
Исследовательский центр NeuroSpin.Источник: http://meg-france.in2p3.fr

Магнитно-резонансную микроскопию интересно проводить именно на сверхвысокопольных томографах прежде всего потому, что, чем выше уровень поля магнита, тем больше соотношение сигнал / шум, и, соответственно, за то же самое время можно получить изображение с бОльшим разрешением.

С какими проблемами сталкиваются ученые

Для увеличения качества изображения исследователям необходимо получать как можно более мелкий размер вокселя, иными словами — элементарного кубика, из которого состоит изображение. Но с повышением разрешения и уменьшением размера вокселя уменьшается и соотношение сигнал / шум. Казалось бы, можно постоянно повышать разрешение, однако при этом картинка будет «зашумляться» все сильнее и в какой-то момент станет совершенно неинформативной. В этом и состоит ограничение.

Как отмечает Станислав Глыбовский, один из авторов статьи, сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО, существует ряд подходов, которые позволяют повысить соотношение сигнал / шум. В первую очередь, это увеличение самого поля магнита. Доклинические томографы с уровнем поля 17 Тесла — системы, которые позволяют получить близкое к максимальному на данный момент разрешение МРТ. Однако и здесь есть ряд проблем.

На полях уровня 17 Тл магнит становится нестабильным. Добиться стабильной работы очень трудно, поэтому такие системы, как та, что работает сегодня в Neurospin, уникальны. Из-за нестабильной работы магнита ученые не могут сканировать большие образцы. Например, нельзя получить качественное изображение всего тела лабораторного животного. Можно сканировать только маленькую выбранную область внутри, потому что именно в пределах этого участка магнитное поле имеет однородное распределение (и соответственно, частота, на которую откликаются спины ядер атомов водорода, также однородна). Если магнитное поле у магнита неоднородно, то и эта частота неоднородна, и принятые сигналы от спинов для части исследуемого объекта попросту не попадают в полосу приемника.

Станислав Глыбовский (второй слева) с иностранными партнерами по проекту
Станислав Глыбовский (второй слева) с иностранными партнерами по проекту

Кроме того, на практике соотношение сигнал / шум ограничивается также самими радиочастотными катушками и свойствами приемника. Классическое решение, которое сегодня используется на томографе 17 Тесла, — медные соленоиды в качестве приемо-передающих катушке, внутри которых помещается исследуемый образец. Однако из-за того, что проводимость меди не бесконечна, в этом случае возникает некоторая часть мощности полезного сигнала, которая рассеивается внутри самой катушки и не доходит до приемника. Другое ограничение связано с тем, что соленоид, помимо магнитного, всегда создает и квазистатическое электрическое поле. Это также приводит к нежелательным потерям энергии в самом образце.

Что предложила группа ученых из России и Франции

Группа ученых из Университета ИТМО, Института Fresnel и исследовательского центра NeuroSpin предложила заменить соленоид на диэлектрический зонд, выполненный с использованием уникального композитного материала, разработанного на предприятии ООО «Керамика». Внешний диаметр разработанного диэлектрического резонатора — 18 мм, внутренний — 6 мм. Он представляет собой цилиндр с отверстием, внутри которого размещается образец.

Исследование выполнялось в рамках сотрудничества по проекту M-Cube (международный проект реализуется в рамках программы Horizon 2020, подробнее о его целях и задачах можно почитать здесь). Ученые Университета ИТМО занимались расчетами и экспериментальными исследованиями катушки. В Институте Fresnel ученые-физики Марин Моссу (Marine Moussu) и Редда Абдеддайм (Redha Abdeddaim) построили функциональную теоретическую модель обоих зондов — как соленоида, так и катушки на основе диэлектрического резонатора, что позволило быстро предсказать возможный предел по соотношению сигнал / шум для каждой из них, а также определить, какой именно диэлектрик необходим для создания зонда с тем, чтобы превзойти по соотношению сигнал / шум возможности соленоидов.

Модель катушки, разработанной учеными
Модель катушки, разработанной учеными

В результате расчетов ученые выяснили: чтобы создать такой диэлектрический зонд, необходимо выполнить два условия. Во-первых, необходим материал с очень высокой диэлектрической проницаемостью (показатель, который характеризует молекулярный отклик какого-либо материала на внешнее электрическое поле). У каждого материала есть свое значение этого показателя. Например, у воздуха диэлектрическая проницаемость примерно равна 1, у керамики, которая используется в бытовых нуждах, 10. В данном случае, для получения соотношения сигнал / шум в два раза выше, чем у оптимизированного для заданного образца соленоидального зонда, необходимо было использовать материал с диэлектрической проницаемостью около 500. Во-вторых, у него должны быть очень низкие диссипативные потери: тангенс угла потерь на частоте работы томографа (730 МГц) не должен превышать 0.0008.

Как создавался уникальный материал, использованный в резонаторе                                               

Столь высокие значения диэлектрической проницаемости и малые диэлектрические потери имеют только специально синтезированные сегнетоэлектрические материалы в параэлектрической области. Такие диэлектрические материалы разрабатывают специалисты петербургского предприятия ООО «Керамика». По результатам расчетов исследователи установили, что уникальная разработка компании лучшим образом подходит для создания новых резонаторов. ООО «Керамика» сотрудничает с Университетом ИТМО по различным проектам более пяти лет, кроме того, среди партнеров предприятия — лаборатории и научные центры США и Европы.

«Современные керамические материалы — это многокомпонентные, сложные поликристаллические вещества. Такие материалы можно отнести к так называемымSmart materials” — “умным материалам” с заданным набором свойств. Мы создаем новые керамические материалы на основании нашего опыта, анализа проведенных предварительных исследований, которые выполнены с использованием современных методов физико-химического анализа и метрологии. Мы умеем управлять свойствами материалов и создаем керамики для различных применений, прежде всего, для применения в электронике. Кроме того, мы не только создаем материалы, но и изделия из них», — рассказывает Елизавета Ненашева, генеральный директор ООО «Керамика».

Елизавета Ненашева
Елизавета Ненашева

Главная особенность композитного керамического материала, который применили для разработки нового зонда, а именно его малые диэлектрические потери при сравнительно высокой диэлектрической проницаемости, определяется оригинальным составом керамики, а также технологией ее синтеза. Основа этого материала была разработана в 2007 году и запатентована как в России, так и США. Как отмечает Елизавета Ненашева, керамика уже нашла свое применение в микроволновых управляемых приборах для ускорительных систем повышенной мощности, разработанных в США, а также успешно прошла тестирование для применения в главном ускорителе в ЦЕРНе. Однако недавно наши исследователи выяснили, что материалы этой группы перспективны и для применения в МРТ.

«Для применения в управляемых электрическим полем приборах, таких как микроволновые фильтры, фазовращатели и др., особенно важен параметр управляемости диэлектрической проницаемости. Обеспечение повышенной управляемости, как правило, сопровождается некоторым повышением диэлектрических потерь сегнетоэлектрической композитной керамики. По совокупности параметров наш материал превосходит лучшие мировые аналоги. Вместе с тем, отсутствие требований к параметру управляемости в системах МРТ позволило уточнить рецептуру материала и существенно снизить его диэлектрические потери в диапазоне частот, в котором работает МРТ», — продолжает она.

Технология производства керамики — это сложный наукоемкий процесс, который включает в себя несколько этапов. Все начинается с процесса смешения исходных сырьевых компонентов в необходимых пропорциях, далее проводится синтез материала, его последующее измельчение и введение органической связки для проведения гидравлического и изостатического прессования образцов необходимой формы и размеров. После этого образцы спекают в специальных электрических печах и проводят рентгенографический контроль фазового состава. Затем осуществляется шлифовка образцов до заданного размера и измерение их электрических характеристик в необходимом диапазоне частот. Для проведения измерений в диапазоне радиочастот образцы предварительно металлизируют. Последним этапом является контроль внешнего вида образцов и их упаковка.

Сотрудница ООО «Керамика» занимается контролем электромагнитных свойств уникальных керамических материалов
Сотрудница ООО «Керамика» занимается контролем электромагнитных свойств уникальных керамических материалов

Что показали эксперименты

Из разработанного материала был изготовлен зонд, который испытали на высокопольном томографе Bruker с полем 17 Тл в исследовательском центре NeuroSpin, сравнив его с соленоидом, специально оптимизированным под цилиндрический образец диаметром 4 мм и длиной 12 мм. В результате эксперимент показал увеличение соотношения сигнал / шум в два раза в случае использования диэлектрического резонатора.

«Теоретически было предсказано, что чувствительность этого зонда в два раза выше, чем у соленоида, изготовленного из меди — золотого стандарта в магнитно-резонансной микроскопии. Наши эксперименты, проведенные на различных образцах — стеблях и мелких плодах растений, а также на биологических тканях — подтвердили эти теоретические результаты. Основным преимуществом разработанного устройства является повышение чувствительности, что существенно для магнитно-резонансной микроскопии», — комментирует Луиза Чиобану (Luisa Ciobanu), один из авторов статьи, сотрудник исследовательского центра NeuroSpin.

Станислав Глыбовский добавляет, что зонд на основе диэлектрика также оказался довольно простым в использовании по сравнению с соленоидом. Обычно, чтобы добиться максимального соотношения сигнал / шум, перед каждым экспериментом необходимо подбирать емкость конденсаторов и постоянно настраивать параметры катушки, так как частота настройки зависит от свойств исследуемого объекта. В случае использования диэлектрического резонатора сделать это гораздо проще.

Сравнение микроскопического изображения спинного мозга крысы (показано поперечное сечение), сделанное на томографе 17 Тл с использованием предложенного керамического зонда и стандартного зонда в виде соленоида
Сравнение микроскопического изображения спинного мозга крысы (показано поперечное сечение), сделанное на томографе 17 Тл с использованием предложенного керамического зонда и стандартного зонда в виде соленоида

«У всех керамических объектов с большим эпсилоном есть минус: их диэлектрическая проницаемость очень сильно зависит от температуры. Например, даже отклонение на пять градусов от комнатной температуры приводит к полной расстройке резонансной частоты в томографе. Но оказалось, что это свойство, наоборот, можно использовать на благо: катушка вместе с образцом была помещена в электронно-управляемое устройство термостабилизации, которое используется для контроля температуры живых объектов. С помощью этого устройства нам удалось установить нужную температуру резонатора так, чтобы настроить нашу катушку на нужную частоту и зафиксировать ее в течение всего сканирования. Таким образом, мы можем, даже не вынимая образец, электронным образом прямо на экране консоли томографа убедиться в том, что наша катушка настроена правильно и подстраивать при необходимости частоту удаленно», — объясняет он.

Перспективы применения и дальнейшие исследования

В магнитно-резонансной микроскопии разрешение получаемых изображений зависит от достижимого отношения сигнал / шум за конкретное время сбора данных (за бОльшее время можно добиться лучшего отношения и, следовательно, получить более высокое качества снимка). Однако в случае с большинством биологических образцов, например, живых клеток и экстрагированных тканей, их сканирование должно производиться очень быстро — за это время образец не должен испортиться, объясняет Луиза Чиобану.

«Увеличение чувствительности в два раза, которое мы получили благодаря зонду на основе керамики, ускорит время сбора данных в четыре раза для того же разрешения. Следовательно, такое устройство перспективно для применения в биологических исследованиях. Помимо магнитно-резонансной микроскопии, такой зонд также может быть очень полезным для ЯМР-спектроскопии (спектроскопия ядерного магнитного резонанса — прим. ред.), которая в отличие от масс-спектрометрии является неразрушающей. Однако из-за своей более низкой чувствительности последняя методика требует много материала. Керамический зонд, описанный в нашей статье, может обеспечить множество ограниченных по массе применений, таких как идентификация новых натуральных продуктов, анализ метаболитов или исследование разложения агрохимикатов и пестицидов», — рассказывает исследователь.

Исследовательский центр NeuroSpin. Источник: www.lorientlejour.com
Исследовательский центр NeuroSpin. Источник: www.lorientlejour.com

Ориентируясь на первые полученные результаты, специалисты ООО «Керамика» уже приступили к разработке серии новых материалов, чтобы в перспективе разработать для томографа 17 Тл зонд с еще более высокой чувствительностью. Кроме того, как отмечает Станислав Глыбовский, исследователи заинтересованы и в создании зондов с другими формами и размерами, чтобы улучшить микроскопию других типов биологических образцов и in-vivo исследования головного мозга лабораторных животных.