Научная
деятельность
Университет ИТМО

Инженер и ученый в одном: как готовят разработчиков новых систем для МРТ в Университете ИТМО

Технология МРТ давно зарекомендовала себя как незаменимый инструмент медицинской диагностики. Однако сегодня ученые продолжают работать над ее развитием и созданием новых, улучшенных систем. Одно из актуальных научных направлений — работа с сверхвысокопольными томографами, которые позволяют существенно повысить точность медицинских исследований. Разработчиков новых устройств для МРТ готовят на магистерской программе «Радиочастотные системы и устройства» Университета ИТМО, студенты которой могут выбрать обучение по отдельному МРТ-треку. Уже в магистратуре они могут заниматься научными исследованиями, а также пройти стажировку за рубежом в составе международной научной группы. Подробнее о том, как строится обучение на программе и каких специалистов здесь готовят, — в нашем материале.

Программа «Радиочастотные системы и устройства» реализуется в Университете ИТМО уже два года. Ее главная цель — обеспечить магистрантов глубокими знаниями в области радиофизики и вместе с этим необходимыми навыками в области разработки приборов и устройств для современных радиочастотных систем связи, приема, передачи и обработки данных, а также систем медицинской диагностики.

Обучаясь на программе, магистранты могут выбрать два трека. Первый — «Радиочастотные системы и устройства» — направлен на подготовку разработчиков антенн современных систем связи. Второй — трек по МРТ — связан с разработкой радиочастотных систем магнитно-резонансной томографии.

Как подчеркивает Станислав Глыбовский, руководитель образовательной программы, сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО, программа МРТ-трека была разработана на основе серьезного научного задела, который создан в Международном научно-исследовательском центре нанофотоники и метаматериалов.

«У нас создана международная научная лаборатория, которая занимается исследованиями в области МРТ, также еще с 2014 года мы работали над рядом научных проектов, в том числе по грантам РНФ и ФЦП по этой тематике. В связи с этой работой у нас возникло множество новых задач, и появилась необходимость готовить кадры — учить студентов выполнять научные исследования в области методов и систем МРТ в целом и разработки новых радиочастотных катушек, в частности», — комментирует он.

Станислав Глыбовский
Станислав Глыбовский

Почему такие специалисты сегодня востребованы

Все томографы можно условно разделить 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 Тл.

Сверхвысокопольные томографы используются пока только в научно-исследовательских лабораториях. Например, в крупнейших европейских центрах вроде NeuroSpin в Париже проводятся эксперименты на томографах 7 Тл, полностью вмещающих тело человека. В России сверхвысокопольная МРТ проводится на данный момент только на специальных доклинических томографах, рассчитанных на лабораторных животных. Работа с такими медицинскими и исследовательскими системами открывает целый ряд перспектив и возможностей для развития медицинской диагностики.

Во-первых, с ростом уровня поля магнита растет получаемое разрешение изображений. Во-вторых, помимо качества снимков, уровень поля влияет и на скорость проведения диагностики. Чем выше напряженность поля, тем быстрее будет выполнено обследование. Поэтому сверхвысокопольный томограф с уровнем поля 7 Тл может сократить время процедуры в несколько раз по сравнению с существующими клиническими томографами.

Как рассказывает Станислав Глыбовский, сегодня в медицинских центрах Франции, Нидерландов и Германии уже созданы и успешно работают целые штаты инженеров и разработчиков радиоэлектронной аппаратуры. Они следят за работой томографов, поддерживают эти устройства, создают радиочастотные катушки и определенным образом настраивают томограф для проведения тех или иных исследований.

МРТ. Источник: shutterstock.com
МРТ. Источник: shutterstock.com

Зачем это нужно? В медицинских научно-исследовательских центрах, где ведутся исследования на сверхвысокопольных томографах, невозможно пользоваться уже готовыми решениями, добавляет он. Например, различные методы исследования отделов головного мозга человека требуют специализированных радиочастотных катушек, многих из которых сегодня нет на рынке. Поэтому специалисты, которые самостоятельно могут разработать устройство под конкретные эксперименты, востребованы на рынке.

«Мы регулярно отслеживаем вакансии, в Европе нам известны десятки центров, где такие специалисты являются очень востребованными. Но мы также наблюдаем определенные тенденции в российской медицинской индустрии и верим, что в ближайшее время в медцентрах нашей страны, где пока сверхвысокопольные томографы используются только для исследований на лабораторных животных, появятся томографы 7 Тл для исследования всего тела человека. Именно поэтому мы хотим подготовить специалистов, которые смогут выполнять соответствующие задачи», — комментирует Станислав Глыбовский.

Какие компетенции получают студенты магистратуры

В первую очередь в рамках МРТ-трека дается фундаментальная база в области технической физики. Однако, как подчеркивает руководитель программы, по итогам успешной подготовки выпускник программы не только получает компетенции ученого-физика, но и необходимые навыки современного инженера-разработчика.

Спецкурс Николая Авдиевича в Университете ИТМО
Спецкурс Николая Авдиевича в Университете ИТМО

«Нашей целью является подготовка креативных инженеров. Это значит, что по окончании нашей программы магистранты должны глубоко понимать основы радиофизики, чтобы в дальнейшем быть способными создавать приборы, например, радиочастотные катушки, предназначенные для уникальных медицинских экспериментов. Почему это необходимо? Разработка радиочастотных катушек — действительно уникальное направление, здесь нельзя открыть учебник и на каждый случай жизни выбрать готовое или даже похожее решение. Инженер, который работает в медицинском центре, в силу уникальности аппаратов МРТ, сталкивается с задачами, которые, как правило, до него никто не решал», — говорит он.

Как строится обучение в рамках МРТ-трека

Выбор трека

Трек выбирается в начале обучения. При этом студентам также дается один месяц на то, чтобы они выбрали научного руководителя. Это важно, так как именно этот выбор определяет научные интересы магистранта и его дальнейшее направление работы. Однако, даже выбрав трек, можно впоследствии по желанию брать предметы из другого трека данного направления.

Базовая подготовка

Так как в магистратуру поступают студенты из разных вузов, в начале обучения на программе они проходят курсы, которые помогают повторению необходимого в дальнейшем материала. Среди таких дисциплин — техническая электродинамика, радиотехнические цепи и сигналы, квантовая радиофизика. Это базовые курсы, успешное освоение которых позволит в дальнейшем изучать специальные разделы, связанные с разработкой радиочастотных катушек, а также методами магнитного ядерного резонанса для томографии и спектроскопии.

Физико-технический факультет
Физико-технический факультет

Научная работа

Научно-исследовательская работа начинается уже на первом курсе магистратуры. И это главная особенность обучения на программе. Сейчас на физико-техническом факультете идет работа по целому ряду проектов в области МРТ. Студенты, которые с начала обучения заинтересовались научными исследованиями, могут также включаться в работу над ними. Кандидаты, прошедшие испытательный срок, принимаются в штат и получают зарплату.

Курсы от ведущих специалистов в области

Как отмечает Михаил Зубков, научный сотрудник физико-технического факультета, который координирует образовательный процесс в рамках МРТ-трека, научный коллектив физико-технического факультета сотрудничает с несколькими международными научными группами, которые сегодня являются ведущими в области разработки радиочастотных катушек для МРТ. Среди них — группа проф. Эндрю Вебба (Лейден, Нидерланды), д-ра Нико Ванденберга (Утрехт, Нидерланды), коллектив ученых CEA Neurospin (Париж, Франция), Института Макса Планка (Тюбинген, Германия), Центра генной инженерии и биотехнологий (Гавана, Куба), Центра передовых инноваций и исследований в области изображений Нью-Йорка.

Михаил Зубков
Михаил Зубков

При этом ученые не только решают совместные научно-исследовательские задачи, но и обмениваются опытом. Например, недавно старший научный сотрудник Института Макса Планка Николай Авдиевич посетил Университет ИТМО и провел спецкурс для студентов. В рамках программы он рассказал о своей работе, а также представил методики, которые используются сегодня для разработки и изготовления новых радиочастотных катушек и электронных устройств для экспериментальных сверхвысокопольных МРТ (Подробное интервью с Николаем Авдиевичем читайте в нашем материале).

«Мы рады, что наши научные контакты позволяют не только выполнять совместные исследования, но и помогают приглашать ведущих специалистов в области, чтобы они могли поделиться знаниями с нашими студентами — прочитать курс лекций, провести воркшопы, — комментирует Михаил Зубков. — Кроме того, наши студенты уже с первого года обучения могут ездить к ним на научные стажировки, чтобы в ходе совместной научной работы перенимать у них опыт».

Стажировки и работа в составе международных научных групп

Например, студентка второго года обучения Ксения Леженникова в прошлом году отправилась на стажировку в Университет Экс-Марсель (Aix Marseille University — AMU, Center for Magnetic Resonance in Biology and Medicine), где смогла познакомиться с работой сверхвысокопольного томографа 7 Т, а также провести исследования по разработке собственной катушки.

Ксения Леженникова на стажировке в Университете Экс-Марсель
Ксения Леженникова на стажировке в Университете Экс-Марсель

«Я работаю над проектом “Магнитный экран”, который является частью большой программы M-Cube. В процессе работы, после того как у нас закончился этап моделирования, появилась необходимость сделать эксперименты, собрать образец — катушку, протестировать ее в томографе. Чтобы реализовать все это, было необходимо отправиться во Францию к нашим партнерам. В лаборатории Университета Экс-Марсель я работала над своим образцом месяц. Кроме того, там мне удалось присутствовать на эксперименте на реальном томографе, увидеть, как тестируются другие катушки. Это был очень полезный опыт. Уже на первом курсе магистратуры у меня появился шанс съездить в университет в другую страну, поработать с зарубежными коллегами, побывать на сканировании на сверхвысокопольном томографе, а это на самом деле удается сделать немногим», — рассказывает она.

Кроме того, после работы во Франции Ксения съездила на летнюю стажировку в Университет Аалто (Финляндию). Сейчас она продолжает заниматься исследованиями в области МРТ, а впоследствии планирует развить научную работу в аспирантуре.

Продолжить научную карьеру выпускники могут как в аспирантуре Университета ИТМО, так и в Европе, добавляет Станислав Глыбовский. Например, сейчас один из выпускников магистерской программы работает над своими исследованиями в Institut Langevin и NeuroSpin в Париже, другие аспиранты также сотрудничают с европейскими партнерами Университета ИТМО.