Научная
деятельность
Университет ИТМО

Ученые из России предложили устройство, которое сделает МРТ молочных желез более эффективным

Оно универсально, имеет очень высокую чувствительность и гораздо дешевле аналогов от известных производителей, а также удобно в эксплуатации, так как является беспроводным. Статья, описывающая изобретение, опубликована в журнале Nature Communications.

Магнитно-резонансная томография, или сокращенно МРТ, считается одним из самых совершенных средств диагностики в арсенале современных медиков. Аппараты МРТ могут выявлять проблемы с органами и тканями, суставами, кровеносной системой, обнаруживать опухоли и многое другое. Врачи разного профиля все чаще направляют пациентов на МРТ перед постановкой диагноза.

Для исследования рака молочной железы ― самого распространенного среди женщин онкологического заболевания ― результаты МРТ-исследования могут стать не просто решающими в постановке диагноза, но и спасти жизни, поскольку раннее обнаружение опухоли практически гарантирует полное выздоровление пациентки.

«По сравнению с рентгеном и ультразвуком МРТ позволяет более точно локализовать новообразования, что сказывается на достоверности диагноза, ― рассказывает первый автор статьи, научный сотрудник Нового физтеха Университета ИТМО Алёна Щёлокова. ― В том числе МРТ особенно актуальна для молодых женщин с плотной тканью молочной железы или с грудными имплантатами, когда маммография часто не способна различать здоровые и раковые ткани».

Алёна Щёлокова
Алёна Щёлокова

Однако, несмотря на возможности, которые открывает перед медиками данный вид диагностики, исследования молочных желез при помощи МРТ проводятся сравнительно редко, поскольку для этого, кроме, собственно, томографа, нужно дополнительное специализированное оборудование. Из-за дороговизны последнего далеко не все клиники могут себе это позволить.

В результате ― для диагностики используют стандартную комплектацию томографа, и полученные после сканирования изображения выходят недостаточно информативными для постановки диагноза, а мелкие детали и вовсе могут быть упущены.

Чтобы это компенсировать, зачастую прибегают к увеличению времени сканирования за счет его многократных повторений, что однако приводит к тому, что пропускная способность даже у высокотехнологичных МРТ-кабинетов становится очень низкой, а пациенты испытывают дискомфорт от долгого нахождения внутри сканера. В итоге необходимую процедуру обследования получают только женщины в повышенной группе риска, а для молодых пациенток без наследственных предрасположенностей эта процедура остается практически недоступной.

Вопрос оборудования

Работа магнитно-резонансного томографа основана на возбуждении ядер атомов водорода ― протонов ― при помощи радиоволн и регистрации их ответных сигналов. Для этого внутри томографа создается сильное постоянное магнитное поле, в котором протоны переходят в новое энергетическое состояние.

Находясь в этом состоянии, они способны принимать и отдавать энергию в виде привычных всем в быту радиоволн. Собрав радиосигналы от протонов внутри диагностируемой области, становится возможным построить подробное анатомическое изображение выбранной части человеческого тела. Причем у разных органов и тканей организма данное радиоизлучение будет отличаться вследствие неоднородной плотности протонов и некоторых других характеристик биологических тканей, что позволяет получить контраст между ними в изображении, а значит оперативно выявлять признаки заболеваний.

Сердцем типичного клинического магнитно-резонансного томографа является большая приемо-передающая катушка (в МРТ «катушками» называют специализированные антенны ― прим. ред.) типа «птичья клетка» (birdcage), возбуждающая протоны в теле человека.

По своим размерам она сопоставима с туннелем, в котором лежит пациент во время прохождения обследования. Она позволяет создавать радиочастотные поля высокой пространственной однородности, чтобы большинство протонов получили свою равную порцию энергии, и картинка на выходе была без каких-либо темных пятен. В то же время, для приема ответных слабых сигналов ядер она не годится. Для этого применяют другие, более маленькие катушки различной конфигурации, оптимизированной под тот или иной регион тела (голова, колено, спина и т.п.).

1 A - Стандартная процедура клинической МРТ; В - Новый подход. Иллюстрация из статьи
1 A - Стандартная процедура клинической МРТ; В - Новый подход. Иллюстрация из статьи

«В МРТ есть два процесса ― возбуждение и прием сигнала, ― рассказывает Алёна Щёлокова. ― Катушка типа “птичья клетка” не позволяет получить МР изображение с достаточным контрастом и отношением сигнал-шум, так как она имеет большой объем и располагается далеко от конкретной области исследования. Поэтому в качестве принимающего антенного элемента используются небольшие специализированные катушки для каждого органа. Обычно в клиниках есть только ограниченный набор таких локальных принимающих катушек, и катушка для исследования груди к этому набору зачастую не относится. А без специфического оборудования снимок молочной железы будет очень низкого качества, которое, скорее всего, не позволит провести диагностику».

Керамический резонатор

Группа российских ученых, под руководством исследователей из Университета ИТМО, предложили другой подход к решению проблемы. Ученые предложили концепцию направленного возбуждения и приема сигнала с помощью специального диэлектрического резонатора, который фокусирует радиочастотное магнитное поле большой катушки в молочной железе. Это позволяет избежать необходимости использования специализированной дорогостоящей принимающей катушки.

«Если провести аналогию с фотоаппаратом, то представьте, что вместо панорамного снимка вы делаете зуммирование и фокусируетесь только на той детали, которая вам интересна», ― приводит пример Алёна Щёлокова.

Само по себе устройство представляет собой небольшой полый композитный цилиндр из нового вида специализированной керамики, разработанной компанией ООО «Керамика» в Санкт-Петербурге.

«Современные керамические материалы — это многокомпонентные, сложные поликристаллические вещества. 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

Керамика в составе резонатора обладает очень большой величиной относительной диэлектрической проницаемости, что позволяет снизить скорость распространения электромагнитной энергии внутри материала, а следовательно, фокусировать её путем придания этому материалу определенной пространственной геометрии. Что еще более важно, данная керамика обладает низкими диэлектрическими потерями, позволяя избежать значительного влияния на амплитуду электромагнитных волн, не приводя к их быстрому затуханию.

Будучи настроенным на частоту работы томографа, резонатор локализует и усиливает магнитную компоненту радиочастотного поля в молочной железе, при этом возбуждение и прием сигнала по-прежнему осуществляются с помощью большой катушки, которая, кстати, есть в любом клиническом томографе.

«Принцип работы нашего устройства в том, что оно электромагнитно связано с катушкой типа "птичья клетка" для всего тела и за счет фокусировки магнитного поля в области интереса позволяет нам улучшить приемо-передающие характеристики большой катушки, ― объясняет Алёна Щёлокова. ― Ее не надо подключать с помощью радиочастотных кабелей, ее достаточно установить на стол томографа, положить на нее пациентку и получить высококачественное изображение молочной железы».

Демонстрация работы керамического резонатора. Иллюстрация из статьи
Демонстрация работы керамического резонатора. Иллюстрация из статьи

В сравнении с аналогами

Так как все радиочастотное поле, которое должно было воздействовать на тело при проведении процедуры сканирования, фокусируется в области интереса (в груди) резонатором, то становится возможным значительно снизить мощность радиосигнала необходимого для возбуждения протонов. Соответственно, МРТ исследование становится еще более безопасным для пациентов с точки зрения потенциального нагрева тканей тела.

В перспективе производства устройство в виде резонатора из специальной керамики дешевле, чем принимающая катушка для молочной железы, представляющая собой сложное электронное оборудование. При этом его не надо подключать к томографу с помощью радиочастотных кабелей ― оно полностью беспроводное и в нем меньше хрупких частей. К тому же данный резонатор универсальный, он подходит для всех марок и моделей стандартных клинических томографов (на данный момент в лидерах рынка компании Siemens, Philips, General Electric и т.д.).

Ученые провели ряд тестов на добровольцах с разной комплекцией. В ходе исследования изображения, полученные с керамическим резонатором, сравнивались с самым современным аналогом, доступным на рынке в виде специализированной принимающей катушки. Результат показал схожее качество изображения, однако новое устройство вдобавок значительно уменьшает радиочастотную экспозицию пациента во время процедуры МРТ, делая ее безопаснее.

Анна Андрейченко. Фото из личного архива
Анна Андрейченко. Фото из личного архива

«МРТ является самым чувствительным методом диагностики злокачественных новообразований молочных желез. Однако специфичность стандартных методик сканирования ограничена, что приводит к большому числу ложноположительных результатов. Кроме этого, процедура сканирования относительно длительная, что сильно ограничивает применение МРТ в скрининге рака молочных желез. Хотя в последнее время активно идут исследования по поиску оптимальных и коротких методик МРТ молочных желез именно с целью применения в скрининге. Разработка керамического резонатора, с помощью которого происходит фокусировка визуализирующей способности МРТ томографа исключительно на области интереса (груди в данном случае) также является шагом к скринингу рака молочной железы с применением МРТ. Использование резонаторов позволяет сделать МРТ сканирование молочных желез более доступным, коротким, а также повысить специфичность МРТ визуализации путем применения узкоспециализированных методик сканирования, недоступных для обычной конфигурации МР томографа из-за ограничений по безопасности», ― комментирует ведущий научный сотрудник Нового физтеха Университета ИТМО Анна Андрейченко.

От научного исследования к продукту

Ирина Мельчакова
Ирина Мельчакова

«Более восьми лет мы проводим исследования в области применения новых искусственных материалов для МРТ. Эти исследования начались с решения фундаментальной задачи, которая привела нас в очень интересный и многогранный мир МРТ. Последние несколько лет мы были сфокусированы на переходе от решения фундаментальных задач к разработке реальных продуктов, которые можно применять прямо сейчас в клиниках России. И у нас это получилось! Резонатор для молочных желез является уникальным и очень полезным решением, и я уверена, что скоро он появится на рынке. Мы открыты и ищем сотрудничество со всеми заинтересованными представителями медицины, так и с профессионалами бизнеса и инвесторами, кто готов помочь нам быстрее продвигать данный продукт на российский рынок», ― комментирует Ирина Мельчакова, руководитель лаборатории «Прикладная радиофизика», сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО.

Статья: Alena Shchelokova, Viacheslav Ivanov, Anna Mikhailovskaya, Egor Kretov, Ivan Sushkov, Svetlana Serebryakova, Elizaveta Nenasheva, Irina Melchakova, Pavel Belov, Alexey Slobozhanyuk & Anna Andreychenko, Ceramic resonators for targeted clinical magnetic resonance imaging of the breast, Nature Communications, volume 11, article number: 3840 (2020).