Научная
деятельность
Университет ИТМО

Ученые Университета ИТМО разработали метод беспроводной передачи сигнала в МРТ

Ученые Университета ИТМО впервые в мире смогли доказать эффективность беспроводной передачи сигнала в клинических задачах магнитно-резонансной томографии. При этом получаемые МР-изображения не уступают и даже превосходят по качеству те, которые получаются на томографах с помощью повсеместно используемого метода передачи сигнала по радиочастотным кабелям. Разработка уже прошла первые клинические испытания на добровольцах в медицинском исследовательском Центре им. В.А. Алмазова в Петербурге, а также получила премию Американского физического общества. Результаты работы ученых были опубликованы в MagneticResonanceinMedicine, наиболее авторитетном научном издании в области медицинской МРТ.

Как работает передача сигнала в классических МР-томографах

Принцип работы магнитно-резонансной томографии основан на возбуждении магнитного резонанса в организме и регистрации радиочастотного отклика. Возбуждение происходит путем создания в томографе однородно распределенного радиочастотного магнитного поля. При этом внутри томографа, куда помещают пациента, также должно быть создано сильное постоянное магнитное поле (1.5-3 Тл в клинических томографах). Именно комбинация постоянного и радиочастотного полей воздействует на атомы водорода в мягких тканях организма. В этих условиях может происходить ядерный магнитный резонанс, который приводит к сильному синхронному изменению направления спинов атомных ядер – протонов. По окончании радиочастотного возбуждения атомы постепенно возвращаются в исходное состояние. Однако во время этого перехода протоны испускают радиочастотное излучение. У разных органов и тканей это излучение будет разным из-за разной концентрации протонов, что позволяет получить контраст между ними в изображении. Его регистрирует специальная антенна, а принятый ею сигнал затем передается на приемники, оцифровывается и далее анализируются компьютером. Антенны в МРТ исторически называются радиочастотными катушками.

В клинических томографах возбуждение осуществляется при помощи единой передающей катушки, расположенной под обшивкой внутренней части корпуса томографа. Она незаметна для пациента. Использовать ее для приема радиочастотного отклика протонов в медицинской диагностике удобно, но так не делают, потому у катушки очень низкая чувствительность. Дело в том, что отклик протонов настолько слабый, что выделить его на фоне шумов можно, только если приемная антенна будет расположена непосредственно на пациенте. Поэтому в каждом МРТ центре имеется набор приемных антенн, специально разработанных для сканирования различных органов и отделов организма. Так существуют приемные катушки для головы, тела, конечностей, спины и другие. В каждом случае они имеют специально подобранные форму и размер. Перед проведением сканирования приемная катушка размешается на пациенте и подключается к разъему приемного устройства при помощи кабеля. Приемные катушки достаточно дороги из-за их уникальности, при этом они должны быть изготовлены производителем томографа. Иначе катушку будет не подключить к разъему на томографе из-за систем идентификации.

Составные части МР-томографа
Составные части МР-томографа

Что сделано

Ученые университета ИТМО усовершенствовали технологию работы катушек так, что удалось отказаться от использования кабелей и подключения к разъемам приемника. Для этого нужно сделать так, чтобы сигнал от приемной катушки (той самой, которая надевается на исследуемую область тела) попадал в приемник не по кабелю, а беспроводным способом.

Как это сделать? Усовершенствовать приемную катушку и связать ее с катушкой за корпусом томографа посредством резонансной индуктивной связи. В предложенном методе радиочастотный отклик принимает беспроводная приемная катушка – специально разработанный резонатор, располагаемый на пациенте. Затем сигнал беспроводным способом практически без потерь передается катушке за корпусом без проводов. И лишь затем попадает в приемник.

Ученые Международного центра нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО разработали новую структуру беспроводной катушки, которая сходна со структурой элементарных ячеек метаматериалов. Речь идет о метасоленоиде – периодической структуре из разомкнутых контуров, которая работает как соленоид с однородным магнитным полем только в радиочастотном диапазоне и при этом не взаимодействует с постоянным полем магнита. Метасоленоид и катушка за корпусом томографа образуют систему индуктивно связанных резонаторов на рабочей частоте томографа (63.8 МГц для клинического томографа с полем магнита 1.5 Тл), благодаря чему достигается беспроводная передача сигнала.

При этом беспроводная катушка также помогает сфокусировать поле катушки за корпусом. Благодаря использованию метасоленоида в качестве беспроводной катушки можно получить однородное магнитное поле по всей области фокусировки. То есть можно, например, концентрировать магнитное поле лишь в пределах области сканирования, на определенном участке тела.

Станислав Глыбовский
Станислав Глыбовский

С использованием беспроводной катушки удается произвести возбуждение протонов с тем же уровнем радиочастотного магнитного поля при мощности передатчика в 50 раз ниже. В режиме приема удается доставить в приемник принятый сигнал беспроводным способом практически без потерь.

«Испытания беспроводной катушки показали, что она не менее эффективна, чем традиционная проводная, и может иметь даже более низкий коэффициент потерь сигнала, чем при передаче через кабель. То есть мы получаем более качественное изображение с лучшим соотношением сигнал/шум. Кроме того, сама катушка удобна в использовании, так как отсутствует необходимость ее подключения», – прокомментировал автор статьи, научный сотрудник кафедры нанофотоники и метаматериалов Станислав Глыбовский.

Ученый может наверняка говорить об улучшении характеристик изображений с использованием новой технологии, так как уже были проведены ее клинические испытания и сделаны сравнения с коммерческими катушками, используемыми на данный момент в центрах МРТ.

Разработка и клинические испытания

На этапе разработки беспроводной катушки в томографах ученые Университета ИТМО сотрудничали со специалистами ООО «С.П.Гелпик». Это отечественный производитель оборудования для медицинской диагностики. На оборудовании компании удалось изучить и отладить механизм взаимодействия беспроводной катушки с катушкой за корпусом томографа.

Клинические испытания разработанной катушки были проведены в рамках Института трансляционной медицины Университета ИТМО совместно с сотрудниками научно-исследовательской лаборатории магнитно-резонансной томографии медицинского Центра им. В.А. Алмазова. Консультации также проводились с коллегами из Университетского медицинского центра города Утрехт в Голландии. Но перед началом испытаний на добровольцах ученым нужно было пройти этический комитет.

Партнеры из Центра им. В.А. Алмазова
Партнеры из Центра им. В.А. Алмазова

Чтобы сделать это, было проведено компьютерное моделирование работы беспроводной катушки в составе томографа, чтобы показать ее безопасность для организма человека. С помощью расчета и с использованием детальной модели организма человека ученые проанализировали, как распределяются магнитные поля и как происходит нагрев живых тканей. Затем исследователи в течение около полутора лет тестировали работу катушки на фантомах. Это емкости с жидкостью, которая имеет усредненные электромагнитные свойства тканей организма. Также некоторое время у исследователей ушло на то, чтобы правильно настроить томограф на работу с новой катушкой. В этом ученым из Университета ИТМО очень сильно помогли специалисты Центра Алмазова.

После этого начались сами клинические испытания, которые проводились со здоровыми добровольцами. Ученые сканировали запястный сустав с помощью новой беспроводной катушки и коммерческой катушки таких же размеров, подключаемой кабелем, а затем сравнивали качество снимков.

«Мы получили результаты in vivo. В этом и была наша задача: убедить медицинское сообщество в эффективности беспроводной передачи сигнала для клинических применений в сравнении со стандартным методом. До нас это никому еще не удавалось, да и мало кто исследовал беспроводные катушки. В статье, которая опубликована в MagneticResonanceinMedicine, мы детально разбираем, как сделана наша катушка и как ее необходимо использовать, чтобы это мог понять и инженер, который делает МР-томографы, и врач, который проводит диагностику», – сказал Станислав Глыбовский.

Что говорят медики

О преимуществах новой беспроводной катушки с точки зрения медиков ITMO.NEWS рассказал Александр Ефимцев, заведующий научно-исследовательской лабораторией лучевая визуализация НИО лучевой диагностики Центра Алмазова. Он также выступает соавтором научной статьи по итогам разработки катушки.

Во-первых, отсутствие необходимости подключать провод позволяет разместить катушку в независимости от разъема, максимально удобно и близко к исследуемой зоне. Это уменьшает время укладки пациента и соответственно ускоряет скорость проведения исследования. Во-вторых, пациенты с разным объемом исследуемых частей тела, например коленного сустава, смогут быть обследованы с максимальным качеством. В-третьих, иногда очень тучные пациенты не помещаются в радиочастотную катушку, приходится использовать гибкую катушку для тела, при этом качество изображения может ухудшаться, либо время исследования увеличивается в 2-3 раза.

Александр Ефимцев
Александр Ефимцев

Что касается непосредственно исследований кистевого сустава, они выполняются на большинстве аппаратов с применением катушки для коленного сустава, из-за чего пациент вынужден лежать на животе с вытянутой рукой в течение 20 минут и при этом не шевелиться. Это затруднительно, особенно для пожилых людей: рука затекает, пациент шевелит ей, медперсоналу приходится переделывать программы. В случае с беспроводной катушкой ее можно разместить прямо на животе у пациента, спокойно положить туда руку. В результате пациенту комфортно, он может поспать, а врачи в это время без осложнений сканировать и 20, и 30 минут. Это очень важно, подчеркнул Александр Ефимцев.

Также, у стандартных катушек есть одна особенность – краевые артефакты, которые возникают из-за слабого сигнала по периферии. У беспроводной катушки такой эффект отсутствует, изображение абсолютно равномерно по яркости, контрастности и геометрии по всему полю обзора. А ведь такие мелочи составляют ценную диагностическую информацию.

«Качество изображений, получаемых с помощью такой беспроводной катушки, на самом деле выше, даже со стандартными импульсными последовательностями, при правильном выборе параметров настройки как самой катушки, так и протокола. И особенно это заметно при использовании специальных импульсных последовательностей: T1-градиентное эхо, диффузионная и диффузионно-тензорная визуализация, МР-спектроскопия. Здесь превосходство практически в два раза! Сейчас в процессе разработки  модификация катушки для головы, самой неизученной "части" человека. Мы с нетерпением ждем начала испытаний, и если все пойдет успешно, исследования заболеваний головного мозга будут идти уже на новом уровне. Так что, складывая все перечисленные факторы воедино, можно смело сказать, что катушка, разработанная вместе с учеными Университета ИТМО, весьма стоящая, в некоторых отношениях намного лучше стандартных катушек»,  прокомментировал Александр Ефимцев.

Дальнейшие перспективы

Процедура МРТ
Процедура МРТ

На текущем этапе ученые Университета ИТМО разработали катушку только для запястного сустава. Однако в перспективе – работа над катушками и для других органов и суставов. Так, сегодня существует необходимость создания катушки для эффективного исследования молочных желез или областей, в которых очень много мелких суставов, хрящей, сухожилий, в том числе, это ступни, кисти рук, привела примеры ведущий автор статьи Алёна Щёлокова, научный сотрудник кафедры нанофотоники и метаматериалов. Чем более хорошо катушка-соленоид будет принимать радиочастотный отклик тканей, тем более детальное изображение можно получить.

«МРТ – это одно из немногих приложений использования метаматериалов в радиочастотном диапазоне. Антенна, созданная по подобию метаматериалов, может регистрировать только узкополосный сигнал, а томограф как раз работает в конкретной узкой полосе частот. Именно на этом примере мы можем видеть, как метаматериалы находят применение в технике. И в этом случае большую роль играют междисциплинарные исследования. Так, изначально мы думали, что с нашей стороны будет достаточно разработать катушку и передать ее медикам, чтобы они сами исследовали, как ее применять на практике. Однако, в ходе работы мы увидели, что без детального понимания особенностей функционирования томографа на практике и запросов врачей мы не смогли бы сделать устройство, которое обладало бы преимуществами над проводными катушками и которое можно было бы встроить в работающий томограф. Знания, которые мы получили в ходе этой научной работы, помогут в дальнейшем улучшении МРТ», – подчеркнула Алёна Щёлокова. 

Признание научным сообществом

По словам Станислава и Алёны, они не были уверены, что статья об их разработке будет принята журналом MagneticResonanceinMedicine, так как убедить научное сообщество в возможности улучшения повсеместно распространенной технологии диагностики непросто. Однако оказалось, что предложенный метод вызвал интерес как в физическом, так и в медицинском сообществах.

Алёна Щёлокова
Алёна Щёлокова

Так, еще на конференции Metamaterials-2017, которая состоялась в августе прошлого года, стендовый доклад о физических принципах работы катушки был признан лучшим Американским физическим обществом (AmericanPhysicsSociety). Сама конференция является самой крупной и авторитетной в области метаматериалов. Более того, результаты клинических испытаний катушки ученые Университета ИТМО представят в рамках устного доклада на ведущем симпозиуме по МРТ JointAnnualMeeting ISMRM-ESMRMB-2018, который состоится в июне в Париже.

Статья: Volumetric Wireless Coil Based on Periodically Coupled Split-Loop Resonators for Clinical Wrist Imaging, Alena V Shchelokova, Cornelis A T van den Berg, Dmitry A Dobrykh, Stanislav B Glybovski, Mikhail A Zubkov, Ekaterina A Brui, Dmitry S Dmitriev, Alexander V Kozachenko, Alexander Y Efimtcev , Andrey V Sokolov, Vladimir A Fokin, Irina V Melchakova, Pavel A Belov, Magnetic Resonance in Medicine, 2018.