Сканер МРТ, модифицированный метаповерхностью

Усиленный метаматериалом МРТ-сканер впервые испытали на человеке

Международный коллектив ученых из Нидерландов и России впервые испытал на людях новую технологию для усиления чувствительности МРТ-сканера с помощью метаповерхности – тонкой периодической структуры из медных полосок-резонаторов. Поместив разработанную подложку под голову пациента, исследователи получили более качественные изображения его головного мозга. Результаты эксперимента, опубликованные в журнале Scientific Reports, показывают, что использование метаповерхности позволит значительно ускорить процедуру МРТ, повысить комфорт пациента и получать снимки в лучшем разрешении, что поможет диагностировать заболевания на более ранней стадии.

Магнитно-резонансная томография (МРТ) – широко распространенный в медицине метод визуализации внутренних органов, который позволяет диагностировать раковые опухоли, а также повреждения головного мозга и скелета. Однако МРТ-исследование занимает больше времени, чем компьютерная томография или УЗИ. В течение 25-50 минут человек должен неподвижно лежать в тесном аппарате, что дискомфортно для пациента и создает очереди в больницах. Это связано с тем, что у явления магнитного резонанса малое соотношение сигнал/шум и, чтобы его повысить, нужно накапливать сигнал.

Специалистам Медицинского центра Лейденского Университета в Нидерландах и Университета ИТМО в Санкт-Петербурге впервые удалось ускорить процедуру МРТ-сканирования человека с помощью метаповерхности – периодической структуры из медных полосок. Ученые прикрепили эти полоски к гибкой и тонкой подложке, чтобы внедрить разработанное устройство в приемные МР-катушки аппарата.

«Мы разместили такую подкладку внутри установки под головой пациента, после чего чувствительность прибора возросла на 50%. Это позволило нам получать детальные снимки коры головного мозга в два раза быстрее. Внедренные повсеместно, такие усилители могут значительно снизить время процедуры МРТ и повысить ее комфорт», – говорит Рита Шмидт, ведущий автор исследования и сотрудница кафедры радиологии Медицинского центра при Лейденском университете.

Оказавшись между пациентом и приемными катушками, метаповерхность увеличивает соотношение сигнал/шум в интересующей области.

Снимок МРТ с метаповерхностью и без оной
Снимок МРТ с метаповерхностью и без оной

«Низкие показатели этого соотношения ограничивают метод МРТ и делают его таким долгим, – поясняет Алексей Слобожанюк, сотрудник лаборатории прикладной радиофизики Университета ИТМО. – Чтобы различить полезный сигнал на фоне случайного шума, врачи повторяют сканирование много раз. Но с метаповерхностью необходимость в этом отпадает. Если сейчас обследование, условно, занимает двадцать минут, то в будущем врачам хватит десяти. Если сегодня клиника обслуживает десять пациентов в день, то с данной разработкой примет двадцать».

С другой стороны, по словам ученых, метаповерхность способна повысить разрешение получаемых изображений.

«Размер вокселей, трехмерных пикселей, также ограничен соотношением сигнал/шум. Вместо ускорения процедуры можно пойти по иному пути и за то же время снимать более детальные изображения, которые позволят выявлять опухоли на самой ранней стадии», – отмечает руководитель исследования Эндрю Вебб, профессор кафедры радиологии Медицинского центра Лейденского университета.

До сих пор ученым не удавалось поместить внутрь сканера метаматериалы. Их толщина значительно превышала расстояние в полтора сантиметра, которое остается между магнитно-резонансными катушками и пациентом. Ультратонкий дизайн новой подкладки (ее толщина всего 8 мм) помог решить эту проблему.

«По нашей технологии, – продолжает Рита Шмидт, – можно создать ультратонкие устройства для большинства МРТ-сканеров, но в каждом случае необходимо предварительно провести ряд компьютерных симуляций, как мы делали в этой работе. Нужно убедиться, что параметры установки не повлияют на работу метаповерхности».

Алексей Слобожанюк
Алексей Слобожанюк

Авторы работы собираются продолжать исследования как в Лейдене, так и в Санкт-Петербурге. Они надеются превратить лабораторию прикладной радиофизики в Университете ИТМО в центр передовых разработок в данной сфере, закупить современное оборудование и привлечь молодых специалистов, чтобы создавать прототипы устройств и внедрять их в клиническую практику. Для этого сотрудники лаборатории прикладной радиофизики и Эндрю Вебб уже отправили заявку на грант РНФ.

Статья: Rita Schmidt, Alexey Slobozhanyuk, Pavel Belov and Andrew Webb (2017), Flexible and compact hybrid metasurfaces for enhanced ultra high field in vivo magnetic resonance imaging, Scientific Reports. 

Центр научной коммуникации
Архив по годам:
Пресс-служба