Магнитно-резонансная томография (МРТ) — один из самых мощных диагностических инструментов в медицине. Однако некоторые ткани, расположенные глубоко внутри тела, — включая области мозга и тонкие структуры глаза и глазницы, имеющие особое значение для офтальмологии, — трудно четко визуализировать. Проблема заключается не в самом сканере, а в оборудовании, которое передает и принимает радиосигналы.

Теперь исследователи под руководством Нандиты Саха, аспирантки лаборатории экспериментального магнитно-резонансного анализа сверхвысоких полей профессора Торальфа Ниендорфа в Центре Макса Дельбрюка, разработали усовершенствованную антенну для МРТ на основе материалов, которая преодолевает эти ограничения, обеспечивая более быстрое получение улучшенных изображений и может использоваться в существующих аппаратах МРТ. Результаты исследования были опубликованы в журнале Advanced Materials.

Ниендорф и его команда тесно сотрудничали с исследователями из Медицинского центра Ростокского университета, объединяя опыт в области физики МРТ с клинической офтальмологией и трансляционной визуализацией. Команда из Ростока также оказывает поддержку в клинической валидации технологии.

«Используя концепции метаматериалов, мы смогли более эффективно направлять радиочастотные поля и продемонстрировать, как передовые физические методы могут напрямую улучшить медицинскую визуализацию», — говорит Ниендорф, старший автор статьи. «Эта работа показывает путь к более быстрым и четким МРТ-сканированиям, которые могут принести пользу пациентам во многих клинических областях».

Переосмысление аппаратного обеспечения МРТ с использованием метаматериалов

МРТ работает за счет посылания радиочастотных (РЧ) сигналов в тело и регистрации реакции тканей в сильном магнитном поле. Чем сильнее сигнал, тем лучше изображение. Традиционные антенны МРТ — также называемые РЧ-катушками — часто с трудом собирают достаточно сигнала из глубоких или анатомически сложных областей. Это приводит к получению изображений с недостаточной детализацией и увеличивает время сканирования.

Исследовательская группа устранила это узкое место, интегрировав метаматериалы непосредственно в антенну МРТ. Метаматериалы — это искусственно созданные структуры, которые взаимодействуют с электромагнитными волнами способами, не встречающимися в природных материалах. Созданная радиочастотная антенна увеличивает мощность сигнала от целевых тканей, улучшает пространственное разрешение и резкость изображения, а также обеспечивает более быструю регистрацию данных. Что особенно важно, антенна интегрируется в существующие системы МРТ, что исключает необходимость в новой инфраструктуре. Команда подтвердила работоспособность технологии, проведя визуализацию глаза и глазницы у группы добровольцев при напряженности магнитного поля 7,0 Тесла.

«Наше исследование демонстрирует явную актуальность для офтальмологических применений, поскольку оно может способствовать получению анатомически детализированной МРТ глаза с высоким пространственным разрешением», — говорит профессор Оливер Стахс, соавтор статьи из Университетской клиники Ростока. «Это открывает потенциал для изучения глаза и (пато)физиологических процессов, которые в прошлом были в значительной степени недоступны».

«Наша цель заключалась в переосмыслении аппаратного обеспечения МРТ с точки зрения современной физики проектирования антенн», — добавляет Саха. Эта технология также может быть настроена для защиты чувствительных участков тела во время МРТ, например, для уменьшения нежелательного нагрева вокруг медицинских имплантатов, добавляет она. Ее также можно использовать для более эффективной фокусировки радиочастотной энергии для МРТ-контролируемой терапии различных видов рака, таких как мягкий нагрев опухолей (гипертермия) или термическая абляция тканей.

Улучшенная диагностика

Для пациентов МРТ-сканирование может быть неприятным и длительным процессом — особенно когда снимки необходимо повторять, поскольку важные детали трудно разглядеть. Более быстрое сканирование означает, что пациенты проводят меньше времени внутри сканера. Более четкие изображения позволяют врачам ставить диагнозы с большей уверенностью. А поскольку новая антенна легкая и компактная, ее можно спроектировать таким образом, чтобы она лучше прилегала к определенным частям тела, еще больше повышая комфорт.

По словам Ниендорфа, эту технологию также можно адаптировать для поддержки систем МРТ, работающих при напряженности магнитного поля ниже или выше 7,0 Тл, для визуализации целевых анатомических областей, отличных от глаза, глазницы или головного мозга, или для отслеживания метаболизма или перемещения лекарств внутри организма. Он добавляет, что специальные МРТ-сканирования с использованием других атомов, таких как натрий или фтор, также могут извлечь выгоду из этой технологии, обеспечивая более четкие сигналы и лучшие изображения.

«Инновации в оборудовании для визуализации способны кардинально изменить диагностику, и это исследование является важным шагом на пути к технологии МРТ следующего поколения», — говорит доктор Эбба Беллер, соавтор статьи из Медицинского центра Ростокского университета.

Исследователи уже планируют более масштабные исследования в нескольких больницах и адаптируют дизайн для других органов, таких как сердце и почки. Сотрудничество будет и дальше укрепляться благодаря давним взаимным приглашениям научных сотрудников Стахса и Ниендорфа.