От фундаментальной науки к реальному продукту:
как ученые ИТМО создали беспроводное компактное устройство для сканирования молочных желез
Рак молочных желез ― одно из самых распространенных онкологических заболеваний в мире и одно из самых опасных для женщин: только в прошлом году 685 тысяч из них умерли от этой болезни. Врачи признают, что действенных способов лечения рака молочной железы крайних стадий не существует. Поэтому очень важно обнаружить опухоль на начальных этапах и приступить к лечению как можно раньше ― в этом случае вероятность полного выздоровления достаточно высока.
Магнитно-резонансная томография — действенный неинвазивный метод ранней диагностики. Но из-за высокой стоимости процедуры и отсутствия специализированного оборудования процедура МР-скрининга малодоступна для широкого круга пациентов. Поэтому ученые всего мира активно работают над повышением эффективности МРТ. Уже восемь лет такой работой занимается и команда Нового физтеха ИТМО. Запустив фундаментальное исследование в 2013-м, за эти годы ученые прошли сквозь череду случайных открытий и экспериментов и в итоге создали MetaCoil — беспроводное, эргономичное, компактное (и очень красивое!) устройство для сканирования молочных желез. Рассказываем, как разработка прошла путь от фундаментального концепта до устройства, которое уже готово к применению в реальной практике.
Как работает МРТ
С помощью магнитно-резонансной томографии уже на ранней стадии можно обнаружить опухоли и метастазы. Во время исследования пациента помещают внутрь большой передающей катушки (катушками называют специализированные антенны для возбуждения и приема сигнала магнитного резонанса). Она создает мощное радиочастотное поле, а магниты вокруг нее ― сильное постоянное магнитное поле (в клинических томографах ― порядка 1–3 Тесла). Сочетание этих двух полей вызывает магнитный резонанс протонов в теле человека, из-за чего они переходят в возбужденное состояние. Затем следует стадия релаксации, в ходе которой протоны начинают отдавать энергию в виде радиоволн ― именно это и регистрирует приемная катушка. Причем в разных органах и тканях плотность протонов неоднородна, поэтому и сигнал от них различается. Визуально это отражается в виде контраста на полученных в итоге снимках.
Однако отклик протонов настолько слабый, что выделить его на фоне шумов очень сложно ― и здесь на первый план выходят приемные катушки, специально разработанные для сканирования конечностей и различных областей тела. Например, существуют приемные катушки для головы, торса, спины, рук и ног и так далее. Приемные катушки собирают сигнал магнитного резонанса и дают более четкие и яркие снимки.
Сейчас МРТ ― это самый эффективный метод диагностики, но далеко не совершенный. Полученные в результате сканирования изображения часто не обладают достаточным разрешением, а еще содержат дефекты, слепые зоны, темные пятна. Из-за этого врачи не всегда могут разглядеть раннюю стадию заболевания, упуская важный момент.
Сейчас МРТ ― это самый эффективный метод диагностики, но далеко не совершенный. Полученные в результате сканирования изображения часто не обладают достаточным разрешением, а еще содержат дефекты, слепые зоны, темные пятна. Из-за этого врачи не всегда могут разглядеть раннюю стадию заболевания, упуская важный момент.
Что сделали ученые ИТМО:
8 лет удивительных экспериментов и открытий на пути к реальному устройству
2013 год: суперлинза Павла Белова и сканирование бочки с водой
До 2009 года Павел Белов (тогда — руководитель международного научно-исследовательского центра нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО, сейчас — директор Нового физтеха) работает над созданием суперлинзы. Ее «суперсила» в том, что она передает изображения с субволновым разрешением, то есть с помощью суперлинзы мы можем «видеть» объекты размером меньше длины волны используемого излучения.
Создание суперлинзы позволило Павлу Белову защитить докторскую степень в 2010 году (и получить Премию президента РФ в области науки и инноваций для молодых ученых в 2009). А для его коллег это стало поводом для размышлений и поисков, как можно было бы «перевести» открытие из фундаментальной науки в практическую область. Больше остальных идеей загорелся Алексей Слобожанюк (тогда — аспирант в лаборатории «Прикладная радиофизика», сейчас руководит направлением индустриального развития и партнерства на Новом физтехе).
Создание суперлинзы позволило Павлу Белову защитить докторскую степень в 2010 году (и получить Премию президента РФ в области науки и инноваций для молодых ученых в 2009). А для его коллег это стало поводом для размышлений и поисков, как можно было бы «перевести» открытие из фундаментальной науки в практическую область. Больше остальных идеей загорелся Алексей Слобожанюк (тогда — аспирант в лаборатории «Прикладная радиофизика», сейчас руководит направлением индустриального развития и партнерства на Новом физтехе).
Павел Белов
«Мы нашли статью бельгийских ученых, которые поместили такую же структуру в аппарат МРТ, и решили повторить их эксперимент. Но они размещали приемную катушку в конец линзы —
у бельгийской группы ученых была гипотеза, что таким образом они выносят сигнал из томографа. По их задумке, это позволило бы использовать более дешевые приемные катушки на магнитных элементах. Но гипотеза оказалась нерабочей, потому что по краям линзы электромагнитное поле гораздо слабее.
у бельгийской группы ученых была гипотеза, что таким образом они выносят сигнал из томографа. По их задумке, это позволило бы использовать более дешевые приемные катушки на магнитных элементах. Но гипотеза оказалась нерабочей, потому что по краям линзы электромагнитное поле гораздо слабее.
Мы же знали, что поле усиливается именно в середине структуры — и поэтому поместили катушку прямо в центр томографа. И неожиданно для себя получили картинку очень высокой яркости. К слову, ни о каких экспериментах с живыми людьми или животными тогда речи не шло — мы сканировали бочку с водой», — рассказывает Алексей Слобожанюк.
Эксперимент с суперлинзой в МРТ. На видео сотрудники Научного центра нанофотоники и метаматериалов Александр Козаченко и Михаил Ходзицкий
Несмотря на первые успехи, ученым все еще было непонятно, как можно использовать их исследование в практических целях. Ведь разработанная суперлинза обладала внушительными размерами: она занимала все пространство стола, на котором должен лежать пациент. После разговора с недоумевающими врачами клиники, в которой происходили все эксперименты, энтузиазм команды заметно поутих.
2014–2016 годы: эффект Парселла, тазик с проводами и свежемороженая камбала
Совместный коллектив Нового физтеха ИТМО и Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН изучает эффект Парселла. Этот эффект обычно возникает, если расположить источник излучения электрического или магнитного поля в сферической металлической полости. Также его можно наблюдать в среде из проводов — но для того, чтобы они стали резонансными на определенной частоте и при этом имели адекватную длину (а не 4-5 метров, как в оригинальном эксперименте), ученые поместили их в воду. Оказалось, что такая установка дает более чем положительный результат.
Дальше закономерно пришла идея поместить это всё в томограф. Выглядела установка несколько несуразно: это был просто тазик с водой, в которой плавали латунные провода. Сверху на тазик ученые положили свежемороженую камбалу из ближайшего магазина. В итоге картинки получились не просто яркими, а зашкаливающе яркими и четкими.
МР-изображения камбалы
«Мы не понимали, что происходит — но уже встали в очередь за Нобелевской премией. И решили наконец-то разобраться, как именно работает МРТ. Да, только в этот момент — несмотря на то, что работали с ним уже несколько лет. Мы ведь думали, что у нас хорошая фундаментальная подготовка, мы всё знаем и понимаем и так», — вспоминает Алексей Слобожанюк.
Алексей Слобожанюк
Солидный журнал остался недоволен тем, что ученые не озаботились испытаниями с живыми объектами — дальнейший эксперимент с крысами их тоже не удовлетворил. Статью опубликовали в журнале с рейтингом чуть ниже (Advanced Materials), но среди рецензентов нашелся специалист, который заинтересовался проделанной работой и предложил свою помощь. Это был профессор Эндрю Вебб, в своей лаборатории в Лейдене он делал подкладки с большой диэлектрической проницаемостью. Они давали эффект, очень похожий на тот, что получился у ученых ИТМО. Так началось долгосрочное сотрудничество, которое продолжается до сих пор.
Группа из ИТМО отправилась за знаниями в Европу: сначала на семинар в Бельгию, а затем в лабораторию голландских коллег в Утрехт. Ее целью было повторить опыт с тазиком и камбалой в присутствии профессионалов. Эксперимент подтвердился, коллеги объяснили, почему всё происходит именно так, и научная статья по итогам работы отправилась на рецензию в Nature Materials.
Эксперимент с перестраиваемой метаповерхностью
2016–2018 годы: тазик превращается в коробочку, а затем в подкладку
Логично, что теперь нужно было сделать конструкцию более подходящей для работы с человеком — действительно, не просить же его лезть в тазик. На этом этапе к работе присоединяется Алёна Щёлокова (тогда — аспирант кафедры нанофотоники и метаматериалов, сейчас — научный сотрудник Нового физтеха).
«По сути, эта структура фокусирует поле вокруг себя — и таким образом существенно повышает уровень магнитно-резонансного сигнала и качество изображения при сканировании. Чтобы сделать наши провода резонансными, их полуволновой резонанс должен быть настроен на 64 МГц. Получается, что такие провода будут иметь длину несколько метров, что затрудняет их расположение внутри томографа. Решением становится как раз помещение провода в воду — благодаря этому можно сделать их электрическую длину существенно короче», — объясняет Алёна Щёлокова.
Одним словом, вода позволяет устройству быть более компактным. Благодаря расчетам и оптимизации ученым удалось превратить тазик в коробочку — всё с той же водой внутри. Она уже гораздо больше подходила для реального применения, что подтвердили снимки кисти руки первого добровольца (им согласился стать сам профессор Эндрю Вебб).
Но зачем вообще нужны были бочки, тазики, провода и вода? Дело в том, что сам принцип МРТ основан на явлении резонанса. Тазик с проводами, в свою очередь, тоже является резонатором — если его частота совпадает с частотой томографа, резонансы накладываются друг на друга и заметно усиливают сигнал.
Алёна Щёлокова
МР-снимок руки профессора Вебба
И все же было очевидно: нужно как-то избавляться от воды. На этом этапе к команде подключился Станислав Глыбовский — специалист в области антенн и радиофизики.
Он предложил новую реализацию устройства на основе все тех же проводов — сделать их короткими за счет применения емкости, выполненной в виде плоскопараллельного конденсатора. Теперь всё это выглядело как провода, которые напечатаны на подложке вместе с патчами.
Он предложил новую реализацию устройства на основе все тех же проводов — сделать их короткими за счет применения емкости, выполненной в виде плоскопараллельного конденсатора. Теперь всё это выглядело как провода, которые напечатаны на подложке вместе с патчами.
«Это на самом деле было очень важным шагом, потому что на рынке к тому времени уже был представлен ряд радиочастотных устройств, которые позволяют получать качественные изображения. Мы хотели сравниться с коммерческими аналогами. И у нас получилось: наше устройство не только не уступало по приемным характеристикам, но и было более безопасным для использования с человеком», — комментирует Алёна Щёлокова.
Станислав Глыбовский
2019–2020 годы: от пластин из метаматериалов — к цилиндрам из керамики
Но у плоских структур есть недостаток: в них быстро затухает электромагнитное поле. Поэтому что-то толще, чем кисть руки, просканировать уже сложно.
Выглядели новые катушки как полый цилиндр, собранный из стопки керамических колец. Как признаются разработчики, сама форма этого цилиндра натолкнула их на мысль, что внутри него можно разместить женскую грудь.
«Идея сделать беспроводное устройство для сканирования именно молочных желез показалась нам очень перспективной и важной задачей, поскольку специализированных катушек для таких исследований в клиниках представлено очень мало, особенно в России. Плюс они все довольно дорогие, не каждая клиника готова покупать такое специфическое оборудование. Хотя сама тема более чем острая», — вспоминает Алёна Щёлокова.
Поэтому ученые обратились к новому варианту — катушкам из специализированной керамики, разработанной партнером Нового физтеха, компанией ООО «Керамика».
У такого материала уникальные показатели диэлектрической проницаемости (это позволяет фокусировать электромагнитную энергию в нем) и очень низкие энергетические потери (что не дает полю быстро затухать).
У такого материала уникальные показатели диэлектрической проницаемости (это позволяет фокусировать электромагнитную энергию в нем) и очень низкие энергетические потери (что не дает полю быстро затухать).
На этом этапе учёные уже перешли к испытаниям с волонтерами — исследования проводились на базе Национального медицинского исследовательского центра имени В. А. Алмазова. Но быстро стало понятно, что керамика — не самый подходящий материал. Он жесткий и неудобный, а еще хрупкий и тяжелый — и при этом дорогой. Любые сколы и трещинки существенно портили его свойства.
2020–2021 годы: MetaCoil с корпусом, как у Tesla
Ученые вернулись к резонаторам из проводов, но (учитывая весь предыдущий опыт и новое направление, сфокусированное именно на сканировании груди) расположили их другим образом. Теперь катушки стали выглядеть как два параллелепипеда, внутрь которых и помещается грудь. Сами резонаторы уже работали довольно хорошо: они эффективно фокусировали поле в нужной врачам области и давали яркие и четкие снимки. Но оставался всё тот же вопрос: как упаковать эти катушки не просто в удобную и комфортную для пациенток форму, но и сделать устройство красивым.
Приемная катушка, которая помещается внутрь устройства MetaCoil
«Мы планировали это устройство показывать потенциальным покупателям и партнерам: клиникам, врачам. И были озадачены вопросом, как все-таки упаковать устройство, чтобы оно выглядело, условно, как новая Tesla. А еще остро стоял вопрос удобства. Мы уже начали проводить испытания с волонтерами, им приходилось лежать в томографе по 40 минут, а то и по несколько часов — людям было очень тяжело. Я помню, как мы по замерам моего тела вручную вырезали первый корпус из пенополистирола, шпаклевали его, красили кое-как. Он был страшно неудобный, твердый, тяжелый. Ну и главная проблема оказалась в том, что у нас не было никакого опыта в дизайне, разработке продукта», — вспоминает Полина Петрова, менеджер проекта MetaCoil и специалист по коммерциализации инноваций Нового физтеха.
В итоге вся разработка была отдана на аутсорсинг: одна из петербургских компаний полностью разработала дизайн, сделала 3D-рендер, подобрала материалы. Сам корпус напечатан в Москве на 3D-принтере, подушки сшиты из искусственной кожи и поролона. По сравнению с прототипом из пеноплекса это действительно выглядит, как Tesla рядом с «Запорожцем». Но все-таки, признаются разработчики, устройство еще требует доработок.
Полина Петрова
ЧТО ДАЛЬШЕ
С 2015 года, практически с самого начала работы, разработка устройства ведется в тесном сотрудничестве с врачами. Помимо ученых, в исследованиях участвуют специалисты-рентгенологи НМИЦ имени В. А. Алмазова. Причем совместная работа включает не только непосредственно испытания устройства, но и его оптимизацию под нужды и цели врачей. По запросам специалистов в прототип постоянно вносятся необходимые коррективы. Например, сейчас ученые работают над тем, чтобы адаптировать устройство еще и для сканирования подмышечных впадин — именно там могут скрываться метастазы и воспаления лимфоузлов.
Как рассказывает Александр Ефимцев, врач-рентгенолог из Центра имени Алмазова, даже тот прототип, что есть у команды сейчас, уже превосходит коммерческие модели от крупных производителей. Но всё же есть нюансы, которые еще нужно учесть перед повсеместным внедрением разработки в медицинскую практику.
«Устройство уже может быть использовано для исследования, но пока что оно подходит не для всех женщин — просто в силу анатомических особенностей. Поэтому стоит вопрос, как сделать его регулируемым по размеру. Есть и нюансы по настройке последовательностей импульсов для сканирования. Но это вопрос именно к дизайну корпуса — в самой катушке никаких изменений не требуется, там всё работает отлично.
У устройства уже очень много преимуществ. Во-первых, оно легкое, как в плане веса (и это тоже очень важно), так и в плане использования ― оно не требует подключения. Также разработка мобильная и надежная (потому что беспроводная). Еще одно существенное отличие катушки от аналогов: она сильно сокращает количество артефактов от биения сердца, да и в целом позволяет сфокусироваться именно на молочных железах, а не на всей грудной клетке», — перечисляет достоинства разработки Александр Ефимцев.
Александр Ефимцев
Сейчас ученые продолжают дорабатывать устройство, в частности, они немного изменили «начинку» на квадратурную систему, совместив исходный резонатор с новым. Также ведутся работы по оптимизации корпуса и его адаптации под пациенток разной комплекции.
Виктор Пучнин, инженер-разработчик MetaCoil
Над развитием направления МРТ в разное время работали:
Сотрудники Нового физтеха ИТМО:
Виктор Пучнин, Анна Михайловская, Дмитрий Добрых, Вячеслав Иванов, Сергей Курдюмов, Егор Кретов, Полина Петрова, Антон Никулин, Анна Калугина, Александр Поддубный, Михаил Зубков, Екатерина Бруй, Анна Хуршкайнен, Всеволод Воробьев, Михаил Ходзицкий, Георгий Соломаха, Дмитрий Филонов, Александр Козаченко, Станислав Глыбовский, Анна Андрейченко, Алёна Щелокова, Алексей Слобожанюк, Ирина Мельчакова, Павел Белов, Константин Симовский, Юрий Кившарь.
Зарубежные партнеры:
Мари Моссу, Ирена Зивковик, Марк Дюбуа, Стефан Энох, Луиза Сиобану, Эндрю Вебб, Александр Рааймаркерс, Редда Абдеддайм, Нико Ван Ден Берг.
Индустриальные партнеры:
Елизавета Ненашева, Темос Кллос, Дордж Паликарас.
Клинические партнеры:
Иван Сушков, Светлана Серебрякова, Ирина Дубровина, Андрей Соколов, Геннадий Труфанов, Александр Ефимцев, Владимир Фокин
Над проектом работали:
Текст: Екатерина Шевырёва
Фото и видео: Новый физтех, Лилия Кичигина, Дмитрий Григорьев / ITMO.NEWS
Оформление: Екатерина Шевырёва
Редакторы: Елена Меньшикова, Анна Кириллова
Текст: Екатерина Шевырёва
Фото и видео: Новый физтех, Лилия Кичигина, Дмитрий Григорьев / ITMO.NEWS
Оформление: Екатерина Шевырёва
Редакторы: Елена Меньшикова, Анна Кириллова
