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, показывают, что использование метаповерхности значительно ускоряет процедуру МРТ и позволяет получать снимки в лучшем разрешении, что поможет диагностировать заболевания на более ранней стадии.

Метод визуализации внутренних органов с помощью магнитно-резонансной томографии широко используется в медицине для диагностики раковых опухолей, а также повреждений 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, испытывая дискомфорт. Это связано с тем, что у явления магнитного резонанса малое соотношение сигнал/шум, и чтобы его повысить, нужно накапливать сигнал. В результате в больницах, где установлены МРТ-сканеры, большие очереди на эту процедуру.

Специалистам Медицинского центра Лейденского Университета в Нидерландах и Университета ИТМО в Санкт-Петербурге удалось ускорить процесс с помощью метаповерхности – периодической структуры из медных полосок, прикрепив их 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 выросла 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», – пояснила ведущий автор исследования, сотрудница кафедры радиологии Медицинского центра при Лейденском университете Рита Шмидт (Rita Schmidt).

Оказавшись между пациентом и приемными катушками, метаповерхность увеличивает соотношение сигнал/шум в интересующей области. «Низкие показатели этого соотношения ограничивают метод МРТ и делают его таким долгим, – уточнил сотрудник лаборатории прикладной радиофизики Университета ИТМО Алексей Слобожанюк. – 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 20 минут, то в будущем врачам хватит 10. Если сегодня клиника обслуживает 10 пациентов в день, то с данной разработкой примет 20».

Кроме того, 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, профессор кафедры радиологии Медицинского центра Лейденского университета Эндрю Вебб (Andrew Webb).

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 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», – добавила Рита Шмидт.

Ученые намерены продолжать исследования в Лейдене и Санкт-Петербурге. Они надеются превратить лабораторию прикладной радиофизики в Университете ИТМО в центр передовых разработок в данной сфере, чтобы создавать прототипы устройств и внедрять их в клиническую практику. Для этого они направили заявку на грант Российского научного фонда.