Грудная клетка-сканер: разработано компактное устройство для диагностики рака молочных желез

По данным ООН, на опухоль груди приходится каждый восьмой случай рака в мире. Магнитно-резонансная томография (МРТ) — сегодня самый точный из неинвазивных методов ранней диагностики заболевания, но далеко не идеальный. Группа ученых из университета ИТМО разработала беспроводное компактное устройство для сканирования молочных желез. Оно обещает повысить точность диагностики и быть в разы дешевле аналогов.

От Солнца до томографа

Виктор Пучнин — аспирант физического факультета университета ИТМО (в вузе факультет называют «новый физтех»). Он закончил бакалавриат в Санкт-Петербургском государственном университете, потом занимался изучением темных пятен на Солнце. «Это было безумно интересно. Но, как правило, результаты таких исследований интересуют лишь пару людей в мире — твоего научного руководителя и какого-нибудь ученого дедушку в Америке, — смеется аспирант. — А я шел в физику с мечтой создавать что-то полезное людям. Когда закончил бакалавриат, появилась идея сменить область научных интересов и заняться прикладными исследованиями».

Как-то Виктору попалась на глаза информация о том, что на физическом факультете ИТМО студенты занимаются изучением МРТ. «Я пару раз обследовался, и это меня завораживало. Тебя кладут в какую-то страшную трубу, которая пищит, дрожит и вся трясется, а потом отдают на руки послойное изображение твоего тела. Несмотря на то, что я уже имел некоторые знания в физике, это казалось волшебным», — признается исследователь.

В магистратуре «нового физтеха» Виктор Пучнин встретился со своим научным руководителем, кандидатом физико-математических наук Аленой Щелоковой, и подключился к разработке беспроводной радиочастотной катушки для аппарата МРТ.

Усилить резонанс

Во время проведения МРТ пациента помещают внутрь большой передающей катушки. Она создает переменное радиочастотное магнитное поле, а сверхпроводники вокруг нее ― сильное постоянное магнитное поле (в клинических томографах обычно используются 1,5 и 3 Тесла). Сочетание 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 их 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 из-за большого размера чувствительность основной катушки невысока, что побуждает врачей дополнительно применять локальные приемные радиочастотные катушки небольшого размера, располагая их в области конкретных исследуемых зон. Существуют приемные катушки для головы, торса, спины, рук и ног и так далее. Они собирают сигнал магнитного резонанса и дают более четкие и яркие снимки.

«Идея сделать устройство для сканирования именно молочных желез показалась нам перспективной и важной задачей, поскольку специализированных катушек для таких исследований в клиниках представлено крайне мало, особенно в России. Плюс они все довольно дорогие, не каждая клиника готова покупать такое специфическое оборудование», — говорит научный сотрудник физического факультета ИТМО Алена Щелокова.

Испытания на ананасах

«В нашем устройстве MetaCoil объемные резонаторы фокусируют магнитное поле, создаваемое большой радиочастотной катушкой томографа, в маленькой области, тем самым повышая амплитуду магнитного поля, что, в свою очередь, повышает качество получаемого изображения. То есть по сути вся энергия направляется на возбуждение атомов не во всем теле, а в конкретной области», — поясняет Виктор Пучнин.

Изначально беспроводная катушка от университета ИТМО походила на клетку для мелких животных с горизонтальными прутьями — два параллелепипеда, внутрь которых должна была помещаться грудь. «Помню, как с первым экспериментальным образцом, коробочкой на основе метаматериалов, поехал в клинику НМИЦ им. Алмазова, с которой мы сотрудничаем. Сунул туда для проверки ананас, запустил томограф — сработало. Это прекрасное чувство, когда ты что-то собрал, и оно начало функционировать», — делится эмоциями Виктор Пучнин.

Сейчас беспроводная катушка стала значительно эргономичнее. Резонаторы упаковали в удобный пластиковый корпус, добавили в конструкцию подушки из искусственной кожи и поролона. В отличие от немногочисленных иностранных аналогов разработка ИТМО беспроводная. То есть можно просто положить прибор на выдвижной стол томографа под пациента и начинать процедуру без дополнительных изменений в проведении сканирования.

Легли на катушки

После ананасов инновацию тестировали на бутылках с растворами, моделирующими жидкости в организме человека. Потом перешли к экспериментам на людях.

«Мы любим и бережем наших коллег женского пола, поэтому первыми легли на катушки мужчины из нашей команды, — рассказывает Виктор Пучнин. — Пришлось использовать водные фантомы, которые имитировали молочные железы. Сначала было немного нервно, несмотря на то что все уже тысячу раз рассчитано и абсолютно безопасно. Потом начались тесты на подругах-испытателях и других друзьях-коллегах. Я до сих пор дорабатываю и видоизменяю катушку, поэтому периодически мне нужны волонтеры с разной величиной нагрузки, то есть с разным размером груди».

Исследователи ИТМО продолжают работать над усовершенствованием MetaCoil вместе с врачами из Санкт-Петербургского НМИЦ им. Алмазова. В задачи медиков входит оценка качества изображения с точки зрения практического использования снимков для диагностики. Виктор Пучнин отмечает, что без опытного взгляда практикующего специалиста добиться хороших эмпирических результатов невозможно: «Бывает забавно, когда мы с врачом смотрим на снимки с усовершенствованной катушки. На мой взгляд, ничего не изменилось в лучшую сторону, а доктор удивляется и радуется результату: «Как круто! Наконец-то появилась такая-то важная линия!».

На данный момент активно идет подготовка к завершающей стадии исследования — команда, работающая над MetaCoil, начинает сотрудничество с клиниками России и Казахстана. Ожидается, что совместная деятельность поможет создать обширную базу результатов клинических испытаний параллельно с проведением бесплатного медицинского тестирования для желающих. Виктор и его команда уверены, что их разработка сделает возможность проведения сканирования молочных желез более доступной широкому кругу людей, что поможет в борьбе с болезнью.