Для изучения работы систем организма и эффекта различных фармакологических препаратов и работы систем организма часто необходимо получить МРТ-изображение целого организма. Чаще всего доклинические исследования проводятся на животных, например, на мышах. Однако, несмотря на малый размер животного, просканировать мышь целиком и получить качественное изображение не так просто, как кажется.

Дело в том, что в МРТ, как правило, используется стандартная объемная катушка для излучения радиосигнала, и отдельные маленькие катушки для приема сигнала от исследуемой области. Поэтому чтобы получить изображения тела целиком, нужно либо совмещать картинки с локальных катушек, либо использовать большую катушку и для излучения, и для приема. В первом случае процедура получения изображения усложняется, а во втором страдает качество изображения, и различить на нем мелкие важные детали становится сложно.

Для решения этой проблемы ученые Университета ИТМО разработали специальную МРТ-катушку нового типа. Она позволяет получить качественное изображение мыши целиком за счет ряда конструктивных преимуществ. Прежде всего, у катушки оптимальный размер и поле зрения для сканирования мышей. Метаструктура с распределенной емкостью в основе катушки позволяет подобрать размер резонатора так, чтобы он подходил к размерам мыши, и избежать захвата лишних шумов. При этом интенсивность переменного магнитного поля в области исследования значительно превышает поле стандартной объемной катушки. Это позволяет получить равномерное распределение амплитуд принимаемого катушкой радиочастотного сигнала и получить высокую чувствительность катушки во всем ее поле зрения. За счет этого качество изображения повышается.

«Стандартные катушки настраиваются на нужную частоту путем использования специальных перестраиваемых немагнитных конденсаторов. За счет наличия внутренних потерь при использовании конденсаторов снижается соотношение сигнал/шум. Это один из главных параметров, определяющих качество изображения в магнитно-резонансной томографии. В нашей катушке конденсаторы не используются, она саморезонансная и настраивается путем изменения геометрических параметров. То есть конструктивные особенности катушки позволяют оптимизировать ее работу, повысить чувствительность и качество изображения. Кроме того, стоимость используемых материалов невысока, а технология изготовления позволяет адаптировать катушку для разных исследований», — отмечает Анна Хуршкайнен, аспирант Университета ИТМО, сотрудник Лаборатории нанофотоники и метаматериалов.

По словам ученых, работа началась с численного моделирования. Это помогло оптимизировать геометрию будущей катушки и подобрать материалы. Затем исследователи сделали прототип катушки и провели эксперименты на фантоме и на мышах.

«Мы измеряли соотношение сигнал/шум в разных участках изображения на разных расстояниях между объектом и катушкой. Полученные значения сравнивали с результатами моделирования и с аналогичными значениями для стандартной большой катушки. В итоге при большом расстоянии от объекта до катушки отличий почти не было, на минимальном расстоянии соотношение сигнал/шум стало лучше на 60%. А в оптимальной области нам удалось добиться улучшения качества в три раза», — добавляет Михаил Зубков, научный сотрудник Лаборатории нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО

Теперь ученые планируют продолжить работу над разнообразными катушками для доклинических исследований различного профиля.

Статья: Small‐animal, whole‐body imaging with metamaterial‐inspired RF coil. Mikhail Zubkov, Anna A. Hurshkainen et al. NMR in Biomedicine, 26 June 2018