Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) предоставляет уникальные возможности для современных клинических и доклинических биомедицинских исследований. Магнитно-резонансная спектроскопия (MRS) и магнитно-резонансная томография (MRI) являются двумя основными методами, основанными на ЯМР. МРТ позволяет формировать изображения анатомии и наблюдать за физиологическими процессами в организме. Основными компонентами системы МРТ являются магнит, система градиента и радиочастотная (РЧ) система, существенной частью которой являются РЧ-катушки. Магнит создает сильное постоянное магнитное поле B0, которое вызывает макроскопическую ядерную спиновую намагниченность в образце. Система градиента используется для пространственного разрешения источника сигнала ЯМР и, таким образом, формирования изображения МР. РЧ-катушки, являющиеся только передающими, только приемными или приемопередающими, играют важную роль антенн, создающих переменное РЧ-магнитное поле для возбуждения спинов у субъекта и принимающих обратно слабые эхо-сигналы на частоте Лармора. Ларморовская частота ядра (которая является рабочей частотой системы МРТ) определяется гиромагнитным отношением ядра и напряженностью статического магнитного поля. В клинической и исследовательской МРТ ядра водорода (обычно называемые протонами) чаще всего используются для генерации детектируемого радиосигнала. Однако помимо водорода в живых организмах присутствуют несколько других типов ядер, которые обеспечивают полезную реакцию магнитного резонанса. Гетероядерные МР-измерения, т.е. эксперименты с использованием данных от дополнительного непротонного ядра, называемого X-ядром, такого как дейтерий (2H), фосфор (31P), натрий (23Na) или фтор (19F), также имеют большое значение, так как они предлагают информацию, которая дополняет информацию о протонной МРТ. В большинстве случаев изображения пространственного распределения X-ядра имеют значительно более низкое отношение сигнал/шум (SNR) и, следовательно, более низкое разрешение. SNR в МРТ в значительной степени зависит от B0, но также зависит от электромагнитных свойств РЧ катушек. РЧ-катушки обеспечивают поле возбуждения B1+ и поле приема B1-, имеющие одинаковые пространственные структуры в соответствии с принципом взаимности. B1+ и B1− противоположно циркулярно поляризованы и оба вращаются в плоскости, ортогональной B0. Поле B1+ служит для возбуждения спинов в исследуемом образце или субъекте. Обычно желательно, чтобы это возбуждение было равномерно распределено по интересующему объему, поэтому поле B1+, создаваемое РЧ-катушкой, должно быть достаточно однородным в этом объеме. Поскольку SNR или разрешение изображений X-ядер по сути низки, надежные анатомические данные из большинства изображений X-ядер не могут быть получены, и их необходимо объединять с эталонными изображениями 1H. В таких случаях многоканальные установки, состоящие из двух или более катушек, настроенных на соответствующие резонансные частоты ядер, используются для получения X-ядер и опорных изображений 1H. Конкретной проблемой, связанной как с конструкцией классических катушек, так и с доступными катушками, на основе метаматериалов, является низкий диапазон настройки катушки для X-ядра. Это проявляется в том, что катушки производятся только для использования с одним или двумя ядрами, что серьезно ограничивает диапазон применимости конкретной катушки. Эта проблема обостряется с ростом B0 по мере увеличения абсолютной разницы между ларморовскими частотами двух выбранных ядер. Следовательно, становится довольно сложно разработать широкополосную поверхностную или объемную катушку для сканеров со сверхвысоким полем с обычной схемой согласования и настройки. Разработанная в рамках данного проекта система с двумя катушками позволяет возбуждать ВЧ магнитное поле и получать в магнитном поле томографа 11.7 Тл сигналы от протонов, а также от нескольких биологически важных ядер. К последним относятся 2H (76,753 МГц), которое можно использовать, например, для индикации васкуляризации опухоли; 13C (125,721 МГц), которое при использовании в гиперполяризованном 13C МРТ обещает стать ключом к лучшему пониманию метаболизма рака; 23Na (132,256 МГц), которое дает важную метаболическую информацию, такую как жизнеспособность ткани, через целостность клеток и энергетический статус; 129Xe (138,302 МГц), которое в гиперполяризованном состоянии служит газообразным контрастным веществом для легочной МРТ и 31P (202,404 МГц), важное для мониторинга энергетического обмена. Ранее было продемонстрировано, что по сравнению с прямоугольными петлевыми катушками аналогичных размеров 1Н катушка, на основе метаматериалов, на частоте 300 МГц генерирует более высокое магнитное поле на 1 Вт принятой мощности. Поскольку наша катушка с настраиваемым диапазоном перестройки работает аналогичным образом, мы ожидаем более высоких значений SNR для сканирования X-ядер, что в сочетании с ее широким диапазоном настройки и большим полем зрения представляет собой многообещающую конструкцию доклинических многоядерных МР-катушек. Кроме того, возможность беспрепятственного наблюдения сигнала ЯМР от ряда ядер позволяет улучшить пространственную локализацию данных визуализации или локализованной спектроскопии, а также устраняет необходимость взаимодействовать с исследуемым животным при изменении рабочей частоты сканера. Ожидается, что это даст возможность привязать получаемые анатомические данные к функциональным, например, метаболическим процессам. Вкратце, приведенные выше основные моменты показывают, что представленная катушка является многообещающим инструментом, позволяющим провести недостижимую ранее практическую мультигетероядерную МРТ, что позволит в дальнейшем лучше дифференцировать патологии, более детально понимать метаболизм опухоли или наблюдать за функциональными аспектами хода терапии, что будет показано в дальнейших, в частности in-vivo, экспериментах.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Магнитно-резонансная томография (МРТ) является одним из самых мощных инструментов визуализации в клинических и доклинических исследованиях. Эта технология позволяет изучать ход развития различных заболеваний, детально отслеживая физиологические изменения в организме пациента. Активно разрабатываются новые методы улучшения МРТ, такие как разработка новых импульсных последовательностей, контрастных веществ или локальных радиочастотных катушек, позволяющих, например, увеличить отношение сигнал/шум (SNR) получаемых МР-изображений. Помимо широкого клинического использования, МРТ часто проводится на мелких животных в доклинических исследованиях. Например, в таких исследованиях было показано, что Т2-взвешенная магнитно-резонансная томография сердца может использоваться для оценки области отёка, являющейся зоной повышенного риска после инфаркта миокарда. В ходе исследований на животных были обнаружены и способы применения МРТ в других системах, например, в почках, головном мозге и других органах. Улучшение качества МРТ животных часто приводит либо к расширению области применения данного метода исследования, либо к повышению разнообразия методов сканирования, или и к тому, и к другому одновременно. Вследствие этого доклиническая визуализация мелких животных проводится в основном в высоких и сверхвысоких магнитных полях, где качество получаемых изображений заметно выше, чем в низком поле. С другой стороны, наблюдаемая тенденция к увеличению статического магнитного поля в МРТ и связанное с этим повышение чувствительности сканирования привело к возможности получения изображений живых организмов с использованием ядер отличных от ядер водорода без дополнительного изотопного обогащения. Наиболее востребованными из таких ядер (или X-ядер) являются фосфор, натрий, фтор, ксенон и углерод. Внедрение сканирования с использованием этих ядер в клиническую практику все еще затруднено вследствие необходимости в отдельной приёмопередающей системе, необходимой для возбуждения и регистрации сигнала X-ядер, обычно отсутствующей в клинических томографах. Однако, такие системы обычно доступны в доклинических аппаратах. Впрочем, оконечная часть такой системы (т. е. антенна, обычно называемая радиочастотной (РЧ) катушкой) по-прежнему ограничивает диапазон доступных ядер, так как обычно бывает выполнена в виде резонатора, настраиваемого только на частоты одного или двух ядер, из которых обычно одно является ядром водорода. Последние из результатов проекта заключаются в экспериментальном исследовании приёмопередающей конструкции с двумя катушками для МР-визуализации мелких животных в поле 7 Тл. Разработанная система использует катушку типа «бабочка», настроенную на 300 МГц для сканирования ядер водорода, и нерезонансную петлевую антенну с резонатором на основе метаматериалов, имеющим возможность настраиваться в широком диапазоне частот для X-ядер. В данной части работы в качестве таких ядер, которые представляют особый интерес для биомедицинской МРТ, были выбраны 1H, 31P, 23Na и 13C. Моделирование катушки показало, что две части конструкции развязаны и работают независимо, преимущественно из-за ортогональности создаваемых ими поперечных радиочастотных магнитных полей. Данные МР-сканирования показали возможность получения пространственного распределения сигнала Х-ядер с помощью катушки предложенной конструкции. Несмотря на то, что карты распределения Х-ядер были получены только для изотопа 23Na, продемонстрированная возможность получения спектра ЯМР с использованием изотопа 31P при низким числе усреднений указывает на возможность получения в будущем изображений также и с использованием изотопа 31P. Тем не менее, требуется дальнейшая оптимизация протокола сканирования для поиска оптимальных параметров импульсной последовательности для получения изображений с использованием ядер 23Na и 31P. Проделанная работа позволяет говорить об успешной демонстрации пригодности предложенной конструкцией для многоядерной МР-визуализации. С другой стороны, данные МР-спектроскопии демонстрируют способность катушки улавливать ЯМР-отклик от различных Х-ядер (в частности, 31P и 13C), а значит существует перспектива проведения полноценной МР-томографии на Х-ядрах. Итак, в рамках проекта было представлено подтверждение возможности осуществить многоядерное с помощью предложенной РЧ-катушки. Представленное подтверждение принципа многоядерной визуализации с помощью разработанной РЧ-катушки в перспективе позволит расширить экспериментальные возможности любого MР-сканера для мелких животных, например за счет получения комбинированных изображений или спектров изотопов 23Na и 31P, оба из которых зарекомендовали себя, как индикаторы степени тяжести рассеянного склероза, с другой стороны, комбинация сигналов 129Xe и 23Na может помочь одновременно оценить жизнеспособность клеток легких и связанную с ними функцию легких, а МРТ на ядрах 11B может быть использовано в качестве метода мониторинга для борной нейтронно-захватной терапии в совокупности с сигналами 31P, которые могут помочь оценить повреждение тканей, соседствующих с облучаемой зоной. Если ранее добавление каждого дополнительного ядра к протоколу МР-визуализации требовало покупки или создания дополнительной РЧ-катушки, и кроме того – увеличения продолжительности эксперимента (из-за времени, затрачиваемого на замену катушек) и введения дополнительных шагов в процедуру анализа изображений (из-за необходимости совмещения изображений, полученных с использованием сигнала различных ядер), то использование одной перестраиваемой РЧ-катушки должно значительно увеличить скорость модификации оборудования в ходе протокола МР-сканирования и практически устранить необходимости в совмещении изображений при постобработке. Это, в свою очередь, должно привести к увеличению объема информации, которую могут предоставить доклинические исследования на животных, а также к повышению их точности.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Магнитно-резонансная томография (МРТ) является одним из самых мощных и динамически развивающихся инструментов медицинской визуализации в клинических и доклинических исследованиях. Эта технология позволяет изучать ход развития различных заболеваний, детально отслеживая физиологические изменения в организме пациента. Активно разрабатываются новые методы улучшения МРТ, такие как разработка новых импульсных последовательностей, контрастных веществ или локальных радиочастотных катушек, позволяющих, например, увеличить отношение сигнал/шум получаемых МР-изображений. Подавляющее большинство МР-исследований на сегодняшний день проводятся с использованием сигнала ядерного магнитного резонанса на ядрах водорода вследствие их большой распространённости и простоты регистрации данного сигнала. Однако, наблюдаемая в последние годы тенденция к проведению МРТ животных и человека в сверхвысоких полях (более 7 Тл) открывает возможность получения изображений живых организмов с использованием ядер отличных от ядер водорода без дополнительного изотопного обогащения. Наиболее востребованными из таких ядер (или X-ядер) являются фосфор, натрий, фтор, ксенон и углерод. Даже при использовании сверхвысоких полей регистрация изображений с использованием нескольких ядер помимо водорода представляется проблематичной вследствие необходимости перемещения исследуемого объекта или организма при смене оконечной части приёмо-передающей системы (или РЧ-катушки), что вызывает значительные погрешности при дальнейших попытках совместить полученные изображения. Вследствие этого сигналы от Х-ядер используются по большей части только в двухъядерных экспериментах, где изображение, полученное с использованием ядер водорода, совмещается с изображением, полученным с использованием одного из Х-ядер, так как такие эксперименты не всегда требуют смены РЧ-катушки. В ходе данного этапа проекта был предложен протокол магнитнорезонансного сканирования, с использованием приёмопередающей конструкции с двумя РЧ-катушками для МР-визуализации мелких животных в поле 7 Тл. Данная система использует имеет возможность регистрировать сигналы ядерного магнитного резонанса в широком диапазоне частот для X-ядер, а значит не требует перемещения исследуемого объекта при смене рабочего ядра. В ходе выполнения очередного этапа проекта было показано, как данная разработка может быть использована для неразрывной визуализации распределения в объекте исследования изотопов 1H, 31P и 23Na. Были получены изображения тестового объекта с использованием импульсных последовательностей FLASH с идентичными разрешениями при сканировании на ядрах водорода, фосфора и натрия. Для изображений полученных таким образом был предложен метод цветового кодирования, что позволило представить полученные данные в виде цветного МР-изображения, где цвет соответствует относительному содержанию выбранных изотопов в каждом вокселе. Представленная методика многоядерной визуализации с помощью разработанной РЧ-катушки в перспективе позволит расширить экспериментальные возможности MР-сканера, обладающего требуемым для многоядерной визуализации оборудованием. Кроме того, предложенная методика комбинации многоядерных изображений может изменить подход к анализу многоядерных изображений в приложениях по, например, исследованию рассеянного склероза, функции лёгких или мониторинга повреждения тканей при борной нейтронно-захватной терапии.