КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 19-75-10104

НазваниеДоклиническая гетероядерная магнитно-резонансная томография с регистрацией сигнала от широкого набора диагностически ценных изотопов

РуководительЗубков Михаил Александрович, кандидат наук (признаваемый в РФ PhD)

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО", г Санкт-Петербург

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2019 - 06.2022  , продлен на 07.2022 - 06.2024. Карточка проекта продления (ссылка)

КонкурсКонкурс 2019 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины, 05-602 - Физические методы медицинской диагностики. Томография

Ключевые словаЯМР, МРТ, томография, метаматериалы, радиочастотные устройства, гетероядерный ЯМР, приёмопередающие антенны, новообразования

Код ГРНТИ76.13.17


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Доклинические исследования способны предоставить широкий спектр данных о работе модельного организма при помещении его в особые контролируемые условия. Такими условиями могут быть как различные роды нагрузок на организм, внесенные в организм препараты, так и вызванные в отдельных органах или системах патологии или другие условия. Подобные исследования в целях безопасности чаще всего проводятся на лабораторных животных и являются необходимым шагом на пути новой медицинской технологии из области фундаментальных исследований в клиническую практику. Отдельно стоит выделить доклинические исследования проводимые методами неинзвазивной визуализации, так как в этом случае получаемые условия наблюдения наиболее приближены к естественному состоянию организма. Неинвазивная визуализация позволяет проводить исследования кинетики лекарственных препаратов и оценивать их эффективность и избирательность их действия, а исследование метаболических свойств модельных патологий (в частности, новообразований) позволяет оценить их реакцию на проводимую терапию и оценку её эффективности, что в свою очередь ведет к повышению разработке стратегий более рационального применения фармпрепаратов. Вследствие этого разнообразие и качество доклинических исследований напрямую влияет на уровень развития высокотехнологичного здравоохранения, а значит требует развития для расширения спектра клинически применимых медицинских технологий. Магнитно-резонансная томография (МРТ) является одним из наиболее эффективных неинвазивных методов визуализации, широко применяющимся как в клинической практике, так и в доклинических исследованиях. Развитие методик МРТ активно ведется как в доклинической, так и в клинической областях. Так, в последнее десятилетие в клинической практике стали активно применяться сложные МРТ-методики, ранее использовавшиеся только в исследовательских целях. К таким можно отнести контраст по переносу намагниченности, функциональную магнитно-резонансную томографию, картирование тензора самодиффузии, гетероядерные исследования и другие. Можно увидеть, что расширение экспериментальной базы доклинических исследований в ходе исследовательского и инновационного процесса непосредственно приводит к увеличению диагностической мощности клинического МРТ. Таким образом, гетероядерные МРТ-исследования являются одним из наиболее динамически развивающихся разделов современной МР-томографии, что обусловлено тенденцией увеличения величины статического магнитного поля, доступного в клинической и исследовательской практике. Однако, в настоящий момент возможности как клинического применения гетероядерной МРТ, так и доклинического её использования существенно ограничены. В частности, большинство гетероядерных МР-исследований проводится с использованием сигналов ядерного магнитного резонанса от изотопов фтора, фосфора, углерода и водорода, в то время как классическая ЯМР-спектроскопия позволяет использовать сигналы ЯМР от изотопов практически всех химических элементов. При этом в томографии в каждом отельном исследовании чаще всего используется сигнал только от двух типов ядер: водорода и одного из других элементов. Данное ограничение вызвано, в частности, типом радиочастотных приёмно-передающих устройств (РЧ-катушек), используемых в доклинических томографах для регистрации сигнала ЯМР. Современные многоядерные катушки в подавляющем большинстве представляют собой пару совмещенных резонаторов типа «птичья клетка», каждый из которых настроен на резонансную частоту соответствующего ядра. Использование данных резонаторов для приёма сигнала других ядер оказывается крайне неэффективно вследствие ограниченного диапазона перестройки резонаторов типа «птичья клетка» без изменения их геометрии. В свою очередь, было показано, что РЧ-катушки, содержащие резонаторы на основе среды из проводов являются более эффективными приёмо-передающими устройствами, чем катушки типа «птичья клетка». Конструкции катушек подобного типа были разработаны как для применения в клинической, так и в доклинической МРТ. Однако, принцип построения данного типа катушек также предполагает узкополосность и низкую перестраиваемость резонансной частоты, что в свою очередь, приводит к ограничениям, аналогичным присущим катушкам типа «птичья клетка». Данный проект направлен на преодоление данного ограничения путём разработки нового принципа построения РЧ-катушек на основе сред из проводов, предполагающего широкий диапазон перестройки рабочей частоты резонатора. Благодаря внедрению перестраиваемых в широком диапазоне частот РЧ-катушек, данный проект предполагает устранить одно из основных препятствий на пути внедрения многоядерных экспериментов в доклиническую магнитно-резонансную томографию.

Ожидаемые результаты
1. На первом этапе работы над проектом участниками и руководителем планируется разработать новый принцип создания радиочастотных устройств для магнитно-резонансной томографии, предполагающий возможность детектировать сигналы ядерного магнитного резонанса различных изотопов от одного образца с использованием одной приемнопередающей РЧ-катушки. На настоящий момент подобная возможность отсутствует в магнитно-резонансной томографии и возможна только без наблюдения пространственного распределения сигнала в ЯМР-спектроскопии. Для создания подобных перестраиваемых в широком диапазоне РЧ-катушек будут исследованы различные методы контроля резонансной частоты наборов связанных резонаторов, как то изменение распределенных параметров резонаторов путём изменения их геометрии, изменение электромагнитных параметров среды, содержащей резонаторы или материалов, составляющих конструкцию резонаторов. 2. На втором этапе работы над проектом планируется получить экспериментальное подтверждение применимости разработанного принципа для создания катушек для широкополосной регистрации гетероядерного магнитного резонанса в доклинической магнитно-резонансной томографии. На данном этапе на основе ранее разработанного в рамках проекта принципа будет сконструирован один или несколько прототипов радиочастотных устройств и на модельных объектах будет произведена оценка соответствия реальных характеристик РЧ-катушки теоретическим и численным расчетам. Таким образом будет показана принципиальная экспериментальная возможность создавать устройства широкополосной регистрации гетероядерного ЯМР в доклинической магнитнорезонансной томографии. 3. Но третьей стадии проекта сконструированный прототипы устройств будут испытаны в реальных экспериментах с использованием живых организмов в норме и с привнесенными патологиями. Так, будут проведены на данный момент невозможные интроскопические исследования с использованием сигнала от нескольких ЯМР-чувствительных ядер, например, наблюдение в одном организме динамики и пространственного распределения двух и более лекарственных или диагностических препаратов, содержащих различные ЯМР-чувствительные ядра, в качества маркеров-источников сигнала, визуализация ответа систем организма на внешнее воздействие путём регистрации сигнала ядер, содержащихся в характерных для участвующих в реакции веществ (к примеру, оценка метаболизма организма с использованием ядер фосфора или натрия) или исследование содержания веществ с различными ЯМР-чувствительными ядрами в модельной патологии (например, динамики энергетического обмена в глиомах путём наблюдения за распределением ионов натрия, калия или хлора). Таким образом, результатом третьей части проекта станет демонстрация практической возможности комбинированных доклинических МР-исследований на множественных ЯМР-чувствительных ядрах. В рамках данного проекта будет разработан новый принцип построения РЧ-катушек для МР-томографии и испытана их практическая применимость. Непосредственным следствием данного проекта может стать инновационное производство востребованных на настоящий момент мировым научным сообществом многочастотных РЧ-катушек для гетероядерной МРТ. В долгосрочной перспективе результатами данного проекта станет динамическое развитие методов доклинической гетероядерной МРТ, что в свою очередь приведет к скорейшему переходу гетероядерного МРT в клиническую практиу. Таким образом, будет ускорена разработка новых методов диагностики социально-значимых заболеваний.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


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.

 

Публикации

1. Иванов В.А., Хуршкайнен А.А., Соломаха Г.А., Зубков М.А. RF-coil with variable resonant frequency for multiheteronuclear ultra-high field MRI Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications, - (год публикации - 2019).


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.

 

Публикации

1. Г. Соломаха, Дж. Т. Свейда, К. ван Леувен, А. Реннингс, А. Дж. Рааймакерс, С. Глыбовский, Д. Эрни. A self-matched leaky-wave antenna for ultrahigh-field magnetic resonance imaging with low specific absorption rate NATURE COMMUNICATIONS, - (год публикации - 2021).

2. Евгений Корешин и Михаил Зубков Cylindrical resonators in penile magnetic resonance imaging: Solenoids versus birdcage AIP Conference Proceedings, - (год публикации - 2020).

3. Николай И. Авдиевич, Георгий Соломаха, Лорин Рум, Анке Хеннинг, Клаус Шеффлер. Unshielded bent folded‐end dipole 9.4 T human head transceiver array decoupled using modified passive dipoles MAGNETIC RESONANCE IN MEDICINE, - (год публикации - 2021).


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.

 

Публикации

1. Пучнин В., Иванов В., Гуляев М, Зубков М. Magnetic resonance imaging with a multi-tunable metamaterial-inspired radiofrequency coil Journal of Physics: Conference Series, 2015, 012171 (год публикации - 2021).

2. Пучнин В., Иванов В., Гуляев М., Пирогов Ю., Зубков М. Imaging capabilities of the 1H-X-nucleus metamaterial-inspired multinuclear RF-coil IEEE Transactions on Medical Imaging, 0, 00,000 (год публикации - 2022).


Возможность практического использования результатов
не указано