Создан самый мощный в мире «человеческий» магнитно-резонансный томограф

Беспрецедентным проектом занимаются в научно-исследовательском кластере Париж-Сакле, который входит в восьмерку крупнейших научно-технологических центров мира. В середине октября исследователи получили первые изображения на новом магнитно-резонансном томографе с индукцией магнитного поля 11,7 Тесла, при том, что стандартные томографы, активно используемые в клинике на сегодняшний день, имеют индукцию 1,5 и 3 Тесла (то есть почти в 4-7 раз меньшую). Сканер имеет разрешение 1/10 миллиметра, массу в 150 тонн и стоит 75 миллионов евро. 

Снимок тыквы. Credit: CEA


Первым просканированным объектом на аппарате столь большой мощности стала тыква, и тому есть несколько причин. Во-первых, томограф пока недостаточно настроен для того, чтобы сканировать в нем живые организмы. А, во-вторых, грядет Хеллоуин, и тыква, помимо ее главной роли в этом празднике, представляет собой весьма отдаленную, но все же довольно удачную модель головы человека, имеющую плотную оболочку и мягкое структурное нутро с большим количеством воды а, следовательно, и атомов водорода. Прямо как головной мозг.

Проект Iseult, частью которого стала разработка полноростового 11,7-теслового томографа, создан в 2004 году для того, чтобы двигаться к молекулярной визуализации, используя магнитно-резонансную томографию (МРТ) сверхвысоких полей. В эту французско-немецкую инициативу включились крупнейшие академические и технологические и игроки: французский Комиссариат по атомной и альтернативным видам энергии (CEA), Фрайбургский университет, Guerbet, Siemens Healthineers и Bruker.

«Идея заключалась в создании клинического МРТ-сканера, работающего на индукции 11,7 Тесла, что в то время считалось безумной и очень рискованной, почти невозможной идеей. Но я знал, что могу рассчитывать на всемирно признанный опыт моих коллег из CEA, физиков, инженеров и техников IRFU (Исследовательский институт фундаментальных законов Вселенной)», — рассказывает Дени Ле Биан, медицинский физик и радиолог, основатель компании NeuroSpin, входящей в состав CEA и сопровождающей разработку сверхвысокопольного томографа.

В 2017 году компания NeuroSpin получила магнит массой в 132 тонны и размерами 5 x 5 x 5 м, который был произведен на заводе Alstom, выпускающем высокоскоростные поезда (TGV). Исследователям потребовалось два года, чтобы выйти на нужную индукцию, и делать это нужно было очень аккуратно, дабы не устроить квенч и не повредить сверхпроводящий магнит. Квенч – явление лавинообразного подъема температуры в системе, находящейся около абсолютного нуля (-2730С), при котором охлаждающий теплоноситель (а именно гелий) превращается в пар, и проводник электромагнита резко теряет свои сверхпроводящие свойства. 

Думаем, излишне говорить, насколько сложно поддерживать эту систему в стабильном состоянии. Гелий нужно производить и охлаждать до температуры 1,6 К (-271,50С) прямо на месте, для чего была разработана специальная криогенная фабрика, находящаяся в помещении под ним. Охлажденный гелий необходимо доставлять в магнит с помощью теплотрубки, которую тоже пришлось конструировать отдельно. Ток в магните увеличивали постепенно, шаг за шагом повышая индукцию магнитного поля с 1,5 Тесла до 11,7. Магнит контролируют 1500 датчиков, работающих 24/7, а рабочие токи составляют около 1500 ампер (гораздо более высокие, чем у существующих магнитов).

Другая проблема, которую решали исследователи, заключалась в неоднородности сигнала, формирующего изображения. Это ожидаемо при коротковолновом диапазоне частот, которые увеличиваются при 11,7 Тесла до 500 МГЦ. Для того, чтобы скорректировать это, необходимо было разработать многоканальную катушку, позволяющую проводить параллельный сбор данных. 

Полностью собранный сканер. Credit: CEA


Сканер имеет предельное пространственное разрешение 1/10 мм, которое можно получить, используя в качестве сверхпроводника ниобий-титановый сплав. Чтобы добиться еще большего разрешения, потребуется дальше повысить индукцию магнитного, что станет возможным только при замене материала проводника.  

Диаметр «трубы» сканера, где обычно размещается пациент, стандартный и составляет 70 сантиметров. Это позволит смотреть не только «целевой орган» — мозг, но и другие участки тела. В частности, Ле Биана интересует развитие визуализации легких. 

Еще две системы с индукцией 11,7 Тесла планируется установить в США и Южной Корее, но они будут меньших размеров и предназначены только для исследования головного мозга. В данный момент по миру все больше распространяются 7-тесловые томографы, которые в 2017 году были одобрены для клинического применения (сейчас их уже около сотни и ни одного – в России). Наличие 11,7-тесловых томографов имеет большой научный потенциал, поскольку находки, сделанные с его помощью, затем можно будет ретранслировать на менее высокопольные МР-аппараты 7 и 3 Тесла. 

«Мы должны рассматривать этот выдающийся инструмент как прототип, поскольку мы находимся в той же ситуации, что и астрономические исследования. Используя новые мощные телескопы, можно открывать новые звезды, планеты. Но как только мы узнаем, где искать, будут работать и более скромные инструменты. Мы надеемся, что то, что мы находим или открываем с помощью нашей системы 11,7 Тесла, можно будет затем обнаружить в системах с более низким полем (7 Тесла, 3 Тесла). Так что это в некотором роде трансляционное исследование МРТ», — рассказывает Ле Биан.

В настоящее время ученые разрабатывают протоколы сканирования для изучения структуры мозга, а также для проведения функциональных исследований (функциональная МРТ). Они ставят перед собой цель глубже понять структурные и функциональные основы расстройств мозга и улучшить их диагностику, а также разработать программы мониторинга новых методов лечения. В основном, они ориентируются на нейродегенеративные заболевания (болезнь Альцгеймера, лобно-височная деменция), и психические расстройства (шизофрения, биполярное расстройство и другие. 

В будущем исследователи рассматривают создание еще более мощных сканеров с индукцией магнитного поля 14 или 16 Тесла, а также “социальных” магнитов, в которых могут помещаться два или три человека, чтобы изучать функционирование “социального” мозга во время их взаимодействия. 

Текст: Анна Хоружая

По материалам AuntMinnieEurope.com