Магнитоиндукционная томография для медицинских приложений

МАГНИТОИНДУКЦИОННАЯ ТОМОГРАФИЯ ДЛЯ МЕДИЦИНСКИХ ПРИЛОЖЕНИЙ

А.В. Корженевский, С.А. Сапецкий Институт радиотехники и электроники РАН sapetsky@cplire.ru

Предложен новый метод магнитоиндукционной томографии для визуализации мозговой активности, диагностики инсультов, опухолей головного мозга, системы кровообращения головы и конечностей на основе картины распределения электропроводности. Приводятся способы повышения точности измерений и качества магнитоиндукционных томограмм. Продемонстрированы полученные экспериментально изображения распределений электропроводности в сечении головного мозга и тела человека.

Среди новых томографических методов, основанных на использовании низкочастотного электромагнитного поля или переменного электрического тока, наибольшее развитие получила электроимпедансная томография (ЭИТ) [1], в которой через проводящий объект с помощью электродов, находящихся на его поверхности, пропускают слабый электрический ток, а с помощью других электродов измеряют потенциалы, возникающие на поверхности исследуемого объекта. В последнее время развиваются бесконтактные методы визуализации электрической проводимости: магнитоиндукционная томография (МИТ) [2,3] и электрополевая томография (ЭПТ) [4], впервые предложенные в ИРЭ РАН. В качестве зондирующего поля в МИТ используется высокочастотное магнитное поле, которое создается передающей катушкой. К другой катушке подключается приемник. Наличие проводящих объектов в пространстве приводит к сдвигу фазы поля в точке приема. Он прямо пропорционален проводимости и частоте [2].

На фазу влияет проводимость объектов, находящихся в зоне чувствительности вдоль силовой лини магнитного поля. Для получения картины распределения проводимости в пространстве используется несколько катушек. На одну из них подается переменное напряжение, а на остальных измеряется сдвиг фаз. Путем перебора всех вариантов передающих и приемных катушек получается набор данных для реконструкции, который передается в компьютер.

Разрешающая способность в пространстве определяется, прежде всего, количеством катушек, а по проводимости - уровнем магнитного поля на приемных катушках и качеством аппаратуры, измеряющей фазу.

В настоящее время в ИРЭ РАН разработана и собрана 16-канальная измерительная установка для магнитоиндукционной томографии [2,3]. Она состоит из электромагнитного экрана-каркаса цилиндрической формы диаметром 40см. На нем с внутренней стороны прикреплены приемные и передающие катушки диаметром 5см. На наружной стороне экрана расположены приемно-передающие модули. Микроконтроллеры на отдельной плате управляют процессом измерения и передают результаты в компьютер, где осуществляется их математическая обработка и построение картины распределения электрической проводимости. Частота магнитного поля - 20МГц, а магнитная индукция в центре передающей катушки составляет 10-8 Тл, что гораздо меньше магнитного поля Земли.

Сначала были выполнены измерения на различных фантомах, состоящих из сосудов с соленой водой (NaCl) различной концентрации. Они показали справедливость теоретических предположений и корректную работу алгоритмов решения обратной задачи.

Получена первая в мире магнитоиндукционная томограмма грудной клетки, измеренная на живом объекте - человеке (см. рис.1а). Она показывает разницу между вдохом и выдохом. Здесь видны легкие и результат движения передней стенки грудной клетки при дыхании.

Также была измерена статическая томограмма головного мозга человека (рис.1б). На ней видны желудочки, заполненные спинномозговой жидкостью.

Рис.1а

Результат динамической визуализации по экспериментальным данным, полученным при измерениях на уровне грудной клетки человека на выдохе при использовании в качестве опорного набора данных результатов измерений на вдохе (выдох-вдох): 1 -левое легкое; 2 - правое легкое; 3 -артефакт, обусловленный перемещением передней стенки грудной клетки при дыхании

Рис.1б

Томографическое изображение головы человека, реконструированное нейросетевым алгоритмом. Затылок расположен в верхней части изображения, правая сторона - слева. Два светлых пятна соответствуют областям с высокой электропроводностью и могут быть идентифицированы как желудочки мозга, расположенные внутри правого и левого полушарий и заполненные спинномозговой жидкостью.

На мировом рынке в настоящее время отсутствуют приборы, основанные на методе магнитоиндукционной томографии. Ведутся лишь начальные исследования в США, Великобритании и Австрии. Однако попытки получить томограмму живых объектов на основе экспериментальных результатов не увенчались успехом..

Перечислим несколько наиболее многообещающих применений МИТ в медицине:

1) Биоэлектрические процессы в мозге. Визуализация мозговой активности при выполнении тех или иных психологических задач.

2) Диагностика инсультов. Нет необходимости доказывать насколько это актуальная задача. Если оборудовать кабинеты врачей и машины скорой помощи магнитоиндукционными томографами, то можно было бы существенно улучшить ситуацию в этой области. Путем диагностики ишемической или геморрагической природы инсульта и своевременной помощи по результатам диагностики.

3) Также магнитоиндукционная томография может использоваться для диагностики онкологических заболеваний и опухолей головного мозга.

4) Для исследования системы кровообращения головы и конечностей.

На имеющемся в настоящее время опытном образце уже продемонстрирована работоспособность нашего метода и даже опробована его работа на живых объектах. Для того чтобы было возможно применять МИТ в медицине, необходимо провести исследования и работы по его дальнейшему усовершенствованию и улучшению характеристик:

1) Прежде всего, необходимо повысить пространственное разрешение. В реализованном в ИРЭ РАН прототипе МИТ было использовано 16 приемно-передающих модулей. Разрешение изображения, восстанавливаемого системой, пропорционально корню из числа катушек. Если сделать 256 модулей - можем

получить разрешение 1 см. Но для этого нужно одновременно уменьшить диаметр катушек до 1 см, что приводит к уменьшению уровня сигнала. Поэтому дальнейшее увеличение количества катушек нежелательно т.к. тогда существенно ужесточаются требования к аналоговой части, сильно возрастает сложность и стоимость системы, увеличивается объем вычислений.

2) Планируется дальнейшее усовершенствование алгоритмов обработки данных и решения обратной задачи. Это необходимо для повышения качества томограмм при тех же исходных данных.

3) Актуальной является задача создания томографа, работающего не на одной, а на разных частотах. Появляется возможность различать ткани не только по абсолютной проводимости, но и по зависимости её от частоты.

4) Также потребуется повышать точность измерений фазы. Это связано не только с необходимостью более точного измерения проводимости, но и с увеличением количества катушек.

5) Сейчас катушки расположены в одной плоскости. Все представленные сейчас томограммы представляют собой срез проводимости в плоскости катушек. Но располагая катушки выше и ниже этой плоскости, мы можем получать трехмерные томограммы.

МИТ имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными томографическими методами:

1) Проводимость дает нам новый способ получения информации о функциональных, физиологических и психофизиологических процессах в организме. Они влияют на проводимость сильнее, чем на плотность вещества, которая измеряется в рентгеновской томографии.

2) Важным аспектом является безопасность процедуры обследования, поэтому её можно проводить сколь угодно часто. Мы используем слабое магнитное поле, не представляющее опасности для человека. Нет необходимости применять радионуклиды, как в позитронно-эмиссионной томографии, или радиацию.

3) Существующее сейчас на рынке медицинское оборудование дорогое и громоздкое. Мы предлагаем более экономичное решение (стоимость прибора не превысит $15 000). Благодаря компактности и невысокой стоимости можно размещать МИТ в машине скорой помощи и в любом кабинете врача.

4) Метод является бесконтактным и неинвазивным, нет необходимости в расходных материалах.

5) Ещё одно преимущество - быстрота процедуры обследования - около 1 сек. Обработка данных и построение картины распределения проводимости происходит за несколько секунд, но это время можно существенно сократить. При необходимости можно создать томограф, дающий картину распределения проводимости в реальном времени - с частотой несколько кадров в секунду.

Для практической и коммерческой реализации метода необходимо дальнейшее усовершенствование алгоритмов получения данных, решения обратной задачи, а также усовершенствования аппаратуры и повышение точности измерений. ИРЭ РАН обладает большим опытом решения подобных задач. Уже изобретен, производится и успешно используется более 7 лет в клиниках по всему миру (более 80 приборов) электроимпедансный маммограф (прибор для раннего обнаружения как нераковых, так и онкологических заболеваний молочной железы). Вместе с ведущими врачами мы имеем все шансы реализовать МИТ как коммерческий продукт.

1. Корженевский А.В., Черепенин В.А. // Радиотехника и электроника, 1997, Т. 42, № 4. С. 506.

2. Корженевский А.В., Сапецкий С.А., Черепенин В.А. // Известия АН, серия физическая, 1999. Т. 63. N 12. С. 2437.

3. Korjenevsky A., Cherepenin V., Sapetsky S.// Physiol. Meas. 2000. V. 21. N 1. P. 89.

4. Корженевский А.В., Туйкин Т.С. // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. 2007. № 1. С. 60.

MAGNETIC INDUCTION TOMOGRAPHY FOR MEDICAL APPLICATIONS

A.V.Korjenevsky, S.A.Sapetsky Institute of Radio-engineering and Electronics of Russian Academy of Sciences

sapetsky@cplire.ru

New magnetic induction tomography method is suggested for brain activity visualization, strokes, brain tumors and blood vascular system diagnostics, by means of conductivity distribution image. Ways of increasing of measurements accuracy and quality of magnetic induction tomogramms are discussed. The experimentally realized images of conductivity distribution in the brain and human body cross-sections are presented.