Российские ученые разработали инновационный томограф

Вот и близятся новогодние праздники, а вместе с ними и сроки подачи отчётов по выделенным на исследования грантам. Именно в это время наступает пора чудес и неожиданных открытий. Так, пару дней назад в сети появились статьи с громкими заголовками: «Российские ученые сделали инновационный томограф!», «Российские инженеры создали новый МРТ-томограф для людей с лишним весом» со ссылками на сайт МИСиС. Давайте разберемся, так ли это, и почему в российских больницах стоят только зарубежные аппараты.

Это уже не первый раз, когда я натыкаюсь на статьи подобного содержания, однако в случае вышеупомянутых шедевров, концентрация искажения информации достигает критических величин, вгоняя монитор в желтую краску. Одна из причин почему тексты о таких «инновациях» имеют право на жизнь — это большой пробел в информации по медтехнике на русском языке (и МРТ в частности). И что самое печальное, это далеко не первый случай таких новостей, они всплывают с завидной регулярностью. Давайте же здраво оценим отечественные достижения в области томографостроения, но рассмотрим их немного более подробно с технической и физической сторон, чем это обычно принято описывать в таких громких новостях.

И прежде чем приступить к разбору, для начала познакомимся с самым популярным заблуждением. Многие люди часто путают магнитно-резонансные томографы (МРТ) и компьютерные томографы (КТ):



Взглянем на типичные аппараты МРТ и КТ, в корпусах и без. Хоть их задачи в области медицинской диагностики и близки, а визуально эти бублики похожи друг на друга, принцип их работы абсолютно разный. Под пластиковым кожухом МРТ вы обнаружите толстую стальную бочку, наполненную жидким гелием и сверхпроводниками, а под капотом у КТ есть куча электроники, размещенной на большом роторе, который с огромной скоростью вращается вокруг пациента.


В клинических аппаратах МРТ используются магнитные поля огромной величины (от 0.35 до 7 Тесла, поле Земли для сравнения 0,00005 Тесла), создаваемые как постоянными/электромагнитами, так и сверхпроводниками погруженными в жидкий гелий. Будучи помещенными в сильное магнитное поле, ядра атомов водорода (протоны) способны принимать и отдавать энергию в виде радиоволн на определенной резонансной частоте. Картинка в МРТ строится путем приёма этих сигналов на антенны аппарата. В компьютерном томографе напротив, никаких магнитных полей нет. КТ — это по-сути рентгеновский аппарат, который позволяет строить полноценные 3d-изображения за счет того, что крутится вокруг пациента по спиральной траектории. МРТ прекрасно «видит» мягкие ткани, которые практически прозрачны для рентгена. В свою очередь КТ хорош для диагностики скелета, а также может быть использован, если в теле пациента есть металл.



Отличить МРТ от КТ очень просто — корпус типичного МРТ длинный и увесистый, так как конструкция должна обеспечивать очень хорошую однородность магнитного поля в центре криостата, где лежит пациент. Корпус же аппарата КТ сравнительно плоский в продольном направлении, а еще зачастую умеет отклоняться от вертикали. Также, в аппаратах КТ, в центре корпуса есть кольцо из черного пластика, которое стоит как раз в том месте, где проходит луч от рентгеновской трубки, в МРТ такого нет. Вооруженные этой информацией, теперь вы легко можете обнаружить, когда показывают фото нового свежезакупленного аппарата для мед центра, или какой-нибудь репортаж с открытия производства, а на картинках демонстрируют томографы совершенно другого типа. Ну например, как тут, в уже упомянутой новости об очередной инновации:



Разумеется, фото нового «инновационного МРТ» секретное, вместо него поставили этот КТ. Может это не особо-то важно, ну взяли журналисты первую попавшуюся картинку из поисковика, они постоянно так делают. Но на мой взгляд, знать разницу между КТ и МРТ полезно, хотя бы потому что оба типа томографов предназначены для диагностики совсем разных вещей, и не всегда могут заменять друг друга. Ну а ещё аппарат КТ в среднем стоит около 40 млн. руб., а вот МРТ — аж 90 млн. руб. Разве не обидно, когда говорят что разработали спорткар, а на фото показывают жигуль?

Теперь наконец заглянем в первоисточник новости из заголовка, и посмотрим, что же там на самом деле разработали. Как оказывается, все более скромно: вместо нового томографа была создана технология производства магнитомягких материалов, которые в перспективе могут быть использованы, в том числе, и для создания МРТ на постоянных магнитах. Правда от кусочка магнита до полноценного аппарата МРТ с кучей сложных инженерных систем, электроники и софта — примерно как от кусочка керамики до Спейс шаттла. Еще напрягает, что точно такая же новость с менее броским заголовком была на этом же сайте, с теми же картинками в 2017 году.




Непонятно, по какой причине авторы исследования решили делать акцент на МРТ, магниты ведь используются в огромном количестве областей. Разработали бы уж поезд на магнитном подвесе — там еще больше магнитов можно поставить. Но что самое забавное, при этом зачем-то привязались именно к весу пациентов, и, в то время как большинство современных (и не очень) МРТ и так рассчитаны на вес до 250 кг, в тексте нас просто дезинформируют про существующие ограничения в якобы 120-150 кг. Вот серьезно, возьмём в качестве примера один из самых маленьких аппаратов МРТ, который весьма популярен в российских клиниках — это Siemens «Magnetom C!», где даже стол пациента без автоматического электропривода и передвигается вручную персоналом. Даже этот малыш рассчитан на вес пациента до 200 кг. Бонусом, как и у многих дешёвых моделей, где не используются сверхпроводники, магниты у зарубежного аппарата сделаны в виде двух «блинов» над и под пациентом. Такая конструкция томографа отлично подходит как для тучных людей, так и для людей с клаустрофобией.



Никаких фото или характеристик устройства разработанного томографа конечно не приводится (ну кроме как цифр в духе на 100500% быстрее, выше, сильнее). Ну да ладно, предположим, что экспериментальный образец на самом деле спрятан где-то в недрах НПО «МАГНЕТОН», и при этом он и правда существенно дешевле конкурентов, а также как следует из заявлений в статьях, потребляет крайне мало энергии. Но даже в этом случае есть проблема, так как отечественный МРТ с ровно такими же эпитетами («дешевый», «инновационный», «энергоэффективный») уже был создан девять лет назад (а по заявлениям авторов, и вовсе раньше), под названием «народный томограф Юнитом». Вот этот красавчик:



Юнитом также позиционировался как супер-дешёвый аналог зарубежным томографам, где вместо дорогих километров сверхпроводников в жидком гелии, стояли дешевые постоянные магниты. Заявлялось также, что аппарат настолько энергоэффективен, что может работать хоть от солнечных батарей, в противовес какому-нибудь полуторатесловому монстру от General Electric, который во время проведения сканирования «жрёт как девятиэтажка».

А еще в рекламе Юнитома в качестве примеров демонстрировались картинки, полученные на магнитно-резонансных томографах совершенно разного класса. И тут мы приходим ко второму часто эксплуатируемому заблуждению об МРТ, касающемуся качества изображения. Чтобы с ним разобраться, взглянем на их рекламу (сканы колена):



Казалось бы, действительно, зачем переплачивать кучу денег за сложные криогенные системы и сверхпроводники, когда картинка у дешёвого томографа на постоянных магнитах не хуже чем у дорогущих сверхпроводящих собратьев. Но как всегда, есть нюанс. Дело в том, что сигналы магнитного резонанса, из которых и строится картинка, напрямую зависят от величины магнитного поля. Чем больше в томографе будет Тесла — тем больше ядер в теле пациента будут принимать и отдавать радиосигналы, делая картинку ярче, а детали — все отчётливее. Однако, с давних времен существуют хитрость, за счет которой любой периодический сигнал можно увеличить на фоне вездесущего шума, и имя ей — усреднение по времени. Повторим сканирование несколько раз подряд, усредним результаты, и получаем более годное изображение. Вот пример графика, который на черной кривой демонстрирует как растет сигнал магнитного резонанса в зависимости от величины магнитного поля томографа. Все просто: больше Тесла, лучше сигнал.



В тоже время серая кривая (терминология от Philips, NEX — number of excitations) грубо говоря демонстрирует как можно увеличить величины получаемых сигналов, если мы будем использовать несколько сканирований подряд, а затем усреднять результат. Теперь обратим внимание на точки, обведенные кружочками. Они буквально дают понять: если у нас есть томограф, и мы хотим увеличить наш сигнал, а равно и качество картинки, в два раза, то мы можем либо сделать новый томограф, где магнитное поле будет больше ровно в два раза, либо заставить пациента полежать в старом в четыре раза дольше. Поле аппарата Юнитом составляет всего 0.15 Тесла, что в 10 раз меньше, чем у самых массовых 1.5-Tесловых МРТ сканеров. Если судить даже по этому упрощенному графику, то чтобы получить на таком аппарате именно такую же картинку как в поле 1.5Т, потребуется безумное количество времени (если это вообще возможно). Усреднение применяется во всех без исключения низкопольных (0.05–0.35 Тесла) МРТ. Именно поэтому если вы идете делать обследование на такой аппарат, приготовьтесь вздремнуть в процессе, так как это может занять весьма прилично времени, а шевелиться при этом никак нельзя. Также учтите, что в наших реалиях бывает, что оператор идет пить чай или курить, ибо ему тоже скучно ждать (всегда требуйте дать вам аварийную кнопку в виде резиновой груши, она есть во всех томографах). Разумеется коммерческим медицинским центрам такое не по нраву. Чем быстрее прошел обследование пациент — тем быстрее капает прибыль. Это одна из причин, почему сканеры на основе сверхпроводников, способных поддерживать магнитные поля 1-3Т так популярны на рынке по всему миру, даже несмотря на их огромные цены. В высоком поле сканирование идет в разы быстрее. Рынок диктует свои правила, и Юнитом в итоге так и не пошел в массы. В компании-производителе посчитали, что даже с такой низкой ценой экономически целесообразно выпускать томографы в объемах не менее 100 штук в год. Такого спроса на них просто нет. На фоне истории Юнитома разработка очередного прорывного томографа на постоянных магнитах выглядит не очень разумным решением. Разве что, его делают просто чтобы сделать. Для соперничества с огромным рынком зарубежного оборудования (в том числе и дешевого б/у), нужно предложить что-то более современное и конкурентоспособное.

И такая попытка также была сделана в 2016 году. Огромное желание поквитаться с ненавистными зарубежными производителями и сделать наконец-то полноценно отечественный продукт привело к появлению первого отечественного высокопольного 1.5Т томографа RTI FullScan:



Как заявлялось, RTI FullScan это томограф «нового поколения» с полем 1.5Т и сверхпроводниками (вот только за рубежом уже вовсю тестируются машины с полем в 7Т). Но даже несмотря на мои попытки юморить, с инженерной точки зрения это разработка впечатляющая. Самая дорогая и секретная часть любого современного МРТ аппарата — это сверхпроводники, спрятанные внутри толстой стальной обшивки, а также огромное количество гелия, который периодически надо пополнять. Технологии работы со сверхпроводниками были в Физическом институте им. П.Н. Лебедева (ФИАН) РАН, где и построили полноценный криостат с магнитным полем в 1.5Т. Сколько это стоило, вам лучше и не знать. Однако, самым интересным фактом является заявление об успешном изготовлении криостата по технологии так называемого «сухого магнита», которая действительно является трендом у крупнейших мировых компаний разработчиков МРТ. Она шифруется под названиями «Freelium» у General Electric и «BlueSeal» у Philips. Если вкратце, то сверхпроводники в гелии штука небезопасная, в плане того, что если хоть какая-то часть проводника по какой-либо причине вздумает потерять своё сверхпроводящее состояние, то возникает лавинообразный процесс высвобождения энергии, которая переходит в тепло (а её там запасено около 2.5 Мегаджоулей в случае 1.5Т сканера). Этот процесс называется «квенч».

Именно поэтому у высокопольных томографов сверху есть широкая труба, чтобы было куда сбросить гелий в случае аварии. Повторная заправка полутора тысяч литров гелия стоит баснословных денег, и постоянно дорожает с учетом его растущего дефицита (в России, насколько мне известно, сейчас действует всего один завод по его производству). Технология «сухого магнита» предполагает запечатывание сверхпроводников в вакуумной камере с дополнительными охлаждающими элементами. Используется все тот же гелий, но уже в гораздо меньшем количестве, настолько малом что даже случись квенч, весь газ останется внутри криостата.



Демонстрация технологии «BlueSeal» от Philips. Это безусловно прорывная технология и очень круто, если отечественные инженеры и правда смогли её освоить. А вот что не круто, так это то, что похоже этот аппарат так и остался всего в одном экземпляре, и пока никто не собирается начинать производство новых. После урезания внешнего финансирования проект дальше не полетел, FullScan хоть и сделан у нас, и вроде работает, но не используется.

В итоге, на фоне таких новостей о прорывах в области отечественного томографостроения, у вас вероятно вырисовывается не очень радужная картина. Давайте совсем добьём её, взглянув на доступную в сети статистику по закупкам аппаратов:



Несмотря на то, что фокус данной статьи смещен в сторону магнитно-резонансных томографов, и я искал информацию в основном про них, я был также неприятно удивлен малому количеству отечественных компьютерных томографов, которые казалось бы проще по конструкции.

Еще важно отметить, что это статистика только по госзакупкам. Сюда не включены частные диагностические мед. центры, в которых стоит гораздо больше оборудования, а доля иностранных аппаратов вероятно около 100%, так как для рентабельности там в основном используют подержанные томографы из-за рубежа.

Таким образом, когда вы видите новости, подобные той, с которой началась эта статья, включайте свой скептицизм на сто процентов. Как видно из рассмотренных историй и заявлений, даже героической разработки «прорывной» технологии недостаточно, если на рынке она уже никому не нужна и в итоге разработка просто идет в стол. Особенно хорошим индикатором того, что что-то явно будет не так, является замах на создание сложнейшего оборудования с нуля без особой оглядки на существующие и прошлые аналоги.

Спасибо за внимание.