Аппарат итмо что это
Ученые ИТМО разработали мультифункциональную систему, с помощью которой можно измерить температуру внутри клеток
Ученые Нового физтеха ИТМО создали мультифункциональную систему для доставки лекарств. С ее помощью специалисты могут измерять температуру на наносмасштабе в реальном времени. Рассказываем в нашем материале, зачем вообще и как измерять температуру в клетках.
Елена Герасимова и Виталий Ярошенко. Фото: Лилия Кичигина / Из архива Нового физтеха
Что такое нанотермометрия и где она используется
Нанотермометрия позволяет измерить температуру на нано- и микромасштабе. Она применяется в том числе и для измерения локальной температуры в живых клетках.
Следить за температурой в биологических объектах в реальном времени необходимо, чтобы не допустить нежелательного перегрева клеток, в том числе во время доставки биоактивных соединений из светочувствительных носителей при облучении их светом.
«Если мы говорим о терапевтических целях и локальном лечении, то в этих случаях часто используется лазерное излучение. Но оно очень сильно нагревает клетки и ткани. А их перегрев, в свою очередь, может привести к нежелательным побочным эффектам. Например, он может изменить механизм смерти клеток, повлиять на их деление, экспрессию генов, факторы роста. Если мы будем знать, как при термическом воздействии меняется температура, то это может предотвратить нежелательные явления», — поясняет одна из авторов работы, аспирантка Нового физтеха ИТМО Елена Герасимова.
Как измерить температуру внутри клетки
Чтобы измерить температуру внутри клетки и проверить, можно ли совместить термометрию и доставку биоактивных соединений, ученые разработали мультифункциональную платформу.
Она имеет вид полых капсул. По словам авторов работы, технология изготовления таких объектов довольна проста. Сначала создается ядро на основе карбоната кальция, а затем оно покрывается слоями полиэлектролитов. После этого ядро растворяется этилендиаминтетрауксусной кислотой и внутри получается полая структура. Во время синтеза различные вещества можно загружать как в полость капсулы, так и в ее оболочку.
Снимки различных конфигураций капсул со сканирующего просвечивающего электронного микроскопа (STEM). Размерная шкала 2 микрона. Фото предоставлено Еленой Герасимовой
Также исследователи модифицировали полые капсулы золотыми наночастицами и добавили наноалмазы с азото-замещенными вакансиями. По словам Елены Герасимовой, наноалмазы обеспечивают высокоточное измерение температуры за счет своих квантово-механических и спиновых свойств.
Затем с помощью сдвига оптического детектирования магнитного резонанса (ОДМР) ученые измерили температуру разрушения капсул и локальную температуру в клетках. Исследователи также варьировали концентрацию и расположение золотых наночастиц в носителях. Это позволило контролировать, какую мощность лазера нужно приложить для разрушения капсул. Эти данные в будущем помогут минимизировать пагубное влияние лазерного излучения на окружающие клетки.
«При увеличении концентрации золота в капсуле на разрушение носителя требуется меньшая мощность лазерного излучения. Таким образом, мы можем сократить время воздействия и минимизировать негативное влияние», — объясняет соавтор работы, аспирант Нового физтеха ИТМО Виталий Ярошенко.
Температура разрушения капсул составила 128 °C, точность полученных данных оценивается в 1,12 °C.
«Для нанотермометрических целей это довольно хороший результат. Со стороны можно подумать, что один градус — существенная погрешность, но остальные методы термометрии не обеспечивают такую точность и часто зависят от окружающей среды. Наноалмазы в данном случае показывают полную стабильность измерения температуры как в клетках, так и вне их», — говорит Елена Герасимова.
Одновременно с термометрией ученым удалось провести доставку биоактивного вещества (в данном случае использоваться краситель DAPI). При успешном разрушении носителя DAPI вытекает из него и окрашивает ядро клетки. Исследование проводилось на клетках меланомы кожи.
Ученые также доказали, что разработанная система биосовместима и не токсична. В перспективе такие многофункциональные капсулы могут применяться для целевой доставки лекарств. Этот метод считается перспективным в лечении рака, поскольку позволяет точечно доставить препарат в поврежденную область, не затрагивая при этом здоровые клетки и ткани. А одновременный мониторинг температуры поможет избежать побочных эффектов, связанных с воздействием лазерного излучения и перегревом.
20 главных изобретений ИТМО: от нового языка программирования до наномашин против рака
Подписаться:
Поделиться:
Cуперсовременный лазер, cистема квантовых коммуникаций, гиперреалистичные голограммы — все это за последние двадцать лет придумано и спроектировано учеными и выпускниками Университета информационных технологий, механики и оптики. Университет ИТМО, празднующий в этом году 120-летие, не зря включен в Топ-100 рейтинга университетов мира по направлению «Компьютерные технологии» и в Топ-500 по направлению «Технологии и инженерия» от Times.
Андрей Бреслав. Рубашка и кейп Ianis Chamalidy (Ianis Chamalidy), крест Dolce & Gabbana (ДЛТ), накидка Martynenkov (Martynenkov), шляпа Cocoshnick (Cocoshnick)
Язык программирования Kotlin
Кто? Андрей Бреслав (кафедра компьютерных технологий Университета ИТМО, выпуск 2007 года)
В 2017 году Google объявил Kotlin главным языком программирования Android-приложений наряду с Java. Назвали язык в честь острова в Финском заливе, на котором стоит Кронштадт, и это отсылка к главному конкуренту — языку, получившему имя в честь кофе с индонезийского острова Ява. Детище программиста JetBrains Бреслава идеально совместимо с Java, но при этом оно проще и удобнее для программистов: код на нем выходит на 20-30 % короче. Сами разработчики уверены: благодаря протекции Google и гениальной простоте, многие их коллеги скоро полностью перейдут на Kotlin. Уже сейчас на нем работают более 3 млн пользователей.
Андрей Бреслав: «Kotlin активно развивается на Android и действительно может потеснить Java на этом рынке. Но, кроме этого, мы создаем технологию, при которой один код сможет работать и на Android, и на iOS. А это уникальные перспективы, у конкурентов (Swift, Java) их нет».
Артур Глейм. Куртка Juun. J (ДЛТ)
Система квантовых коммуникаций
Кто? Группа ученых во главе с Артуром Глеймом (руководитель лаборатории квантовой информатики Университета ИТМО)
Трепещи, хакер! Система квантовых коммуникаций делает процесс передачи сигнала до адресата недоступным для атак и взломов. При шифровании такая система использует не математические алгоритмы, а принципы квантовой физики: если математический шифр рано или поздно, но можно раскусить, то с фотонами, которые необратимо меняются при попытке перехвата, уже ничего не поделаешь. В 2014 году команда Глейма запустила первую в России городскую линию квантовой связи между корпусами ИТМО, а в 2019-м — первую междугороднюю.
Артур Глейм: «Проект начинался как фундаментальное исследование, не имеющее вообще никакого отношения к реальному приборостроению. И это здорово, что от теории получилось прийти к созданию реальных устройств и систем квантовой коммуникации».
Андрей Дроздов. Пуловер Dior Homme (Babochka Сoncept Store)
Магнитоуправляемый препарат для растворения тромбов
Кто? Андрей Дроздов, основной исполнитель, сотрудник Международного научного центра растворной химии передовых материалов и технологий (SCAMT) Университета ИТМО
Критические состояния, связанные с закупоркой сосудов (инсульт, инфаркт) — огромная проблема во всем мире, а в России и подавно: до 60 % летальных исходов в нашей стране приходится именно на них. А если тромболитик все же успевает подействовать, то пациента в дальнейшем ждут различные осложнения. Дозировка препарата, разработанного учеными ИТМО, в десятки раз меньше стандартной и позволяет избежать побочных эффектов. Сам препарат доставляется к тромбу с помощью магнита.
Андрей Дроздов: «Эта разработка могла бы сильно сократить смертность от тромбоза, но о клиническом применении говорить пока рано. На реальном рынке этот препарат может появиться лет через пятнадцать: внедрение новых лекарств — это сложный процесс».
Система защиты Петербурга от наводнений
Кто? Александр Бухановский, Сергей Иванов, Анна Калюжная (Национальный центр когнитивных разработок Университета ИТМО)
Именно благодаря этой группе ученых с 2011 года в Петербурге не произошло ни единого наводнения. Бухановский, Иванов и Калюжная разработали комплекс вероятностных и гидродинамических моделей, позволяющих закрывать затворы дамбы, когда это необходимо: система предугадала 16 из 16 наводнений, при этом за восемь лет не было ни одной ложной тревоги.
Анна Калюжная: «Модель воспроизводит уровень Балтийского моря по прогнозу ветра и давления. Мы получаем несколько оптимальных вариантов закрытия затворов дамбы, чтобы спасти город от наводнения, не мешая при этом работе судоходных компаний».
Принципы художественной голографии
Кто? Юрий Денисюк (профессор кафедры фотоники и оптоинформатики, 1927-2006)
Это один из самых значимых вкладов ИТМО в науку. Именно Денисюк открыл трехмерную голографию и метод трехмерных отражательных голограмм. Методом Денисюка была создана уникальная коллекция оптоклонов — ультрареалистичных полноцветных голограмм с изображениями исторических драгоценностей из собраний Музея Фаберже, Алмазного фонда РФ и Государственного фонда драгоценных металлов и драгоценных камней РФ. Благодаря голографии экспонаты можно будет выставлять на другом конце планеты, не вывозя их из «музея прописки».
Сергей Стафеев,научный руководитель музея оптики Университета ИТМО: «Сейчас для голограмм нужны не огромные столы, а мобильная камера — с ее помощью делаются ультрареалистичные оптоклоны прямо в музейных залах. Последние достижения — созданные совместно с Греческим институтом голографии оптоклоны коллекции императорских яиц Фаберже и коллекции сокровищ Гохрана России».
Система Li-Fi
Кто? Сергей Щеглов (заведующий лабораторией факультета лазерной фотоники и оптоэлектроники), Ольга Козырева (ассистент факультета, ведущий специалист исследования)
Li-Fi — это как Wi-Fi, но интереснее: вместо радиочастотного сигнала в роли передатчика выступает видимый свет. Данные передаются в сотни раз быстрее, чем с помощью других беспроводных сигналов, а сам канал отлично защищен от внешнего вмешательства. Кроме того, Li-Fi можно использовать там, где Wi-Fi может создать помехи, например в салоне самолета или в операционной.
Ольга Козырева: «Цели заменить Wi-Fi нет — есть цель дополнить его функции. Меньшая площадь покрытия подстроит подачу сигнала под каждого отдельного пользователя».
Ученые Университета ИТМО разработали метод беспроводной передачи сигнала в МРТ
Ученые Университета ИТМО впервые в мире смогли доказать эффективность беспроводной передачи сигнала в клинических задачах магнитно-резонансной томографии. При этом получаемые МР-изображения не уступают и даже превосходят по качеству те, которые получаются на томографах с помощью повсеместно используемого метода передачи сигнала по радиочастотным кабелям. Разработка уже прошла первые клинические испытания на добровольцах в медицинском исследовательском Центре им. В.А. Алмазова в Петербурге, а также получила премию Американского физического общества. Результаты работы ученых были опубликованы в MagneticResonanceinMedicine, наиболее авторитетном научном издании в области медицинской МРТ.
Как работает передача сигнала в классических МР-томографах
В клинических томографах возбуждение осуществляется при помощи единой передающей катушки, расположенной под обшивкой внутренней части корпуса томографа. Она незаметна для пациента. Использовать ее для приема радиочастотного отклика протонов в медицинской диагностике удобно, но так не делают, потому у катушки очень низкая чувствительность. Дело в том, что отклик протонов настолько слабый, что выделить его на фоне шумов можно, только если приемная антенна будет расположена непосредственно на пациенте. Поэтому в каждом МРТ центре имеется набор приемных антенн, специально разработанных для сканирования различных органов и отделов организма. Так существуют приемные катушки для головы, тела, конечностей, спины и другие. В каждом случае они имеют специально подобранные форму и размер. Перед проведением сканирования приемная катушка размешается на пациенте и подключается к разъему приемного устройства при помощи кабеля. Приемные катушки достаточно дороги из-за их уникальности, при этом они должны быть изготовлены производителем томографа. Иначе катушку будет не подключить к разъему на томографе из-за систем идентификации.
Составные части МР-томографа
Что сделано
Ученые университета ИТМО усовершенствовали технологию работы катушек так, что удалось отказаться от использования кабелей и подключения к разъемам приемника. Для этого нужно сделать так, чтобы сигнал от приемной катушки (той самой, которая надевается на исследуемую область тела) попадал в приемник не по кабелю, а беспроводным способом.
Как это сделать? Усовершенствовать приемную катушку и связать ее с катушкой за корпусом томографа посредством резонансной индуктивной связи. В предложенном методе радиочастотный отклик принимает беспроводная приемная катушка – специально разработанный резонатор, располагаемый на пациенте. Затем сигнал беспроводным способом практически без потерь передается катушке за корпусом без проводов. И лишь затем попадает в приемник.
Ученые Международного центра нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО разработали новую структуру беспроводной катушки, которая сходна со структурой элементарных ячеек метаматериалов. Речь идет о метасоленоиде – периодической структуре из разомкнутых контуров, которая работает как соленоид с однородным магнитным полем только в радиочастотном диапазоне и при этом не взаимодействует с постоянным полем магнита. Метасоленоид и катушка за корпусом томографа образуют систему индуктивно связанных резонаторов на рабочей частоте томографа (63.8 МГц для клинического томографа с полем магнита 1.5 Тл), благодаря чему достигается беспроводная передача сигнала.
При этом беспроводная катушка также помогает сфокусировать поле катушки за корпусом. Благодаря использованию метасоленоида в качестве беспроводной катушки можно получить однородное магнитное поле по всей области фокусировки. То есть можно, например, концентрировать магнитное поле лишь в пределах области сканирования, на определенном участке тела.
Станислав Глыбовский
С использованием беспроводной катушки удается произвести возбуждение протонов с тем же уровнем радиочастотного магнитного поля при мощности передатчика в 50 раз ниже. В режиме приема удается доставить в приемник принятый сигнал беспроводным способом практически без потерь.
«Испытания беспроводной катушки показали, что она не менее эффективна, чем традиционная проводная, и может иметь даже более низкий коэффициент потерь сигнала, чем при передаче через кабель. То есть мы получаем более качественное изображение с лучшим соотношением сигнал/шум. Кроме того, сама катушка удобна в использовании, так как отсутствует необходимость ее подключения», – прокомментировал автор статьи, научный сотрудник кафедры нанофотоники и метаматериалов Станислав Глыбовский.
Ученый может наверняка говорить об улучшении характеристик изображений с использованием новой технологии, так как уже были проведены ее клинические испытания и сделаны сравнения с коммерческими катушками, используемыми на данный момент в центрах МРТ.
Разработка и клинические испытания
На этапе разработки беспроводной катушки в томографах ученые Университета ИТМО сотрудничали со специалистами ООО «С.П.Гелпик». Это отечественный производитель оборудования для медицинской диагностики. На оборудовании компании удалось изучить и отладить механизм взаимодействия беспроводной катушки с катушкой за корпусом томографа.
Клинические испытания разработанной катушки были проведены в рамках Института трансляционной медицины Университета ИТМО совместно с сотрудниками научно-исследовательской лаборатории магнитно-резонансной томографии медицинского Центра им. В.А. Алмазова. Консультации также проводились с коллегами из Университетского медицинского центра города Утрехт в Голландии. Но перед началом испытаний на добровольцах ученым нужно было пройти этический комитет.
Партнеры из Центра им. В.А. Алмазова
Чтобы сделать это, было проведено компьютерное моделирование работы беспроводной катушки в составе томографа, чтобы показать ее безопасность для организма человека. С помощью расчета и с использованием детальной модели организма человека ученые проанализировали, как распределяются магнитные поля и как происходит нагрев живых тканей. Затем исследователи в течение около полутора лет тестировали работу катушки на фантомах. Это емкости с жидкостью, которая имеет усредненные электромагнитные свойства тканей организма. Также некоторое время у исследователей ушло на то, чтобы правильно настроить томограф на работу с новой катушкой. В этом ученым из Университета ИТМО очень сильно помогли специалисты Центра Алмазова.
После этого начались сами клинические испытания, которые проводились со здоровыми добровольцами. Ученые сканировали запястный сустав с помощью новой беспроводной катушки и коммерческой катушки таких же размеров, подключаемой кабелем, а затем сравнивали качество снимков.
«Мы получили результаты in vivo. В этом и была наша задача: убедить медицинское сообщество в эффективности беспроводной передачи сигнала для клинических применений в сравнении со стандартным методом. До нас это никому еще не удавалось, да и мало кто исследовал беспроводные катушки. В статье, которая опубликована в MagneticResonanceinMedicine, мы детально разбираем, как сделана наша катушка и как ее необходимо использовать, чтобы это мог понять и инженер, который делает МР-томографы, и врач, который проводит диагностику», – сказал Станислав Глыбовский.
Что говорят медики
О преимуществах новой беспроводной катушки с точки зрения медиков ITMO.NEWS рассказал Александр Ефимцев, заведующий научно-исследовательской лабораторией лучевая визуализация НИО лучевой диагностики Центра Алмазова. Он также выступает соавтором научной статьи по итогам разработки катушки.
Во-первых, отсутствие необходимости подключать провод позволяет разместить катушку в независимости от разъема, максимально удобно и близко к исследуемой зоне. Это уменьшает время укладки пациента и соответственно ускоряет скорость проведения исследования. Во-вторых, пациенты с разным объемом исследуемых частей тела, например коленного сустава, смогут быть обследованы с максимальным качеством. В-третьих, иногда очень тучные пациенты не помещаются в радиочастотную катушку, приходится использовать гибкую катушку для тела, при этом качество изображения может ухудшаться, либо время исследования увеличивается в 2-3 раза.
Александр Ефимцев
Что касается непосредственно исследований кистевого сустава, они выполняются на большинстве аппаратов с применением катушки для коленного сустава, из-за чего пациент вынужден лежать на животе с вытянутой рукой в течение 20 минут и при этом не шевелиться. Это затруднительно, особенно для пожилых людей: рука затекает, пациент шевелит ей, медперсоналу приходится переделывать программы. В случае с беспроводной катушкой ее можно разместить прямо на животе у пациента, спокойно положить туда руку. В результате пациенту комфортно, он может поспать, а врачи в это время без осложнений сканировать и 20, и 30 минут. Это очень важно, подчеркнул Александр Ефимцев.
Также, у стандартных катушек есть одна особенность – краевые артефакты, которые возникают из-за слабого сигнала по периферии. У беспроводной катушки такой эффект отсутствует, изображение абсолютно равномерно по яркости, контрастности и геометрии по всему полю обзора. А ведь такие мелочи составляют ценную диагностическую информацию.
«Качество изображений, получаемых с помощью такой беспроводной катушки, на самом деле выше, даже со стандартными импульсными последовательностями, при правильном выборе параметров настройки как самой катушки, так и протокола. И особенно это заметно при использовании специальных импульсных последовательностей: T1-градиентное эхо, диффузионная и диффузионно-тензорная визуализация, МР-спектроскопия. Здесь превосходство практически в два раза! Сейчас в процессе разработки – модификация катушки для головы, самой неизученной «части» человека. Мы с нетерпением ждем начала испытаний, и если все пойдет успешно, исследования заболеваний головного мозга будут идти уже на новом уровне. Так что, складывая все перечисленные факторы воедино, можно смело сказать, что катушка, разработанная вместе с учеными Университета ИТМО, весьма стоящая, в некоторых отношениях намного лучше стандартных катушек», – прокомментировал Александр Ефимцев.
Дальнейшие перспективы
Процедура МРТ
На текущем этапе ученые Университета ИТМО разработали катушку только для запястного сустава. Однако в перспективе – работа над катушками и для других органов и суставов. Так, сегодня существует необходимость создания катушки для эффективного исследования молочных желез или областей, в которых очень много мелких суставов, хрящей, сухожилий, в том числе, это ступни, кисти рук, привела примеры ведущий автор статьи Алёна Щёлокова, научный сотрудник кафедры нанофотоники и метаматериалов. Чем более хорошо катушка-соленоид будет принимать радиочастотный отклик тканей, тем более детальное изображение можно получить.
«МРТ – это одно из немногих приложений использования метаматериалов в радиочастотном диапазоне. Антенна, созданная по подобию метаматериалов, может регистрировать только узкополосный сигнал, а томограф как раз работает в конкретной узкой полосе частот. Именно на этом примере мы можем видеть, как метаматериалы находят применение в технике. И в этом случае большую роль играют междисциплинарные исследования. Так, изначально мы думали, что с нашей стороны будет достаточно разработать катушку и передать ее медикам, чтобы они сами исследовали, как ее применять на практике. Однако, в ходе работы мы увидели, что без детального понимания особенностей функционирования томографа на практике и запросов врачей мы не смогли бы сделать устройство, которое обладало бы преимуществами над проводными катушками и которое можно было бы встроить в работающий томограф. Знания, которые мы получили в ходе этой научной работы, помогут в дальнейшем улучшении МРТ», – подчеркнула Алёна Щёлокова.
Признание научным сообществом
По словам Станислава и Алёны, они не были уверены, что статья об их разработке будет принята журналом MagneticResonanceinMedicine, так как убедить научное сообщество в возможности улучшения повсеместно распространенной технологии диагностики непросто. Однако оказалось, что предложенный метод вызвал интерес как в физическом, так и в медицинском сообществах.
Алёна Щёлокова
Так, еще на конференции Metamaterials-2017, которая состоялась в августе прошлого года, стендовый доклад о физических принципах работы катушки был признан лучшим Американским физическим обществом (AmericanPhysicsSociety). Сама конференция является самой крупной и авторитетной в области метаматериалов. Более того, результаты клинических испытаний катушки ученые Университета ИТМО представят в рамках устного доклада на ведущем симпозиуме по МРТ JointAnnualMeeting ISMRM-ESMRMB-2018, который состоится в июне в Париже.