Разработка датчика среднеполевого магнитнорезонансного томографа для визуализации и определения витальности эмбрионального развития уток

Основными методами исследования жизнеспособности эмбрионов птиц являются инвазивные способы, связанные со вскрытием яиц на различных стадиях развития, что делает не возможным дальнейшее их существование [3, 4, 5]. Определение витальности эмбрионов на ранней стадии развития возможно по деятельность сердца и коронарных сосудов, которые формируются, начинают функционировать и визуализируются в период 3-8 суток инкубации яиц в зависимости от вида птиц [2, 8, 9]. Физиологические признаки деятельности сердечно-сосудистой системы возможны к использованию для неинвазивных исследований развития эмбрионов при определении их витальности.

В современном мире магнитнорезонансная томография применяется практически во всех областях науки. Применения метода магнитно-резонансной томографии позволит исследовать развитие эмбрионов на различных стадиях неинвазивным способом и получить как изображения зародышей, так и интегральные физические характеристики инкубируемого яйца. Такие исследования предпочтительны как с экономической, так и с этической точки зрения.

В связи с этим, целью исследований стало усовершенствование датчика магнитно-резонансного томографа для визуализации эмбрионов птиц на разных стадиях развития.

Материал и методы исследований . Материалом исследований стали 40 утиных эмбрионов в период с 1 по 8 сутки инкубации. Использовали инкубатор Блиц Матрица дели ( Россия ) , с разработанным режимом инкубации утиных яиц: в период 1-7 сутки – температура 38-38,3 ⁰С, влажность воздуха – 75 %, при автоматическом повороте яиц однократно в течение 3 часов. На 8 сутки – температура 37,8 ⁰С, влажность воздуха – 60 %, количество поворотов сохранено.

Жизнеспособность эмбрионов определяли методами анатомирования и магнитно-резонансной томографии. Анатомирование эмбрионов проводили ежесуточно инвазивным способом, путем вскрытия скорлупы размером достаточным для визуализации желтка и зародыша. При проведении эксперимента руководствовались правовыми и этическими нормами, которые устанавливают, что до вылупления эмбрионы птиц не считаются полноценными живыми организмами, и работа с ними не противоречит правилам этики при работе с лабораторными животными [7].

Томографирование эмбрионов проводили в лаборатории методов медицинской физики КФТИ – ОСП ФГБУН ФИЦ КазНЦ РАН. Использовали магнитно-резонансный томограф для диагностики суставов человека собственной разработки, в котором сконструировали приемный датчик под исследование эмбрионов птиц диаметром до 60 мм [6]. Прототипом для разработки использовали приемный датчик для коленного сустава, который позволял исследовать объекты, размером не превышающие 200х150 мм [1].

Результат исследований .

Среднеполевой магнитно-резонансный томограф, в отличие от высокополевого, имеет худшие характеристики в соотношения сигнал-шум, что стало предпосылкой для оптимизации приемнопередающей системы установки при исследовании конкретных объектов. Для таких объектов, как яйца птиц, суставной приемный датчик не является оптимальным, поскольку витки приемной катушки расположены на удалении от объекта исследования, что уменьшает амплитуду принимаемого сигнала и ухудшает отношение сигнал-шум. В связи с чем был разработан специальный приемный датчик для исследования эмбрионов птиц.

Передающая катушка датчика томографа имеет седловидную форму, создающую возбуждающее поле во всем объеме поля зрения 150х200 мм (Рисунок 1 а). Ее размеры оказывают влияние только на мощность передатчика, требуемую для возбуждения спин-системы объекта, поэтому может быть использована и для объектов меньшего размера без ухудшения качества. Приемный датчик должен быть согласован со входом предусилителя на рабочей частоте томографа, составляющей в нашем случае 17,5 МГц. Приемная катушка датчика для коленного сустава соленоидального типа имеет диаметр 150 мм и состоит из шести параллельно соединенных витков (Рисунок 1 б). Их расположение специально подобрано для обеспечения максимальной однородности поля, создаваемого датчиком при подаче на него сигнала, чтобы получить максимально равномерную чувствительность к сигналам от различных точек поля зрения.

Проблема разработки нового датчика состояла в том, что, если просто уменьшить размеры без изменения параметров обмотки, индуктивность датчика становилась слишком маленькой для согласования с предусилителем. Поэтому была предложена конструкция катушки с последовательным соединением витков. Расчет оптимальной индуктивности дал количество витков, равное четырем. Модель обмотки представлена на рисунке 1 в.

Рисунок 1 – Модели передающей (а) и приемной катушки магнитно-резонансного томографа для обследования: а, б – суставов; в – эмбрионов

Была изготовлена приемная катушка, согласована со входом предусилителя. Проведенная оценка шумов сигнала показала, что отношение сигнал-шум для нового датчика улучшилось в 7,7 раза, что позволило проводить исследования, требующие большей чувствительности и разрешающей способности по яркости элементов изображений, а также обеспечило большую точность измерения интегральных характеристик.

На томографе, с разработанным новым датчиком, были получены изображения срезов эмбрионов утки на 4 сутки инкубации. При сравнительном исследовании на анатомированном эмбрионе хорошо визуализированы желток, зародыш и кровеносные капилляры (Рисунок 2а).

Рисунок 2 – Изображение яйца уток на 4 сутки инкубации, полученные методом: а – анатомирования; б – МРТ изображение с контрастом по Т1 (TR=500 мс, TE=20 мс), в – МРТ

по Т2 (TR=2000 мс, TE=90 мс)

Подобное изображение получено методом магнитно-резонансного томографирования, где в полном размере инкубационного яйца контрастно представлены зоны зародыша, желтка и белка, дающие возможность сопоставить соотношения структур содержимого яйца (Рисунок 2 б, в).

Заключение . Разработан новый датчик среднеполевого магнитнорезонансного томографа для исследования эмбрионов птиц, который превосходит предыдущие аналоги по чувствительности и точности измерения параметров. Принципиальное отличие изготовленной модели заключается в конструкции, состоящей из 4 последовательных витков, отличающейся от ранее использованного датчика с параллельными витками, что обеспечило более высокие характеристики томографа для исследования эмбрионов.

Разработка датчика является решением важной задачи раннего выявления оплодотворенности яиц и жизнеспособности эмбрионов не инвазивным способом. Перспективность дальнейших исследований обуславливается расширением возможностей применения датчика для регистрации колебаний сердца и кровеносных сосудов эмбрионов, по которым с большей результативностью будет возможно определять жизнеспособные эмбрионы на ранних стадиях инкубации. Исследования приобретают еще большую актуальность при проведении диагностики на витальность зародышей племенных птиц, поскольку инкубационные яйца имеют высокую стоимость, а при более ранней выбраковке повышается эффективность использования инкубатория.

Резюме

Представлено решение по разработке приемного датчика среднеполевого магнитнорезонансного томографа, используемого для исследования эмбрионов птиц. Показаны модели ранее использованных датчиков и нового датчика. Разработанный датчик состоит из четырех последовательных витков диаметром 60 мм и характеризуется оптимальными параметрами импеданса для рабочей частоты томографа 17,5 МГц. Оценка шумов сигнала показала, что соотношение «сигнал-шум» улучшилось в 7,7 раза и обеспечило большую точность измерения интегральных характеристик.

Установлена сопоставимость изображений эмбрионов уток, полученных на магнитнорезонансном томографе с новым разработанным датчиком, с изображениями анатомированных эмбрионов. Визуализированы зародыш, желток и белок яйца на 4 сутки инкубации. Перспективность дальнейших исследований на магнитно-резонансном томографе обусловлена расширением возможностей применения нового датчика для определения неинвазивным способом жизнеспособности эмбрионов по колебаниям сердца и сосудов на ранних стадиях инкубации.